煤礦智能無(wú)人采煤工作面開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)

＊胡海峰

（山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)柳灣煤礦 山西 032303）

采煤工作面始終是最繁忙的施工場(chǎng)所之一，在煤炭開(kāi)采作業(yè)中經(jīng)常面臨威脅人員和設(shè)備安全的不利影響，比如瓦斯超標(biāo)、頂板災(zāi)害等煤礦生產(chǎn)問(wèn)題，如果處理不當(dāng)就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的安全生產(chǎn)事故，給企業(yè)平穩(wěn)健康發(fā)展帶來(lái)無(wú)法彌補(bǔ)的創(chuàng)傷。近些年隨著智能技術(shù)不斷發(fā)展成熟，在煤炭開(kāi)采中推廣使用智能無(wú)人工作面成為一種新的方向，智能無(wú)人采煤技術(shù)不僅可以提升煤炭開(kāi)采效率，減少當(dāng)班人員數(shù)量，還可以在保障安全生產(chǎn)的前提下提升煤炭生產(chǎn)的穩(wěn)定性，減少各種礦井災(zāi)害的不利影響。為此，有必要深入開(kāi)展煤礦智能無(wú)人采煤工作面開(kāi)采技術(shù)研究工作，分析智能無(wú)人開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)，從中找到安全高效環(huán)保的煤炭開(kāi)采技術(shù)。

1.采煤工作面常見(jiàn)災(zāi)害種類分析

(1)頂板災(zāi)害

頂板災(zāi)害在煤炭生產(chǎn)中是一種比較常見(jiàn)的危險(xiǎn)事故，占煤炭所有災(zāi)害的比重也很大。近些年，隨著國(guó)家對(duì)煤礦頂板災(zāi)害研究的重視，頂板支護(hù)理論不斷發(fā)展成熟，礦山壓力、巖石裂縫脫落等得到有效治理，使得大規(guī)模冒頂事故得到有效避免，然而局部小規(guī)模的冒頂事故仍然是煤礦開(kāi)采工作面安全治理的難點(diǎn)。一些局部冒頂事故常發(fā)生在靠近煤壁附近、采煤工作面兩端、井下放線附近及地質(zhì)斷裂帶附近。局部冒頂事故可以是漏冒型頂板、壓垮型冒頂和推垮型冒頂中的任何一種或多種，多樣化的事故類型造成局部冒頂研究更加復(fù)雜，甲酯局部冒頂事故多為偶然性零星小型事故，容易造成煤礦安全管理方面的疏忽。實(shí)際上，多數(shù)的局部冒頂事故發(fā)生前都會(huì)表現(xiàn)出一定的征兆，只有采取正確的監(jiān)測(cè)、預(yù)防手段，掌握冒頂事故的發(fā)展規(guī)律，才能從根本上預(yù)防和減少冒頂事故的發(fā)生。

(2)瓦斯及粉塵災(zāi)害

瓦斯災(zāi)害也是煤礦安全事故的常見(jiàn)類型，常見(jiàn)的瓦斯災(zāi)害主要有兩種，分別是瓦斯爆炸和瓦斯突出。瓦斯突出主要存在于巷道掘進(jìn)工作中，而瓦斯爆炸則多發(fā)生在采煤機(jī)割煤的過(guò)程中，這是由于瓦斯原本穩(wěn)定地質(zhì)條件下存在于地下煤層巖石間隙，采煤機(jī)械開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)后，強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)、切割產(chǎn)生的高溫、變大的煤層裂縫等綜合因素作用下，使瓦斯氣從煤層巖石間隙逃離聚集在采煤工作面，如果處理不當(dāng)就會(huì)造成瓦斯爆炸。此外，煤礦生產(chǎn)過(guò)程需要切割煤層和巖石，加之煤炭生產(chǎn)作業(yè)空間狹小，很容易在有限的空間內(nèi)漂浮大量的固體粉塵，如果采煤工作面通風(fēng)不暢的情況下，就會(huì)造成粉塵超標(biāo)，危險(xiǎn)安全生產(chǎn)的形勢(shì)。粉塵災(zāi)害的另一個(gè)體現(xiàn)是大量的煤塵和矽塵等混合型固體顆粒隨呼吸進(jìn)入工人體內(nèi)，這些固體顆粒不能經(jīng)過(guò)肺泡代謝排出體外，最終會(huì)演變?yōu)閴m肺病。必須采用一定的技術(shù)手段除塵降瓦斯，為煤炭生產(chǎn)提供安全的作業(yè)環(huán)境。

(3)礦井火災(zāi)

