關(guān)于數(shù)字化智能采煤提高煤礦安全水平的研究進(jìn)展

劉志文

（鄭煤集團(tuán)工程技術(shù)研究院， 河南 鄭州 450000）

0 引言

中國煤炭資源相對(duì)豐富，石油資源相對(duì)匱乏，天然氣資源較低，而且缺乏鈾礦。這種能源條件和煤炭開采的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性，決定了煤炭資源在長期內(nèi)仍是中國的主要能源。與此同時(shí)，煤礦安全問題日益突出。以往研究表明，在煤礦事故中，礦工不安全行為因素占95%以上。多年來，各種先進(jìn)的安全管理方法在煤礦的實(shí)施提高了我國煤礦的安全水平。然而，與其他主要煤炭生產(chǎn)商相比，煤礦安全事故仍然很高，因?yàn)?0%的煤炭是在地下開采的。煤礦井下開采受空間狹窄影響，具有有毒有害氣體、礦井水、機(jī)械、圍巖等危險(xiǎn)源的存在，危險(xiǎn)性較大。

在地下深處，工作條件急劇惡化，包括高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓和高含氣量，這意味著煤礦面臨更大的安全風(fēng)險(xiǎn)，礦工的生產(chǎn)效率和安全警惕性會(huì)下降，對(duì)國家能源安全和煤礦安全構(gòu)成巨大挑戰(zhàn)。目前，世界主要產(chǎn)煤國家正在采用新一代智能技術(shù)來提高煤礦的安全水平，中國迫切需要加強(qiáng)管理，以確保安全、高效、環(huán)保的煤炭開采。近年來，數(shù)字化智能采煤技術(shù)在產(chǎn)業(yè)界得到廣泛應(yīng)用。煤礦經(jīng)營者和政府部門希望通過實(shí)施數(shù)字化智能采煤技術(shù)減少煤礦工人數(shù)量，提高煤礦安全水平。

知名礦業(yè)專家提出了數(shù)字化智能采煤的系統(tǒng)框架?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”、5G、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云服務(wù)等許多最新技術(shù)已被應(yīng)用于煤礦開采。有研究通過可視化遙控，提出了“無人作業(yè)、有人巡邏”的無人采礦生產(chǎn)模式；此外，還有研究討論了煤炭智能化綜合機(jī)械化開采的關(guān)鍵技術(shù)，包括液壓支架自動(dòng)移動(dòng)和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、采煤機(jī)記憶切割和遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、長壁工作面視頻監(jiān)控、長壁工作面自動(dòng)集中控制、智能綜合供液控制、自動(dòng)預(yù)支護(hù)等。

1 數(shù)字化智能采煤在中國的發(fā)展

具有智能感知、智能學(xué)習(xí)、智能決策和智能控制功能的數(shù)字化智能采煤是智能礦山的核心目標(biāo)之一。在其他主要的煤炭開采國家，如澳大利亞和美國，研究人員和工程師傾向于使用“自動(dòng)”一詞來描述基于信息和數(shù)字技術(shù)的先進(jìn)煤炭開采方法?！爸悄苊禾块_采”一詞之所以流行，是因?yàn)橹袊又匾曄冗M(jìn)的煤炭開采技術(shù)，以保證國家能源安全，同時(shí)提高煤礦安全。中國數(shù)字化智能采煤的研究和實(shí)踐始于2010 年左右。從那時(shí)起，開發(fā)了一系列關(guān)鍵技術(shù)，并實(shí)施了幾個(gè)具有代表性的工程實(shí)踐。

1.1 初始階段：內(nèi)存切割和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

在“十二五”期間，中國煤炭科技工程集團(tuán)公司（CCTEG）與多家煤炭企業(yè)合作開發(fā)了第一代智能煤礦開采技術(shù)，即存儲(chǔ)切割和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。各種傳感器探測(cè)到的開采情況和礦工發(fā)出的指令通過工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)在長壁工作面和控制中心之間傳輸。該技術(shù)的技術(shù)框架如圖1 所示，該系統(tǒng)由煤礦指揮中心、巷道監(jiān)控中心、綜合礦山機(jī)械三部分組成。煤礦指揮中心是一個(gè)集成的可視化控制平臺(tái)，其功能包括監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的輸入、機(jī)械和采礦動(dòng)態(tài)的顯示以及整體控制命令的發(fā)送。巷道監(jiān)控中心在進(jìn)氣道。該中心的功能是監(jiān)測(cè)和控制礦山機(jī)械，包括采煤機(jī)、動(dòng)力頂板支架、工作面輸送機(jī)等的自動(dòng)化。綜合采煤機(jī)械相互配合，實(shí)現(xiàn)采煤的全流程，包括采煤運(yùn)輸、集塵、頂板支護(hù)等作業(yè)[1-2]。

