智能化技術(shù)在煤礦開采中的現(xiàn)狀及展望

余銅柱

摘? ?要：近年來隨著我國在煤礦開采的高端技術(shù)及裝備領(lǐng)域的政策扶持，資金支持，煤礦開采的智能化技術(shù)不斷取得突破，機(jī)械化、自動化程度得到大幅度的提升，安全系數(shù)大幅提高，許多重點(diǎn)煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)了億噸無死亡。通過分析煤炭在我國的能源結(jié)構(gòu)之中的地位及當(dāng)前煤礦開采中過程復(fù)雜、系統(tǒng)龐大、環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，通過對現(xiàn)階段的研究，提出煤礦開采智能化概念并從關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)踐應(yīng)用這兩個方面分析一些智能化技術(shù)的實(shí)現(xiàn)以及智能化技術(shù)在煤礦開采中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望可能發(fā)展的路徑和方向。

關(guān)鍵詞：智能化開采? 煤炭開采? 現(xiàn)狀? 展望

中圖分類號：TD67? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）07（a）-0022-02

我國煤炭儲量豐富，近年來隨著我國在煤礦開采的高端技術(shù)及裝備領(lǐng)域的政策扶持，資金支持，煤礦開采的智能化技術(shù)不斷取得突破，機(jī)械化、自動化程度得到大幅度的提升，安全系數(shù)大幅提高，許多重點(diǎn)煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)了億噸無死亡，如圖1所示。但是我國煤礦大多以井工開采為主，大多數(shù)煤礦的地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，我國的煤炭開采智能化水平仍然處于初級階段，在煤炭開采過程中，瓦斯、頂板、透水、沖擊地壓等重大事故并沒有從根本源頭上得到解決，嚴(yán)重影響著我國煤炭的安全生產(chǎn)形象。煤炭開采由粗放生產(chǎn)到智能化、精細(xì)化的轉(zhuǎn)型成為必然趨勢。為此，本文在總結(jié)我國在智能化開采現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了今后一段時期內(nèi)技術(shù)裝備的發(fā)展方向及建議。

1? 我國煤礦智能化開采的一些關(guān)鍵技術(shù)

為了確保煤礦智能化開采的實(shí)現(xiàn)，可以應(yīng)用下面的一些智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 智能記憶截割技術(shù)

所謂的智能記憶截割技術(shù)指的是學(xué)習(xí)和記憶人工操作自動化采煤機(jī)示范刀，以使自動割煤在下個循環(huán)實(shí)現(xiàn)。采煤機(jī)控制系統(tǒng)可以應(yīng)用位移型調(diào)高油缸或者是采高軸編碼器自動定位工作面采高，以及可以結(jié)合位置傳感器自動定位工作面位置。

1.2 視頻監(jiān)控技術(shù)

針對礦井視頻監(jiān)控技術(shù)而言，其指的是結(jié)合指揮中心視頻監(jiān)測系統(tǒng)對礦井開采的設(shè)備運(yùn)行以及煤層傾角的改變進(jìn)行觀察。操作者能夠結(jié)合顯示器把握礦井的工作現(xiàn)狀，防止生產(chǎn)中問題的形成。視頻監(jiān)控技術(shù)可以引導(dǎo)工作者及時把握礦井一系列傳感器的運(yùn)行現(xiàn)狀和開采煤礦的進(jìn)程，從而保證順利開采煤礦資源。

1.3 人工遠(yuǎn)程干預(yù)控制技術(shù)

所謂的人工遠(yuǎn)程干預(yù)控制技術(shù)是結(jié)合發(fā)達(dá)的計算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等，以及借助一體化軟件平臺監(jiān)測工作設(shè)備的數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。在有效統(tǒng)一采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、工作面輸送控制系統(tǒng)、超前支架控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、三機(jī)通信控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)等的基礎(chǔ)上，可以統(tǒng)一控制和協(xié)調(diào)管理煤礦綜合機(jī)械化采煤工作面的全部機(jī)械設(shè)備。

2? 我國煤礦智能化開采的現(xiàn)狀

我國的煤礦開采方式經(jīng)歷了人力、炮采、普采、綜采4個階段，目前我國廣泛開展科技合作與技術(shù)創(chuàng)新，在煤礦智能化開采的基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、重大裝備和示范工程等方面取得了重大突破，高新技術(shù)的迅猛發(fā)展為煤礦智能化開采提供了有力的技術(shù)保障。圖2為我國當(dāng)前煤礦智能化開采的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

利用采礦自動化網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了地面與井下工作面之間的互聯(lián)互通，將工作面各設(shè)備信息和監(jiān)視畫面集成到在井下的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)當(dāng)中，然后再通過連接井上及井下的環(huán)網(wǎng)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛娴目刂葡到y(tǒng)中。實(shí)現(xiàn)了“智能+遠(yuǎn)程干預(yù)”的智能化開采方法，利用了記憶切割技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)和遠(yuǎn)程干預(yù)技術(shù)，逐步實(shí)現(xiàn)了“無人操作，有人巡視”的目標(biāo)。

