煤礦智能化開采技術研究現狀及展望

唐銨

貴州盤江精煤股份有限公司山腳樹礦 貴州 六盤水 553533

引言

煤炭資源是世界發展的重要資源，在今后相當長的一段時間內，煤炭資源仍然是全球的主要資源之一。隨著我國智能化社會和數字化社會的到來，我國煤炭現代化已是煤炭行業發展的大趨勢。我國煤炭企業在開采活動中，應積極運用智能化等技術，達到最有效的利用煤炭資源的目的，從而降低環境污染造成的危害。有關部門應積極研發煤炭智能化開發技術，以增加煤炭資源的開發規模，提高我國煤炭開采運行的質量，從而促進我國煤炭行業的發展變革。

1 智能化采煤系統架構分析

智能化采煤系統架構主要分為感知層和應用層，包括4方面要素，即煤炭開采空間感知能力要素、智能分析及決策能力要素、自動執行能力要素和可靠及穩健運維能力要素。

感知層是煤礦動力災害精準預警物聯網的發展和應用基礎，主要涵蓋前兆信息采集和多網絡的接入技術。智能化采煤系統中前兆信息采集技術主要包括光纖微震傳感、三軸高靈敏度應力傳感、分布式多點激光甲烷監測、鉆屑瓦斯解吸指標和鉆孔瓦斯涌出初速度測量等自動化遠程監控監測技術。通過這些傳感技術對井下設備實現遠程控制，最終對井下事故進行預測，實現對井下災害前兆信息的深度感知、高精度監測[1]。多網接入技術則是應用Zig Bee，6LoWPAN，Wi-Fi無線自組網及路由管理技術及裝備對井下受限空間進行遠程控制，實現非在線監測數據統計運用，實現智能化采煤系統架構的高可靠和抗干擾。應用層的主要目的是實現對井下動力災害的精準預警，最終確保實現智能化采煤。應用層的管理主要有危險區域辨識、智能評價以及災害預警服務。同時運用智能化大數據，對災變區域預測模型進行全息全局學習，從而探尋出煤礦井下工作面的動力災害事故規律，減少和避免井下災害事故的發生。

2 我國采煤機智能化與自動化技術的發展現狀

2.1 設備改造不及時

煤礦采煤機的智能化發展首先需要煤礦企業對老舊設備進行淘汰，并積極引進先進的機電設備，因此，需要大量的資金投入。然而現階段，很多煤礦企業將更多的關注點放在短期效益上，而忽視了對于相關設備的智能化改造[2]。一方面，沒有安排相關技術人員對老舊設備進行改造升級，從而導致較低的生產效率與較大的安全隱患；另一方面，也沒有對先進的采礦技術進行學習與應用，從而阻礙了采煤機的智能化發展。

2.2 信息管理不完善

采煤機的智能化發展離不開信息化管理技術的應用，二者具有較為緊密的聯系。然而，部分煤礦企業在采煤機的管理過程中忽視了對其進行全生命周期的信息化管理，從而無法在問題發生時為相關技術人員提供較為全面與科學的數據參考。與此同時，在對其進行日常檢修與維護過程中，也缺乏相應的信息記錄，從而影響后續的維修過程。

2.3 復雜地質條件適應能力差

智能化系統在簡單地質條件下應用效果較好，但在復雜條件下難以發揮出理想的效果。目前，綜采工作面端頭及超前支架與工作面設備聯動、工作面自動找直調直、各設備協同控制等功能不完善，制約著復雜條件下的應用效果，智能化采、掘技術更適用于煤層賦存條件簡單、地質結構穩定的工作面，面對復雜多變地質條件的自適應調整能力有待提升。

3 煤礦采煤機智能化發展的關鍵技術

3.1 感知智能技術

對于采煤機來說，傳統的開采過程需要井下作業人員與地面技術人員進行合理配合。智能化技術的應用可以很好地利用先進技術對井下情況進行判斷，并通過信息技術反饋給相關技術人員，從而避免了井下作業人員的勘探工作，降低了人員傷亡事故發生的概率[3]。在感知技術的智能化發展方面，主要包括以下幾方面內容。

