影響煤礦無人化工作面開采技術的因素分析

范 凱

(中煤平朔集團有限公司,山西 朔州 036000)

解決煤礦開采由高危行業變為低危行業的關鍵所在就是減少工作面的作業人數,提高采礦設備的智能化,即實現礦井采礦的無人化開采技術。隨著采礦工藝的不斷發展更新,采礦大數據智能設備的研發,煤礦無人化工作面開采技術有了新的發展,在采礦工藝中的占比會逐步提升。

1 無人化工作面研發的背景及現狀

為了更好地預防和避免在煤礦開采過程中可能出現的安全事故,我國各大煤炭企業在采礦工序的各個環節中都實行了嚴格的安全監督管理，取得了一定的成效,但由于煤礦開采受到各種地質環境因素的影響,安全生產形勢依然不容樂觀。因此,在安全生產的前提下,促進無人化綜采工作面開采技術的提升,將是未來世界各國煤炭企業生產研究發展的主流方向。

就目前來說,應充分利用人工智能及大數據資源技術的成果來實現采礦設備自動化系統的發展。采礦智能設備應能與各種礦井的實際地質條件相適應。國外煤炭資源豐富的發達國家,在煤礦設備自動化和無人化開采工藝領域方面的發展相對較快,煤礦無人化開采工作面的設備開機率都比較高,人工智能采礦設備故障率較低。而人工智能采礦設備故障率的排查環節在能否完全實現智能化設備采礦的過程中相當關鍵,找出智能化采礦設備的故障是提高人工智能采礦設備開機率的保障。現階段而言,我國的礦井無人化智能開采技術在國外發達國家已獲經驗的基礎上,再經過無人化智能開采技術的自我完善及自主研究創新,形成了成套的理論支撐體系；在無人化智能采礦設備上也經歷了從機械化、自動化到智能化設備各階段的跨越,現在部分智能化采礦設備已經能夠有的放矢地控制無人化采煤工作面。我國在向煤礦完全無人化開采技術及采礦智能設備的研發方面邁出了一大步[1]。

我國的煤礦開采經歷了由最初的粗放式生產到現在的集約化生產,采煤工藝由最初的爆破采煤、普通機械化采煤、綜合機械化采煤演變到當今的智能化的無人化工作面采煤。綜采無人化開采技術研發最終達到的目的是:作業人員不需要在危險的綜采工作面內進行移架、推移刮板輸送機和操作采煤機等工序來實現割煤,而是在輔助運輸巷道或其他安全地點操縱和控制采礦智能機械設備,完成采煤、裝煤、運煤、頂板支護管理等基本采煤工序。

無人化開采技術還能改變原始采煤技術的面貌,提高煤礦產量、勞動效率、資源采出率,并節約成本,減輕作業人員的體力勞動,改善勞動條件,使礦井生產完全在更加安全的高產高效的基礎上,全面提高礦井的技術經濟指標。

利用各種煤礦機械進行無人化綜采工作面采煤,其實現的基本途徑有兩個方面。

1)遙控礦井中采煤工作面的設備,實現無人化采煤,如對綜采工作面的設備進行遙控采煤。

2)在巷道中直接控制采煤設備,動力裝置不進入工作面,實現無人化綜采工作面采煤[2]。

現階段,較為成熟的無人化綜采工作面采煤方法一般是在巷道中直接控制采煤設備進行采煤。

2 無人化工作面開采技術的影響因素

2.1 無人化綜采工作面開采的地質環境因素

煤炭企業在實現采礦設備人工智能開采的過程中,煤礦井下的煤層傾角、煤層厚度、斷層等地質構造因素時刻影響著各類采礦設備。而環境因素則影響著各種傳感器設備,例如煤礦采場中的溫度、粉塵濃度、CO濃度、甲烷濃度等參數都有嚴格的限制指標。煤礦在成煤時期形成的原巖應力、頂底板結構,也會影響到煤礦無人化工作面的實際開采。

2.2 無人化綜采工作面開采的設備因素

煤炭企業在實現煤礦智能無人化開采的過程中,對采場中成套的破煤機械、運輸設備、液壓支架“三機”等采礦設備的可靠性要求較高。

采煤機應實現以下功能:

1)煤巖界面自動識別功能;

2)采煤機故障診斷功能;

3)采煤機記憶截割功能,在參數設置里輸入人工割煤時采煤機滾筒的截割路線,采煤機在記憶模式下自動重復參數設置里的滾筒軌跡，并在采煤機左右兩個搖臂上各安裝一個傾角傳感器,用于監測滾筒底板傾角的變化,對滾筒高度進行適當調整,避免因煤層條件變化而造成的煤層頂底板的超欠挖現象[3]。