圖1 可視化遠(yuǎn)程干預(yù)挖掘的CAL 框架

自“十二五”以來，以存儲(chǔ)切割和遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控為特點(diǎn)的數(shù)字化智能采煤已在黃陵、神東、陽泉等多家礦山企業(yè)得到廣泛應(yīng)用。從煤礦安全的角度來看，通過數(shù)字化智能采煤的研究和實(shí)踐，取得了以下兩個(gè)關(guān)鍵進(jìn)展：這種先進(jìn)的采煤方法將礦工從危險(xiǎn)的長壁工作面轉(zhuǎn)移到位于進(jìn)氣氣道的安全健康控制中心；采煤每班采煤人數(shù)從30～50 人大幅減少到5～7 人，為安全開采提供了有力保障。但需要指出的是，上述自動(dòng)開采方法僅適用于煤層厚度穩(wěn)定、傾角小、無斷層、無垮柱的長壁板[3-4]。

1.2 當(dāng)前階段：透明地質(zhì)導(dǎo)航

鑒于上述第一代數(shù)字化智能采煤的適應(yīng)性不足，煤炭運(yùn)營商和學(xué)術(shù)界正在積極嘗試在“十三五”和“十四五”期間將記憶采煤升級(jí)為基于透明地質(zhì)導(dǎo)航的計(jì)劃采煤。透明地質(zhì)導(dǎo)航的總體思路由三部分組成：

第一部分是基于巷道啟示、鉆孔測(cè)井、地震調(diào)查等多源地質(zhì)數(shù)據(jù)，構(gòu)建高精度煤層模型。該模型在三維空間中定位未開采的煤層邊界。此外，利用上述資料還可以對(duì)異常地質(zhì)條件進(jìn)行預(yù)測(cè)。

第二部分建立指導(dǎo)煤炭開采的大數(shù)據(jù)分析/決策平臺(tái)。該平臺(tái)的主要任務(wù)包括三方面：修正基于煤層模型的抽采剖面、煤層界面和開采過程中煤層跟蹤測(cè)量結(jié)果；基于煤層模型和開采調(diào)度，生成切割模型；基于歷史生產(chǎn)數(shù)據(jù)和人工智能，實(shí)現(xiàn)機(jī)械精確控制、故障自診斷和生產(chǎn)決策。

第三部分基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、三維激光掃描儀、雷達(dá)等各種高精度傳感器，采集煤礦機(jī)械的狀態(tài)參數(shù)?？刂泼詈蜋C(jī)械工作狀態(tài)通過工業(yè)以太網(wǎng)在長壁工作面和控制中心之間傳輸，然后自動(dòng)采煤機(jī)械協(xié)調(diào)工作。

目前，許多煤炭企業(yè)正在與研究機(jī)構(gòu)合作，對(duì)該技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。他們希望提高數(shù)字化智能采煤的適應(yīng)性和可靠性。

1.3 未來任務(wù)：無人采礦

煤礦開采的目標(biāo)是無工人開采。幾位中國煤礦專家提出了不同的頂級(jí)技術(shù)框架。Yuan 等人提出了一種新的未來開采模式，精準(zhǔn)采煤，即通過智能、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等，對(duì)煤礦災(zāi)害預(yù)警控制、環(huán)境保護(hù)、智能自動(dòng)化、地質(zhì)、交通等多種開采要素進(jìn)行精準(zhǔn)操作。王等人提出了更為具體的頂層技術(shù)框架，由地下定位導(dǎo)航系統(tǒng)、地下視頻和三維虛擬現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程控制平臺(tái)、綜合機(jī)械化礦機(jī)操作系統(tǒng)、礦機(jī)群協(xié)同指揮平臺(tái)等組成。

2 與數(shù)字化智能采煤相匹配的重大災(zāi)害智能防控方案

為促進(jìn)數(shù)字化智能采煤的發(fā)展，提出了長壁板尺度主要危害的先進(jìn)防治方案，特別是智能瓦斯抽采、智能煤與瓦斯突出/巖爆防治、引水裂隙帶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等，這些程序是數(shù)字化智能采煤的重要補(bǔ)充。