3.1.1 綜采界面的感知。我國煤炭資源稟賦豐富，但其煤層結構通常較為復雜，自動界面識別技術的合理應用很大程度上決定了綜采無人化技術的發展速度。現階段，應用較為廣泛的識別技術主要包括射線、雷達以及激光等，為了更為準確的判斷煤巖結構，通常采用多種技術協同發展的方式，同時利用先進的信息化技術對各個數據進行融合分析，更為精準的進行感知。

3.1.2 定位技術的應用。通常情況下，采煤機會按照既定的路線進行作業，因此，定位技術的合理應用對液壓支架的調整以及切割面的平整性有著較為直接的影響[4]。現階段，應用較為廣泛的三維定位技術主要包括紅外線、超聲波、無限傳感網等，在導航裝置的指引下，對采煤機的行走軌跡進行確定，同時對其行走速度與距離進行精準判斷。

3.1.3 刮板輸送的優化。刮板輸送機的應用在一定程度上為煤礦企業節省了人力、物力、財力等方面的支出，其智能化發展主要體現在以下3個方面：第一，啟動過程的優化，從而更好地避免啟動過程中出現不合理的問題。第二，鏈條收縮，從而實現鏈條進給的自動控制，提高操作安全性。第三，信號傳輸，從而更為及時的對開采情況進行反饋，提高作業效率。

3.1.4 故障問題的判斷。隨著煤礦企業開采任務的逐漸增加，復雜的作業環境以及高負荷的運行事件不可避免的會導致采煤機的運行故障。傳統的故障診斷通常需要依賴相關技術人員的經驗，而智能化技術的應用可以通過對相關數據進行綜合整理分析，來對其故障發生原因進行精準判斷。

3.2 截割智能技術

作為煤礦開采過程中較為重要的環節，截割技術的智能化發展不僅可以幫助煤礦企業提高開采效率，還可以更好的幫助地面技術人員對采煤機進行精準指引。在該技術的智能化發展方面，主要包括以下幾部分內容。

3.2.1 選擇記憶截割路徑。感知系統的智能化發展可以幫助煤礦企業更為準確的判斷井下煤巖分布情況，但無法精準的判斷其厚度，從而無法進行相應的開采工作[5]。因此，對于截割技術的智能化發展，首先應優化的技術進行選擇記憶截割路徑，在預設路徑無法滿足開采要求時，需要相關技術人員進行相關調整，并配合技術支持，幫助采煤機對新路徑進行記憶，從而避免重復工作的進行。

3.2.2 自適應牽引控制技術。井下工作的順利進行通常受到多方面因素的影響，而截割作業的復雜化也為煤礦企業開采技術的智能化發展帶來了更大的挑戰。對于采煤機來說，通常需要根據開采實際情況對工作功率進行靈活調整，而自適應牽引控制技術的應用則可以很好地解決這一問題，從而更好地幫助煤礦企業實現開采作業。

3.2.3 自適應調節控制技術。對于煤礦開采作業來說，采煤機通常是依賴記憶中的路徑進行作業，一旦井下發生變化，極有可能導致采煤機與巖石發生碰撞的問題，從而損壞設備。自適應調節控制技術的應用則很好地避免了上述問題的發生，通過信息化技術的應用可以更好地幫助采煤機適應井下工作環境，從而提高開采效率。

3.3 支架智能技術

隨著我國煤礦開采規模的不斷增加，煤礦開采區域通常分布有多個深井，因此，穩定的支撐技術逐漸成為煤礦企業確保生產量的重要保障。現階段，我國煤礦企業常用的技術是液壓支架智能技術，在應用該技術的過程中，通常不需要相關技術人員進行近距離操控，因此具有很好的便利性。同時，其強大的穩定性及支撐度也是其廣泛應用的原因之一。

