信息化背景下談井下采礦技術問題及優化措施

劉新峰

神木縣隆德礦業有限責任公司 陜西 神木 719315

引言

隨著科技進步，我國煤礦行業進入了全新的發展階段，許多大型煤礦或者中小型煤礦幾乎都實現了機械化作業，用機械設備取代人工作業的方式大大提高了生產效率，克服了井下作業的諸多限制。但在信息化背景下，各煤礦企業內的信息化與機械化融合取得了一定成效，但采礦中依舊存在諸多技術難題。為迎合行業現代化發展，各煤礦企業需立足自身情況，逐步用信息技術構建全新的采礦技術體系，以發揮新技術優勢為煤礦創造更大的效益。

1 煤礦井下采礦的技術問題

1.1 技術水平

信息化背景下各煤礦企業采用了采礦新技術，克服了傳統技術的諸多限制。許多煤礦采礦技術都展開了信息化探索，但部分煤礦企業受限于自身的發展，其采礦信息化水平偏低，開采作業中常常伴隨著以下問題：

1.1.1 礦井自燃。伴隨著采礦工作，煤炭會發生氧化過程，此過程將釋放大量的熱量，但因為井下作業空間相對有限，通風不佳、散熱不好，在多因素影響下，礦井內發生自燃現象的概率較高。煤樣復合時需消耗很長時間釋放熱量，短時間內無法集聚熱力資源，有關人員對煤氧復合的關注度不足。煤礦生產作業中火災事故不可忽視，此類事故造成的隱患大、損失大[1]。結合實際的生產經驗，礦井自燃下的火災事故多位于采空區，需結合該區域情況制定最佳的解決措施。

1.1.2 瓦斯爆炸。煤礦井下作業中瓦斯爆炸事故的出現頻次也相對較高。煤層中的瓦斯量往往超出了標準，瓦斯中的甲烷含量異常高，具有吸附特性，熱度遠超煤炭。當瓦斯濃度達到特定上限時必將誘發安全事故。因此，許多煤礦在信息化條件下尚未完全解決瓦斯風險，瓦斯事故時有發生。

1.1.3 附井事故。煤礦生產作業的環境條件十分復雜，為保障采礦作業的便捷性，一般需在礦井內設置天井、溜井等豎井，使作業人員可利用豎井進出。一旦在實際的工作中豎井結構不穩或者支撐點設置不合理，如未給梯子加裝防護欄，井口位置未考慮安全標準設置防護欄或者警示標識，都可能誘發嚴重事故，這也是信息化條件下煤礦采礦方面需重點關注的問題。

1.1.4 生態事故。現階段煤礦行業內越發關注可持續發展，為帶動整個行業的進步，采礦作業中不僅需更新工藝與技術，配備新設備，還需要加強生態管理。目前許多煤礦企業都采用了信息化技術，但其在作業過程中依舊存在生產事故，主要是因為井下環境復雜，伴隨著開采作業，周圍地區可能發生地表陷落等問題，影響生態環境的穩定與平衡。另外，高強度的井下開采作業中，采空區分布較多，周圍土地受壓過大，超出了自身負荷，一旦有輕微地質運動或者極端天氣，都可能誘發地震、滑坡等事故造成巨大風險。

1.2 地質問題

煤礦井下采礦技術中地質問題也相對突出，采礦作業中煤礦深度、煤層構造等都是影響開采效率、技術應用效果的直接因素。當下部分煤礦企業并未意識到地質工作的重要性，在實際的工作中常常未做好前期的地質調研，或者在地質調查和整合階段未合理應用信息技術，難以整合與分析全部的地質信息，無法在地質基礎上選擇采礦技術，安排采礦作業，造成了一系列的技術和管理等問題。

2 信息化背景下煤礦采礦技術的優化措施

2.1 在煤礦監測監控設備方面的應用

煤礦井下采礦中涉及了多種機械設備，設備運行狀態關乎采礦效率與安全。煤礦企業在當下為動態監控設備及作業過程，應用機電自動化展開了全過程監控。但有關設備在運行期間往往面臨諸多安全風險，通過采用智能化、自動化技術，可實時監控設備的運行狀態，一旦發現設備異常情況及時發出預警信息，提醒相關人員注意處理實際問題。

