煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)的創(chuàng)新與管理

高宇

摘 要：近年來(lái)，煤炭產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展和技術(shù)創(chuàng)新速度加快，煤炭開(kāi)采向集約化、高端化和智能化轉(zhuǎn)變，“十二五”時(shí)期，年產(chǎn)千萬(wàn)噸級(jí)綜采成套設(shè)備實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，千萬(wàn)噸級(jí)煤礦數(shù)量和產(chǎn)量分別達(dá)到 53 處和 0. 73Gt，大型煤炭基地成為煤炭供應(yīng)的主體。煤炭高效開(kāi)采技術(shù)與裝備創(chuàng)新取得系列重大進(jìn)展，智能綜采技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，世界首套最大采高 8. 2m 超大采高綜采和 20m 特厚煤層綜放關(guān)鍵技術(shù)與裝備達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平，薄煤層和大傾角等復(fù)雜難采煤層綜采技術(shù)裝備取得新突破，綜采成套裝備出口到歐美澳等世界主要產(chǎn)煤國(guó)家。

關(guān)鍵詞：安全高效：智能化開(kāi)采：遠(yuǎn)程控制：煤巖識(shí)別

引言：

為了實(shí)現(xiàn)煤礦的安全、高效生產(chǎn)，智能化已經(jīng)成為煤礦未來(lái)的發(fā)展方向。本文提出了煤炭智能化開(kāi)采的概念，簡(jiǎn)要闡述了目前國(guó)內(nèi)外智能化開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀以及國(guó)內(nèi)利用智能化開(kāi)采的應(yīng)用成果，剖析了當(dāng)前存在的問(wèn)題以及發(fā)展方向。

1 國(guó)外智能開(kāi)采技術(shù)

目前，國(guó)外智能開(kāi)采技術(shù)以澳大利亞的 LASC技術(shù)和美國(guó)的 IMSC 技術(shù)為代表。

1.1LASC 技術(shù)

澳大利亞于 2008 年成功研制了一套工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng) LASC 技術(shù)。該技術(shù)的流程包括：①通過(guò)地質(zhì)勘探和巷道掘進(jìn)，收集到一系列相關(guān)數(shù)據(jù)建立三維工作面地質(zhì)模型，通過(guò)該模型得出的煤層起伏和頂?shù)装逦恢镁冗_(dá)到 5cm 左右：②對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行三維精確定位：③利用電液控制系統(tǒng)，確保工作面排列整齊和連續(xù)推進(jìn)：④工作面進(jìn)行水平控制。澳大利亞的布爾加煤礦屬于高瓦斯礦井，安全風(fēng)險(xiǎn)大，通過(guò)采用 LASC 技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)臂工作面的自動(dòng)控制，改善了生產(chǎn)條件，使得工人遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，大大提高了安全生產(chǎn)水平。

1.2IMSC 技術(shù)

IMSC 的中文全稱(chēng)為智能開(kāi)采服務(wù)中心，該系統(tǒng)中的遠(yuǎn)程服務(wù)功能可以對(duì)井下設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)得到的報(bào)警、故障信息可以及時(shí)的通知到礦井工程師，以便對(duì)井下設(shè)備及時(shí)的維修調(diào)整。同時(shí)該系統(tǒng)還能夠定期的提交運(yùn)行分析報(bào)告，對(duì)礦井進(jìn)行有效指導(dǎo)，提高了礦井生產(chǎn)率。

2智能化綜采關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外綜采放頂煤工作面裝備和技術(shù)發(fā)展水平現(xiàn)狀，機(jī)械和電氣設(shè)備以選擇先進(jìn)適用、成熟可靠的技術(shù)和裝備為主，控制系統(tǒng)功能以滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)工作面集成控制和主要生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化運(yùn)行與地面遠(yuǎn)程控制為基本要求，預(yù)留開(kāi)展工作面智能化開(kāi)采研究所需要的可擴(kuò)展性，包括接口、空間和軟件的開(kāi)放性等。

綜放工作面自動(dòng)化控制系統(tǒng)由地面監(jiān)控中心、井下綜放工作面監(jiān)控中心、控制網(wǎng)絡(luò)、采煤機(jī)控制系統(tǒng)、“三機(jī)”控制系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、負(fù)荷動(dòng)力中心監(jiān)控系統(tǒng)、順槽膠帶控制系統(tǒng)、工作面精確定位及找直系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、輔助降塵系統(tǒng)等組成。