在煤礦安全生產(chǎn)事故中，礦井火災(zāi)是一種危險(xiǎn)程度較大的災(zāi)害類型。常見(jiàn)的煤礦火災(zāi)可以是電氣設(shè)備著火、煤場(chǎng)自燃、人為引發(fā)火災(zāi)等，由于井下著火多發(fā)生在狹小采煤工作面或者采煤巷道，火災(zāi)產(chǎn)生的煙氣會(huì)導(dǎo)致人員窒息，同時(shí)井下火災(zāi)撲救難度較大，稍不注意就容易演變成重大火災(zāi)事故。在所有火災(zāi)類型中煤場(chǎng)自燃是最常見(jiàn)的著火形式，隨著地下埋藏的煤炭采掘過(guò)程中逐漸暴露在空氣中，機(jī)械采掘的高溫將煤層點(diǎn)燃，如果不采取有效措施控制煤層自燃的范圍和程度，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)采煤工作面都出現(xiàn)嚴(yán)重的火災(zāi)，對(duì)煤礦整體安全生產(chǎn)帶來(lái)不利的影響。鑒于煤礦火災(zāi)危害嚴(yán)重，要根據(jù)礦井火災(zāi)的特點(diǎn)分類做好火災(zāi)預(yù)防工作。對(duì)于煤層自燃現(xiàn)象，要做到科學(xué)制定采煤工作計(jì)劃，減少對(duì)礦體的破壞和碎礦堆積，留出充足的空間保持空氣流通，減少煤層附近熱量過(guò)多聚集。對(duì)于外因?qū)е碌幕馂?zāi)，少量明火可以水、砂、磚塊、干粉滅火器等撲滅，當(dāng)火勢(shì)較大時(shí)要能夠用發(fā)泡塑料、橡膠氣囊等阻隔火勢(shì)，同時(shí)啟動(dòng)礦井反風(fēng)裝置，防止煙氣返流至采煤工作面。

(4)礦井水災(zāi)

在煤礦采煤工作面生產(chǎn)過(guò)程中，地面水和地下水可以通過(guò)各種通道匯入，如果礦井涌水量超過(guò)了井下正常的排水能力時(shí)，就會(huì)在井下工作面形成礦井水災(zāi)。礦井水災(zāi)事故也是煤礦常見(jiàn)的主要災(zāi)害形式，水災(zāi)導(dǎo)致的淹井事故不僅影響礦井正常的生產(chǎn)活動(dòng)，而且透水事故淹沒(méi)井下電氣設(shè)備造成相關(guān)設(shè)備報(bào)廢，人員如果未及時(shí)疏散還會(huì)造成傷亡事故，給企業(yè)安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重的不良后果。煤礦井下水災(zāi)事故有承壓水、老窖水等形式，這些透水事故的特征表現(xiàn)各不相同，但是都是對(duì)煤礦危害比較大的災(zāi)害類型。對(duì)于老窖水而言，通常存在于舊有礦坑采空區(qū)，一旦工程施工觸碰到這些老窖水，老窖積水就會(huì)迅速涌進(jìn)采煤巷道，同時(shí)這些老窖水由于長(zhǎng)時(shí)間處于封閉狀態(tài)，水中含有大量腐蝕性酸性氣體很容易導(dǎo)致人員窒息甚至死亡。對(duì)于煤礦承壓水而言，一些煤礦開(kāi)采深度較深，在煤層鉆孔作業(yè)時(shí)需要警惕打通地下承壓含水層，為此，煤礦企業(yè)必須加強(qiáng)探放水制度落實(shí)督導(dǎo)，在認(rèn)真分析探放水安全的結(jié)論后才能進(jìn)行正常的采煤作業(yè)。

2.煤礦智能無(wú)人工作面開(kāi)采技術(shù)

(1)智能無(wú)人工作面開(kāi)采優(yōu)勢(shì)

為了切實(shí)提高煤礦綜采工作面安全生產(chǎn)的效率，減少礦井中各種災(zāi)害發(fā)生的概率，國(guó)內(nèi)煤礦智能無(wú)人工作面被視為未來(lái)現(xiàn)代化煤礦發(fā)展的新方向。煤礦智能無(wú)人采煤工作面開(kāi)采技術(shù)呈現(xiàn)出開(kāi)采范圍大、開(kāi)采安全性高、開(kāi)采效率高的特點(diǎn)。從無(wú)人采煤工作面應(yīng)用效果來(lái)看，智能無(wú)人采煤工作面具有很強(qiáng)的適用性，既能夠在淺層巷道進(jìn)行生產(chǎn)，又能在深部礦井滿足采礦需求，長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看其無(wú)人采煤技術(shù)將會(huì)成為許多礦井的主流開(kāi)采技術(shù)之一。從煤礦安全管理來(lái)看，煤礦生產(chǎn)必須堅(jiān)持“安全生產(chǎn)大于天，安全責(zé)任重于山”的工作原則，做好煤礦安全生產(chǎn)相關(guān)的技術(shù)與管理工作，煤礦智能無(wú)人采煤技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化、遠(yuǎn)程化組織井下生產(chǎn)，減少了采煤工人直接接觸危險(xiǎn)的工作環(huán)境，保障了職工生命健康安全。從煤礦生產(chǎn)效率而言，智能無(wú)人開(kāi)采技術(shù)是采用智能化機(jī)械設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)人力加機(jī)械的作業(yè)模式，減少了直接從事煤炭生產(chǎn)的勞動(dòng)者數(shù)量，對(duì)機(jī)械、電氣、通信、安全等專業(yè)進(jìn)行有效融合，保障了煤礦安全高效組織生產(chǎn)活動(dòng)。