2.2 礦井虛擬現實技術

煤礦生產作業的復雜性高、專業性強，生產過程中有關人員需全面、準確了解井下生產情況，技術人員需借助信息技術在生產中融入礦井虛擬現實技術，在該技術下應完成三維建模，模擬井下設備的運行情況，并選用配套軟件完成智能化調節與控制，實現可視化管理、智能化控制，幫助有關人員及時處理生產中的問題。礦井虛擬現實技術有以下意義：操作人員在三維建模控制中能完整、準確地掌握開采作業全過程，為保障作業進度，煤礦企業需在虛擬現實系統中應用人機交互模擬作業過程，此模擬過程下能大大降低作業風險，相關人員根據模擬過程及結果可發現生產過程中的潛在問題，提前制定風險預防措施；可促進煤礦企業的智能化控制，在信息模板控制中添加三維模型，礦井作業中有關人員能完成可視化操作，為有關人員從三維角度監控設備的運行狀態提供了新的保障，依據相應模塊采集和模擬結果，有關人員能精確調節設備運行參數，達到實時化控制的目標[2]。因此，結合煤礦生產的全過程，應用虛擬現實技術不僅能提升煤礦生產期間的數據運算能力，更能智能檢測和控制設備。在智能檢測過程中一旦發現設備存在異常情況，應由智能化模塊及時發送預警信息，快速展開相應的處理與預防。

2.3 井下傳輸網絡建設

針對現代煤礦企業，在生產作業中企業必須建立完善的傳輸網絡，只有如此方可保障提高通信效率，使礦井作業中各方面情況均能及時反饋。有關人員建設傳輸網絡時需注意以下方面：①保障礦山企業內部良好的運行狀態，達到有線寬帶傳輸網絡帶寬大、無線接入方便、抗干擾性好、安全穩定等目標。井下傳輸網絡整體上可選擇冗余雙樹結構，該結構下的中繼設備數量少、設備體積小[3]。②地面網絡設備與井下監控設備之間應保持互聯互通性，為達到網絡安全的目標，在選擇設備時應考慮安全性能。③合理設置網絡參數，優先選擇有冗余功能、熱備冗余功能的設備。

2.4 開發精準地質探測與4D-GIS系統

為保障開采工作的順利進行，開采之前企業需安排相關人員進入現場展開一系列調研，掌握地下煤層資源的分布等基本情況，后續的開采作業中以這些調研結果為依據選定技術、制定方案。傳統的采礦過程中，由于技術條件的限制，設備相對落后，鉆井、化探、物探調查等面臨諸多難點，不利于提高探測結果的精度，不利于發展智能化。現階段信息化背景下，煤礦需根據自身的生產特點，將智能化作為工作重點，超前預測地質情況，再引入綜采新技術，以提高智能化水平。為此，信息化條件下煤礦應大力創新勘探技術，形成一體化地質檢測技術與設備，并同步應用探測數據動態解釋技術，以提高信息整合、處理及分析能力。

另外，各煤礦企業在信息化發展中也需綜合現代技術建立大數據信息平臺，遵循相應的工作流程采集大量的信息，獲取完整信息，在信息基礎上制定采礦方案。此外，工作流程中也需完善綜采工作面采動應力定量探測技術，配套專業化設備設施及工具，在整個生產作業中由這些新設備及技術監測礦區具體情況，及時處理異常問題。當前我國技術發展迅速，GIS技術的應用范圍持續擴大，各煤礦企業也需應用該項技術，促進智能數據的開發，并適當融入4D-GIS綜合檢測應用系統，必要情況下結合大數據優勢，在煤礦企業中建立專有數據庫，儲存歷史及當下的采礦數據[4]。采礦作業期間智能化模塊能調取歷史數據等，分析綜合地質情況，通過3D地質動態模型完成模擬、分析。

