煤礦智能無人采煤工作面開采關(guān)鍵技術(shù)分析

郭朋超

（內(nèi)蒙古平莊煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司紅廟煤礦，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

由于煤炭開采過程中，有可能產(chǎn)生的危險因素較多，其中頂板災(zāi)害發(fā)生的概論較多，并且隨著支撐保護(hù)技術(shù)的運(yùn)用逐漸成熟，頂板災(zāi)害在一定程度上得意緩解，但是，在實(shí)際的煤炭采集過程中，仍然出現(xiàn)了許多安全性問題。

1 采煤工作面的發(fā)展現(xiàn)狀

1．1 自燃問題

在煤礦采集過程中，煤礦通過接觸氧氣發(fā)生氧化，產(chǎn)生熱量，加上硫元素、磷元素、硫化鐵元素自身具備一定的水作用，更加引發(fā)其產(chǎn)生發(fā)熱自燃現(xiàn)象。同時，煤炭表面一旦收到氧化作用后便產(chǎn)生氧化熱量現(xiàn)象，一旦采煤現(xiàn)象通風(fēng)不良，所產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，那么，采礦現(xiàn)場的整體溫度就會慢慢上升，致使煤礦的氧化作用也就快速加劇，如此長期以往，達(dá)到一定溫度后，煤炭極有可能產(chǎn)生自燃現(xiàn)象，引發(fā)火災(zāi)。面對此類問題，技術(shù)人員應(yīng)該針對采煤現(xiàn)場的環(huán)境因素進(jìn)行探討，比如，地質(zhì)結(jié)構(gòu)、采煤技術(shù)、生產(chǎn)流程、設(shè)備管理等因素，均會對采煤工作面的整體長度形成一定制約條件。

1．2 頂板問題

在煤礦采集現(xiàn)場，頂板事故發(fā)生的概率較大，通常按照按冒頂范圍的大小可分為：局部冒頂問題以及壓垮型大面積冒頂問題。在礦山局部強(qiáng)大壓力的作用下，由于山體局部產(chǎn)生空幫、空頂或支撐保護(hù)不當(dāng)、不及時造成煤炭、巖石局部垮落的事故叫局部冒頂。而產(chǎn)生大面積冒頂?shù)脑蚴且虻V山自身結(jié)構(gòu)的壓力過大，其主要因素是由于直接頂或老頂產(chǎn)生高強(qiáng)度壓力時，由于支撐體系整體密度不夠，或者頂板沉降不均衡而造成的支撐支架斷裂、垮塌現(xiàn)象，致使采集、挖掘以及維護(hù)的相關(guān)工作大面積垮落的事故，被稱為壓垮型大面積冒頂。

1．3 爆炸問題

在煤礦采集過程中，根據(jù)瓦斯爆炸現(xiàn)象的本質(zhì)而言，主要由于當(dāng)適量濃度的瓦斯與空氣中的氧氣進(jìn)行充分接觸，如果氧氣內(nèi)部溫度較高，會產(chǎn)生劇烈的爆炸現(xiàn)象。而煤炭粉塵產(chǎn)生爆炸，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)中必須具備三個條件：煤塵本身具有一定的爆炸性；煤塵長期在空中處于懸浮狀態(tài)，在環(huán)境結(jié)構(gòu)中達(dá)到一定濃度；周邊存在高度熱量源頭。

1．4 水資源泄漏問題

除了以上問題可以引起煤礦危險，水資源的泄漏也同樣需要開采人員的注意，其中，引起礦井水災(zāi)的關(guān)鍵性決定因素有水源、水流通道、水流聚集地聚集以及通道自身排水條件等。加上煤礦在開采過程中，所接觸到的水源有地表水源和地下水源兩種形式。其中，地表水源主要指的是河流、湖泊、水庫等；而地下水源則是指地下層間水源、土質(zhì)構(gòu)造裂隙水源、溶洞內(nèi)部結(jié)構(gòu)水源、老窯積水等。而涌水通道指的是土層內(nèi)部產(chǎn)生構(gòu)造性斷裂帶、土層陷落柱及土質(zhì)結(jié)構(gòu)裂隙、封閉性不佳的導(dǎo)水鉆孔等問題。

