煤礦無人工作面開采技術(shù)分析

況華義

摘 要：煤礦開采中有很多區(qū)域?qū)儆跓o人工作面，需要操作人員操控系統(tǒng)進行開采，以提高煤礦開采效率與安全系數(shù)。這項工作具有涉及面廣、工序復雜、專業(yè)技術(shù)要求高等特點。本文主要分析了煤礦無人工作面開采技術(shù)，旨在為提升煤礦無人工作面開采效率與質(zhì)量，提供一定參考。

關(guān)鍵詞：煤礦開采；無人工作面；開采技術(shù)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.066

煤炭開采屬于“高危行業(yè)”，終年不見天日的礦井，既黑暗潮濕，也存在水、火、煤塵、瓦斯、頂板等自然災(zāi)害，對煤礦工人的生命安全帶來了嚴重威脅。在復雜的地質(zhì)環(huán)境條件下，只有實現(xiàn)無人化開采，才能使煤礦工人從惡劣的工作環(huán)境中解放出來。無人化開采技術(shù)是指在工作面安全系統(tǒng)支持下，借助無線或有線方式，遠程控制井下工作面的生產(chǎn)設(shè)備，從而實現(xiàn)煤礦開采。該技術(shù)是世界煤炭開采技術(shù)發(fā)展的主流方向，有效契合了當前我國煤炭行業(yè)安全、高效生產(chǎn)的迫切需求。現(xiàn)在，我國在此技術(shù)研究方面，已走在世界前列。煤礦無人工作面開采技術(shù)現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到煤礦開采實踐中，并取得了一定的效果。該系統(tǒng)主體框架主要包含采煤機自主定位導航系統(tǒng)、采煤機自動調(diào)整系統(tǒng)、煤巖自動識別系統(tǒng)及井下高速雙向通訊系統(tǒng)等，在運行過程中，各分項系統(tǒng)相互配合，高效合作，實現(xiàn)了工作面生產(chǎn)自動化、無人化，可以較好地完成煤礦開采施工，實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)，并提高煤礦開采效率。

1 煤礦無人工作面開采技術(shù)特點分析

第一，能較好地適用各種煤層開采。煤層有薄、中厚、厚及特厚之分，無人工作面開采技術(shù)可以適用于任何一種煤層，應(yīng)用范圍非常廣泛。例如，開采薄煤層時，可利用無人自動化刨煤機進行開采；開采中厚和厚煤層時，可利用一次采全高無人化進行開采；開采特厚煤層時，可利用無人放頂煤進行開采。

第二，安全指數(shù)高。煤礦無人工作面開采技術(shù)通過控制關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備，實現(xiàn)了工作面生產(chǎn)作業(yè)流程的自動化、無人化，具有開采安全性高的顯著特點，可以最大程度地降低煤炭開采事故。

第三，開采技術(shù)水平先進。該項技術(shù)汲取了傳統(tǒng)開采技術(shù)的優(yōu)點，彌補了其不足，同時，還融匯了國際上先進的工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，可以完成高瓦斯煤層瓦斯的預(yù)先釋放，利用自動控制技術(shù)以及新型開采設(shè)備，還能實現(xiàn)智能化煤礦開采，減少了人力采礦中出現(xiàn)的各種問題，使得煤礦開采效率得到極大提高，開采方式得到極大創(chuàng)新。

第四，實現(xiàn)了科學采礦。煤礦無人工作面開采技術(shù)可實時監(jiān)控煤礦開采工作，提前預(yù)警災(zāi)害與事故，基本能實現(xiàn)科學采礦，將煤礦開采安全事故降至最低甚至是零，能有效保障煤礦工人的人身安全和企業(yè)生產(chǎn)效益。

2 煤礦無人工作面開采技術(shù)及其應(yīng)用

（1）煤巖自動識別技術(shù)。井下煤層和圍巖條件十分復雜，采用傳統(tǒng)技術(shù)，難以準確、可靠地判斷煤巖分界。煤巖自動識別技術(shù)借助識別系統(tǒng)進行煤巖自動識，該系統(tǒng)中包括了很多子系統(tǒng)，例如，振動頻譜傳感系統(tǒng)、記憶程序控制系統(tǒng)、天然γ射線、超聲波、雷達探測等，目前已有20余種煤巖分界傳感機理和系統(tǒng)。在具體工作中，這些系統(tǒng)會對煤巖的特征信息進行識別和記錄，并通過分析，顯示出哪些是所需要開采的煤層，哪些是巖石層。此外，該系統(tǒng)還能借助聲學及光學或雷達等原理技術(shù)，來提高識別效果的可靠性和精準度。記憶智能程控煤巖分界識別及控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍最廣，是目前國外機型采用最多的技術(shù)。雷達探測技術(shù)的應(yīng)用前景也非常可觀。

（2）采煤機自主定位技術(shù)。高速地下通訊系統(tǒng)和高精度地下定位、定向系統(tǒng)是無人工作面技術(shù)的基礎(chǔ)，在地下定位技術(shù)研究方面，國內(nèi)外尚處于空白。采煤機自主定位技術(shù)是一大突破，采煤機自主定位技術(shù)借助相關(guān)的定位系統(tǒng)，對煤層尋找以及開挖位置進行定位，在煤礦開采中具有至關(guān)重要的作用。

1）采煤機動力學模型，從實際情況來看，采煤機工作環(huán)境復雜、惡劣，加上采煤路線、煤巖性質(zhì)也會存在連續(xù)變化，這都會對采煤機的運動產(chǎn)生擾動，增加了準確確定某一時刻采煤機的位置、速度、加速度等的難度。因此，要根據(jù)采煤環(huán)境及采煤機工作實際，建立采煤機自主定位動力學模型，以次來分析外界因素對采煤機運動的影響程度，確保地下自主定位實現(xiàn)。

