煤礦智能無人采煤工作技術分析

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工作面災害事故常常發(fā)生，施工環(huán)境復雜多變，容易對人身安全構成威脅，“機械替人”這一概念愈發(fā)凸顯，不僅可以減少人工成本、提高工作效率，還可以減少傷亡事故，從而保證施工的安全。因此，衍生出更多對煤礦智能無人采煤工作面開采關鍵技術的研究，并將關鍵智能化技術廣泛鋪展開來，促進煤炭產業(yè)結構的優(yōu)化升級，滿足更豐富和更深層次的煤炭開采需求。

1智能無人采煤工作面的特點

煤礦智能無人工作面開采技術的特點是開采范圍大、開采效率高、安全系數高，這是其區(qū)別于傳統人工開采的優(yōu)勢所在。

1．1開采范圍大開采范圍大分為兩方面:首先是縱向開采范圍大，即開采厚度高;其次是橫向開采范圍廣，可以覆蓋較大的開采橫截面積。處在2000m以下的深層煤層具有空氣稀薄、地質與水文條件惡劣的特點，現階段對深巖層的開發(fā)依然持之以恒，智能化設計的無人工作機制可以實現對煤礦的開采和研究，將大大降低施工難度和危險系數，獲得強大的環(huán)境適應性。地面以下的橫向工作空間受煤壁內應力與外應力的綜合作用，煤壁存在一定的載荷，人員施工時要更加小心謹慎，導致開采范圍受限，而無人工作面可以更大膽地預測可施工區(qū)域，對大量的數據信息進行歸納整合，進而得到更具創(chuàng)新性、突破性的開采方案［1］。

1．2開采效率高對傳統開采技術進行優(yōu)化是煤礦井下智能化無人工作面的開采關鍵技術，即“取其精華，去其糟粕”。簡單來看，智能化無人采煤工作面的關鍵技術就是通過科學技術手段和信息化網絡代替手工操作的技術，優(yōu)點是節(jié)省人力、物力資源，無需聘請和培訓大量的專業(yè)施工人員，大大降低人為工作導致的失誤，工作效率可以在原有基礎上得到較大程度提高，該技術涵蓋專業(yè)信息搜集技術、分析技術、高精度定位導航技術、重大安全事故預警和監(jiān)測技術等，可以進一步降低施工危險系數，將安全事故的發(fā)生率和經濟損失降到更低，不僅可以提高煤炭開采效率，還可以促進煤炭產業(yè)結構的優(yōu)化升級，打破原有的貿易壁壘，沖撞出新的火花，使煤礦具備更大的開拓性和更強的競爭力。

1．3安全系數高通過上文闡述可知，工作面開采技術的智能化、信息化、無人化都可以降低勞動力的使用量，大大減少開采人員傷亡，對安全防護的意義重大。工作人員可以進行遠程控制，無需進入高危環(huán)境，使煤炭開采工作得以順利安全地完成。在安全生產上，要以科學的采礦思想為指導，不能單純地追求高效率，完善采煤工作面開采關鍵技術的內在理念和特點，使其形成標志性的安全生產組織模式，構建完善的工作體系［2］。

2煤礦智能無人采煤工作面的常見災害

2．1頂板災害頂板災害的發(fā)生率較高，是開采工作的重大安全隱患，對作業(yè)人員的生命安全造成了很大威脅。巷道支護技術與工作面支護技術為大范圍冒頂、局部冒頂提供了較大支撐，雖然對大范圍冒頂、局部冒頂的影響作用存在差別，但都要進行提前預防和管控。局部冒頂的解決措施更復雜，該問題發(fā)生在超前支護段、支架前探梁、工作面端等位置。一般使用頂板軟化技術管控頂板大面積來壓，沖擊地壓也是較大的威脅因素，必須對其做好預防與監(jiān)測工作，避免因局部頂板和大范圍頂板問題而造成不可挽回的損失。

2．2瓦斯災害井下瓦斯存量大，常見的瓦斯危害為煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸。煤與瓦斯突出主要發(fā)生在掘進巷道、石門揭煤，該危害比普通作業(yè)時的風險更高;瓦斯爆炸作為井下作業(yè)中的常見危害，每年的傷亡人數居高不下，主要原因是割煤時瓦斯從煤炭中游離出來，進入礦井空氣中，當瓦斯含量高于界限值(或在環(huán)境條件綜合作用下)時會增加爆炸的可能性［3］。

