煤矿智能化开采技术的研究与认识

煤矿智能化开采技术的研究与认识摘要：智能化开采是在机械化开采、自动化开采基础上，信息化与工业化深度融合的煤炭开采技术的深刻变革，是指在不需要人工直接干预的情况下，通过采掘环境的智能感知、采掘装备的智能调控、采掘作业的自主导航，由采掘装备自动、独立完成采掘作业过程。智能化开采具有三大技术内涵：①采掘设备具有智能化的自主采掘作业能力；②实时获取和更新采掘工艺数据，包括地质条件、煤岩变化、设备方位、开采工序等；③能根据开采条件变化自动调控采掘过程；当智能化采掘设备与自动调度决策集为一体，即形成智能化开采工作面。关键词:煤矿综采工作面;智能化开采;采煤机引言我国煤矿综采工作面具有生产过程复杂、开采装备系统庞大、作业环境恶劣等特点，煤炭行业产学研通力合作，经过不懈探索努力和技术攻关，攻克了综采成套装备感知、信息传输、动态决策、协调执行、高可靠性等关键技术，研制出具有自主知识产权的综采成套装备智能系统，根据技术现状提出了“无人操作、有人巡视”的智能化开采生产模式，实现了综采成套装备巷道及地面控制的智能化远程控制开采，技术和实际应用达到了国际领先水平，满足了中国煤炭能源革命的需求，引领了我国煤炭科学开采的发展方向。（一）智能化开采新模式的探索当前国内的智能化开采技术水平，在控制系统架构、控制方式、响应时间、智能功能、工作面人数、产能等主要技术指标方面处于国际领先，开发了“巷道监控中心可视化远程控制割煤，采场无人操作”的新技术，创新“无人跟机作业，有人安全值守”的开采理念，在采煤过程中做到工作面内无人操作，构建了“以工作面自动控制为主，监控中心远程干预为辅”的工作面智能化生产模式，设计了人工干预下模糊控制多工序的采煤工艺，实现了智能采煤技术的深刻变革。智能开采控制技术打破了传统的以单机装备为主、总体协调的研制思路，建立了以成套装备总控制网络信息综合决策为主、单机装备为执行机构的体系结构。将采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、巷道胶带机、供液系统、供电系统等装备有机结合起来，构建成一个相互联系、相互依存、相互制约的采煤系统，依据系统控制决策模型分析结果，实现对综采成套装备的协调管理与集中控制。1、智能化开采技术实现智能化开采，需要对采煤方法和工艺进行技术创新，主要包括：一是采煤机自动化开采工艺：具备适合工作面采煤工艺的记忆截割程序，实现采煤机在工作面的自动记忆截割运行。在采煤机牵引部安装位置传感器，通过控制器的数据处理模块，计算采煤机的位移信息，输入到数学模型，精确实现采煤机位置定位。二是支架及刮板机跟随采煤机随机自动化工艺：其基础技术是液压支架的电液控制及采煤机的记忆截割，需要对综采工作面三机设备适时进行工况检测、姿态检测和故障诊断等，保证整个工作面设备在最佳状态下运行。具备数据远距离传输功能，让用户在巷道监控中心和地面监控室随时了解采煤机的整机实时运行状态。三是煤流负荷反馈采煤控制工艺：实时检测刮板运输机上的煤流分布负荷，通过变频技术控制刮板运输机的传输速度，实现工作面采装运的自动协调运行。2、煤岩监测技术现阶段综采工作面自动化还需要高清晰度的视频监控。每隔6台支架安装1台用于监控支架的矿用本质安全型高清晰摄像仪，安装在支架的顶梁上，照射方向与工作面平行。每隔3台支架安装1台煤壁监控摄像仪，安装在支架的顶梁上，照射方向与工作面垂直。采集的视频数据通过工业以太网传输到矿用显示器，并增加了图像处理后的煤岩分界标线。