(2)智能無(wú)人工作面運(yùn)行過(guò)程

隨著大型煤炭機(jī)械化設(shè)備廣泛應(yīng)用在煤礦中，需要控制調(diào)節(jié)的液壓支架動(dòng)作、采煤機(jī)速度、滾筒高度等參數(shù)逐漸增多，同時(shí)要求這些機(jī)械設(shè)備要以更高的操控水平進(jìn)行工作，將采煤電氣化機(jī)械設(shè)備與智能信息技術(shù)結(jié)合，就誕生了煤礦智能無(wú)人采煤工作面生產(chǎn)模式。智能無(wú)人工作面開(kāi)采體系涉及多種工程控制技術(shù)，包括煤機(jī)定位系統(tǒng)、三機(jī)配套采煤裝備、搖擺臂調(diào)高系統(tǒng)、煤巖邊界辨識(shí)體系、雙向高速通信技術(shù)、井下抗干擾系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)測(cè)及參數(shù)調(diào)控系統(tǒng)等，涉及到采礦、安全、機(jī)械、電氣、通信、自動(dòng)化、人工智能等多領(lǐng)域成果的應(yīng)用。智能無(wú)人采煤工作面運(yùn)行的過(guò)程見(jiàn)圖1，從圖中可知，滾筒采煤機(jī)、前移液壓支架和刮板輸送機(jī)共同組成了綜采平臺(tái)主要開(kāi)采設(shè)備，依靠高速通信網(wǎng)絡(luò)可以綜采設(shè)備運(yùn)行眾多參數(shù)反饋至中控平臺(tái)，通過(guò)定位和導(dǎo)航系統(tǒng)隨時(shí)校正采煤設(shè)備動(dòng)作，此外在智能化采煤三機(jī)配套系統(tǒng)中安裝了信號(hào)反饋校正程序，能夠自主排查綜采設(shè)備的故障并進(jìn)行自我校正。

圖1 智能無(wú)人采煤工作面運(yùn)行示意圖

3.煤礦智能無(wú)人開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)

(1)無(wú)人采煤系統(tǒng)

煤礦智能無(wú)人采煤系統(tǒng)是建立高效獲取采煤工作面數(shù)據(jù)信息，并將相關(guān)信息加工處理反饋至中央控制室，再利用遠(yuǎn)程控制技術(shù)對(duì)采煤工作面進(jìn)行遙控干預(yù)，真正實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)人智能操控煤炭開(kāi)采的生產(chǎn)模式。智能無(wú)人采煤系統(tǒng)能夠通過(guò)多種渠道、多個(gè)方位感知采煤生產(chǎn)變量，利用視頻音頻傳感器、空間方位傳感器、機(jī)械臂仰角俯角傳感器、壓力變化傳感器等感知周圍采煤環(huán)境的變化，同時(shí)LASK糾偏系統(tǒng)能夠聯(lián)合調(diào)整參數(shù)偏差，實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)高速化、交互式傳輸?shù)男枰o(wú)人采煤技術(shù)的另一大特點(diǎn)是充分利用了先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)搜集海量的智能監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及各種感受器參數(shù)信息，可以搭建三維井下虛擬工作場(chǎng)景。處在地面中央控制室的工程技術(shù)人員可以利用搭建的智能采煤工作軟件，模擬不同狀態(tài)下井下智能采煤工藝匹配程度，并利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)不斷豐富智能控制方案，為井下智能無(wú)人生產(chǎn)提供科學(xué)決策依據(jù)。

