煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

于洪林 王善超 張磊 魏晉宏 李秋婷

[摘? ? 要]煤炭工業(yè)的發(fā)展對(duì)社會(huì)產(chǎn)生的能源供給有著重要影響，隨著煤礦事故的頻繁發(fā)生，社會(huì)各方面對(duì)采煤的興趣越來(lái)越大。煤業(yè)發(fā)展階段，煤礦建設(shè)企業(yè)的開(kāi)采能力與員工的安全、采煤質(zhì)量有著密切的關(guān)系。為了逐步改變和消除以往的開(kāi)采模式，我國(guó)大多數(shù)采煤區(qū)都在不斷引進(jìn)技術(shù)和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了煤炭采煤向智能化的發(fā)展。文章介紹了有關(guān)采煤智能采掘技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望，為我國(guó)煤炭事業(yè)的發(fā)展提供重要保障。

[關(guān)鍵詞]煤礦;智能化開(kāi)采技術(shù);研究現(xiàn)狀;展望

[中圖分類號(hào)]TD82 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）10–0–03

Research Status and Prospect of Intelligent Mining Technology in Coal Mine

Yu Hong-lin，Wang Shan-chao，Zhang Lei，Wei Jin-hong，Li Qiu-ting

[Abstract]The development of coal industry has an important impact on the energy supply of society. With the frequent occurrence of coal mine accidents， all parties in the society are more and more interested in coal mining. In the development stage of coal industry， the mining capacity of coal mining construction enterprises is closely related to the safety of employees and coal mining quality. In order to gradually change and eliminate the previous mining mode， most coal mining areas in China are constantly introducing technology and equipment， realizing the development of coal mining to intelligence. This paper introduces the research status and Prospect of intelligent mining technology for coal mining， which provides an important guarantee for the development of coal industry in China.

[Keywords]coal mine; intelligent mining technology; research status; expectation

1 煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)及作用

智能采掘技術(shù)是無(wú)人值守技術(shù)，集機(jī)械化、信息技術(shù)、自動(dòng)化于一體。應(yīng)用自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能儀器設(shè)備，可對(duì)相關(guān)的采掘機(jī)械進(jìn)行有效地控制，有效地實(shí)現(xiàn)采掘任務(wù)的合理分配[1]。智能化采煤技術(shù)在煤炭生產(chǎn)中的應(yīng)用既重要又有實(shí)用性，而智能化挖掘技術(shù)則有效地減少了人工、減少了人工和無(wú)人值守的煤炭開(kāi)采，使監(jiān)測(cè)中心和地面控制中心遠(yuǎn)距離運(yùn)行。這大大減少了風(fēng)險(xiǎn)，改善安全效率，煤礦采煤的安全水平有了很大提高。

1.1 提高企業(yè)煤礦開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益

煤礦企業(yè)在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中，要想提高自身的競(jìng)爭(zhēng)水平，最重要的就是持續(xù)改進(jìn)采煤方法、使用新的開(kāi)采技術(shù)以降低人工成本，以及提高采煤的整體效率和質(zhì)量，是采煤企業(yè)整體發(fā)展的重要參考。通過(guò)使用新的煤炭犁開(kāi)采方法，各層可以自動(dòng)保持水平，無(wú)須相關(guān)人員采取措施。能夠節(jié)省人力成本，還能有效控制煤礦開(kāi)采的整體質(zhì)量。

1.2 有利于提高煤礦企業(yè)規(guī)范化管理

新的開(kāi)采技術(shù)的開(kāi)發(fā)可以及時(shí)排除原有的機(jī)械設(shè)備，新的生產(chǎn)設(shè)備可以對(duì)采煤技術(shù)提出更高要求，促進(jìn)煤炭采煤企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化合理開(kāi)發(fā)。同時(shí)應(yīng)用新技術(shù)，還可以提高自身開(kāi)采的效率和質(zhì)量，為企業(yè)的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新提供重要保證。實(shí)時(shí)維護(hù)和機(jī)械設(shè)備的使用，增強(qiáng)機(jī)械設(shè)備管理質(zhì)量，確保機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，保障煤礦開(kāi)采效率全面提高。

1.3 確保采礦人員的生命安全

在煤礦開(kāi)采的過(guò)程中，由于各種各樣的外在因素，很容易引發(fā)安全事故，大多數(shù)的煤礦開(kāi)采環(huán)境生態(tài)十分脆弱、瓦斯含量非常高，造成安全事故頻發(fā)。在煤礦開(kāi)采中企業(yè)必須要充分運(yùn)用新技術(shù)來(lái)減少危險(xiǎn)因素，確保整體開(kāi)展質(zhì)量顯著提升，減少不必要的安全事故。

