煤礦智能化開采技術(shù)及其發(fā)展

張冬卉

（鐵法煤業(yè)（集團）有限責任公司，遼寧 鐵嶺112700）

1 煤礦智能化開采技術(shù)創(chuàng)新

1.1 智慧煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

智能決策和智能控制的前提就是對環(huán)境的提前感知和對設(shè)備狀態(tài)的感知。目前，我國煤礦開采時使用了多種監(jiān)控系統(tǒng)，并呈現(xiàn)出飛躍式發(fā)展，能夠?qū)γ旱V生產(chǎn)中產(chǎn)生的關(guān)鍵信息予以感知。但是這些產(chǎn)品在運用時存在數(shù)據(jù)接口和平臺的異樣，相互之間無法融合，導(dǎo)致數(shù)據(jù)孤島或者數(shù)據(jù)出現(xiàn)碎片化現(xiàn)象，從而使得這些數(shù)據(jù)無法進行有效的數(shù)據(jù)分析，難以發(fā)揮出這些數(shù)據(jù)的利用價值。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用實現(xiàn)了設(shè)備之間、環(huán)境之間、人員之間的數(shù)據(jù)互融。這一技術(shù)成為智慧煤礦開采的主要技術(shù)類型。

在應(yīng)用煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)時，需要注重設(shè)備定位與云計算提供的各項服務(wù)，針對這兩個方面進行突破。（1）在對煤礦開采人員進行定位時，可以建立井下的位置服務(wù)，同時也可利用空間感知場、井下位置服務(wù)等開展設(shè)備定位。（2）應(yīng)用云計算服務(wù)、邊緣計算服務(wù)時，需要注重各設(shè)備數(shù)據(jù)之間存在的關(guān)系。

1.1.1 物聯(lián)網(wǎng)位置服務(wù)

超寬帶技術(shù)主要是利用糾偏算法，對不同的煤礦環(huán)境或者面對不同的開采條件計算出煤礦環(huán)境、溫度、介質(zhì)條件；在協(xié)同定位平臺中借助激光雷達或者慣導(dǎo)等對不同介質(zhì)進行協(xié)同定位；定位基站的功能是定位計算，即針對人員的位置或者設(shè)備的運行等進行計算，以了解當前設(shè)備運行的狀況，提升煤礦開采工作的安全性。如圖1所示。

圖1 煤礦物聯(lián)網(wǎng)位置的服務(wù)示意圖

1.1.2 物聯(lián)網(wǎng)云計算服務(wù)

該服務(wù)中最為關(guān)鍵的技術(shù)就是分布式計算技術(shù)，這一技術(shù)對構(gòu)建大數(shù)據(jù)計算框架提供了數(shù)據(jù)上的支撐，如：在構(gòu)建綜采工作面時，通過應(yīng)用這一計算框架，制定數(shù)據(jù)的分析引擎，專家根據(jù)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果（這些數(shù)據(jù)主要有音頻數(shù)據(jù)、空間的各項數(shù)據(jù)、時序數(shù)據(jù)或者大數(shù)據(jù)信息管理時出現(xiàn)的數(shù)據(jù)）做出判斷。標準算法庫進行開發(fā)，能夠分析分類數(shù)據(jù)或者回歸等大數(shù)據(jù)；可視化的工具，為各設(shè)備控制節(jié)點提供云計算服務(wù)或者邊緣計算服務(wù)等。

1.2 多信息融合的協(xié)同控制技術(shù)

構(gòu)建多傳感器信息融合系統(tǒng)主要是根據(jù)多源信息的特征，如：所具備的相關(guān)性、關(guān)聯(lián)性。技術(shù)人員在采用融合算法，得出全年的數(shù)據(jù)信息，進而開展更加精準、智能化的煤礦開采、檢測、識別和探測等，從而使得相關(guān)人員依托智能化水平提升智能決策的能力。信息融合協(xié)同技術(shù)主要是相關(guān)技術(shù)人員在借助該系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)開展協(xié)同管理，對各項信息開展融合計算，得出最終的多信息計算結(jié)果后實現(xiàn)煤礦開采各項設(shè)備的聯(lián)動管理和控制，在短時間內(nèi)完成預(yù)期任務(wù)后，促進各項設(shè)備的順利運行。這就可以看出協(xié)同管理和控制的過程中主要應(yīng)用任務(wù)協(xié)同模式對設(shè)備進行統(tǒng)一控制，完成同一個任務(wù)。同時，協(xié)同控制時還可以應(yīng)用協(xié)同模式，即該模式分為檢修模式協(xié)同、工作模式協(xié)同、停產(chǎn)模式協(xié)同等。例如：煤壁片幫進行分析，該系統(tǒng)中的超前壓力信息在發(fā)出報警信息后，系統(tǒng)給出相應(yīng)的指令，在開展圖像分析時，相關(guān)技術(shù)人員借助傳感器（煤層圖像、斷面頂板圖像）等進行自動識別，在對其中的圖像進行有效識別后，使得圖像清晰度和分辨率得到提升，使得技術(shù)人員在觀測時更加精準。針對護幫板的保護，技術(shù)人員需要觀測護幫板的護幫強度，在對液壓支架初撐力自動補償系統(tǒng)進行啟動和運行時，保障傳感器與相關(guān)設(shè)備運行保持聯(lián)動狀態(tài)，進而實現(xiàn)對護幫板的有效保護。