2．3礦井火災礦井火災發(fā)生的原因如下:煤礦溫度過高，自燃引起火災;用電設備使用不當導致溫度過高、短路等，進而引起火災;瓦斯爆炸引起礦井火災;作業(yè)人員的行為規(guī)范不達標引起礦井災害。發(fā)生礦井火災既有潛在因素，又有顯性因素，可以通過準確的監(jiān)測和預防減少災禍發(fā)生。

2．4礦井水災地表水滲透和地下水堆積等造成煤層底板承壓水，如果底板未做好防護措施，將會直接淹沒采煤工作面，發(fā)生大面積水災，老空水也是危險系數最高的災害因素。在實際開采過程中，只要一項防護保障措施沒做好，就會帶來“滅頂之災”，給煤礦產業(yè)或公司造成不可挽回的損失，情況嚴重的甚至會造成社會轟動和影響［4］。

2．5粉塵災害當今時代是工業(yè)化的時代，大量的工業(yè)廢氣和工業(yè)垃圾排到大氣中，導致空氣品質受到極大影響，甚至有相當一部分室內工作人員患有“病態(tài)建筑綜合征”。可想而知，對井下作業(yè)人員來說，大量吸入由割煤造成的大量粉塵(還包括使用機器設備產生的顆粒物等)，大大增加患“塵肺病”的概率，會對身體健康造成極大威脅。其次，大量煤炭顆粒物聚集于空氣中，當其含量超標時，爆炸概率大大增加，對作業(yè)人員的生命安全造成危害。上述主要災害造成的傷亡人數隨時間的變化曲線見圖1(2000～2018年)。

3智能無人采煤工作面開采關鍵技術

礦井工作面無人化、智能化的特點越來越突出，“機械替人”理念的運用更加廣泛，技術人員要付出更大的努力進行井下無人技術的設計與研究。本節(jié)作為本文的主題，對關鍵技術進行較為詳細的闡述和討論，無人智能化模式的井下采礦主要應用以下技術。

3．1準確定位導航技術礦井內部結構復雜、電磁干擾因素較多且處于高密閉空間，GPS(地理信息系統)系統通過定位和導航，可以進行方向規(guī)劃和路徑設計，對運動方向和路線進行合理的測量和統計，保證定位導航的準確無誤。然而，技術目前在礦井的應用未達到百分百精確，在實際操作過程中必然要注意相關要點。①高精度的定位技術，該技術起到支撐作用;②慣性導航技術，該技術可以適應煤礦開發(fā)時的高密度空間和復雜的磁場活動;③場景芯片技術，該技術的主要用途是對局部空間和位置進行精準定位導航，保證每個位置空間內都有衛(wèi)星系統的支撐;④無線通信技術，此技術主要應對各種突發(fā)事故，提高開采過程的安全穩(wěn)定性。通過對全息數字化三維地質模型的研發(fā)與構建，可以對煤炭開采時的三維數據進行跟蹤測試，實時獲得作業(yè)面的環(huán)境、水溫和氣候條件，從而獲得三維空間的數據結構［5］。

3．2信息傳輸技術信息傳輸時要保證數據的真實性和準確性，煤礦環(huán)境的數據信息會受到周圍強磁場、地質條件和水文條件等綜合因素影響，不利于信息的精準探測。現階段，常采取三維激光掃描技術，既可以適應深層煤礦的物理環(huán)境，又可以對密閉環(huán)境的視頻影像進行監(jiān)測控制，可以充分體現在地下開采中的優(yōu)勢。在數據傳輸過程中，必須保證地下人員與技術人員的雙向傳輸，加強雙方的溝通和交流并使之達成共識。涉及的其他相關技術還包括煤巖識別技術(包括雷達探測、光譜探測、紅外圖像采集等)、智能傳感器應用、磁共振技術、光纖網絡技術等。