2.5 薄及中厚煤層的智能化開采模式

結合我國煤炭資源的分布情況，薄煤層分布廣，大約達到了總煤炭儲量的1/5。但我國薄煤層的厚度參差不齊，儲量各有不同，由于煤層分布環境的復雜性，作業期間對設備、技術等都有極高的標準。因此，在一些煤礦企業常常因為薄煤層開采難度較大選擇不開采，造成了資源的浪費。現階段的條件下技術發展迅速，煤礦企業可針對薄煤層研發刨煤機智能化開采設備、滾筒采煤機無人化開采模式，這些設備與作業模式可克服不利條件的限制，提高采煤效率。如薄煤層厚度不超1m，井下空間異常小，刨煤機智能化開采設備配套的智能截割刨煤機能實現自動往返進刀、兩端分別頭斜切進刀、混合進刀，再通過智能變頻刮板的聯動控制，可提高開采效率，保障產能[5]。支撐智能自適應液壓的支架系統能實現液壓支架的智能自適應支撐、刨煤機深度的科學控制；配套的智能變頻刮板輸送機系統能合理調速，避免刮板輸送機的速度異常；在煤量檢測、智能變頻系統的雙重控制下，系統能自動分析和判定刮板輸送機的運行狀態，在有故障的情況下及時發送預警，提醒相關人員注意處理。配套的薄煤層刨煤機能斜切進刀，在現場可完成三角煤機的雙向割煤，這種上下雙向自動刨煤的工作模式為采煤提供了便捷。

如薄煤層厚度超過了1m，煤層中存在大量的煤炭資源，傳統的采礦工藝存在諸多問題，在信息化條件下可采用鼓式采煤機智能化無人采礦模式，在該模式下兼具定位導航、直線度自動調節功能，在開采作業中智能化模塊能完成地質建模、輔助采礦探測，使開采作業中采煤機能根據煤層分布等基本情況，自由切割煤層厚度。滾筒采煤機屬于專業化設備，設備外形為扁平形，并配備有扁纜裝置，即使現場環境相對惡劣，該采煤機同樣能完成其生產任務。礦井地質勘探建模技術能完成對煤層的4D建模，得到更為直觀的井下現場情況，并依據相應結果實時修正4D模型，使相關人員從更為完整的角度了解煤層情況。通過整合前期勘探中得到的煤巖信息，有關人員可利用模型提前規劃采煤機的采煤路徑，合理控制采煤機搖臂角度，使采煤機在不同位置上高度能自動調節。整個作業期間通過檢測截割高度、截割速度、截割位置等，可智能化把握采煤機的截割情況，在有異常情況時教師制定解決措施。

2.6 大采高工作面智能人機協同綜采模式

我國的煤炭資源分布較多，在山西、內蒙古、陜西等幾個地區的煤炭資源分布最多，結合這些省區的煤炭分布情況，煤層厚度一般在6～8m之間，屬于堅硬厚煤層，煤炭資源的儲存條件相對理想，為達到高效開采的目標，一般應引入一次采全厚開采方式，通過人機協同，保障開采作業的安全性。大采高的耦合協同模式中引入了液壓支架與圍巖耦合控制、裝備的分布式協同控制等技術，在這些新技術的支持下，控制系統的性能穩定、功能多樣，基本可解決傳統大采高下面臨的工作面頂板失穩、礦山壓力和煤壁片幫冒頂等問題。具體的工作中應通過“雙因素”控制法保障生產效率，將頂板巖層控制在正常范圍。先進液壓支架可利用遙控自動控制系統、超前規劃完成工作面的超前支護，促進先進液壓支架與工作面設備的有效配合。

2.7 綜放智能化操控與人工干預輔助放煤模式

厚煤層的厚度較大，賦存條件理想，綜放法開采方式更為適用。現階段的條件下針對厚煤層開采作業，一般應通過綜放智能化操控、人工干預相結合的方式。智能崩落技術有時間余量控制的自動崩落、自動記憶崩落、煤矸石識別的智能崩落等幾種，具體的工作中相關人員需考慮實際情況選擇相應的工藝與技術。

3 結束語

煤礦行業每年為國民經濟貢獻了巨大力量，在當下行業發展的過程中，各煤礦企業需意識到自身在信息化條件下采礦技術存在的問題，在未來的工作中采取一系列改進和優化措施，建立信息化采礦技術體系。