2.1 智能抽氣

瓦斯是容易誘發(fā)重大災(zāi)害的來源之一，主要有瓦斯爆炸、火災(zāi)、煤與瓦斯突出、中毒和窒息等。在長壁板尺度上，主要采用預(yù)抽法抽采控制煤層瓦斯。瓦斯抽放鉆孔施工工藝多種多樣，主要有沿煤層平行鉆孔和扇形鉆孔，下鉆孔和上鉆孔跨煤層。工作氣泵在氣體排氣管中形成負(fù)壓，然后氣體從高壓煤層逸出到負(fù)壓管道中，這一提取過程一般持續(xù)1～2 年，之后才開始采煤，該技術(shù)應(yīng)用效果良好，已成為煤礦強(qiáng)制作業(yè)。

由于瓦斯抽放系統(tǒng)的復(fù)雜性，系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀況容易受到抽水負(fù)荷和局部運(yùn)行狀況變化的影響。此外，周等人總結(jié)了瓦斯抽放系統(tǒng)存在的主要問題，即沒有根據(jù)氣體壓力變化動(dòng)態(tài)優(yōu)化負(fù)壓控制，導(dǎo)致氣體濃度低的區(qū)域出現(xiàn)高負(fù)壓；瓦斯抽放管理嚴(yán)重依賴人工巡視，井下塌陷、管道泄漏等故障不易發(fā)現(xiàn)；氣泵不能根據(jù)負(fù)載自適應(yīng)增減工作功率，造成大量電能浪費(fèi)；本地管網(wǎng)阻力較大；所監(jiān)測(cè)的瓦斯抽放參數(shù)的類型和數(shù)量有限，此外，手工測(cè)試占主導(dǎo)地位。

上述問題往往會(huì)降低瓦斯抽采效率，限制瓦斯資源的利用，以及發(fā)生管道瓦斯爆炸、煤與瓦斯突出等災(zāi)害。因此，周等人提出了智能精準(zhǔn)抽氣的概念，旨在確保系統(tǒng)安全、高效、低能耗運(yùn)行?；诠芫W(wǎng)優(yōu)化算法，對(duì)包括管網(wǎng)和氣泵工作功率在內(nèi)的瓦斯抽放策略進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)包括負(fù)壓、氣體流量和濃度，以及閥門開度數(shù)據(jù)。

2.2 智能煤與瓦斯突出與巖爆防治

沖擊地壓是深部開采中常見的動(dòng)力地質(zhì)災(zāi)害，極易造成重大的破壞和人員傷亡，目前巖爆機(jī)理尚不清楚。陳等人介紹了三種典型的沖擊地壓防治技術(shù)，基于巖爆誘發(fā)假說，提出了新的巖爆防治方案。監(jiān)測(cè)模塊是一個(gè)隨礦地震觀測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)接收采煤機(jī)工作和裂隙巖體引起的微震信號(hào)。數(shù)據(jù)處理模塊的功能：對(duì)裂隙巖體誘發(fā)的微震信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和處理，可以準(zhǔn)確識(shí)別微震事件的位置、原始時(shí)間和強(qiáng)度；對(duì)采煤機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的微震信號(hào)進(jìn)行識(shí)別和處理，被動(dòng)地震干涉測(cè)量CT 可以實(shí)現(xiàn)高分辨率的速度實(shí)時(shí)反演，基于速度與地應(yīng)力的正相關(guān)關(guān)系，建立長壁板內(nèi)部地應(yīng)力分布模型。

根據(jù)巖石力學(xué)理論和巖爆誘發(fā)假設(shè)，巖石破壞和地應(yīng)力集中是巖爆傾向的可靠指標(biāo)，早期預(yù)警模塊首先基于微地震定位和地應(yīng)力反演識(shí)別潛在的巖爆區(qū)域。然后，安排救援鉆井計(jì)劃，包括救援區(qū)域、鉆井路徑等。智能司鉆在收到救援鉆井計(jì)劃后，將執(zhí)行這些指令：重復(fù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理和預(yù)警模塊，以測(cè)試救援效果。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果顯示無巖爆危險(xiǎn)時(shí)，系統(tǒng)通過監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、預(yù)警等模塊進(jìn)行循環(huán)。否則，系統(tǒng)將通過預(yù)警和控制模塊進(jìn)行循環(huán)，直到風(fēng)險(xiǎn)減弱。

