煤礦智能化開采技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望

王偉

摘要：我國作為能源大國，擁有豐富的資源儲量。近些年，國家從資金和政策上給予了煤炭技術(shù)裝備領(lǐng)域大力支持，煤炭智能化技術(shù)獲得良好發(fā)展，不論是自動化程度，還是機(jī)械化程度均得到了顯著提升，確保了煤炭安全。大部分煤礦企業(yè)的產(chǎn)量破億，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了零死亡的目標(biāo)。但通過對我國現(xiàn)階段的煤礦開采智能化進(jìn)行分析能夠看出，其還具有很大的上升空間。井工開采為我國煤炭開采主要采用的方式，而由于我國具有十分復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，初級的智能技術(shù)難以滿足現(xiàn)實(shí)需求，并未從根本上確保煤炭的安全性，很容易出現(xiàn)各種事故，如冒水事故、頂板事故等。所以，為保障我國在煤炭開采方面的安全，就應(yīng)對智能技術(shù)展開深入研究，并對其做出不斷改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：煤礦;智能化開采技術(shù);研究現(xiàn)狀;展望

煤礦智能化開采現(xiàn)狀及發(fā)展，從當(dāng)前開采工藝以及整個(gè)開采過程分析，我國的煤礦開采技術(shù)正向著智能化方向持續(xù)、穩(wěn)步的發(fā)展。開采過程中可將機(jī)械設(shè)備與智能化信息計(jì)算技術(shù)，以及傳統(tǒng)的開采工藝相結(jié)合，在確保生產(chǎn)安全的前提下，逐步降低生產(chǎn)成本，更好的改善開采環(huán)境，實(shí)現(xiàn)提高開采效率的目的。伴隨著我國科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，相信在采礦中必然會有更大的改進(jìn)，最終建立工業(yè)發(fā)展與自然環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的生態(tài)保護(hù)機(jī)制。在未來，我國的采礦業(yè)會向著高端智能、自動化程度高的方向發(fā)展。

1 智能化技術(shù)在煤礦發(fā)展中的應(yīng)用價(jià)值

智能化技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)50年代，我國的智能化技術(shù)發(fā)展起步較晚，和國外發(fā)達(dá)國家相比，還有較大的發(fā)展空間。通過實(shí)際資料分析發(fā)現(xiàn)智能化技術(shù)主要是通過計(jì)算機(jī)對人類大腦的一些工作進(jìn)行模仿，自主化的對信息進(jìn)行判斷和篩分，自行作出決定。如何在煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中縮短與國外發(fā)達(dá)國家的差距是當(dāng)前工作人員需要重點(diǎn)考慮的問題，通過相關(guān)資料分析發(fā)現(xiàn)，智能技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域都取得了關(guān)鍵性的應(yīng)用，比如說生物科技領(lǐng)域、電子信息領(lǐng)域和電子產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，智能技術(shù)的快速發(fā)展也表明我國的技術(shù)水平逐步提升。然而，如何進(jìn)一步的對智能技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，逐步成為人們重點(diǎn)關(guān)注的問題。智能化的發(fā)展在現(xiàn)階段依然有一定的局限性，科學(xué)人員需要重視加強(qiáng)創(chuàng)新研究理論分析，為我國的科研發(fā)展提供助力。

煤礦是當(dāng)前世界上較為常用的一種主要能源物質(zhì)，在開采過程中，各種問題的產(chǎn)生導(dǎo)致煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展受到了一定的阻礙和影響，我國經(jīng)濟(jì)逐步發(fā)展也帶動了科技水平的發(fā)展。智能化技術(shù)的出現(xiàn)轉(zhuǎn)變了人們的生活，也為煤礦資源的開采提供了新方向。合理的對智能化開采技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用，可以讓煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)度提升，是當(dāng)前我國煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

2 我國煤礦智能化開采的現(xiàn)狀

我國的煤礦開采方式主要經(jīng)歷了四個(gè)階段，即人力、炮采、普采、綜采。現(xiàn)階段，我國加大了技術(shù)創(chuàng)新和科技創(chuàng)新力度，在煤礦智能化開采的示范工程、重大裝備、關(guān)鍵技術(shù)、基礎(chǔ)理論等方面獲得了顯著發(fā)展，快速發(fā)展的高新技術(shù)，從技術(shù)上保障了煤礦智能化開采的實(shí)現(xiàn)。借助采礦自動化網(wǎng)絡(luò)，密切聯(lián)系地面和井下工作面，在井下的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中集成工作面負(fù)責(zé)對畫面集成以及各種設(shè)備信息進(jìn)行監(jiān)視。接著通過連接井上及井下的環(huán)網(wǎng)，向地面的控制系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)，最終成功實(shí)現(xiàn)“智能+遠(yuǎn)程干預(yù)”的智能化開采，并將各種技術(shù)利用起來（遠(yuǎn)程干預(yù)、視頻監(jiān)控和記憶切割），達(dá)到“無人操作，有人巡視”的目的。