2 煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 煤礦開(kāi)采定位系統(tǒng)

采煤定位系統(tǒng)避免了手工測(cè)量不準(zhǔn)確、大誤差等缺點(diǎn)，有利于采煤定位的精確。礦井電磁信號(hào)很弱，不能正確地接收GPS信號(hào)，給煤礦采煤定位帶來(lái)困難。該系統(tǒng)以GIS地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，集成多方向技術(shù)，提供了地下挖掘作業(yè)的精確測(cè)量與定位，極大地提高挖掘定位精度，使定位數(shù)據(jù)更加精確。

2.2 智能煤礦開(kāi)采記憶截割技術(shù)

智能采煤記憶切割技術(shù)將記憶切割技術(shù)應(yīng)用于智能采煤，制訂自動(dòng)采煤計(jì)劃，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的手動(dòng)和自動(dòng)控制[2]。如采用位移式高度調(diào)整油缸，采用智能存儲(chǔ)器切割技術(shù)，從采煤面主位置通過(guò)位置傳感器，接收位置信息并及時(shí)反饋到智能操作平臺(tái)，有利于智能化操作平臺(tái)實(shí)現(xiàn)合理的采煤計(jì)劃。利用位移或高度編碼器進(jìn)行自動(dòng)定位，以提高剪切機(jī)的定位精度，并與具有自動(dòng)定位功能的位置傳感器相結(jié)合，能更有效地完成整體的開(kāi)采工作。

2.3 礦井智能平臺(tái)數(shù)據(jù)分析技術(shù)

礦井條件惡劣、環(huán)境復(fù)雜，煤礦智能平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)涉及了煤礦智能平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析技術(shù)。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的綜合分析，智能平臺(tái)可以把握數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，充分利用其應(yīng)用價(jià)值，明確了解采煤情況，改進(jìn)控制功能，幫助采煤取得突破。

2.4 煤礦井下作業(yè)中的視頻監(jiān)控技術(shù)

對(duì)于井下監(jiān)控技術(shù)而言，增加資源回收、提高安全無(wú)疑是重要的操作。該監(jiān)控技術(shù)實(shí)際上是一種用于指揮中心視頻監(jiān)控的一系列技術(shù)設(shè)備，能夠在井下作業(yè)中對(duì)采煤設(shè)備和煤層傾斜進(jìn)行實(shí)時(shí)、精細(xì)實(shí)時(shí)觀測(cè)，使操作者能夠準(zhǔn)確掌握。

2.5 5G通信技術(shù)

在煤炭工業(yè)中，對(duì)通信技術(shù)提出了更高的要求和訴求。而在特殊的地下環(huán)境，通信系統(tǒng)不僅需要傳輸速度快、可靠性高，而且還具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、傳輸功率、安全防爆等特殊功能。煤炭工業(yè)的發(fā)展中，智能煤炭開(kāi)采、智能運(yùn)輸、礦山網(wǎng)絡(luò)勘探、包括煤礦大數(shù)據(jù)在內(nèi)的礦山智能化水平的提高、挖掘機(jī)器視覺(jué)、煤礦機(jī)器人、虛擬現(xiàn)實(shí)等，煤礦無(wú)線通信系統(tǒng)的性能將逐漸無(wú)法滿足，需要智慧發(fā)展。

3 智能采煤礦山采掘設(shè)備分析

3.1 智能液壓支架

目前全機(jī)械化液壓支撐電控系統(tǒng)是一種在設(shè)計(jì)初期沒(méi)有內(nèi)置支撐的附加產(chǎn)品。以后的設(shè)計(jì)中，為了提高支架從根部的自動(dòng)化程度，要先考慮將控制器、傳感器和支架的電氣液壓控制系統(tǒng)集成到支架上。通過(guò)監(jiān)控中心設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了液壓支承的遙控控制，實(shí)現(xiàn)了液壓支承的遠(yuǎn)程控制和剪切支承的自動(dòng)跟蹤。通過(guò)這種方式，液壓支撐可由剪切機(jī)自動(dòng)操作[3]。

3.2 智能采煤機(jī)

智能化采煤機(jī)能夠通過(guò)作業(yè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)采煤作業(yè)的遠(yuǎn)程控制。利用傳感器技術(shù)采集剪切機(jī)及其支撐的工作狀態(tài)及位置關(guān)系，可準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)剪切機(jī)的運(yùn)行軌跡。利用自動(dòng)操作方式，完成裁斷機(jī)和其他設(shè)備的調(diào)節(jié)操作。監(jiān)測(cè)中心系統(tǒng)將剪切機(jī)的監(jiān)測(cè)位置和工作狀態(tài)反饋給操作控制臺(tái)，通過(guò)剪切機(jī)視頻系統(tǒng)發(fā)出指令和指令，網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)將指令信息反饋給操作控制臺(tái)，實(shí)現(xiàn)剪切機(jī)開(kāi)采作業(yè)的遠(yuǎn)程控制。

