煤礦綜采工作面自動化智能化開采技術研究

陳俊國

（山西潞安集團司馬煤業有限公司，山西長治046000）

我國的煤炭資源十分豐富，國內對煤炭的利用也較為多樣，在日常生活中，我們使用煤炭來進行發電仍占據著國家能源結構的主要部分，并且在未來相當一段時間內仍需要大量利用煤炭資源來構建我國的能源構成。隨著各種礦井開采的進行，許多煤礦表層較易開采的部位已經開采完畢，正逐漸往更下層煤礦進行作業，但由于下層地質結構中環境惡劣，經常會出現高溫、高壓等情況，一旦開采出現問題，會導致礦山災害的產生，嚴重影響煤礦的開采效率，甚至危害人民安全，為了煤礦開采的安全生產，許多問題亟待解決，針對于此，本文開展研究了煤礦開采的智能化技術，以推動井下自動化智能化的發展。

1 自動化智能化開采研究現狀

相對比于國外，國內的煤礦開采自動化、智能化發展較晚，但在吸取國外優秀技術的基礎上，我國的相關技術發展迅速，大量科研人員通過不懈努力研制了一批擁有自主產權的開采設備，為煤礦的安全生產做出了重大貢獻。通過查詢文獻得知，我國于2007 年首次制造出能取代外國進口的液壓支架的電液控制系統；榆家梁礦在2008 年通過實際測試，達到了液壓支架隨采煤機移動的自動化移動等目標，冀中能源峰峰集團于2009 年通過和浙江大學合作，在下屬多個礦井實現了薄煤層綜采面工作的采煤機的數字化，無需工作人員下井操作，就能實現對薄煤層的工作面進行開采，并能實時監測采煤機位置及狀態，大大提升了開采的安全性；2013年，“863計劃”開展了“煤炭自動化智能化掘進”等專項，為重點發展智能開采核心技術及設備奠定基礎；充礦集團于2016 年采用慣性導航系統與技術成功解決了工作面找直的自動化問題，發展了工作面的裝備控制等技術；我國又于2017 年立項了國家重點項目——“煤礦自動化智能化開采安全技術與裝備”，重點攻關礦井下煤層界面的識別技術、自動化開采核心技術及裝置、綜采面自動化巡檢機器、綜采面智能超前支護裝置及各種自動化輔助裝備及平臺等。隨著技術的不斷發展，截至目前，我國在煤礦自動化智能化的過程中取得了較為豐富的成果，如液壓支架電液控制系統、礦井下設備可視化遠程控制和采煤機記憶切割等，但我們仍需要對我國的自動化開采技術及設備相對于國外的技術仍具有相當的距離有一個清醒的認識，相信隨著我國的不斷發展，技術上完成超越已經不需要很長的時間[1]。

2 綜采工作面自動化智能化開采的關鍵技術

圖1為綜采工作面開采系統主干模型，控制中心是礦井的關鍵，主要利用控制中心對其他各個系統發出命令，控制其他系統完成指令，實現開采的自動化和智能化。下文就開采中使用到的工作面取直、煤層界面識別、支架自動跟機、記憶切割4項核心技術進行簡要介紹。

圖1 綜采工作面開采系統主干模型

2.1 工作面自動取直技術

在綜采面向前挖掘的過程中，綜采面應該形成一個較好的直線，這樣刮板輸送機與液壓支架之間的受力才能維持在較好的水平。實現這一目標需要對采煤機、液壓支架進行精準有效的控制，實時獲取采煤機的工作狀態及位置參數，可視化分析，控制完成其自動的導航，采用截割模型中的截割數據發送給液壓支架控制系統指令。這其中的技術難點是如何實時實現對采煤機的位置檢測，通過實踐嘗試，國內外研究者發現慣性導航技術可以針對此問題進行解決，是實現位置檢測的重要技術。

慣性導航技術本身就擁有諸多優點，比起其他技術來說，位置檢測的精度較高，但由于長時間會累積誤差，采煤機的導航不能長時間自動化，因此需要一定的技術來對累計誤差進行修復，利用閉合路徑算法可以有效解決這個問題，實現采煤機的自動導航。

天地科技公司把引入的LASC 系統和公司專有技術相結合，實現了工作面自動取直的功能，在一年多的煤礦實際測試中，成功驗證了此方案的可行性。此方案利用LASC中慣性導航技術完成采煤機位置檢測，實時可視化采煤機工作情況及路線，相互參考豎直向的投影與滾筒高度參數，實現截割工作面的水平，最終液壓支架控制系統接收到一系列指令后合理調控刮板輸送機，完成找直功能[2]。

