中國新疆煤礦智能化開采技術探究與管理淺述

閆海天 高玉峰

1.新疆大學地質與礦業工程學院，中國·新疆 烏魯木齊 830346

2.新疆大學建筑工程學院，中國·新疆 烏魯木齊 830346

1 引言

煤礦智能化開采是中國目前在日益嚴峻的國際市場競爭及國內舊的技術設備無法適應現行市場需求的局面下，提高國際市場競爭能力、適應現行市場需求的迫切發展目標。針對煤礦智能化開采，近年來許多學者從不同角度對其進行了研究：早些年，王虹通過分析監測采煤機位置、煤巖識別等技術，對工作面智能開采的發展方向進行展望[1]。在中國煤礦智能開采取得重大進展后，王國法院士對關鍵核心技術進行了分析，并提出智能開采的發展方向與實現路徑[2-4]；隨著5G技術的不斷發展，王國法院士給出了5G技術在礦井的總體支架[5]。

煤礦智能化開采通過智能化技術和裝備的應用，將大幅度提高生產效率和生產的安全性，大大降低人工成本，借助遠程操作平臺和監控系統，將工人轉移到安全的工作環境中，大大提升了工人的安全指數。煤礦科技的創新發展和智能化建設使煤礦企業模式從勞動密集型轉為技術密集型，使煤礦開采的效率和安全性大幅度提高[6]。相關部門要加強對于煤礦智能化技術的研究開發和投入力度，使之更好地應用于煤礦開采工作中，促進綜合競爭力的提升，實現煤礦開采朝著智能化、無人化、綠色環保化方向可持續發展。

2 煤礦智能化開采的意義

中國目前的能源格局及現實的經濟社會需求，決定了煤炭仍將在中國的能源結構中占據相當大的比例。除此之外，隨著物聯網技術、人工智能、大數據等顛覆性技術的發展，煤礦智能化開采是工業發展的必然選擇。煤礦智能化開采能夠減少井下工作面的工作人員數量，提高傳感器和處理系統對環境的適應能力，提高綜采裝備的智能化程度。在許多實現了煤炭生產綜合機械化的國家，礦井的生產規模和產量遙遙領先，其自動化和遠程搖控技術比較先進，能顯著提高生產效率和生產質量。

隨著信息技術、計算機技術、物聯網技術以及人工智能技術的逐漸發展，煤炭行業在生產中越來越多的應用了新技術和新工藝。煤炭是中國重要的能源，關系到國民經濟的發展以及社會建設的開展，煤礦的生產過程具有極大的復雜性和危險性，除了瓦斯爆炸、煤塵爆炸等重大安全事故，還有其他因機械設備故障或操作失誤引發的各種煤礦事故。提高煤礦生產的機械化和智能化程度，有助于保障煤礦工作人員的安全。探究無人作業和遠程操控技術，進一步保障安全生產的進行，同時減輕工作人員的工作強度，減少開采過程中不必要的環節。充分實現節能和環保，促進煤礦的健康可持續發展，提高采煤的可靠性和準確性。

3 中國新疆煤礦智能化開采現狀

煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐，這對于提高煤礦安全生產水平并確保煤炭穩定供應具有重要意義。近年來，中國新疆煤礦智能化開采持續發展，呈現出良好的情況。當前，中國國能新疆公司烏東煤礦、庫爾勒秦華煤礦、新汶伊犁四號井、國網能源新疆、豐沙吉海煤礦4個煤礦已經實現智能開采。新疆焦煤集團1930煤礦、徐礦天山礦業俄霍布拉克煤礦、兗礦硫磺溝煤礦等8處煤礦9個回采工作面正在進行智能化改造，26處煤礦開展了供電、供排水、通風、主輔運輸、安全監測、洗選等生產管理環節的自動化和智能化改造。另有38處煤礦在智能化推進工作方面取得初步成效，預計年內全疆生產礦井智能化比例將達到15%。據統計，截止今年上半年，中國智能化采煤工作面的數量已經達到了338個，其中山西、陜西、貴州、山東、河南、貴州等六個省份煤礦智能化開采進程較快，其智能采礦工作面數量占據比例達到80%。由此可見，煤礦智能化是大勢所趨，新疆煤礦智能化發展仍然有很長的路要走。

4 煤礦智能化開采技術

4.1 地質雷達、TPS技術

煤礦開采是在地層中進行的，而精準地質信息作為掘進與開采的基礎，是智能化決策的前提條件[3]。在辨認時，不但要識別煤層的詳細位置，還要識別煤層的厚度，從而為調整液壓支架的高度提供參考。假如辨認煤層時呈現較大的偏差，將會導致采煤機的截割高度不夠精確，出現截割巖層或采空區中大量煤炭資源被遺棄的情況。因此，地質雷達技術是成功實施智能采礦的關鍵。工作面照明條件較差，粉塵濃度高，并且難以利用視頻監控技術識別煤層信息，只有具備極高的靈敏度的紅外成像技術才能識別煤層信息，從而區分煤層熱性質相似的巖層。同時，還可以采用TPS技術，通過配套的軟件TPS win對巖體力學參數進行評估，對地層變化進行三維成像，巖體中的剪切波和縱波的波速、密度、泊松比、彈性模量等，得出礦體圍巖等級、長度、空間位置，并且對工作面周圍的地質組成進行三維成像，以便于更加精確地開采煤層。