在開展多源信息融合時，可以采用以下幾個方面的技術(shù)：（1）多傳感器系統(tǒng)的信息融合平臺；（2）構(gòu)建信息融合系統(tǒng)的模型；（3）算法設(shè)計；（4）數(shù)據(jù)采集的處理和分析；（5）融合效果的評價或者分析。在對多源數(shù)據(jù)信息開展有效融合時，需根據(jù)數(shù)據(jù)方式的不同，對融合進行劃分，即直接融合、特征融合、決策融合等。如圖2所示。

圖2 智能開采工作面系統(tǒng)的多信息融合模型

如圖2所示我們可以看出，智能開采中的信息源呈現(xiàn)多元化，即來自于超前壓力、立柱壓力、頂梁傾角、護幫強度或者圖像中的信息。根據(jù)信息融合系統(tǒng)中不同的融合類型，即將這些信息源劃分為，前2種產(chǎn)生的信息源為直接融合；后2種主要為特征融合，決策融合就是為所有信息源開展的決策和判斷，提供了重要信息依據(jù)。

1.3 智能化綜采關(guān)鍵技術(shù)

智能化無人綜采技術(shù)是無人跟機開展的一系列作業(yè)任務(wù)。這一技術(shù)難點在于使用時需要增加和引進先進的遠程遙控技術(shù)，這一技術(shù)融合了多種關(guān)鍵技術(shù)，如：自動化技術(shù)、檢測技術(shù)、視頻技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)等，其是多種技術(shù)的綜合應(yīng)用。

（1）液壓支架全工作面跟機自動化技術(shù)、遠程人工干預(yù)技術(shù)。即在液壓支架電液控制系統(tǒng)控制下開展無人跟機自動化控制，在實現(xiàn)電液控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)與液壓支架視頻技術(shù)相互結(jié)合試用下，利用監(jiān)控中心遠程操作臺對液壓支架進行人工干預(yù)，能夠?qū)?fù)雜的煤礦開采環(huán)境下液壓支架進行自動化控制。

（2）自動跟機技術(shù)。這一技術(shù)主要指綜采工作面的液壓支架跟隨采煤機位置或者采煤機運行的方向自動移架、自動噴霧、三機聯(lián)動和自動刮板輸送機等，對液壓支架自動跟機示意圖進行了展示，并對遠程干預(yù)控制界面進行了展示。

（3）記憶截割技術(shù)又稱之為采煤機控制技術(shù)，即借助采煤機學(xué)習(xí)示范到運行參數(shù)和采煤機自動化控制系統(tǒng)中的在線學(xué)習(xí)、修改參數(shù)功能等，完成綜采工作面全工序自動化割煤。

（4）工作面視頻監(jiān)控技術(shù)。實際工作面中安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在井下監(jiān)控中心、地面指揮控制中心對整個煤礦開采工作面進行視頻監(jiān)控。煤壁監(jiān)控攝像儀能夠?qū)Σ杉降囊曨l進行實時上傳，然后在將其傳到監(jiān)控中心，構(gòu)建了更加清晰的煤巖界面。為了獲取采煤機的位置，其主要是借助紅外線傳感器進行獲取，再借助軟件處理能夠無縫轉(zhuǎn)換攝像儀跟隨采煤機的畫面。

（5）綜采自動化集中控制技術(shù)。集中控制系統(tǒng)能夠?qū)Σ擅簷C、液壓支架、運輸設(shè)備及供液設(shè)備等有機整合到一起，再合理編排，實現(xiàn)地面與井下的集中化管理和控制。

1.4 煤礦機器人

煤礦開采作業(yè)較為復(fù)雜，在開采時還會采用人工開采的方式。這不僅會增加危險性，還會降低工作的效率。因此，煤礦開采過程中利用機器人替代井下作業(yè)或者應(yīng)急救援人工作業(yè)等已經(jīng)成為未來智慧煤礦的新趨勢，究其原因，煤礦開采過程中造成的人員傷亡越來越多，利用先進的技術(shù)開展煤礦安檢和管控，對及時采取應(yīng)急救援發(fā)揮著重要作用。極端復(fù)雜環(huán)境機器人的設(shè)計和應(yīng)用，賦予了機器人感知的能力和防爆、導(dǎo)航、避障、路徑規(guī)劃、自救等方面的功能。因此，在之后研究中可以從以下幾個方面進行研究：井下機器人自我狀態(tài)的識別和避障功能；快速充電技術(shù)和協(xié)同管控等。