2.2 煤巖界面識別技術

煤層界面的識別是自動化開采的核心，通過此技術可以有效勘測出煤礦情況，根據需要對采煤機滾筒進行控制，從而使得煤礦的開采率上升，含矸率下降，也能有效防止截割其他硬質雜質而產生機器損壞。

現如今，煤層識別的技術有很多種，其中圖像識別技術及紅外探測技術相對來說使用更多。

在綜采面截割時，采煤機的截齒由于經常碰撞從而會發生截齒溫度上升紅外輻射變化的情況，紅外探測技術就是針對于此利用紅外熱像儀對輻射變化進行監控來有效完成對煤層界面的識別。雖然有諸多學者對此技術進行研究，但由于傳感器本身所具有的一系列問題，如傳感器精度不夠，易截割到硬質物體，使得在實際使用只能利用在特定場景下。

圖像識別技術其基本原理是采用超清攝像機來實現對煤層圖像的捕獲，從而實現對圖像分析識別的功能。但在實際情況下，由于煤礦井下環境較為復雜，粉塵較多，圖像在收集中會受到一系列的影響，所以獲取的煤巖圖像質量相對較差，在后續的處理中較為困難。

現如今，煤層識別技術沒有一種能完全適合所有的礦井，在實際應用中，只能根據實際條件來選擇煤層的識別技術，又或者選用多種技術來對圖像進行交叉識別，改善技術的缺陷，以解決環境影響的問題。

2.3 液壓支架跟機自動化技術

為了實現開采的自動化，工作面向前推進時開采要求具有一定的連續性，此時液壓支架跟機自動化必不可少。采煤機在綜采面完成一段的作業后，液壓支架會根據綜采面頂板壓力、傾角、位置等參數，以采煤機為參考，利用電液控制將液壓支架、刮板輸送機等設備及時推送到下一個工作位置，達到自動支護的功能。

當前主流的煤礦綜合開采作業面形成了“三機一泵”的自動化生產系統，該系統以自動化跟架技術為主。具體的工作過程為：采煤機上安裝的紅外線發生裝置發送信號，液壓支架上面安裝有紅外線接收裝置，可以接收采煤機發送的信號，從而確定兩個設備之間的具體空間位置，然后驅動裝置代送液壓支架等一系列裝置跟隨采煤機運動，保障了設備之間的連貫性。

但是就目前的狀況而言，想要將該技術投入到實際的采煤作業中還有一些問題需要解決，首先是液壓支架自動化跟機技術的運行需要編寫的程序來控制，程序只能針對一般的工作狀況，無法根據實際的作業情況及時做出有效的調整方案，這就導致需要問題機器不能夠獨立自主的完成，必須安排操作工人時刻關注著機器的運作。此外，采煤設備如采煤機、皮帶輸送機和液壓支架之間沒有相關聯的控制程序，它們之間就像一個個的孤島，因此它們之間配合作業效率低下，易發生干涉等故障[3]。

2.4 采煤機記憶切割技術

在很長一段時間內采煤機并沒有智能化識別控制模塊，只是通過各種物理手段人工控制采煤機開采哪一塊，哪一塊已經開采完成等作業，工人的判斷在這里起著絕對的主導位置。隨著技術的發展，采煤機開始接入自動化技術，開始和微控制器相結合，可以實現采煤機工作路線的記錄、存儲、識別等，采煤機可以自主記憶開采過哪一塊的煤層，按照既定的程序判斷下一步該開采哪里。這樣不僅使得采煤機的作業效率大大提高，減少了空鏟的次數，而且解放了工人，工人不需要一直盯著開采作業面，只有當這一塊整體開采完畢，工人可以控制采煤機進給。

但是實際的井下作業，工作環境復雜多變，采煤機系統的記憶切割路線會受到極大的干擾，特別是面對容易出現坍縮的開采環境，在采煤機切割完一步之后，實際的工作區域周邊的煤炭快速挑中了這一塊開挖的空隙。這就導致在記憶系統中本該已經開挖過的區域，實際上早已充滿物料，采煤機按照既定的指令工作就會判斷失誤，導致采煤機與煤炭硬性擠壓，嚴重的可能損壞采煤機，影響作業效率。

綜合來看，采煤機記憶切割技術只能適應于地質條件較好，采煤機開挖后，開挖區域周圍的地質較穩定，不會大規模地坍縮到已經開挖的區域。但是未來的發展趨勢必定是向著智能化、自動化的方向，因此考慮機器學習技術，采煤機一方面存儲記憶自己的行動路線，另一方面還能夠具體的判斷實際的即將作業區域的情況，判斷前往作業區域的路徑上的狀況（有無遮擋等），達到智能化作業的目的[4]。