3.3 智能刮板運(yùn)輸機(jī)

智能型刮板輸送機(jī)是一種新型的刮板輸送機(jī)，極大地提高了煤炭運(yùn)輸?shù)男省１緳C(jī)械內(nèi)部操作包括刮板鏈條自適應(yīng)張力、軟啟動(dòng)、自動(dòng)監(jiān)控等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)與聯(lián)合應(yīng)用。軟起動(dòng)控制需要減速機(jī)、電機(jī)、變頻器的調(diào)節(jié)，能保證設(shè)備正常、安全地工作，但使用成本較高。智能型刮板輸送機(jī)可利用監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)主要部件的連接和控制，同時(shí)自動(dòng)報(bào)警和處理智能故障。

4 煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展

4.1 自動(dòng)調(diào)度控制技術(shù)

自動(dòng)送單控制技術(shù)可以看作“按需生產(chǎn)”模式。在開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)合理應(yīng)用該技術(shù)，可自動(dòng)規(guī)劃切割機(jī)的前進(jìn)速度、采煤進(jìn)度、作業(yè)強(qiáng)度，以滿足煤炭需求。設(shè)計(jì)的工藝參數(shù)包括工作面傾角、煤縫厚度、水文條件、瓦斯系數(shù)、運(yùn)輸系統(tǒng)承載能力及對(duì)煤炭需求的綜合分析。通過(guò)合理的計(jì)劃，可以有效地落實(shí)采煤進(jìn)度，對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行合理控制，提高生產(chǎn)智能化。

4.2 災(zāi)害預(yù)防控制技術(shù)

在采煤工程中，合理運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)，可有效減少地下電纜根數(shù)，保證地下工作面清潔，有效促進(jìn)防災(zāi)技術(shù)的合理開(kāi)發(fā)。基于無(wú)線通信技術(shù)，工作人員可以與監(jiān)控中心進(jìn)行有效通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下偵察員安全具有重要意義和價(jià)值的相關(guān)信息的有效溝通。通過(guò)有效地收集安裝在地下的傳感器，對(duì)災(zāi)害進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，保證了預(yù)警工作的開(kāi)展。

4.3 自適應(yīng)調(diào)高技術(shù)

自適應(yīng)高度調(diào)節(jié)技術(shù)主要由智能控制技術(shù)和煤巖界面自動(dòng)識(shí)別感知技術(shù)組成，其中智能控制技術(shù)主要是根據(jù)煤、石的界面識(shí)別曲線，該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制延時(shí)一般為10～30 ms。如何有效地識(shí)別煤巖界面是應(yīng)用該技術(shù)的難點(diǎn)之一。為此，合理應(yīng)用煤巖界面的自動(dòng)識(shí)別與識(shí)別技術(shù)，能夠滿足智能控制技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中的相關(guān)需求。

4.4 切頂沿空留巷智能化開(kāi)采技術(shù)

智能采煤技術(shù)是一種沿山巖開(kāi)鑿屋頂、保持巷道的智能開(kāi)采技術(shù)，是我國(guó)現(xiàn)有全機(jī)械化采煤技術(shù)的一項(xiàng)新技術(shù)。正確運(yùn)用該技術(shù)，可有效實(shí)現(xiàn)無(wú)柱開(kāi)采。這一技術(shù)可有效地實(shí)現(xiàn)采煤工程資源的合理回收與利用，促進(jìn)采煤水平的有效改善和優(yōu)化。該技術(shù)能促進(jìn)員工在采煤過(guò)程中對(duì)采煤機(jī)控制水平的開(kāi)發(fā)與優(yōu)化，對(duì)采煤安全具有很高的價(jià)值。

4.5 煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)

綠色開(kāi)采技術(shù)可以全面規(guī)劃和科學(xué)分析道路挖掘，有效減少道路挖掘量。因此，整個(gè)礦山所包含的自然地區(qū)在開(kāi)采前必須進(jìn)行全面合理的規(guī)劃。需要在時(shí)間內(nèi)分類排出。為了減少礦山內(nèi)的廢氣、灰塵、有害氣體，提高某些零部件的利用效率，加強(qiáng)和減少可用零部件的廢氣處理，采用封閉循環(huán)水流模式，減少煤礦開(kāi)采中的環(huán)境污染問(wèn)題。

4.6 超厚煤層采煤技術(shù)

