信息化背景下談井下采礦技術(shù)問題及優(yōu)化措施

劉新峰

神木縣隆德礦業(yè)有限責(zé)任公司 陜西 神木 719315

引言

隨著科技進步，我國煤礦行業(yè)進入了全新的發(fā)展階段，許多大型煤礦或者中小型煤礦幾乎都實現(xiàn)了機械化作業(yè)，用機械設(shè)備取代人工作業(yè)的方式大大提高了生產(chǎn)效率，克服了井下作業(yè)的諸多限制。但在信息化背景下，各煤礦企業(yè)內(nèi)的信息化與機械化融合取得了一定成效，但采礦中依舊存在諸多技術(shù)難題。為迎合行業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展，各煤礦企業(yè)需立足自身情況，逐步用信息技術(shù)構(gòu)建全新的采礦技術(shù)體系，以發(fā)揮新技術(shù)優(yōu)勢為煤礦創(chuàng)造更大的效益。

1 煤礦井下采礦的技術(shù)問題

1.1 技術(shù)水平

信息化背景下各煤礦企業(yè)采用了采礦新技術(shù)，克服了傳統(tǒng)技術(shù)的諸多限制。許多煤礦采礦技術(shù)都展開了信息化探索，但部分煤礦企業(yè)受限于自身的發(fā)展，其采礦信息化水平偏低，開采作業(yè)中常常伴隨著以下問題：

1.1.1 礦井自燃。伴隨著采礦工作，煤炭會發(fā)生氧化過程，此過程將釋放大量的熱量，但因為井下作業(yè)空間相對有限，通風(fēng)不佳、散熱不好，在多因素影響下，礦井內(nèi)發(fā)生自燃現(xiàn)象的概率較高。煤樣復(fù)合時需消耗很長時間釋放熱量，短時間內(nèi)無法集聚熱力資源，有關(guān)人員對煤氧復(fù)合的關(guān)注度不足。煤礦生產(chǎn)作業(yè)中火災(zāi)事故不可忽視，此類事故造成的隱患大、損失大[1]。結(jié)合實際的生產(chǎn)經(jīng)驗，礦井自燃下的火災(zāi)事故多位于采空區(qū)，需結(jié)合該區(qū)域情況制定最佳的解決措施。

1.1.2 瓦斯爆炸。煤礦井下作業(yè)中瓦斯爆炸事故的出現(xiàn)頻次也相對較高。煤層中的瓦斯量往往超出了標(biāo)準(zhǔn)，瓦斯中的甲烷含量異常高，具有吸附特性，熱度遠超煤炭。當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_到特定上限時必將誘發(fā)安全事故。因此，許多煤礦在信息化條件下尚未完全解決瓦斯風(fēng)險，瓦斯事故時有發(fā)生。

1.1.3 附井事故。煤礦生產(chǎn)作業(yè)的環(huán)境條件十分復(fù)雜，為保障采礦作業(yè)的便捷性，一般需在礦井內(nèi)設(shè)置天井、溜井等豎井，使作業(yè)人員可利用豎井進出。一旦在實際的工作中豎井結(jié)構(gòu)不穩(wěn)或者支撐點設(shè)置不合理，如未給梯子加裝防護欄，井口位置未考慮安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置防護欄或者警示標(biāo)識，都可能誘發(fā)嚴重事故，這也是信息化條件下煤礦采礦方面需重點關(guān)注的問題。

1.1.4 生態(tài)事故。現(xiàn)階段煤礦行業(yè)內(nèi)越發(fā)關(guān)注可持續(xù)發(fā)展，為帶動整個行業(yè)的進步，采礦作業(yè)中不僅需更新工藝與技術(shù)，配備新設(shè)備，還需要加強生態(tài)管理。目前許多煤礦企業(yè)都采用了信息化技術(shù)，但其在作業(yè)過程中依舊存在生產(chǎn)事故，主要是因為井下環(huán)境復(fù)雜，伴隨著開采作業(yè)，周圍地區(qū)可能發(fā)生地表陷落等問題，影響生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定與平衡。另外，高強度的井下開采作業(yè)中，采空區(qū)分布較多，周圍土地受壓過大，超出了自身負荷，一旦有輕微地質(zhì)運動或者極端天氣，都可能誘發(fā)地震、滑坡等事故造成巨大風(fēng)險。