3 綜采工作面自動化智能化開采存在的問題與應對措施

3.1 自動化智能化開采的制約因素

現今，國內自動化、智能化開采還存在著不少的限制，具體來講尤其以下幾個方面：

（1）自動化智能化開采技術不夠成熟。尤其是液壓支架自動化跟機技術還不夠成熟，采煤機記憶切割技術還不夠智能，無法自主判斷外界環境的變化。

（2）裝備的穩定性、可靠性研究需要加強。煤炭開采往往位于幾百米深的地下，設備的更換尤為不方便，因此設備的穩定性、可靠性就顯得尤為重要。與國外先進的設備供應商相比，國內同類裝備在材料、工藝以及智能化水平上還存在較大的差距，設備故障率遠遠高于國外產品。

（3）急需專業的人才隊伍。煤礦開采環境的復雜和艱辛，就使得煤礦工人的工作條件艱苦、環境惡劣、工作待遇差，從而導致了新一代年輕人很少從事這一行業，使得后繼無力。而先進裝備的使用，新奇想法的產生又往往需要新鮮血液的注入，所以人才缺口日益明顯。

3.2 自動化智能化問題應對措施

（1）轉變自動化智能化技術發展思想。當前視覺識別技術應用到復雜的煤礦開采作業面上還有很長一段路要走，而根據采煤機的記憶切割技術作業又顯得十分呆板，不能對環境的變化做出及時的應對調整，咱們不妨轉變思路，將地質探測技術加以完善。如果能夠將采煤機即將作業的區域的地質信息全面的采集，將采煤機的作業數據與地質信息放在計算機中進行模擬，合理規劃采煤機的作業路線，只要作業環境的變化可以預測，就能夠使得采煤機提前做出反應，從而實現精準的作業。初始透明工作面模型如圖2所示。

圖2 初始透明工作面模型

（2）加大對智能裝備的研究投入，進行核心技術的公關，政策大力扶持基礎研究，鼓勵校企合作，打通技術成果的轉化壁壘，增強不同學科之間的溝通交流，設立交叉學科相關的專業，培養技術人員。

（3）加大人才的招聘力度，擴大人才隊伍。想要突破就必須要擺脫之前的固有思維，加大人才的培養，重（視人才，不僅要給與更高的福利待遇，而且在工作中尊重技術人員，加快傳統煤礦向自動化智能化方向的進步。

4 綜采工作面自動化智能化開采技術發展展望

（1）基于5G技術的自動化智能化控制。由于井下的環境更為復雜，遮擋多，障礙物厚，以及礦藏對磁場的影響，使得井下的信號傳輸備受制約，一大批技術都不能正常使用，必須針對井下的環境，提出更實用的通信方案。隨著5G技術的運用，5G設備的成本也在逐漸降低，該技術可以實現數據的高速傳輸，相關的設備供應商也已經開始布局5G智能煤礦，極大地解決了井下數據傳輸的難題。

（2）復雜環境下的智能決策技術。由于前兩次工業革命的缺席，第三次工業革命勉強跟著發達國家進行，尤其是第三次工業革命計算機的出現把人類帶入到數據時代，我國在技術水平方面一直在快速追趕發達國家，但差距還是需要引起重視，未來必將是智能化設備的時代。煤礦開采設備必將得到極大地發展，這就需要開采設備能夠自主識別、自行決策，這需要設備的自主學習。采煤機通過自主學習，能夠應對各種復雜的作業環境，通過智能決策模型，實現人機交互，完成實際生產作業。

（3）未來的自動化智能化開采設備將實現設備的全面自動化，配合作業工人偶爾的調控，能夠輕松地應對復雜多變的作業環境，完成作業任務。隨著礦物資源開采環境的日益嚴峻，未來惡劣的工作環境將使得工人進入作業區域成為一種奢望，設備要足夠的智能化才能夠完成自檢、作業、維護、故障處理等一系列操作，從而使得設備可以完全擺脫人工長期穩定運轉[5]。

5 結論

（1）本文主要考慮的對象是煤礦開采作業設備，分析了目前煤礦智能化開采作業中所面臨的四個關鍵技術，包括作業面自動取直技術、液壓支架自動化跟架技術、采煤機記憶切割技術和煤層界面識別技術，重點分析了它們的作業原理和所面臨的問題。

（2）綜合考慮了當前的自動化智能化設備所面臨的困境，從技術層面、工藝裝備和人才培養這三個角度分析了智能化設備破局的關鍵，有一定的參考價值。