1．5 施工健康問題

由于在煤礦的開采、挖掘以及運(yùn)輸?shù)壬a(chǎn)工藝過程中，會產(chǎn)生大量煤炭粉塵，其顆粒的主要直徑均小于1毫米。而當(dāng)煤炭粉塵的顆粒直徑小于5μm的時候，被稱為呼吸性粉塵。煤塵在開采過程中除了自身具有一定爆炸危害性能以外，對人體健康具有很大危害。煤炭粉塵中含有大量的SiO2元素，尤其是呼吸性粉塵，可以直接致使人體呼吸道產(chǎn)生炎癥。嚴(yán)重甚至導(dǎo)致塵肺病的危害。

2 無人采煤工作面發(fā)展條件

2．1 無人采煤工作面發(fā)展優(yōu)勢

由于在實(shí)際的采煤工作中，經(jīng)常出現(xiàn)爆炸、地?zé)嵋约叭藛T健康的相關(guān)危險，致使才開工作人員的生命健康無法得到良好的保障。為此我國引進(jìn)和研發(fā)無人采煤工作面相關(guān)技術(shù)，而其主要的工作原理和優(yōu)勢是在日常采煤的工作中，其破煤、裝卸煤炭、運(yùn)輸、支撐和保護(hù)以及采空區(qū)域的后續(xù)養(yǎng)護(hù)等相關(guān)工作，均使用智能無人化管理模式，而人工僅僅需要在地面距離煤礦一定距離的室內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控即可。無人采煤工作面技術(shù)致使煤炭資源在生產(chǎn)和開采過程中，采煤工作現(xiàn)場并無人員，降低了安全事故的發(fā)生概率，對于我國煤炭開采技術(shù)的提高具有重大意義。

（1）提升采煤的安全性。在煤炭開采技術(shù)應(yīng)用過程中，安全性是智能無人采煤技術(shù)中，相對比較突出的工作優(yōu)勢，煤礦部門依靠無人開采機(jī)械設(shè)備和自動化控制系統(tǒng)，極大地提升了開采效率和質(zhì)量，并且在人力資源方面，減少了煤炭開采安全事故的發(fā)生概率，在煤炭工作中，創(chuàng)造了更多的技術(shù)可能性和施工范圍，減少了煤炭開采過程中，資源和經(jīng)濟(jì)的損失。

（2）實(shí)現(xiàn)信息化技術(shù)開采模式。在運(yùn)用無人采煤工作面時，技術(shù)人員有效的將信息科學(xué)技術(shù)與機(jī)械控制系統(tǒng)相結(jié)合，并且應(yīng)用到煤礦的開采流程中，極大地提高了煤礦開采的實(shí)際效率和質(zhì)量。同時，煤炭開采過程中加入信息化技術(shù)，可以避免環(huán)境相關(guān)因素成為目前的干擾問題，致使煤炭開采工作得以高效、穩(wěn)定地進(jìn)行。

2．2 無人采煤工作面發(fā)展約束

目前，對無人采煤工作面開采技術(shù)的組要約束條件是煤層自身的復(fù)雜性，由于我國大部分煤礦層以及土壤條件極其復(fù)雜多變，其中斷裂巖層、煤層褶皺、火成巖等相關(guān)現(xiàn)象十分嚴(yán)重，為煤炭采集自動化以及智能化帶來了嚴(yán)峻地挑戰(zhàn)。

3 采煤工作面開采關(guān)鍵技術(shù)分析

3．1 煤炭機(jī)械定位技術(shù)