2.3 引水裂隙帶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

采煤引起的初始地應(yīng)力場擾動(dòng)在煤層頂板上誘發(fā)了大量的裂隙帶。這些斷裂帶有擴(kuò)大的趨勢(shì)，斷層也有活躍的趨勢(shì)。裂隙帶一旦延伸到隱伏的含水、導(dǎo)水構(gòu)造，就會(huì)發(fā)生礦井水害。為此，提出了基于微震和電阻率監(jiān)測(cè)的長壁板引水裂隙帶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)方法。電阻率監(jiān)測(cè)示意圖如圖2 左側(cè)所示，置于煤層頂板或底板的電極反復(fù)發(fā)射或接收電脈沖，監(jiān)測(cè)變電站記錄電極之間的電阻率，然后通過計(jì)算機(jī)層析成像確定煤層頂板和底板電阻率的分布。低阻區(qū)是由于煤礦水電阻率低而形成的引水裂隙帶，微震監(jiān)測(cè)示意圖如圖2 右側(cè)所示。地震檢波器放置在煤層/巖層或地面上，實(shí)時(shí)接收巖體開裂引起的地震波，通過數(shù)據(jù)處理，可以實(shí)現(xiàn)微震事件原始時(shí)間、空間坐標(biāo)和能量的反演。

圖2 長壁板微震電阻率監(jiān)測(cè)系統(tǒng)拓?fù)鋱D

結(jié)合礦山水文地質(zhì)條件和監(jiān)測(cè)，可以準(zhǔn)確分析開采過程中煤層底板或頂板突水的危險(xiǎn)性。一旦出現(xiàn)突水風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)立即停止數(shù)字化智能采礦作業(yè)，同時(shí)，為了保證數(shù)字化智能采煤的安全，必須實(shí)施排水或停機(jī)。

3 數(shù)字化智能采煤對(duì)安全的積極影響評(píng)價(jià)

3.1 采煤隊(duì)人員編制優(yōu)化

采煤班組勞動(dòng)強(qiáng)度最高，工作條件最差。因此，智能長壁采煤工作面采煤班次人員的減少是一個(gè)關(guān)注的焦點(diǎn)。長壁工作面巡視員通過進(jìn)氣道中的遠(yuǎn)程控制平臺(tái)巡邏綜合采礦機(jī)械，一旦出現(xiàn)異常情況，檢查員會(huì)發(fā)出緊急停機(jī)命令。地面或地下集中控制中心的控制器通過視頻監(jiān)控和其他監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)遠(yuǎn)程控制采煤機(jī)和頂板支架。每條巷道布置2 名前桿操作工。工人們還協(xié)助調(diào)整自動(dòng)屋頂支架的移動(dòng)，安全和材料回收。與傳統(tǒng)長壁工作面相比，智能長壁工作面礦工人數(shù)大大減少，工作環(huán)境大大改善，勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。

3.2 煤礦安全水平提高分析

隨著數(shù)字化智能采煤技術(shù)的持續(xù)快速發(fā)展，煤炭產(chǎn)量不斷增加，但煤炭行業(yè)工人數(shù)量卻不斷下降，大大提高了煤礦安全水平。未來，中國將繼續(xù)推進(jìn)供給側(cè)改革，關(guān)閉或重組利潤和安全水平較低的中小型煤礦。同時(shí)，大力推進(jìn)數(shù)字化智能采礦技術(shù)在大中型礦山的推廣，旨在減少煤礦從業(yè)人員的數(shù)量，特別是危險(xiǎn)崗位的數(shù)量?？梢灶A(yù)見，隨著數(shù)字化智能采煤技術(shù)的發(fā)展，中國煤礦的安全水平將不斷提高。

4 結(jié)語

最新的科技，特別是人工智能、5G 和機(jī)器人技術(shù)，給煤礦行業(yè)帶來了一場革命。數(shù)字化智能采礦有望通過傳統(tǒng)煤礦開采和更廣泛的人工智能相結(jié)合，緩解或解決煤礦安全和健康問題，確保能源安全。政府出臺(tái)了一系列與數(shù)字化智能采煤相關(guān)的政策文件，有力地推動(dòng)了數(shù)字化智能采煤的發(fā)展，無作業(yè)開采是保證煤礦本質(zhì)安全的最終解決方案。