智慧煤礦與智能化開采關鍵核心技術分析

劉 輝

(晉城煤炭規劃設計院，山西 晉城 048000)

煤炭屬于比較重要的化石能源，但是在經濟全球化背景下與智能化與信息化技術的雙重壓力下，我國的煤炭開采技術要積極創新與改革，結合智能化的開采手段來提升煤礦開采的效率。并且隨著各種綠色能源的使用和開發，基于煤炭行業的智能化開采技術的應用在目前絕對有著跨時代的意義。由此在煤炭開采期間結合智能化技術來開采，需要解決其所存在的技術難題，不斷推進我國煤炭在生產期間所實現智能化和高效化與綠色化的現代工業生產目標。

1 智能化煤礦的實際含義

智能化就是指大數據、互聯網和云計算等高新技術做組合而成的一種技術和系統，利用機器來代替人工作業。在煤礦開采期間利用智能化技術主要就是根據先進的設備和一起，讓這些設備與儀器在工作期間能夠具有對工作環境的感知能力和判斷能力，結合這些因素與數據的判斷來執行其決策[1]。而這些設備能夠通過人類所設定的高級程度不斷對工作平臺中的各項數據進行收集與識別，進而自動保存和識別，不斷進行總結之后使各個方面的工作更加出色。這樣就相當于人在工作期間不斷積累工作經驗是一樣的情況。

而想要實現煤礦開采的智能化，就需要在開采期間正確使用智能化煤機裝備。該裝備可自主對信息進行收集、分析，積累經驗，在面對不同的煤礦開采期間能夠發揮自身的智能化作用，真正實現在煤礦開采期間的無人化運作模式[2]。智能化的煤礦開采其實際上就是以自動化系統為基本框架，利用大數據、云計算和互聯網等技術來收集和分析相關數據，結合不同的開采環境來準確調整數據與參數，促進煤礦智能化開采的效率更進一步提升。

2 智慧煤礦基礎和平臺建設

2.1 智慧煤礦基礎

智慧煤礦中信息化和數字化其最為基本的基礎形式，首先需要解決3個基礎的理論問題：(1)以數字煤礦為主，探討其本身所存在的多源異構數據如何關聯的方法與措施，以便于數據的統一表達；(2)為一些煤礦開采設備使用路徑、形式的控制和對于一些復雜圍巖進行開采的方法和措施提供充足的理論基礎；(3)預測煤礦井和設備群本身的健康情況，并為此提供維護與保養的措施[3]。目前結合這些基礎的問題研究以此來形成一定的理論意義方法，也為智慧煤礦的開采提供精準的理論性支撐。

2.2 智慧煤礦智能平臺的建設

要想實現智慧煤礦的穩定與安全運行，需以能夠承載其運行要求的智能平臺建設為主。

2.2.1 MOS智慧煤礦操作平臺

本管理平臺也是智慧煤礦建設的重要平臺形式，能夠以一體化的系統平臺來展示煤礦的關鍵信息，且能夠為上層業務的實現來以大數據或者云計算形式運行，也能夠支撐下游的礦山信息一體化感知和展示以及應用平臺[4]。根據現有系統內的基本業務模塊內容，如設備管理、人員管理、智慧生產與智能監控等，來實現煤礦開采業務的整體覆蓋，并且以全息影像平臺的支持，清晰且透明度的展示現有礦山開采的日常工作和業務內容，解決傳統礦山數據難以采集或者是采集十分混亂、模糊的重要問題，真正實現礦山開采與生產過程自動化的效果，最終促進礦山管理科學化、智能化與現代化發展。因此MOS智慧煤礦多系統綜合操作平臺其需要具備以下幾點特征：

(1)全面數據的標準化。在該平臺建設期間，所有的操作系統平臺數據均要使用統一的格式進行交換和存儲，數據互聯與互通十分通暢。

(2)統一的數據存儲設計方案。在對礦山進行實時監測背景下，需要采取統一的方案來進行數據的存儲，保障數據快捷查詢的工作要求，便于統一的數據管理，避免發生數據存儲混亂的問題。

(3)保障數據傳輸的及時性與穩定性。在本身礦山采集的背景下，需要具備數據及時性傳輸的特點，滿足遠程實時決策與操作的關鍵內容。且在數據傳輸期間，需要保障其具備一定的穩定性，保障系統長時間穩定運行的要求。

(4)組態化可配置的要求。在智慧煤礦的操作平臺中，需要保障其各端都可支持全面的組態化設計與開發要求，并且其平臺的業務邏輯和操作界面能夠快速以組態化的形式進行設計與建設，做到配置中心的統一管理。

(5)需保障大數據開放性與及時性分析的要求。本平臺能夠支持健康管理的大數據分析，以數據統一接入的方式實現全維度數據的重構與管理。也可重構一些跨業務數據內容，支持多種開采應用程序的部署與開發，進而保障這些數據與功能能夠在不同的場景進行靈活應用，且可滿足各種智能設備的靈活接入。