在濟(jì)寧二號煤礦，兗州煤業(yè)股份有限公司已將自主研發(fā)成功實(shí)現(xiàn)，而這主要得益于對薄煤層綜采自動化系統(tǒng)的采用，機(jī)械型號為MG2X125/556-WD型。在黃陵一號煤礦，陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)有限責(zé)任公司所研發(fā)的工程示范和智能化綜采系統(tǒng)，榮獲2016年中國工業(yè)大獎，此舉使煤炭無人開采技術(shù)得到了顯著發(fā)展。大同煤礦集團(tuán)塔山煤礦通過研發(fā)厚煤層大采高綜放成套技術(shù)與裝備，大大提高了綜放開采高度，即從過去的14m上升到了20m。天地科技公司和兗州煤業(yè)在國內(nèi)外第一次對8.2m綜采成套技術(shù)以及智能化控制系統(tǒng)進(jìn)行研發(fā)，同時(shí)在金雞灘煤礦中運(yùn)用，工作面月產(chǎn)超過了150萬t，在國際上位居前列。在榆家梁煤礦44305工作面，神東煤炭集團(tuán)借助自動化綜采成套技術(shù)（遠(yuǎn)程干預(yù)、視頻監(jiān)控、支架聯(lián)動跟機(jī)、采煤機(jī)記憶切割），將我國首個(gè)自動化綜采工作面建立了起來。

3 現(xiàn)代智能化開采技術(shù)

3.1 智能化開采控制系統(tǒng)

智能化開采控制系統(tǒng)的性能優(yōu)劣直接影響各智能化技術(shù)應(yīng)用的實(shí)效性，且直接反映智能化開采技術(shù)發(fā)展水平。現(xiàn)階段我國煤礦智能化開采控制系統(tǒng)已滲透到開采各個(gè)領(lǐng)域，主要包括總調(diào)度指揮中心、礦井自動化網(wǎng)絡(luò)、礦調(diào)度指揮中心、工作面集控中心及供液、供電等系統(tǒng)。其中供液系統(tǒng)方面主要包括乳化液泵站、乳化液濃度自動配比裝置、噴霧泵站、進(jìn)回液自動過濾裝置等，其智能化控制涉及照明、語音、閉鎖、液壓支架、電控接入器、無線網(wǎng)絡(luò)等。供電系統(tǒng)方面主要包括采煤機(jī)、噴霧泵站、乳化液泵站、帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)等，其運(yùn)行情況均由工作面集控中心反饋到井上，再經(jīng)礦調(diào)度指揮中心和總調(diào)度指揮中心控制系統(tǒng)工作?，F(xiàn)有的智能化開采控制系統(tǒng)涉及煤礦開采實(shí)際需求的各個(gè)領(lǐng)域，且系統(tǒng)發(fā)展越來越全面，精細(xì)化控制水平越來越高，為智能化開采系統(tǒng)的發(fā)展奠定了完善的信息傳輸基礎(chǔ)。

3.2 無人采煤技術(shù)

無人采煤技術(shù)即在采煤工作面沒有人力資源投入，通過采煤設(shè)備對工作面獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析后實(shí)行自動化控制，結(jié)合遠(yuǎn)程干預(yù)，實(shí)現(xiàn)“無人作業(yè)、有人巡視”的智能化生產(chǎn)模式?，F(xiàn)有的無人采煤設(shè)備在工作過程中能夠從多層面、多方位進(jìn)行感知，通過現(xiàn)場安設(shè)的視頻傳感器、測高傳感器、位置傳感器、仰俯角傳感器、壓力傳感器、LASK糾偏系統(tǒng)等聯(lián)合調(diào)控，實(shí)現(xiàn)各種采集信息高速交互，進(jìn)而達(dá)到高速協(xié)同控制采煤設(shè)備的目的。此外，采煤機(jī)搭載智能化記憶截割程序，在采煤過程中實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)行截割;液壓支架可實(shí)現(xiàn)自動伸收護(hù)幫板、自動拉架、自動推移刮板輸送機(jī)，滿足無人開采實(shí)際需求。