4 煤礦智能化建設的發展趨勢

4.1 智能化發展漸趨平衡

一是地區間智能化發展漸趨平衡。隨著國家八部委《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》和《煤礦智能化建設指南》的發布，國家對煤礦智能化建設的重視程度越來越高，各地區政府及煤炭企業對智能化建設的認識逐步提升，將最終實現行業整體智能化水平的提升[6]。二是不同系統間智能化發展漸趨平衡。隨著采掘主要生產系統智能化水平的逐漸成熟，智能化發展也逐漸由生產轉向輔助作業，特別是針對物料搬運、管路安裝、打鉆、支護等勞動強度大、勞動密集的作業，智能化的價值得以充分挖掘，將實現礦井各系統智能化的平衡發展。

4.2 復雜地質條件下智能化技術日趨成熟

隨著科學技術的進步，各類傳感技術、設備協同控制技術、自動找直調直技術、定位導航技術等技術將逐步走向成熟，復雜地質條件下智能化系統能夠充分發揮作用，將實現復雜地質條件下自動化減人、智能化無人的目標。

4.3 智能化采掘將實現協同發展

智能化掘進是近年來煤礦智能化發展的重點，相比智能化采煤起步稍晚，發展空間較大、前景廣闊。隨著掘進設備精準定位導航、智能截割、自動錨索（錨桿）支護、粉塵治理、臨時支護協同、物料智能運輸等技術難題的突破，將實現采掘協同發展，優化采掘接續格局。

4.4 無線通信技術將成功融合應用

無線通信技術的成功應用可減少井下纜線，提升通信的靈活性、可靠性，降低礦井的通信投入成本，提升智能化系統的傳輸效率，有效提升智能化系統運行的可靠性。未來，以5G為代表的無線通信技術與智能采煤、安全監控、應急廣播、車輛輔助駕駛等系統的融合應用將成為礦井通信技術的主要發展方向，為煤礦智能化建設提速升級。

4.5 AI技術將注入強大動能

AI技術在煤礦的應用場景不斷豐富，發揮著重要作用。如：黃陵一號煤礦創新應用AI技術，研發建成AI+NOSA智能風險管控系統，實現了對“人的不安全行為、不按標準作業行為、物的危險狀態和環境的不安全因素”三類風險的智能識別、智能管控。未來，AI技術在安全管理上的應用將更加深入，在井下應用場景更加豐富，必將在智能生產、煤礦機器人、災害防治等專業深度應用，為煤礦智能化建設注入強大動能。

4.6 高精度地質模型將提供可靠數據支撐

高精度的地質模型是智能化采煤、快速掘進、瓦斯、水害治理等系統效能發揮的重要保障。未來，利用地面無人機、鉆探、物探、大數據、模型修正等技術來獲取更加精準的地質數據，同時利用采掘工程揭露數據進行對比分析計算迭代修正地質模型，構建多源融合的地理信息服務，為礦井的智能化系統可靠運行提供有力的數據支撐。

4.7 綠色礦山建設將成為重要內容

聚焦“雙碳”目標，通過拓展內部循環經濟體，構建水、瓦斯、矸石等清潔利用體系，建設綠色礦山是未來煤礦發展的重要內容。圍繞矸石充填機器人、瓦斯綜合利用、老空水處理復用、矸石山治理、沿空留巷自動支護搬運機器人等領域的智能化技術，將成為推動礦山綠色高質量發展的重要途徑。

4.8 職工隊伍結構不斷優化將提供人才保障

智能化的快速發展對人才培養提出了較高要求，必須繼續加強對人才的引進、培養和激勵，提升人員業務技能素質。未來，煤炭企業通過加大高素質人才引進力度，不斷優化職工隊伍結構，打造出高素質復合型科技創新人才隊伍，將逐步構建起人員儲備接替的良性循環，為智能礦井建設提供人才保障。

5 結束語

煤礦行業采煤機的智能化發展不僅是對開采技術進行優化升級，也需要相關企業對自身的管理模式與方法進行不斷完善。這就要求相關管理人員積極學習國內外先進的開采技術，并利用信息化技術提高管理效率，從而更好地推動煤炭行業實現現代化發展。