2.2.2 5G通信與精準定位操作平臺

在該操作平臺的使用中，5G通訊和其實際的衍生技術本身是做好該平臺任何決策的基礎，以此來滿足精準井下作業的定位和導航要求[6]。另外還需根據井下環境的三維模型，對井下環境情況進行自動更新和顯示，精準定位，解決井下環境復雜影響定位信號穩定的關鍵問題。該平臺基于5G通訊技術能夠實現人員與設備的自動導航、定位、校正與部署，為井下工作的人員和設備提供多場景精準化的問題解決方案，而該平臺的建設與部署需要滿足兩點要求：

(1)復雜度低且保障全面覆蓋。由于井下作業環境十分復雜，內部存在大量的電磁環境，或者是一些圍巖等物質會影響無線電信號的發出與接收，而結合5G移動基站的研究能夠保障井下人員與設備的靈活布置，根據自動定位和自動校正等功能保障無線信號的覆蓋面積，且根據透明性的空間拓展要求來合理布置定位導航，也可支撐定位導航模組的自動布置工作內容。

(2)高精度、抗干擾性強以及成本較低。在煤礦開采過程中，內部屬于動態、不斷出現圍巖掩埋的變化空間形態，且定位時刻變化的特征較為明顯。因此在設計井下的導航與通信系統期間，必須要進行動態設置，也可跟隨煤石開采期間來進行掩埋狀態的通信與定位，而無論使用哪種方法成本都不高。且井下環境十分復雜，磁場較多，因此需要做好內部信號抗干擾的情況。一般井下的工作面尺寸較小，以米級為單位，而要是以米級為單位來進行導航精度的確定顯然比較困難。現有的超寬帶技術或者捷聯式的慣導技術的出現，為井下的精準作業提供了充足的條件。但是就算是有這些技術與設備的支持，也需要從井下實際環境來分析，優化與改進整個材料的選擇和算法的應用，以此來保障整個系統的使用精度和適應性。地下開采的定位導航模型如圖1所示。

圖1 地下開采定位導航模型

3 煤炭智能化開采核心技術分析

3.1 復雜環境中穩定可靠的傳輸數據

要想實現智能決策和控制，設備狀態的明確和井下環境的觀察是重點。而由于井下復雜的電磁環境和其他復雜的因素會導致探測技術的失靈。而本文所選擇的三維激光掃描技術更加會適合現階段的井下作業要求，如圖2所示。且目前所研究的高光譜技術或者是振動探測技術、地質雷達探測技術和紅外視頻圖像采集技術以及可見光視頻技術等還需要進一步加強與完善，才能夠真正實現井下數據的穩定與快速傳輸的要求。

圖2 巷道三維激光掃描

3.2 大規模復雜系統數據分析

本身礦山開采作業中，所有的礦山內部系統結構都十分復雜，因此在開采期間會出現一定的數據和信息。本文所設計的數字化煤礦智慧邏輯模型如圖3所示。而由于缺少一定信息的挖掘和尋找方法，所以在礦山的開采作業中，一直難以找到數據發生的規律。

圖3 數字煤礦智慧邏輯模型圖示

3.3 復雜煤層的自動切割技術

為了能夠最大限度和最大效率的獲取煤炭資源，需在開采煤礦期間保障裝備的可行性與實用性。但是井下煤層的深度和厚度都處于復雜的情況，為自動截割帶來巨大的困難。現階段所研究方法整體的使用效果都不太理想，還有這大量的問題需要解決，如如何實現截割自適應技術和協同控制與決策等要求。

3.4 協同控制井下大量設備群網絡

目前在礦井開采過程中，井下所具有的工業形式和無線網形式多是以多種通訊協議或者是多網并存的方式所實現，整個井下作業難以實現有效的互通和互聯，并且這種不滿足開采要求的通信承載能力影響著智能開采的作業效果和質量。雖然現階段所研究的一網到底網絡結構能夠在對一定程度上提升煤礦開采的效率，但是現有的技術已經難以滿足現階段所要求的數據及時傳輸和實時控制的需求與要求。而基于此問題，需要解決的關鍵在于如何實現井下高速通訊和井下實時通訊的需求，保障遠程控制的及時性和穩定性。

3.5 井下機器人處理的難題

需要明確的是，在井下各項設備的高開機率、高可靠性是保障智慧煤礦開采的重要基礎，也是實現自動化和智能化開采的重要保障。但是基于目前的設備設計與裝備要求，很多設備難以實現自我維修和保養，在長時間運作過程中產生故障的概率增加，難以實現真正的智能化與自動化控制要求。因此目前基于現有的煤礦開采要求，需要將重點放在井下機器人的研究與應用上，以便于井下開采作業的平衡性與快速穩定性要求。

4 結 語

智慧煤礦的智能化開采的主要核心就是在于智慧平臺的建設和各項高新技術的應用，只有不斷攻克現有智能化煤礦采集的技術瓶頸，不斷研發最新的智能化設備與技術，才能夠真正的實現煤礦安全性、高效性與高質量性的開采目標。