2.1 液壓支架全工作面跟機(jī)自動(dòng)化與遠(yuǎn)程人工干預(yù)技術(shù)

在液壓支架電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全工作面跟機(jī)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，依據(jù)電液控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與液壓支架視頻相結(jié)合，通過(guò)監(jiān)控中心遠(yuǎn)程操作臺(tái)對(duì)液壓支架進(jìn)行人工干預(yù)，以滿(mǎn)足復(fù)雜環(huán)境下液壓支架的自動(dòng)化控制。其中，自動(dòng)跟機(jī)技術(shù) 是指綜采工作面液壓支架以采煤機(jī)位置及運(yùn)行方向?yàn)楦鶕?jù)，在電液控技術(shù)的基礎(chǔ)上，跟隨采煤機(jī)完成工作面自動(dòng)移架、自動(dòng)推刮板輸送機(jī)、自動(dòng)噴霧、三機(jī)聯(lián)動(dòng)等成組或單架控制功能。液壓支架自動(dòng)跟機(jī)示意及遠(yuǎn)程干預(yù)控制界面如圖所示：

2.2采煤機(jī)全工作面記憶截割與遠(yuǎn)程人工干預(yù)技術(shù)

在采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)全工作面記憶截割的基礎(chǔ)上，依據(jù)采煤機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與煤壁視頻相結(jié)合，通過(guò)監(jiān)控中心遠(yuǎn)程操作臺(tái)對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行人工干預(yù)，以滿(mǎn)足復(fù)雜環(huán)境下采煤機(jī)的自動(dòng)化控制。其中，記憶截割技術(shù)是指在滿(mǎn)足地質(zhì)條件的自動(dòng)化工藝基礎(chǔ)上，以采煤機(jī)學(xué)習(xí)示范刀運(yùn)行參數(shù)為依據(jù)，以具有在線(xiàn)學(xué)習(xí)、修改參數(shù)功能的采煤機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)為核心，完成綜采工作面全工序自動(dòng)化割煤的采煤機(jī)控制技術(shù)，采煤機(jī)記憶截割示意圖及遠(yuǎn)程干預(yù)控制界面如圖所示：

2.3工作面視頻監(jiān)控技術(shù)

井下工作面監(jiān)控中心作為整個(gè)系統(tǒng)的“大腦”，把采煤機(jī)、液壓支架、工作面“三機(jī)”（刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)）、泵站、順槽膠帶等主要設(shè)備當(dāng)成一個(gè)整體設(shè)備進(jìn)行控制，根據(jù)采煤機(jī)、刮板機(jī)、液壓支架的工作狀況及具體位置，按照“記憶割煤、自動(dòng)化放煤、采放同步、一鍵啟動(dòng)”的控制方式進(jìn)行連續(xù)自動(dòng)化生產(chǎn)，同時(shí)結(jié)合工作面環(huán)境參數(shù)的變化情況進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。

根據(jù)工作面實(shí)際情況，設(shè)計(jì)安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)（圖 3），實(shí)現(xiàn)在井下監(jiān)控中心和地面指揮控制中心對(duì)整個(gè)綜采工作面的視頻監(jiān)控。煤壁監(jiān)控?cái)z像儀采集的視頻實(shí)時(shí)上傳至監(jiān)控中心，提高了煤巖界面可視化程度：并由紅外線(xiàn)傳感器獲得采煤機(jī)位置，通過(guò)軟件處理實(shí)現(xiàn)攝像儀跟隨采煤機(jī)無(wú)縫切換。

3煤炭智能化開(kāi)采技術(shù)發(fā)展前景展望

3.1全面推進(jìn)綜采智能化技術(shù)

煤層賦存條件的復(fù)雜性和安全制約因素的多樣性是綜采智能化面臨的最大難題。技術(shù)進(jìn)步為解決難題提供了手段，合理的政策措施、科學(xué)的生產(chǎn)管理也是全面推進(jìn)智能化開(kāi)采的重要因素。

（1）加快完善煤炭資源管理與產(chǎn)能布局，將煤炭的安全高效綠色開(kāi)采作為我國(guó)煤炭資源開(kāi)發(fā)的基本產(chǎn)業(yè)政策，淘汰落后開(kāi)采方法與產(chǎn)能裝備，把智能化開(kāi)采科學(xué)產(chǎn)能作為鼓勵(lì)發(fā)展產(chǎn)能，從國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策各相關(guān)方面給予支持。