兗州煤業(yè)股份有限公司在濟(jì)寧二號煤礦實(shí)現(xiàn)的自主研發(fā)的基于MG2X125/556-WD型薄煤層滾筒采煤機(jī)的薄煤層綜采自動化系統(tǒng)。陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)有限責(zé)任公司針對黃陵一號煤礦進(jìn)行了智能化綜采系統(tǒng)研發(fā)和工程示范，實(shí)現(xiàn)了煤炭無人開采的技術(shù)突破，獲得2016年中國工業(yè)大獎。大同煤礦集團(tuán)塔山煤礦研發(fā)的特厚煤層大采高綜放成套技術(shù)和裝備，將綜放開采高度從14m提升到了20m，獲得國家科技進(jìn)步一等獎。兗州煤業(yè)與天地科技公司在國內(nèi)外首次研發(fā)了8.2m綜采成套技術(shù)和智能化控制系統(tǒng)并應(yīng)用于陜西未來能源有限公司金雞灘煤礦實(shí)現(xiàn)了工作面月產(chǎn)150萬t以上，達(dá)到了國際領(lǐng)先的水平。神東煤炭集團(tuán)在榆家梁煤礦44305工作面采用了采煤機(jī)記憶切割、支架聯(lián)動跟機(jī)、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程干預(yù)的自動化綜采成套技術(shù)，建成我國首個自動化綜采工作面。

3? 智能化煤礦開采存在的主要問題

要實(shí)現(xiàn)煤礦的智能化開采，重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)工作面基本無人化，巷道集中控制，采煤機(jī)械化程度要達(dá)到90%以上，掘進(jìn)機(jī)械化程度80%以上，當(dāng)前存在的主要問題和急需突破的核心技術(shù)主要包括以下幾個方面。

3.1 通信平臺沒有實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一

雖然工作面的以太網(wǎng)已經(jīng)基本建成和投入使用，但是大多數(shù)情況下只是傳輸數(shù)據(jù)量較大的視頻信息，并沒有形成統(tǒng)一的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)，沒有真正實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備和監(jiān)控數(shù)據(jù)的“無縫”對接，各個系統(tǒng)之間的信息也沒有真正的共享。

3.2 需要提升設(shè)備的可靠性

設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性是智能化煤礦開采的核心，由于各工作面環(huán)境惡劣，攝像系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)易收到煤塵的影響，清晰度、準(zhǔn)確性達(dá)不到要求。研究關(guān)鍵元部件的失效原因和故障機(jī)理，攻克關(guān)鍵元部件的技術(shù)壁壘，為煤礦的智能化開采提供可靠穩(wěn)定的保障。

3.3 工作面存在的上竄下滑的問題

由于工作面煤層和地質(zhì)環(huán)境的變化，會出現(xiàn)刮板運(yùn)輸機(jī)沿工作面向上或向下的整體的竄動，使得刮板機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)搭接的距離發(fā)生變化，造成安全出口不夠及拉煤不暢的問題，影響著煤礦的安全生產(chǎn)，應(yīng)通過自動檢測位置信息研究偽傾斜技術(shù)用以攻克此項(xiàng)問題。

3.4 智能調(diào)高技術(shù)需要進(jìn)一步發(fā)展

關(guān)鍵在于能夠自動識別煤巖的技術(shù)，即采煤機(jī)切割時可以根據(jù)煤層的彎曲變化情況自動調(diào)整滾筒的切割高度，避免切割到頂?shù)装宓膸r層，此項(xiàng)技術(shù)需要進(jìn)一步的研究。

3.5 煤炭企業(yè)的高端投入面臨困局

我國煤炭的產(chǎn)能過剩，供大于求的形式在短期內(nèi)無法改變，煤炭行業(yè)的不穩(wěn)定性使得煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益下滑的條件下，研發(fā)投入難以保障。開采設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性成為煤炭企業(yè)所關(guān)注的重點(diǎn)。

4? 煤礦智能化開采的研究展望

智能化技術(shù)是煤礦轉(zhuǎn)型升級的必然，智能型煤礦以信息化、數(shù)字化、自動化、無人化為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)煤礦高效安全的開采?，F(xiàn)階段雖然取得了一定成果，但仍不能滿足高效安全生產(chǎn)的需求，需要進(jìn)一步的研究。

在多數(shù)地質(zhì)條件一般的礦井，需要建立可靠的系統(tǒng)軟件，使多個子系統(tǒng)高度的耦合，并不能只是簡單的疊加，各系統(tǒng)的參數(shù)聯(lián)系緊密，提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力，為減少由于惡劣環(huán)境導(dǎo)致的傳感器不準(zhǔn)或失效，需運(yùn)用多種傳感器的融合，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性能，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程協(xié)同，數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸，礦井智能化無人開采，值班人員在控制中心值守，系統(tǒng)自動運(yùn)行（極端情況下進(jìn)行人工干預(yù)），工作面無工作人員，實(shí)現(xiàn)真正的煤礦智能化開采。

參考文獻(xiàn)

[1] 田金成.薄煤層自動化工作面關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（8）：83-86.

[2] 郭周克.薄煤層綜采自動化配套裝備開采技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41（4）：24-27.

[3] 方新秋，張學(xué)峰.無人工作面開采關(guān)鍵技術(shù)[A].中國煤炭學(xué)會開采專業(yè)委員會2006年學(xué)術(shù)年會論文集[C].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2006.

[4] 王巨光.薄煤層綜采數(shù)字化無人工作面技術(shù)研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40（7）：72-75.

[5] 王虹.我國煤礦巷道掘進(jìn)技術(shù)和裝備的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，38（1）：57-62.

[6] 胡穗延.煤礦自動化和通信技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2007，35（8）：1-4.