在煤炭采煤技術(shù)不斷開(kāi)發(fā)的背景下，高度較高的完全機(jī)械化的洞穴探險(xiǎn)技術(shù)可能會(huì)產(chǎn)生很好地照明效果，提高有效地同一煤炭接縫整體開(kāi)采質(zhì)量。超厚完全機(jī)械化的洞穴勘探技術(shù)在超厚煤炭接縫開(kāi)采方面有非常大的優(yōu)點(diǎn)，但需要與之相適應(yīng)的剪切機(jī)和液壓支柱，初期費(fèi)用比較高。

5 煤礦智能開(kāi)采技術(shù)的優(yōu)化策略

5.1 加強(qiáng)安全意識(shí)的教育

煤礦采煤智能挖掘技術(shù)的第一個(gè)優(yōu)化策略是提高安全意識(shí)。與其他企業(yè)相比，采煤企業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)更大;因此在人員的選擇上要盡可能注重人員的合理化，培養(yǎng)安全意識(shí)很重要。為了從根本上提高員工的整體安全水平，煤炭企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)需要定期宣傳安全意識(shí)，定期對(duì)員工進(jìn)行安全意識(shí)教育。

5.2 優(yōu)化完善維修管理組織

維修管理組織優(yōu)化與完成煤礦智能挖掘技術(shù)的第二種優(yōu)化策略是管理組織的優(yōu)化如果企業(yè)要取得良好的發(fā)展，管理組織的優(yōu)化就顯得尤為重要，采煤企業(yè)也不例外。要盡快優(yōu)化內(nèi)部管理機(jī)制，完善管理機(jī)構(gòu);另外，還要盡快建立內(nèi)部的責(zé)任機(jī)制，讓全體員工負(fù)起責(zé)任，這樣才能提高采煤工作的效率。

5.3 健全相關(guān)的制度規(guī)章

改進(jìn)管理制度是提高管理效率的關(guān)鍵，健全的管理機(jī)制對(duì)采煤智能采掘技術(shù)的應(yīng)用也具有重要意義。只有掌握好員工的理論知識(shí)和合理的設(shè)備操作方法，才能促進(jìn)我國(guó)采煤機(jī)電行業(yè)的發(fā)展。

6 智能采煤技術(shù)發(fā)展的展望

6.1 智能裝備技術(shù)

智能儀器技術(shù)地下高速無(wú)線通信技術(shù)、煤礦識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)校正技術(shù)等方面的研究，是早期監(jiān)測(cè)預(yù)警機(jī)制的發(fā)展方向。智能儀器技術(shù)地下高速通信技術(shù)、煤礦識(shí)別技術(shù)、自動(dòng)矯正技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)，加強(qiáng)地下信息傳輸速度，確保整體適用性和實(shí)用性。

6.2 智能導(dǎo)航技術(shù)

與導(dǎo)航技術(shù)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)采掘設(shè)備的實(shí)時(shí)定位，可有效地改善地質(zhì)勘探和空間定位，提高設(shè)備的智能控制水平，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控和高精度挖掘。

6.3 智能機(jī)器人

對(duì)于智能機(jī)器人工作面的維修管理，遠(yuǎn)程智能機(jī)器人將起到輔助工作的作用。利用配準(zhǔn)性能檢測(cè)裝置及改造處理，可實(shí)現(xiàn)煤礦智能工作面的自動(dòng)開(kāi)采。

6.4 智能化掘進(jìn)技術(shù)

加強(qiáng)智能隧道技術(shù)的研究，提高隧道設(shè)備的整體性能和智能控制，創(chuàng)造更加協(xié)調(diào)有效地隧道接口，實(shí)現(xiàn)無(wú)人駕駛隧道作業(yè)。

7 結(jié)束語(yǔ)

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)對(duì)煤炭資源的需求不斷增加，年煤炭產(chǎn)量不斷增加，煤炭資源范圍不斷擴(kuò)大，礦山深度不斷加深。隨著煤炭開(kāi)采力度的逐步加大，煤炭開(kāi)采工作將出現(xiàn)各種問(wèn)題。智能采煤技術(shù)的選擇至關(guān)重要。現(xiàn)實(shí)工作流程中，必須根據(jù)建設(shè)的實(shí)際情況，在選擇智能挖掘技術(shù)時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)采取合理的措施，使煤炭采煤工作順利進(jìn)行，促進(jìn)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，最大限度地減少阻礙采煤工作的因素。

參考文獻(xiàn)

[1] 余銅柱.智能化技術(shù)在煤礦開(kāi)采中的現(xiàn)狀及展望[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2019，16（19）：22-23.

[2] 張立新，魏強(qiáng).煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].中國(guó)礦山工程，2021，50（3）：68-70.

[3] 王林.煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].石化技術(shù)，2020，27（12）：179-180.