煤礦綜采工作面無人化開采技術(shù)探析

仇磊

摘 要：綜采工作面無人化是保證煤礦安全及效率提升最有效的途徑，無人化無論從技術(shù)儲備還是實(shí)際需求出發(fā)都需要建立在少人化模式的充分發(fā)展基礎(chǔ)之上，少人化模式的常態(tài)化應(yīng)用是目前中國煤礦自動化發(fā)展的重點(diǎn)，無人模式是發(fā)展方向。本文進(jìn)一步分析了煤礦綜采工作面無人化開采技術(shù)，以供同仁參考借鑒。

關(guān)鍵詞：煤礦；綜采工作；無人化；開采技術(shù)

1 無人工作面開采的優(yōu)勢及限制條件

1.1 無人工作面技術(shù)及其優(yōu)勢

由于采煤工作面易出現(xiàn)頂板、瓦斯、水、火、地?zé)岬缺姸酁?zāi)害，使得工作人員的生命安全受到嚴(yán)重威脅。無人工作面開采技術(shù)指的是采煤工作的破煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)、采空區(qū)的處理等工序完全實(shí)現(xiàn)智能無人化，人僅需在離工作面一定距離的巷道（或硐室） 內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制即可。無人工作面開采技術(shù)，使得在煤炭的生產(chǎn)過程中，采煤工作面現(xiàn)場沒有人員的出現(xiàn)，避免了任何安全事故的發(fā)生。這在我國乃至世界的井工開采技術(shù)中有著里程碑式的意義。

1.2 無人工作面開采技術(shù)的限制條件

制約無人工作面開采技術(shù)發(fā)展的最重要因素為煤層的賦存條件。我國的大部分煤礦地質(zhì)條件極其復(fù)雜，斷層、褶皺、陷落柱、火成巖入侵等地質(zhì)構(gòu)造層出不窮，給采煤自動化、智能化帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，我國僅在神東、陜煤、平煤、永煤等煤層賦存均勻、無地質(zhì)構(gòu)造的幾個采煤工作面實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的控制。因此，無人工作面開采技術(shù)仍然需要進(jìn)行進(jìn)一步大量的研究與探索。

2 傳統(tǒng)煤礦開采技術(shù)中的常見問題

2.1 嚴(yán)重破壞土地資源

現(xiàn)階段，采用傳統(tǒng)開采技術(shù)開采的煤炭產(chǎn)量仍然占有相當(dāng)大的比例，即使是國家重點(diǎn)煤礦的開采也多以長臂式開采等傳統(tǒng)開采方法為主。這種傳統(tǒng)的開采方法會產(chǎn)生極大范圍的地表植物的破壞，并且能夠引起地表塌陷。地表的塌陷不僅會造成水土流失和土地荒漠化，還有可能誘發(fā)滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，對地表植被及土地資源造成難以恢復(fù)的破壞。與此同時，因開采而形成的采空區(qū)還會對地表建筑物產(chǎn)生非常大的影響。因?yàn)榈叵卤徊煽罩螅叵碌膸r層、土層會發(fā)生流動、崩塌的現(xiàn)象，大大降低了建筑物的安全性。

2.2 嚴(yán)重破壞水資源

但在煤炭的實(shí)際開采過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)因開采而引起的漏斗式降落，地下水的水流速度會加快，地下水位也會明顯下降，這種情況的存在破壞了水資源自身的生態(tài)平衡。眾所周知，我國的淡水資源極為緊缺，煤炭開采所造成的水資源的污染和破壞問題勢必會加重我國的淡水資源供應(yīng)壓力，不利于經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展。

2.3 瓦斯處理系統(tǒng)不完善，安全性差

安全是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營順利進(jìn)行的重要保障，尤其在煤礦開采過程中尤為重要。但受傳統(tǒng)煤礦開采技術(shù)的限制，部分煤礦企業(yè)片面的追求經(jīng)濟(jì)效益，不重視企業(yè)的安全問題。而因?yàn)榘踩ぷ髀鋵?shí)不到位而出現(xiàn)的安全事故在煤礦開采企業(yè)中頻繁發(fā)生。在煤炭的開采過程中涉及到非常多的技術(shù)，其中，瓦斯處理系統(tǒng)是煤炭開采過程中不可小覷的一項(xiàng)技術(shù)。因?yàn)橥咚固幚硐到y(tǒng)不僅會在使用過程中對環(huán)境造成較大的污染，而且因?yàn)橥咚箤儆谝兹嘉?，存在較大的安全隱患，所以，瓦斯處理系統(tǒng)的完善與否具有非常重要的意義。如果瓦斯處理系統(tǒng)不完善就有可能引發(fā)災(zāi)害或事故的發(fā)生，影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)。

3 煤礦綜采工作面無人化開采關(guān)鍵技術(shù)

3.1 煤巖自動識別技術(shù)