1.2 地質(zhì)問題

煤礦井下采礦技術(shù)中地質(zhì)問題也相對突出，采礦作業(yè)中煤礦深度、煤層構(gòu)造等都是影響開采效率、技術(shù)應(yīng)用效果的直接因素。當(dāng)下部分煤礦企業(yè)并未意識到地質(zhì)工作的重要性，在實際的工作中常常未做好前期的地質(zhì)調(diào)研，或者在地質(zhì)調(diào)查和整合階段未合理應(yīng)用信息技術(shù)，難以整合與分析全部的地質(zhì)信息，無法在地質(zhì)基礎(chǔ)上選擇采礦技術(shù)，安排采礦作業(yè)，造成了一系列的技術(shù)和管理等問題。

2 信息化背景下煤礦采礦技術(shù)的優(yōu)化措施

2.1 在煤礦監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備方面的應(yīng)用

煤礦井下采礦中涉及了多種機械設(shè)備，設(shè)備運行狀態(tài)關(guān)乎采礦效率與安全。煤礦企業(yè)在當(dāng)下為動態(tài)監(jiān)控設(shè)備及作業(yè)過程，應(yīng)用機電自動化展開了全過程監(jiān)控。但有關(guān)設(shè)備在運行期間往往面臨諸多安全風(fēng)險，通過采用智能化、自動化技術(shù)，可實時監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況及時發(fā)出預(yù)警信息，提醒相關(guān)人員注意處理實際問題。

2.2 礦井虛擬現(xiàn)實技術(shù)

煤礦生產(chǎn)作業(yè)的復(fù)雜性高、專業(yè)性強，生產(chǎn)過程中有關(guān)人員需全面、準(zhǔn)確了解井下生產(chǎn)情況，技術(shù)人員需借助信息技術(shù)在生產(chǎn)中融入礦井虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在該技術(shù)下應(yīng)完成三維建模，模擬井下設(shè)備的運行情況，并選用配套軟件完成智能化調(diào)節(jié)與控制，實現(xiàn)可視化管理、智能化控制，幫助有關(guān)人員及時處理生產(chǎn)中的問題。礦井虛擬現(xiàn)實技術(shù)有以下意義：操作人員在三維建模控制中能完整、準(zhǔn)確地掌握開采作業(yè)全過程，為保障作業(yè)進度，煤礦企業(yè)需在虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中應(yīng)用人機交互模擬作業(yè)過程，此模擬過程下能大大降低作業(yè)風(fēng)險，相關(guān)人員根據(jù)模擬過程及結(jié)果可發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的潛在問題，提前制定風(fēng)險預(yù)防措施；可促進煤礦企業(yè)的智能化控制，在信息模板控制中添加三維模型，礦井作業(yè)中有關(guān)人員能完成可視化操作，為有關(guān)人員從三維角度監(jiān)控設(shè)備的運行狀態(tài)提供了新的保障，依據(jù)相應(yīng)模塊采集和模擬結(jié)果，有關(guān)人員能精確調(diào)節(jié)設(shè)備運行參數(shù)，達到實時化控制的目標(biāo)[2]。因此，結(jié)合煤礦生產(chǎn)的全過程，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅能提升煤礦生產(chǎn)期間的數(shù)據(jù)運算能力，更能智能檢測和控制設(shè)備。在智能檢測過程中一旦發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在異常情況，應(yīng)由智能化模塊及時發(fā)送預(yù)警信息，快速展開相應(yīng)的處理與預(yù)防。

2.3 井下傳輸網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

針對現(xiàn)代煤礦企業(yè)，在生產(chǎn)作業(yè)中企業(yè)必須建立完善的傳輸網(wǎng)絡(luò)，只有如此方可保障提高通信效率，使礦井作業(yè)中各方面情況均能及時反饋。有關(guān)人員建設(shè)傳輸網(wǎng)絡(luò)時需注意以下方面：①保障礦山企業(yè)內(nèi)部良好的運行狀態(tài)，達到有線寬帶傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬大、無線接入方便、抗干擾性好、安全穩(wěn)定等目標(biāo)。井下傳輸網(wǎng)絡(luò)整體上可選擇冗余雙樹結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)下的中繼設(shè)備數(shù)量少、設(shè)備體積小[3]。②地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與井下監(jiān)控設(shè)備之間應(yīng)保持互聯(lián)互通性，為達到網(wǎng)絡(luò)安全的目標(biāo)，在選擇設(shè)備時應(yīng)考慮安全性能。③合理設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，優(yōu)先選擇有冗余功能、熱備冗余功能的設(shè)備。