3、远程控制技术设在巷道监控中心的计算机控制采煤机和液压支架等开采设备的各种动作，通过远程计算机进入记忆截割，采煤机在工作面按设定工艺程序自动运行，自动调高、卧底、加速、减速；通过远控计算机，可以根据工作面运行情况随时干预调整采煤机的运行。矿用本安型采煤机操作台，主要用于在巷道控制中心内远程集中控制三机设备的启停、断电急停以及对采煤机进行远程操作，从而提高工作效率，减轻工人劳动强度，改善作业环境。（二）现阶段智能开采技术的发展水平智能化开采是一次采煤工艺的飞跃，提升了我国煤矿的综采技术水平，对煤矿安全高效生产、行业技术进步、产业升级具有重要意义。实现采煤生产的技术革命需要开发技术的飞跃性突破，综采工作面从自动化到智能化技术系统，集成了越来越多的现代科学技术功能。综采工作面是一个在地球内部几百米深度的随时迁移的立体矩形采场，由于在采煤过程中打破了煤层中的应力平衡，受到矿山压力、瓦斯和地下水等多种因素的侵害影响，需要针对性的应对技术才能使开采顺利进行，智能化开采技术发展迎来了新的技术难题。（三）存在的问题和发展方向1、地质围岩智能探测难题智能探测是指对采场未知区域的自动探查和检测，结合巷道掘进数据和钻孔数据生成工作面三维地质模型，能准确反映出煤层起伏、倾角、断层、陷落柱等地质构造，用于指导采煤机俯仰采控制和摇臂调高、煤岩自动识别、围岩控制等，也包括对未采煤层区域的超前地质精确探测，以保障智能化采煤装备的高效运行。2、开采智能决策难题目前的智能化开采系统，以过程化控制为核心。但是与生产管理过程还没有有效地衔接，未进行有效的信息集成和互通，不能有效地对综采关键设备进行智能管理，为生产管理者提供决策建议。由于开采地质条件的不断变化，煤层赋存的不可预知性，因此开采智能化还不能完全离开人的智慧，需要发挥机器和人各自的特长，规避人机各自的短处，现阶段还不能完全离开人的干预和控制。因此，需要建立综采工作面自动化专家决策系统，融合“人、机、环、管”过程的数据及信息，并进行深度数据挖掘，从而建立起一套基于数据挖掘技术的综采工作面自动化专家决策系统，实现“预测、预判、预控”，进一步提高科学智能决策水平。3、智能化开采发展方向信息技术尤其是光电技术的发展对煤炭智能化开采的作用越来越大，适时地引入新的技术对综采自动化技术升级是必要的。一是基于实时三维GIS的开采智能导航技术，实时三维GIS的开发，将地理信息、三维可视化及工作面相关探测技术结合，建立工作面地质数据模型，分析模型的拓扑关系，开发形成工作面三维可视化GIS信息系统，为综采工作面智能化管理与决策提供科学依据。核心研究内容包括工作面三维空间定位、工作面扫描技术、工作面智能控制技术、三维可视化技术等。本项目建立了工作面实时GIS系统，实现工作面实时地质探测和设备定位，解决工作面地质探测、工作面三维空间定位、工作面智能控制等问题，为综采工作面智能化控制的实现奠定基础。二是巡检机器人在智能化开采中的应用：通过采掘设备加装智能控制的遥控机器人，以辅助智能化工作面的维护和管理，通过加装有合适光源和视觉、听觉、振动等传感器，经过人工智能化处理，进行智能化工作面的自主开采作业。开采机器人是智能化开采系统强有力的补充，将逐步取代人类在危险的综采工作面从事一些非日常的工作。机器人技术将是未来采煤智能化技术的发展方向。四、结论通过对智能化采煤的开发研究和工程实践，推动了采煤产业技术的转型升级，取得了一系列的技术突破，结论如下：（1）智能化开采将工人从危险的采场解放到相对安全的巷道中甚至地面，是迈向煤矿本质安全最重要的一次进步。（2）智能化开采提高了投入与产出比，节能安全，减人提效，是一次采煤产业的技术革命