在進(jìn)行煤炭開采時，綜合采集工作面的主要流程是由雙滾筒式采煤設(shè)備、自動移動式液態(tài)壓力支架以及可彎曲刮板運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和完成。在日常的煤炭開采過程中，為了方便維護(hù)煤炭開采現(xiàn)場的頂板結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性，其液態(tài)壓力支架大多數(shù)采用的是及時支撐維護(hù)的方式，其中進(jìn)行煤炭采集過程中，采煤設(shè)備首先需要進(jìn)行割煤操作，隨后使用采煤設(shè)備以及8～12臺移動模式的支架，再次滯留后，將8～12臺移動模式的支架推移至移動刮板運(yùn)輸設(shè)備中。而為了有效地實(shí)現(xiàn)割煤、移動支架、推動運(yùn)輸設(shè)備等操作方式的智能化，采煤設(shè)備應(yīng)該及時并且準(zhǔn)確地將現(xiàn)場需要采集的區(qū)域進(jìn)行定位，只有這樣，操作才能致使采煤工作順利開展。而現(xiàn)階段，我國現(xiàn)有的采煤設(shè)備定位方式主要有電磁感應(yīng)開關(guān)系統(tǒng)、超聲波數(shù)據(jù)探測系統(tǒng)以及紅外線探測系統(tǒng)等。而這些技術(shù)雖然在小范圍內(nèi)的綜合采礦工作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測試，但仍然需要進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

3．2 煤炭巖層分辨技術(shù)

煤炭與巖石自身的相關(guān)硬度系數(shù)差別較大，如果使用煤炭采集設(shè)備切割巖石，會損壞大量的設(shè)備截齒，甚至?xí)?dǎo)致滾筒結(jié)構(gòu)受到破壞而更換，而在實(shí)際的采煤工作中，要想完整地將整個煤炭層取出，就需要設(shè)備結(jié)構(gòu)中搖臂的調(diào)節(jié)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。所以，采煤設(shè)備進(jìn)行割煤的過程中，煤炭與巖石額分辨系統(tǒng)應(yīng)該與結(jié)構(gòu)中滾筒搖臂進(jìn)行緊密的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有效開采。

3．3 抗干擾技術(shù)

對于無人采煤工作面開采技術(shù)來說，有效的通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)智能化無人工作面的重要保障，而通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，可以通過發(fā)出與接受相關(guān)信號，實(shí)現(xiàn)針對綜合采煤設(shè)備的準(zhǔn)確控制，其中，綜合采煤控制系統(tǒng)的重點(diǎn)結(jié)構(gòu)主要由三機(jī)配套系統(tǒng)、設(shè)備控制端頭以及超前支撐保護(hù)段控制系統(tǒng)組成。

3．4 設(shè)備監(jiān)控診斷技術(shù)

由于采煤工作中，實(shí)際的作業(yè)面所面對的采煤環(huán)境十分復(fù)雜，設(shè)備極易出現(xiàn)各種異常問題和情況，所以技術(shù)人員在進(jìn)行煤炭開采過程中，應(yīng)該針對設(shè)備運(yùn)行的實(shí)際狀態(tài)和煤炭開采環(huán)境，布置和設(shè)置設(shè)備應(yīng)用參數(shù)的監(jiān)控。比如，設(shè)備油液的實(shí)際位置、設(shè)備油液的實(shí)際溫度、截齒自身的磨損程度、煤炭設(shè)備整體傾斜角度以及傳輸設(shè)備彎曲角度等。

3．5 地質(zhì)判斷處理技術(shù)

我國煤炭井下的地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性處于世界的首位，而在實(shí)際的煤炭開采過程中，要想真正實(shí)現(xiàn)無人化狀態(tài)的綜合開采面，就必須要求煤炭開采設(shè)備結(jié)構(gòu)中，具備強(qiáng)大的地質(zhì)構(gòu)造識別系統(tǒng)，并且通過了解地質(zhì)的主要構(gòu)造，比如，地質(zhì)斷層參數(shù)等，檢測到相關(guān)的斷層數(shù)據(jù)參數(shù)，并且在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中快速并且準(zhǔn)確地分析出解決地質(zhì)斷層的技術(shù)方法。

4 結(jié)語

煤礦智能無人采煤工作面技術(shù)，全面打破了傳統(tǒng)煤炭開采技術(shù)的限制和約束，但是，面對科技和社會的快速發(fā)展，仍然存在著許多技術(shù)、安全性的問題需要進(jìn)一步探索和解決，只有不斷地進(jìn)行技術(shù)突破，建立更加完善、明確的技術(shù)體系，才能使煤炭開采工作發(fā)揮出自身更大的資源和經(jīng)濟(jì)價值。