2）精確計算設(shè)計數(shù)據(jù)。建構(gòu)模型和進行分析研究，都需要設(shè)計數(shù)據(jù)準確可靠，在計算過程中，要充分考量計算時間、坐標轉(zhuǎn)換等因素，以提高計算精度，為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計提供參考。

3）構(gòu)建航位推算系統(tǒng)誤差補償模型。在各種誤差中，慣性傳感器的誤差對于航位推算系統(tǒng)精度的影響最大。因為慣性傳感器誤差是因環(huán)境因素導致的，會降低采煤機的定位準確性。在建模的過程中，如果僅依靠儀表的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝，是難以降低傳感器誤差的，必須要采用當前先進的最優(yōu)估計理論與方法，來對移動目標位置進行最優(yōu)估計，這樣才能有效減少隨機誤差積累，提高航位推算（DR）系統(tǒng)的定位精度。

4）提高航位推算系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性。由于煤礦礦井的地下工作環(huán)境非常惡劣，經(jīng)常會遇到灰塵雜質(zhì)、水體滲漏以及瓦斯爆炸等問題。要使航位推算系統(tǒng)能在井下正常工作，就要利用技術(shù)手段，來解決防爆、防水、防塵、防震動等關(guān)鍵技術(shù)問題。

5）礦井導航系統(tǒng)的研究。借助高精度電子地圖的軟件平臺和GIS二次開發(fā)技術(shù)，來搭建無人工作面采煤機定位系統(tǒng)軟件平臺。在已獲取與采煤機有關(guān)的軌道數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)礦井內(nèi)部各種構(gòu)造的電子地圖匹配。通過比較采煤機運動路線的數(shù)學特征與地圖數(shù)據(jù)庫中的軌道特征，來準確定位采煤機的運動軌跡與位置，并將其位置在終端進行實時、直觀地顯示。

（3）井下-井上雙向高速通訊技術(shù)。操作人員在井上操作系統(tǒng)進行作業(yè)的過程中，需要不斷地接收井下開采系統(tǒng)傳來的信號。如何快速、準確、完整、清晰、實時地進行通信傳輸，以及時獲取井下各類環(huán)境指標、設(shè)備工況、調(diào)度指令及作業(yè)參數(shù)等，是非常重要的問題。利用雙向高速通訊技術(shù)，可以實現(xiàn)信息由井上到井下實時傳輸和反饋。而且，該技術(shù)的信息傳遞速度非?？焖?，在煤礦無人工作面信息傳輸中，起到了舉足輕重的作用。

（4）采礦工藝智能化技術(shù)。該種技術(shù)可以對煤礦開采過程與作業(yè)工序進行實時監(jiān)控，同時，還能監(jiān)測井下設(shè)備運行工況，及時發(fā)現(xiàn)存在的問題，方便維護人員有針對性地進行解決。采礦工藝智能化技術(shù)實現(xiàn)了采礦設(shè)備整體與整個作業(yè)流程中的自動控制、協(xié)調(diào)、適應(yīng)、保護、調(diào)整和修復，甚至是再生，并能根據(jù)煤礦采煤具體實際，研究和設(shè)計無人工作面的新作業(yè)流程與模式。

（5）工作面組件式軟件與模型技術(shù)。各類應(yīng)用軟件與相關(guān)模型是煤礦無人工作面開采技術(shù)各個系統(tǒng)運行、檢測等的基礎(chǔ)工具與支持，利用其可提高煤礦環(huán)境的安全系數(shù)。在具體實踐中，應(yīng)當根據(jù)不同應(yīng)用和需求，來有的放矢地建立模型，研發(fā)多品種、多型號、多功能和組件式軟件。

（6）多傳感器技術(shù)。煤礦無人工作面開采系統(tǒng)在運行中，需要采集大量的數(shù)據(jù)信息，例如，設(shè)備運行信息、定位信息等，這些信息必須要準確、可靠、完整，系統(tǒng)才能進行正確分析，并正確執(zhí)行指令。多傳感器的配合使用，可以促進這一目標順利實現(xiàn)。

（7）無人工作面數(shù)據(jù)庫技術(shù)。煤礦無人工作面開采系統(tǒng)會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)信息及中間數(shù)據(jù)等，必須要建立起相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的增刪、修改、查詢、報表打印等，為可視化技術(shù)應(yīng)用提供三維數(shù)據(jù)。需要盡快攻克3D實體拓撲描述、表達、組織與動態(tài)維護等難題，以實現(xiàn)工作面信息的拓撲空間查詢、分析與應(yīng)用，以及采礦安全問題的模擬、分析與預(yù)測。

3 結(jié)語

綜上所述，煤礦無人工作面開采技術(shù)優(yōu)勢明顯，為保證其開采工作效果，提高其應(yīng)用效果，在具體實踐中，必須要針對其關(guān)鍵技術(shù)進行研究，以進一步提高煤炭資源回收率和開采效率，確保煤礦開采安全，盡快實現(xiàn)“數(shù)字礦山”。

參考文獻：

[1]車勇.煤礦綜采工作面無人化開采技術(shù)探析[J].科技風，2017（15）：107.

[2]沈慶華.試論煤礦無人工作面開采技術(shù)[J].能源技術(shù)與管理，2017，42（03）：172-173.

[3]麻曉東.煤礦無人工作面開采技術(shù)探討[J].能源與節(jié)能，2017（05）：140-141.

[4]王宏.煤礦無人工作面的開采技術(shù)[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2016（02）：32-33.