煤巖自動識別系統(tǒng)是煤礦無人開采工作面技術(shù)的重要組成部分，也是其關(guān)鍵技術(shù)之一，煤巖自動識別技術(shù)應(yīng)用較早，早在20世紀(jì)90年代煤巖自動識別技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于煤礦開采工作中，因此煤巖自動識別技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)備和識別技術(shù)方面均已達(dá)到一個較高的水平。煤巖自動識別技術(shù)利用紅外線、紫外線、超聲波、雷達(dá)探測的方式，深入較深的煤層。煤巖自動識別技術(shù)包括記憶程序控制系統(tǒng)及震動頻譜傳感系統(tǒng)，記憶程序控制系統(tǒng)是煤巖自動識別系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)識別煤巖的分界；而震動頻譜傳感系統(tǒng)主要適用于圍巖較為復(fù)雜的地區(qū)，能夠通過傳感器將地下煤巖的情況以頻譜的方式呈現(xiàn)，從而作為煤礦無人面開采的依據(jù)。由于技術(shù)的限制，煤巖自動識別技術(shù)在圍巖復(fù)雜的地區(qū)的應(yīng)用效果會大打折扣，因此煤巖自動識別技術(shù)的研究方向，應(yīng)該集中于提升煤巖傳感器的分辨率和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性兩方面，從而使煤巖自動識別技術(shù)在煤礦無人面開采工作中發(fā)揮更大的作用。

3.2 采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)

作為人工作面技術(shù)的發(fā)展前提，研究地下高速通訊系統(tǒng)和高精度地下定位、定向系統(tǒng)對自主定位采煤機(jī)的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，開發(fā)出適合中國礦山實(shí)際情況的定位系統(tǒng)能夠大幅度提高我國無人面開采技術(shù)水平，其設(shè)計(jì)優(yōu)化主要包含以下幾個方面：

（1）采煤機(jī)動力模型。采煤機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜多變，眾多因素都能干擾采煤機(jī)的運(yùn)行，進(jìn)而影響采煤機(jī)的工作狀態(tài)。因此，在動力模型的設(shè)計(jì)過程中，合理確定采煤機(jī)的即時速度、加速度以及位置等運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)就成為了重要的考量要素。在進(jìn)行這些工作之前需要首先建立自主定位采煤機(jī)動力學(xué)模型，模擬外界干擾下的采煤機(jī)運(yùn)動特征，確定其準(zhǔn)確的運(yùn)動狀態(tài)。

（2）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的精確計(jì)算。在建立動力模型之后，針對模型的分析需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行支持，因而在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中需要更為高效的數(shù)據(jù)處理辦法，有效地解決計(jì)算精度、計(jì)算量、計(jì)算時間及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等問題。

（3）航位推算誤差補(bǔ)償模型。工作環(huán)境會影響采煤機(jī)慣性傳感器準(zhǔn)確度，進(jìn)而影響航位推算系統(tǒng)精度，所以針對設(shè)備在礦井地下特定環(huán)境中的誤差補(bǔ)償進(jìn)行研究顯得尤為重要。受技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上制約，單純依靠儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝來減少傳感器的誤差，其實(shí)際效果是十分有限的，所以在補(bǔ)償模型的建立過程中，需要使用最優(yōu)估計(jì)方法對移動目標(biāo)位置測算，減少慣性傳感器準(zhǔn)確度對位置狀態(tài)的影響，降低累計(jì)誤差，提高航位推算系統(tǒng)精度。

（4）航位推算系統(tǒng)工作性能。煤礦井下工作環(huán)境惡劣多變，要保證航位推算系統(tǒng)的工作性能，就要針對設(shè)備的防爆性、防水性、防塵性、防震性等做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的工作可靠性。

（5）礦井導(dǎo)航系統(tǒng)研究?，F(xiàn)階段，無人面開采導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是通過高精度電子地圖和采煤機(jī)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。其中，地圖匹配需要采煤機(jī)運(yùn)動處于預(yù)定軌道，在軌道數(shù)據(jù)已知的條件下，通過比較采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)動路線與地圖數(shù)據(jù)庫中的軌道相符程度來確定其運(yùn)動位置和運(yùn)動軌跡，從而實(shí)現(xiàn)傳感器誤差的校正，保證采煤機(jī)處于正確路線。

3.3 多傳感器技術(shù)

在煤礦無人工作面開采技術(shù)的應(yīng)用中，為了能更高效地對煤礦進(jìn)行開采，采煤機(jī)需要得到更多信息，多傳感器技術(shù)在這個過程中扮演著重要角色，將礦井下信息進(jìn)行收集，并將分析結(jié)果對無人工作面開采系統(tǒng)進(jìn)行反饋，確保系統(tǒng)能做出正確判斷。

3.4 井下—井上雙向高速通訊技術(shù)

井下—井上雙向高速通訊技術(shù)能幫助礦井工作人員更好地了解井下采煤機(jī)的情況，通過工作人員對采煤機(jī)在井下的環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)的分析，對其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，該技術(shù)的快速、準(zhǔn)確、完整等特點(diǎn)為井下煤礦開采工作的順利進(jìn)行提供了保障，當(dāng)?shù)V井下出現(xiàn)問題時，工作人員可通過該技術(shù)對問題進(jìn)行充分了解，并制定相關(guān)解決方案，使煤礦開采工作更高效。

4 結(jié)束語

針對煤礦無人工作面開采技術(shù)的研究，需要對無人工作面的概念、特征、系統(tǒng)模型及技術(shù)體系的分析，對中國煤礦工作面自動化水平進(jìn)行深入的理解， 對現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新，發(fā)展出符合中國國情的無人工作面開采技術(shù)。

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