我國近幾年加大對機器人的研發(fā)和應(yīng)用，為了提升機器人應(yīng)用效果，即采用了井下機器人自適應(yīng)變阻抗力跟蹤控制方法。這一方法應(yīng)用后，避免機器人應(yīng)用時所產(chǎn)生的碰撞問題和損害到其他設(shè)備的風險，即通過研究機器人與環(huán)境之間產(chǎn)生的接觸阻力等，找出其存在的變化規(guī)律，以得出最終的控制參數(shù)，應(yīng)用變阻力跟蹤控制方法對機器人的自適應(yīng)力開展跟蹤和控制，減少機器人發(fā)生碰撞的次數(shù)，實現(xiàn)對機器人的自動化控制。這一方法運用后，能夠減少機器人發(fā)生碰撞次數(shù)，降低對人員及周圍環(huán)境、設(shè)備的損害。

井下機器人在未知區(qū)域掃描檢測方法或者障礙識別方法還有待研究，同時，還在探測自身風險、自我避障等方面進行完善。

根據(jù)了解，井下機器人的電池容量有著嚴格要求，根據(jù)煤礦井下電氣設(shè)備安裝規(guī)范，研究供電快速充電技術(shù)成為煤礦機器人合理應(yīng)用最為關(guān)鍵的技術(shù)。如：機器人無線自主尋徑充電方法或者防爆電源，無線充電裝置等。

2 煤礦智能化開采技術(shù)的發(fā)展趨勢

2.1 5G技術(shù)智能化開采技術(shù)

借助5G技術(shù)能夠促進智能化無人開采技術(shù)得到更快的發(fā)展，其在應(yīng)用5G技術(shù)后，在自主感知、精準定位和智能導(dǎo)航等方面都取得了重大突破?？梢钥闯?，我國大范圍覆蓋5G技術(shù)，能夠給煤礦智能化開采帶來重要的作用和發(fā)展契機。其發(fā)揮的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面，見表1。

表1 5G技術(shù)與傳統(tǒng)智能開采技術(shù)對比

（1）大寬帶與泛在萬物互聯(lián)。井下綜采工作面或者掘進工作面都是復(fù)雜的環(huán)境或者受限最大的環(huán)境。5G環(huán)境下與泛在互聯(lián)海量傳感器進行部署，進而獲取更多類型的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量也會變大；部署高清攝像頭，獲取更加高清的視頻畫面，為了解設(shè)備的運行狀態(tài)、工作面的環(huán)境、人員可能存在的危險等情況提供重要依據(jù)，也為開展智能化的決策提供數(shù)據(jù)支撐。

（2）精準、可靠。5G最為關(guān)鍵的能力就是可靠性強、用時短等。煤礦采煤機在運行時其速度較快，5G能夠?qū)Σ擅簷C姿態(tài)、采煤機速度和煤巖識別等進行判斷，邏輯控制序列中的動作。并且空口時延、端對端時延已經(jīng)達到了毫秒級別，具有較高的可靠性，進一步保障了該設(shè)備遠程監(jiān)控更加精準，得出更加可靠的信息。

（3）5G可以根據(jù)切片技術(shù)將物理網(wǎng)絡(luò)分割成多個邏輯獨立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，進而對煤礦開采中不同的開采場景進行布置，借助移動邊緣計算技術(shù)，將煤礦井下不同的傳感器數(shù)據(jù)中融入更多的服務(wù)，如：預(yù)警服務(wù)和控制服務(wù)等，在將其下沉到數(shù)據(jù)源邊緣地帶，能夠在這一節(jié)點處對數(shù)據(jù)進行有效分析和對設(shè)備開展有效控制，提升了分析的智能性和高效性。

2.2 智能化綜采技術(shù)

智能化綜采技術(shù)成為當前煤礦開采的主要發(fā)展趨勢，我們可以從該技術(shù)應(yīng)用中獲取更多經(jīng)驗教訓(xùn)，制定出更多關(guān)鍵技術(shù)和采煤工藝、智能化的技術(shù)路線。在應(yīng)用更多新技術(shù)后，突破難點和重點，化解智能化綜采過程中出現(xiàn)的難題。

其一，綜采工作面使用無線通信技術(shù)，這一技術(shù)的應(yīng)用能夠減少井下通信線纜的過多使用，緩解了強度較大的線纜維護難度。

其二，為了能夠使地面上的調(diào)度人員或者監(jiān)控中心人員清晰地看到井下現(xiàn)場生產(chǎn)界面，需要進一步對遠程干預(yù)操作手段進行不斷豐富，以此提升巡檢人員的人身安全。即在未來需要對人員感知技術(shù)或者單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)進行探索，在實現(xiàn)地面人員與監(jiān)控人員的雙面通信后，能夠幫助這些人員隨時掌握現(xiàn)場的信息，在進行采集或者傳輸相關(guān)信息后，盡快了解到井下的信息。

3 結(jié)束語

煤礦智能化開采技術(shù)的革新對促進煤礦產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型和發(fā)展發(fā)揮著重要作用。智慧煤礦也成為未來主要發(fā)展趨勢，智能化開采作為其主要核心技術(shù)，我們需要緊緊抓住信息技術(shù)和5G技術(shù)帶來的發(fā)展契機，將煤炭開采和數(shù)字化礦山的建設(shè)融為一體，借助人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等促進傳統(tǒng)開采礦業(yè)的改革和創(chuàng)新，從而構(gòu)建更加高效的智慧煤礦，實現(xiàn)智慧煤礦的可持續(xù)發(fā)展。