4.2 裝備定位技術

在智能化開采過程中，設備的空間位置信息是正常采礦的重要保證。通過關鍵位置提供準確的路線，設備才可以沿著預定的軌道工作。與此同時，設備的傾斜也是需要注意的問題。相比地面定位而言，地下開采的定位是非常困難的，這是因為地面定位時存在著明確的參考或GPS，而在地下采礦時卻難以找到精確的參考或接收GPS信號。雖然某些煤礦使用了中繼通信技術，使得GPS信號能夠在地下可用，但是由于此通信技術的電信號是比較弱的，導致其難以在工作面使用。

除此之外，在工作面開采時會有較強的電磁場干擾微弱的電信號，使接收的信號會有比較大的噪聲，這給設備定位工作帶來了非常大的麻煩。對于設備定位技術，不僅要克服強烈的干擾問題，還需要克服定位不夠精確的問題，這仍然需要很長時間的研究。

4.3 視頻成像技術

為了準確地對地下開采進行物理監測，還需要在工作面開采過程中實現視頻成像，通過視頻監控技術，不僅能夠發現智能化開采中存在的問題，而且還能在開采過程中遇到突發狀況時及時做出合理決策。傳統的視頻成像技術很難在地下采礦得到很好的應用，主要是由于地下的光線相對較暗，粉塵較多，導致攝像頭的視線模糊。因此，需要使用一些特殊的攝像機。鑒于地下開采光線較弱，先進的CCD感光元件是不錯的選擇，其工業級的感光度在0.1x左右。除此之外，全景視頻拼接技術的不斷發展，不僅可以實時跟蹤采煤機，自動實現視頻跟機推送、視頻拼接等功能，還能為工作面遠程監控提供“身臨其境”的感覺，為遠程生產提供指導。

4.4 設備故障診斷技術

礦井智能綜采工作面的設備不僅數量龐大，而且用到的電子元器件很多，系統維護量巨大[7]。由于地下采礦工作環境較為惡劣，很容易出現一些元件被損壞或失效的狀況，而電子元器件的維修過程非常麻煩，通過肉眼識別故障是極其困難的。因此，智能化設備需要具備一定的故障診斷功能，在設備發生故障時能及時報警，并且能夠提示發生故障的位置，方便及時維修設備。雖然現在已經有一些故障診斷技術，但是想要精確的識別故障，這就需要一個數據庫才行。而智能化開采目前是處于起步階段，建立一個可供參考的故障數據庫是有一定難度的，這就形成了一種矛盾。

5 智能化開采技術管理

根據煤礦智能化開采技術的推廣普及，為中國煤礦企業的發展創造了有利條件，推動了煤礦企業的發展進步[8]。為了進一步增強煤礦開采效率和質量，必須加強煤礦開采智能化技術的創新與管理。

5.1 開發機架協同割三角煤工藝

為了推進中國煤礦智能化、自動化開采技術的創新發展，必須加強研發“機架協同控制系統”割三角煤技術工藝，提高煤礦的開采效率。在傳統的三角煤割據作業過程中，滾筒采煤機和液壓支架系統之間的作業數據信息不能夠隨時更新交換，就容易因為兩者之間配合不到位，導致機械故障或開采速度減慢，影響工作效率。“機架協同控制系統”割三角煤技術工藝的研發創新，能夠促進兩者之間工作數據信息的更新交換，因為這個功能的實現需要兩者之間相互配合協作。兩者相互配合完成工作，一旦有一方未完成工作，那么另一方就要減緩速度進行等待；當兩者數據信息相互交換后，再一同進行工作，這樣才能夠促進三角煤割據作業的穩定可靠進行，提升整體的工作效率和質量。

5.2 優化遠程操控管理系統

在對井下管道項目工作進行監督管理時，必須加強遠程監督操控管理系統建設，不斷優化創新，提升采礦工作的安全性，同時也能夠增強工作效率和質量。所以在對遠程監控系統進行更新升級時，可以設置快捷操控界面，尤其是對液壓支架和監督管理界面的設置，一旦液壓支架出現故障。例如，支架丟失時，相對應的監控系統就會及時提示，發出警報，這就讓維修人員在第一時間根據警報信息對系統進行維護，也能夠對其他系統進行監督管理，可以在遠程操控界面完成補架動作，使液壓支架系統能夠正常運行。

5.3 創新采煤智能化管理平臺

在對采煤智能化技術進行管理時，必須增強煤礦開采智能化管理系統建設。在升級優化煤采智能化管理系統時，需要結合大數據以及云技術等科學前衛技術，創建一個科學的、一體化的煤礦開采智能化管理平臺。在建設管理平臺時，必須不斷地完善各種功能板塊，包括監控板塊、故障分析板塊、自動化操作板塊等，對整個煤礦開采工程項目進行全方位的、智能化的管理。在煤礦開采智能化管理平臺運作時，相關設計、管理人員以及工作人員可以隨時登錄管理平臺，對煤礦的開采情況、設備安全情況進行實時的監督管控，使井下管控工作能夠安全高效地進行。

6 結語

隨著中國煤礦產業工業化以及現代信息技術的發展，煤炭開采技術逐漸朝著創新化、現代化、智能化的方向發展，改變了傳統的煤礦開采模式，由原有的人為勞動開采模式向現代化、智能化的技術開發模式轉變,這是煤炭行業的轉型戰略目標[9]。中國新疆地處亞歐大陸腹地，與多個國家接壤，具有重要的戰略位置。因此，新疆煤炭未來發展前景非常廣闊，其在煤炭行業地位也會越來越重要[10]。但目前新疆智慧煤礦與智能化開采技術的發展尚處于起步階段，與自適化、無人化運行以及群眾的期望還有一段距離，所以煤礦設計與管理人員必須肩負起煤采技術創新的偉大使命，不斷優化創新，為煤礦開采智能化、無人化運行提供有力的技術支持。