（2）加大智能化開(kāi)采原始創(chuàng)新力度，加強(qiáng)對(duì)不同煤層賦存條件下智能化開(kāi)采技術(shù)適應(yīng)性的攻關(guān)和煤炭智能化開(kāi)采技術(shù)及裝備體系研發(fā)，大力促進(jìn)創(chuàng)新成果的轉(zhuǎn)化、完善和全面推廣應(yīng)用，鼓勵(lì)出口，提高行業(yè)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力。

（3）提高煤礦智能化開(kāi)采的管理水平，提倡專(zhuān)業(yè)化的生產(chǎn)作業(yè)、設(shè)備維修、技術(shù)指導(dǎo)，提升每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的效率和質(zhì)量，建立完善的智能化開(kāi)采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。從技術(shù)、管理及政策措施等方面全面推進(jìn)厚煤層智能化開(kāi)采技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)煤炭安全高效綠色開(kāi)采新目標(biāo)。

3.2有限無(wú)人化開(kāi)采目標(biāo)

有限無(wú)人化開(kāi)采是智能化開(kāi)采的中高級(jí)階段，要求在工作面正常生產(chǎn)期間，工作面中無(wú)人操作，端頭和工作面巷道也要實(shí)現(xiàn)智能控制和基本無(wú)人操作，僅在設(shè)備正常維護(hù)、檢修和特殊工況處理時(shí)，人員才進(jìn)入工作面進(jìn)行維護(hù)，實(shí)現(xiàn)有限條件下的無(wú)人化開(kāi)采。上述目標(biāo)建立在對(duì)整個(gè)工作面的煤層地質(zhì)情況全面詳細(xì)了解的基礎(chǔ)上，要求整個(gè)工作面的設(shè)備有相當(dāng)高的智能化水平和系統(tǒng)協(xié)調(diào)機(jī)制，綜采裝備和生產(chǎn)系統(tǒng)能夠自動(dòng)根據(jù)煤層地質(zhì)條件變化修正開(kāi)采行為，并對(duì)開(kāi)采可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)判，同時(shí)全工作面建有完善的智能感知功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)開(kāi)采環(huán)境變化情況，實(shí)時(shí)修正開(kāi)采行為；系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能，對(duì)不同條件的煤層開(kāi)采方法進(jìn)行學(xué)習(xí)與訓(xùn)練，這樣在隨后的開(kāi)采過(guò)程中遇到類(lèi)似條件時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)已掌握的開(kāi)采方法進(jìn)行開(kāi)采，提高決策的科學(xué)性與適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)真正的智能化開(kāi)采。為此，需要事先對(duì)工作面煤層地質(zhì)條件進(jìn)行高精度探測(cè)，構(gòu)造滿(mǎn)足開(kāi)采精度要求的工作面煤層地質(zhì)數(shù)字模型，綜采設(shè)備根據(jù)該數(shù)字模型進(jìn)行程序化、智能化開(kāi)采。

結(jié)論：

隨著我國(guó)煤礦逐漸轉(zhuǎn)向深部開(kāi)采，地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，智能化開(kāi)采可以將工人從危險(xiǎn)環(huán)境中解放出來(lái)，是保證煤礦安全高效開(kāi)采的最有效途徑。盡管當(dāng)前已成功應(yīng)用于部分礦區(qū)，但是仍有一些核心技術(shù)需進(jìn)一步研究完善以滿(mǎn)足各種復(fù)雜的開(kāi)采條件。

參考文獻(xiàn)

[1] 衛(wèi)慶華，常昱.我國(guó)首家煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新中心落戶(hù)黃陵礦區(qū)[J].陜西煤炭，2016，35（05）：67.

[2] 宋振騏，夏洪春，盧國(guó)志.“中國(guó)制造2025”背景下中厚煤層智能開(kāi)采技術(shù)發(fā)展方向[J].同煤科技，2016（01）：1-5+8-9.

[3] 謝和平，王金華，姜鵬飛，劉見(jiàn)中，吳剛，周宏偉，任懷偉.煤炭科學(xué)開(kāi)采新理念與技術(shù)變革研究[J].中國(guó)工程科學(xué)，2015，17（09）：36-41.

[4] 趙夢(mèng)遠(yuǎn).煤礦“無(wú)人化”自動(dòng)開(kāi)采技術(shù)的引領(lǐng)者[J].當(dāng)代礦工，2015（08）：7-9.

[5] 李東印. 科學(xué)采礦評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與量化評(píng)價(jià)方法[D].河南理工大學(xué)，2012.