(2)智能控制系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的無(wú)人化、智能化操作，需要圍繞五個(gè)核心開(kāi)展調(diào)試，即煤層切割速度、截割高度、截割軌跡、刮板輸送機(jī)調(diào)直和液壓支架調(diào)直等組成，任何一個(gè)控制步驟不能實(shí)現(xiàn)智能化操作，整個(gè)采煤工作面的智能化就無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)。在采煤機(jī)智能控制中一個(gè)很重要的自動(dòng)化控制體現(xiàn)在液壓系統(tǒng)，包括液壓支架電液控制、智能集成供液系統(tǒng)、綜采機(jī)械控制等控制裝置，對(duì)于提高煤礦綜采自動(dòng)化水平具有十分重要的意義。目前發(fā)展較快的是智能集成供液系統(tǒng)，該系統(tǒng)能為煤礦生產(chǎn)提供一整套完整的綜采工作面支架液壓供液方案，通過(guò)控制集成泵站、電磁載卸、乳化比例、變頻控制、乳液多級(jí)過(guò)濾等為綜采設(shè)備提供清潔的、比例穩(wěn)定的高質(zhì)量乳化液，為綜采設(shè)備安全高效運(yùn)行提供可靠物質(zhì)保障。在綜采設(shè)備自動(dòng)化控制軟件層面，煤礦智能無(wú)人控制體現(xiàn)在建立了一整套監(jiān)視-控制-反饋為主的信息自主處理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了采煤工作面液壓支架、采煤機(jī)、刮板機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等遠(yuǎn)程遙控開(kāi)采的目的。

(3)智能探測(cè)系統(tǒng)

無(wú)論是自動(dòng)化操作，還是人工遠(yuǎn)程遙控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煤礦智能無(wú)人采煤離不開(kāi)對(duì)井下煤層附近實(shí)際開(kāi)采數(shù)據(jù)的支持。為了獲得煤礦智能化開(kāi)采的準(zhǔn)確性，減少煤礦各種類型災(zāi)害的發(fā)生，保障煤礦開(kāi)采安全高效運(yùn)行，有必要全面提升特定開(kāi)采區(qū)域的探查與監(jiān)測(cè)。一方面，煤礦企業(yè)可以充分挖掘地質(zhì)條件自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，借助對(duì)地質(zhì)條件的快速準(zhǔn)確識(shí)別幫助自動(dòng)割煤機(jī)提升煤炭開(kāi)采效率。例如：一種太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)，能夠在飛秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)射電磁場(chǎng)脈沖，利用傅里葉變換穿過(guò)被探測(cè)巖層內(nèi)部，快速獲得煤層內(nèi)部光譜信息，進(jìn)而完成對(duì)周圍區(qū)域地質(zhì)物性的探查。除了常規(guī)的探測(cè)手段，有條件的煤礦企業(yè)可以在充分了解開(kāi)采地物理特性的基礎(chǔ)上，獲得與智能開(kāi)采設(shè)備相適應(yīng)的超前探測(cè)技術(shù)，獲得煤礦采煤區(qū)更深層的地質(zhì)信息，提前捕捉可能存在威脅采煤工作面的災(zāi)害類型，有針對(duì)性地做好開(kāi)采預(yù)防措施。

(4)5G互聯(lián)通信

在煤礦智能無(wú)人礦井建設(shè)中，5G互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)將各種智能化采煤裝備巧妙聯(lián)系起來(lái)，徹底打通了井上與井下、人員與設(shè)備、機(jī)械與設(shè)備之間隔離，調(diào)動(dòng)各種有利于井下智能采煤的因素，推動(dòng)采煤工作由自動(dòng)化向智能化實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。5G互聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)可以穿過(guò)上千米的井下巷道，擺脫傳統(tǒng)3G網(wǎng)絡(luò)只能滿足人員簡(jiǎn)單通話的通信限制，幫助井下工作面與地面工作人員建立穩(wěn)定的通信，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)礦區(qū)巡檢、綜采、機(jī)電、通風(fēng)等部門人員協(xié)作，及時(shí)解決煤礦生產(chǎn)過(guò)程存在的技術(shù)難題。隨著5G技術(shù)不斷走向成熟，煤礦智能開(kāi)采技術(shù)也逐漸向更加多元數(shù)據(jù)融合方向發(fā)展，智能設(shè)備的自主探測(cè)能力得到加強(qiáng)，信息定位更加準(zhǔn)確，信息傳輸渠道和傳輸效率更加便捷，從而全面提升煤礦采煤工作面的智能控制水平及控制質(zhì)量。

4.結(jié)束語(yǔ)

總之，煤礦智能無(wú)人采煤工作面開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)打破了傳統(tǒng)煤炭開(kāi)采的格局，基于智能控制、5G互聯(lián)網(wǎng)、智能探測(cè)等新技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用，能夠有效化解煤炭生產(chǎn)過(guò)程中面臨的各種災(zāi)害，在保障安全的前提下提升煤礦開(kāi)采的效率。為了實(shí)現(xiàn)煤礦智能開(kāi)采的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展目標(biāo)，在未來(lái)一段時(shí)間需要繼續(xù)在智能探測(cè)、智能控制、人工智能學(xué)習(xí)、5G通信等方向開(kāi)展研究，以期全面提升煤礦智能無(wú)人采煤工作面的建設(shè)水平。