2.4 開發(fā)精準(zhǔn)地質(zhì)探測與4D-GIS系統(tǒng)

為保障開采工作的順利進行，開采之前企業(yè)需安排相關(guān)人員進入現(xiàn)場展開一系列調(diào)研，掌握地下煤層資源的分布等基本情況，后續(xù)的開采作業(yè)中以這些調(diào)研結(jié)果為依據(jù)選定技術(shù)、制定方案。傳統(tǒng)的采礦過程中，由于技術(shù)條件的限制，設(shè)備相對落后，鉆井、化探、物探調(diào)查等面臨諸多難點，不利于提高探測結(jié)果的精度，不利于發(fā)展智能化?，F(xiàn)階段信息化背景下，煤礦需根據(jù)自身的生產(chǎn)特點，將智能化作為工作重點，超前預(yù)測地質(zhì)情況，再引入綜采新技術(shù)，以提高智能化水平。為此，信息化條件下煤礦應(yīng)大力創(chuàng)新勘探技術(shù)，形成一體化地質(zhì)檢測技術(shù)與設(shè)備，并同步應(yīng)用探測數(shù)據(jù)動態(tài)解釋技術(shù)，以提高信息整合、處理及分析能力。

另外，各煤礦企業(yè)在信息化發(fā)展中也需綜合現(xiàn)代技術(shù)建立大數(shù)據(jù)信息平臺，遵循相應(yīng)的工作流程采集大量的信息，獲取完整信息，在信息基礎(chǔ)上制定采礦方案。此外，工作流程中也需完善綜采工作面采動應(yīng)力定量探測技術(shù)，配套專業(yè)化設(shè)備設(shè)施及工具，在整個生產(chǎn)作業(yè)中由這些新設(shè)備及技術(shù)監(jiān)測礦區(qū)具體情況，及時處理異常問題。當(dāng)前我國技術(shù)發(fā)展迅速，GIS技術(shù)的應(yīng)用范圍持續(xù)擴大，各煤礦企業(yè)也需應(yīng)用該項技術(shù)，促進智能數(shù)據(jù)的開發(fā)，并適當(dāng)融入4D-GIS綜合檢測應(yīng)用系統(tǒng)，必要情況下結(jié)合大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，在煤礦企業(yè)中建立專有數(shù)據(jù)庫，儲存歷史及當(dāng)下的采礦數(shù)據(jù)[4]。采礦作業(yè)期間智能化模塊能調(diào)取歷史數(shù)據(jù)等，分析綜合地質(zhì)情況，通過3D地質(zhì)動態(tài)模型完成模擬、分析。

2.5 薄及中厚煤層的智能化開采模式

結(jié)合我國煤炭資源的分布情況，薄煤層分布廣，大約達到了總煤炭儲量的1/5。但我國薄煤層的厚度參差不齊，儲量各有不同，由于煤層分布環(huán)境的復(fù)雜性，作業(yè)期間對設(shè)備、技術(shù)等都有極高的標(biāo)準(zhǔn)。因此，在一些煤礦企業(yè)常常因為薄煤層開采難度較大選擇不開采，造成了資源的浪費?，F(xiàn)階段的條件下技術(shù)發(fā)展迅速，煤礦企業(yè)可針對薄煤層研發(fā)刨煤機智能化開采設(shè)備、滾筒采煤機無人化開采模式，這些設(shè)備與作業(yè)模式可克服不利條件的限制，提高采煤效率。如薄煤層厚度不超1m，井下空間異常小，刨煤機智能化開采設(shè)備配套的智能截割刨煤機能實現(xiàn)自動往返進刀、兩端分別頭斜切進刀、混合進刀，再通過智能變頻刮板的聯(lián)動控制，可提高開采效率，保障產(chǎn)能[5]。支撐智能自適應(yīng)液壓的支架系統(tǒng)能實現(xiàn)液壓支架的智能自適應(yīng)支撐、刨煤機深度的科學(xué)控制；配套的智能變頻刮板輸送機系統(tǒng)能合理調(diào)速，避免刮板輸送機的速度異常；在煤量檢測、智能變頻系統(tǒng)的雙重控制下，系統(tǒng)能自動分析和判定刮板輸送機的運行狀態(tài)，在有故障的情況下及時發(fā)送預(yù)警，提醒相關(guān)人員注意處理。配套的薄煤層刨煤機能斜切進刀，在現(xiàn)場可完成三角煤機的雙向割煤，這種上下雙向自動刨煤的工作模式為采煤提供了便捷。