3．3綜采可視化技術綜采可視化技術涉及網絡傳輸和信息通信技術的使用，煤礦開采周期長、過程復雜，涉及較多信息，單純靠智能化采集技術可能無法及時進行信息搜集和捕捉，導致錯失大量可分析數據，影響得出數值規(guī)律，綜采可視化技術通過監(jiān)測實地數據，對大規(guī)模數據和局部數據進行采集和捕捉，對實際環(huán)境進行可視化觀測和記錄，利用此方法還能衍生出更多的抗干擾技術。要把智能化開采技術落到實處，就需要掌握以下幾個關鍵技術點:①數據信息的搜索和采集，該步驟作為獲取信息的第一步，捕獲的信息必須全面且真實可靠，這是后續(xù)總結規(guī)律的基礎;②可通過視頻識別信息并將之傳輸到數據處理后臺，利用數據末端對數據進行加工處理，這是綜采可視化技術運用的集中環(huán)節(jié);③采用自主識別、信息智能化匹配和推送技術，大大節(jié)約人力資源和物力資源;④采用大量的信息整合技術，對數據進行歸納和區(qū)域化劃分，不同的數據對應不同的場景，進而得到規(guī)律性結論［6］。

3．4無人值守工作面集控系統礦井工作面無人化、智能化的特點越來越突出，“機械替人”的轉變越來越可行，機器人的使用可以大大減少人員傷亡事故。但事物具有兩面性，有利便有弊。當工作面中存在不穩(wěn)定因素或設備故障時，機器人可能無法準確評估和解決，會給施工增加難度。對于井下無人技術，技術人員需要付出更大的努力進行研究。在使用機器人進行井下采礦時，需要加強以下技術的應用:①防爆機器人設計時必須具備一定的防爆識別和控制功能，能夠檢測并避開危險;②機器人能對傳輸的數據信息進行整合分析，得出數據規(guī)律，進而做出科學合理的判斷;③煤礦井下電力供應充足，以防機器人在正常作業(yè)中突然斷電，無法得到能量的供應。關鍵技術的使用流程如圖2所示。

4某公司智能化開采技術

來自陜北地區(qū)的某煤礦實施的智能化開采方案對煤礦行業(yè)開采活動具有很大的借鑒意義。該礦煤炭資源豐富，薄煤層煤炭資源在所有煤炭資源中的占比較大，需要投入大量的勞動力，應用強大的跟機作業(yè)機制及更大的安全保障措施。2019年，該公司一號煤礦進入薄煤層生產區(qū)域。2020年，為了使煤炭開采工作更加高效，一號煤礦順利實施了地面遠程操控系統的智能化無人開采技術，為國內的無人開采技術寫下了濃墨重彩的一筆，為后續(xù)產業(yè)結構升級和生產方式的變革提供了強有力的借鑒。該方案主要應用了網絡通信技術、計算機技術、視頻技術、自動化控制技術、監(jiān)控一體化技術，實現了遠程控制和自動化操作。在后續(xù)的探索中，可以在此公司設計的基礎上，結合本文探討的各種新型關鍵技術，對智能無人化工作面采礦體系進行升級優(yōu)化，配合完善的管理機制，得到科學優(yōu)化升級后的方案。

5小結

大量的模型構建和實踐經歷表明，煤礦產業(yè)的發(fā)展亟須發(fā)生根本性轉變，存在的不足需要花費較長時間發(fā)現和彌補。加強智能化無人采煤工作面關鍵技術的研究與使用，是破除固有產業(yè)結構最直接的手段，不僅可以使采煤工作更加安全環(huán)保，還可以解決企業(yè)面臨的諸多難題，為社會的發(fā)展做出重要貢獻。

參考文獻:

［1］劉愿．煤礦井下智能無人采煤工作面開采關鍵技術分析［J］．中國石油和化工標準與質量，2021，41(18):187－188．

［2］劉子港．探析煤礦智能無人采煤工作面開采關鍵技術［J］．中國石油和化工標準與質量，2021，41(17):187－188．

［3］郝少鵬．煤礦智能無人采煤工作面開采關鍵技術［J］．石化技術，2020，27(09):175－176．

［4］張偉．煤礦智能無人值守采煤工作面開采關鍵技術研究［J］．建材與裝飾，2019(22):249－250．

［5］宮平，文秀龍，趙鵬飛．煤礦智能無人采煤工作面開采關鍵技術分析［J］．南方農機，2019，50(08):160．

［6］王成祥，張玉良．讓井下無人采煤成為引領未來煤炭發(fā)展新坐標———陜煤黃陵礦業(yè)公司實施智能化開采的調查與思考［J］．陜西煤炭，2016，35(05):1－6+14．

作者:呂敏達 單位:陜西能源涼水井礦業(yè)有限責任公司