3.3 井下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

煤礦智能化開采技術(shù)通過應(yīng)用智能化設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制與干預(yù)，需借助井下虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。在采煤工作面應(yīng)用智能監(jiān)控和信息感應(yīng)設(shè)備采集視頻與數(shù)據(jù)信息，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立三維采礦環(huán)境，進(jìn)而模擬智能化采煤工藝。遠(yuǎn)程干預(yù)人員基于工藝模擬結(jié)果，對采煤設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下的狀態(tài)進(jìn)行分析，達(dá)到遠(yuǎn)程干預(yù)目的。在實(shí)際應(yīng)用過程中，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供自主運(yùn)行模式和飛行模式。在自主運(yùn)行模式下，遠(yuǎn)程干預(yù)人員可通過鼠標(biāo)和鍵盤對實(shí)際運(yùn)行的采煤設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控;在飛行模式下，通過對視頻監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到對整個(gè)采煤工作面監(jiān)控的目的。

3.4 遠(yuǎn)程操控

遠(yuǎn)程操控是煤礦智能化開采的重要技術(shù)之一。遠(yuǎn)程操控技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)以采煤機(jī)記憶截割為主要運(yùn)行模式，人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔助模式，以各項(xiàng)操作始終遵循智能設(shè)備的自動化控制為主要目的，人的遠(yuǎn)程干預(yù)為輔助作用，使自動化控制與人工遠(yuǎn)程干預(yù)有效配合，共同完成現(xiàn)階段的煤礦智能化開采。遠(yuǎn)程操控技術(shù)還體現(xiàn)在智能化開采設(shè)備在運(yùn)行狀態(tài)下的集成效果，通過對各項(xiàng)信息技術(shù)及機(jī)械設(shè)備的集成控制，徹底轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)的單一機(jī)械設(shè)備控制方式，實(shí)現(xiàn)了煤礦開采系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的智能化控制，同時(shí)各設(shè)備相互輔助、互相依存、協(xié)調(diào)配合，取得良好效果。

4 煤礦智能化開采技術(shù)展望

在煤炭智能化階段，我國擬達(dá)到的目標(biāo)是：截至2010 年，初級智能示范煤礦數(shù)量滿一百個(gè)。到2025 年，智能化覆蓋所有大型煤礦。機(jī)械智能是礦山綜合開采技術(shù)中一大重大發(fā)展，對煤礦綠色開采目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)以及煤礦工業(yè)的良好發(fā)展極為有利。同時(shí)，要加大對諸多專業(yè)人才的引進(jìn)力度，和時(shí)代發(fā)展保持同步，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級速度加快。

4.1 智能探測技術(shù)

（1）應(yīng)進(jìn)一步提升對煤巖類別的自動識別水平。在煤礦智能化開采技術(shù)發(fā)展過程中，煤巖自動識別一直是工作面自動截割的關(guān)鍵技術(shù)難題。時(shí)域光譜技術(shù)作為一種有效的探測方法，可用于煤巖自動識別。該技術(shù)借助飛秒脈沖，通過時(shí)間分辨相應(yīng)的電場，采用傅里葉變換獲得被測物的光譜信息，通過分析光譜信息的相關(guān)特征，實(shí)現(xiàn)對被測區(qū)域結(jié)構(gòu)物性的鑒定，應(yīng)用于煤巖自動識別可取得良好效果。

（2）發(fā)展超前探測技術(shù)。為了使智能化開采設(shè)備在工作過程中更安全、穩(wěn)定，需盡早獲得采場相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行智能分析，根據(jù)分析結(jié)果采取最優(yōu)工作模式。通過超前探測技術(shù)預(yù)先對工作面環(huán)境狀況進(jìn)行探測和分析，獲取更加準(zhǔn)確的與物理特性、適用范圍、工作進(jìn)度等相關(guān)的數(shù)據(jù)，并基于對這些數(shù)據(jù)的分析指導(dǎo)智能開采設(shè)備實(shí)際應(yīng)用，可提高智能開采設(shè)備的使用效率。如采用超前探測成像技術(shù)對工作面環(huán)境進(jìn)行探測，與常規(guī)的可見光拍攝技術(shù)相比，能夠更準(zhǔn)確地獲取煤層內(nèi)部信息，更早地發(fā)現(xiàn)煤層侵蝕情況，有利于及時(shí)有效地控制智能化開采設(shè)備有針對性地應(yīng)對開采環(huán)境變化。