如薄煤層厚度超過了1m，煤層中存在大量的煤炭資源，傳統(tǒng)的采礦工藝存在諸多問題，在信息化條件下可采用鼓式采煤機智能化無人采礦模式，在該模式下兼具定位導(dǎo)航、直線度自動調(diào)節(jié)功能，在開采作業(yè)中智能化模塊能完成地質(zhì)建模、輔助采礦探測，使開采作業(yè)中采煤機能根據(jù)煤層分布等基本情況，自由切割煤層厚度。滾筒采煤機屬于專業(yè)化設(shè)備，設(shè)備外形為扁平形，并配備有扁纜裝置，即使現(xiàn)場環(huán)境相對惡劣，該采煤機同樣能完成其生產(chǎn)任務(wù)。礦井地質(zhì)勘探建模技術(shù)能完成對煤層的4D建模，得到更為直觀的井下現(xiàn)場情況，并依據(jù)相應(yīng)結(jié)果實時修正4D模型，使相關(guān)人員從更為完整的角度了解煤層情況。通過整合前期勘探中得到的煤巖信息，有關(guān)人員可利用模型提前規(guī)劃采煤機的采煤路徑，合理控制采煤機搖臂角度，使采煤機在不同位置上高度能自動調(diào)節(jié)。整個作業(yè)期間通過檢測截割高度、截割速度、截割位置等，可智能化把握采煤機的截割情況，在有異常情況時教師制定解決措施。

2.6 大采高工作面智能人機協(xié)同綜采模式

我國的煤炭資源分布較多，在山西、內(nèi)蒙古、陜西等幾個地區(qū)的煤炭資源分布最多，結(jié)合這些省區(qū)的煤炭分布情況，煤層厚度一般在6～8m之間，屬于堅硬厚煤層，煤炭資源的儲存條件相對理想，為達到高效開采的目標(biāo)，一般應(yīng)引入一次采全厚開采方式，通過人機協(xié)同，保障開采作業(yè)的安全性。大采高的耦合協(xié)同模式中引入了液壓支架與圍巖耦合控制、裝備的分布式協(xié)同控制等技術(shù)，在這些新技術(shù)的支持下，控制系統(tǒng)的性能穩(wěn)定、功能多樣，基本可解決傳統(tǒng)大采高下面臨的工作面頂板失穩(wěn)、礦山壓力和煤壁片幫冒頂?shù)葐栴}。具體的工作中應(yīng)通過“雙因素”控制法保障生產(chǎn)效率，將頂板巖層控制在正常范圍。先進液壓支架可利用遙控自動控制系統(tǒng)、超前規(guī)劃完成工作面的超前支護，促進先進液壓支架與工作面設(shè)備的有效配合。

2.7 綜放智能化操控與人工干預(yù)輔助放煤模式

厚煤層的厚度較大，賦存條件理想，綜放法開采方式更為適用?，F(xiàn)階段的條件下針對厚煤層開采作業(yè)，一般應(yīng)通過綜放智能化操控、人工干預(yù)相結(jié)合的方式。智能崩落技術(shù)有時間余量控制的自動崩落、自動記憶崩落、煤矸石識別的智能崩落等幾種，具體的工作中相關(guān)人員需考慮實際情況選擇相應(yīng)的工藝與技術(shù)。

3 結(jié)束語

煤礦行業(yè)每年為國民經(jīng)濟貢獻了巨大力量，在當(dāng)下行業(yè)發(fā)展的過程中，各煤礦企業(yè)需意識到自身在信息化條件下采礦技術(shù)存在的問題，在未來的工作中采取一系列改進和優(yōu)化措施，建立信息化采礦技術(shù)體系。