刮板輸送機應實現以下功能:

1)遠程按鈕準確推移功能;

2)精準識別定位斷鏈、掉鏈等功能。

液壓支架應實現以下功能:

1)精準地對支架壓力、移動傾角、自由行程等重要參數實時監測,及時發現液壓支架故障隱患,禁止出現液壓支架傾倒、煤壁片幫等功能[4];

2)頂板破碎時,能自動識別及時移架功能;

3)液壓支架能夠按照采煤工藝的需求實現和采煤機全程自動聯機作業,保證乳化液有足夠的壓力,并能遠程進行準確無誤的移架操作[5]。

如果上述這些功能不能滿足要求,就無法有效地實現智能化綜采工作面的開采。

2.3 無人化綜采工作面開采的工藝因素

煤炭企業在實現采礦設備人工智能開采的過程中,關鍵的工藝技術因素是作業人員在不進入工作面的條件下,將采煤、裝煤、運煤等工序有條不紊地銜接起來,用液壓支架對頂底板進行有效安全地支護管理,要求作業人員對專業業務技能和設備操作熟練掌握。

2.4 無人化綜采工作面開采的視頻遠程控制及高速無線網絡因素

無人化綜采面監控圖像的來源是煤機機組或者頂板支護設備上安裝的圖像探頭。采煤機攝像探頭加裝在采煤機截割部前方,隨采煤機進行移動,可隨時在線觀察采煤機滾筒所處的位置和煤層的頂底板截割狀況。礦井在煤塵、巖塵、一氧化碳、甲烷等氣體混合物濃度較低的狀態下,攝像探頭可以清晰地拍攝到采煤機滾筒截割頂底板的情況。觀察圖像的清晰度受粉塵濃度影響較大,可以通過采煤機的噴霧清理攝像探頭。采煤機實時監測圖像信號借助隨機移動的光纜在線實時傳輸。

礦井無人化工作面的采煤機、液壓支架遠程控制通過無人化工作面攝像探頭及傳感器傳輸的基礎數據來完成。由于礦井環境復雜,致使攝像探頭視頻成像模糊,遠程作業人員無法近距離操控采礦智能設備,而且無人化工作面在線數據信號受傳輸速度的影響,圖像比較遲緩,無法滿足現場應急操作的要求,所以,提高在線圖像的清晰度及圖像的傳輸速度迫在眉睫。

無人化開采工作面的無線信號傳輸比較重要,因需要在線實時觀察工作面各類設備情況,就必須把礦井綜采工作面的各類智能采礦設備工作信號圖像準確無誤地傳送到地面或者中央集中控制臺。無人化開采工作面通信很多時候會出現數據錯誤、延時等情況。現階段廣泛應用的圖像數據信號傳輸方式是無線傳輸。無線網絡傳輸雖然克服了傳統圖像及數據發送方式的許多弊端,但是，如果工作面環境條件復雜,會使無線信號缺失而無法傳輸。因此,提高無線傳輸信號的速度、準確性和可靠性是實現無人化開采工作面技術的關鍵一步[6]。

2.5 無人化綜采工作面開采的人員安全感知管理因素

煤炭企業在實現煤礦智能無人化開采的過程中,原來的生產結構模式與管理結構模式發生了改變,各崗位作業人員的角色都會出現本質上的改變,由原來的現場操作設備人員變成了遠程智能化控制人員,由原來的人員管理模式變成設備動態管理模式。

在無人化綜采工作面遇到復雜地質構造區域時,需配設一名跟班作業人員,無人化綜采工作面內應設置有人員安全精準定位保護裝置,及時對無人化綜采工作面人員的移動進行精確定位,對區域內突發的緊急情況進行智能化的采礦設備有效閉鎖自動保護,避免作業人員在跟班過程中造成不必要的安全損失。

3 結束語

為了最大程度減少和降低煤礦生產安全事故發生的概率,提升煤炭生產工作的安全性,應該將煤礦綜采面無人化開采技術最大范圍地應用在煤礦的開采和生產工作中[6]。綜采無人化工作面采煤技術符合煤礦開采技術的時代發展潮流,它具有安全性好、效率高等特點。發展綜采無人化工作面技術有利于實現生產過程的機械化、自動化；有利于礦井生產的集中化；有利于加強礦井生產技術的管理；有利于礦山安全綠色的生產。發展綜采無人化工作面采煤可為礦山壓力大、礦井深部地溫高或瓦斯涌出量比較大的煤層以及厚度在0.7 m以下的極薄煤層的開采提供了一個安全綠色、高產高效的采煤新途徑。隨著人工智能的不斷創新發展,綜采無人化工作面采煤技術將是未來采礦行業發展的趨勢。