4.2 智能導(dǎo)航技術(shù)

在煤礦智能化開采技術(shù)發(fā)展過程中，采用智能導(dǎo)航技術(shù)有利于開采設(shè)備與施工人員更準(zhǔn)確地進(jìn)行開采定位，同時(shí)有利于井上下調(diào)度指揮中心更準(zhǔn)確地對人員和設(shè)備進(jìn)行定位，從而全面提升監(jiān)測水平，實(shí)現(xiàn)更科學(xué)有效的智能開采設(shè)備應(yīng)用管理。智能導(dǎo)航技術(shù)借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、光電、導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位，應(yīng)用于智能化開采設(shè)備時(shí)，可結(jié)合設(shè)備姿態(tài)、安全感知及控制情況進(jìn)行全方面定位，相應(yīng)的定位數(shù)據(jù)更有利于遠(yuǎn)程操控人員精確控制設(shè)備工作。未來智能導(dǎo)航技術(shù)在煤礦智能化開采中的應(yīng)用將從光纖慣性導(dǎo)航、三維雷達(dá)2個(gè)方面發(fā)展。

光纖慣性導(dǎo)航是一種常用的自主式導(dǎo)航方式，實(shí)際應(yīng)用時(shí)不需要光電磁等外界因素，僅借助載體設(shè)備的橫向位置、姿態(tài)、速度等參數(shù)即可獲得準(zhǔn)確的導(dǎo)航位置?，F(xiàn)階段慣性導(dǎo)航技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海領(lǐng)域，國外已用于煤礦智能化開采系統(tǒng)中，我國應(yīng)研究將該技術(shù)用于煤礦智能化開采領(lǐng)域，使開采設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航。

雷達(dá)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于移動設(shè)備，以及時(shí)探測設(shè)備位置，在防碰撞系統(tǒng)中發(fā)揮顯著作用。在智能開采設(shè)備上安裝雷達(dá)系統(tǒng)，能夠通過雷達(dá)發(fā)出碰撞信號，有利于保障開采設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，顯著提高遠(yuǎn)程干預(yù)的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)在應(yīng)用中是二維的，在平面范圍內(nèi)測定碰撞距離，將其應(yīng)用于煤礦智能化開采中應(yīng)進(jìn)一步建立三維雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能開采設(shè)備實(shí)際工作領(lǐng)域三維平面的防碰撞功能。

4.3 5G互聯(lián)技術(shù)

在煤礦開采技術(shù)發(fā)展過程中，移動通信技術(shù)屬于核心領(lǐng)域，從1G到4G發(fā)揮了顯著作用?，F(xiàn)階段我國已進(jìn)入5G萬物互聯(lián)技術(shù)時(shí)代，將5G技術(shù)應(yīng)用于煤礦智能化開采領(lǐng)域，能夠進(jìn)一步提高煤礦智能化水平。一方面，基于5G技術(shù)可使云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)在煤礦開采領(lǐng)域得到更廣泛應(yīng)用。另一方面，基于5G技術(shù)生態(tài)，可使煤礦智能化開采技術(shù)不斷發(fā)展成熟，在無人采煤機(jī)領(lǐng)域?qū)⒂蓚鹘y(tǒng)的簡單語音通話發(fā)展為多元數(shù)據(jù)融合，智能設(shè)備的自主探測能力不斷提升，定位系統(tǒng)更加精確，信息傳輸效率不斷提高，使智能開采技術(shù)基于萬物互聯(lián)達(dá)到系統(tǒng)化控制與管理，全面提升智能控制水平與質(zhì)量。

5 結(jié)語

智能化技術(shù)的逐步發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的有效應(yīng)用，煤礦開采技術(shù)得到了有效的提升，也開始向精細(xì)化的方向發(fā)展。然而在實(shí)際進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展過程中，往往不可避免會出現(xiàn)一定的問題，需要注意加強(qiáng)細(xì)節(jié)的控制，綜合化對煤礦智能化開采的現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并且采取針對性的措施對現(xiàn)有的問題進(jìn)行處理，提升煤礦智能化發(fā)展的水平。

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