煤礦智能化開采技術(shù)的研究與認(rèn)識(shí)

煤礦智能化開采技術(shù)的研究與認(rèn)識(shí)摘要：智能化開采是在機(jī)械化開采、自動(dòng)化開采基礎(chǔ)上，信息化與工業(yè)化深度融合的煤炭開采技術(shù)的深刻變革，是指在不需要人工直接干預(yù)的情況下，通過(guò)采掘環(huán)境的智能感知、采掘裝備的智能調(diào)控、采掘作業(yè)的自主導(dǎo)航，由采掘裝備自動(dòng)、獨(dú)立完成采掘作業(yè)過(guò)程。智能化開采具有三大技術(shù)內(nèi)涵：①采掘設(shè)備具有智能化的自主采掘作業(yè)能力；②實(shí)時(shí)獲取和更新采掘工藝數(shù)據(jù)，包括地質(zhì)條件、煤巖變化、設(shè)備方位、開采工序等；③能根據(jù)開采條件變化自動(dòng)調(diào)控采掘過(guò)程；當(dāng)智能化采掘設(shè)備與自動(dòng)調(diào)度決策集為一體，即形成智能化開采工作面。關(guān)鍵詞:煤礦綜采工作面;智能化開采;采煤機(jī)引言我國(guó)煤礦綜采工作面具有生產(chǎn)過(guò)程復(fù)雜、開采裝備系統(tǒng)龐大、作業(yè)環(huán)境惡劣等特點(diǎn)，煤炭行業(yè)產(chǎn)學(xué)研通力合作，經(jīng)過(guò)不懈探索努力和技術(shù)攻關(guān)，攻克了綜采成套裝備感知、信息傳輸、動(dòng)態(tài)決策、協(xié)調(diào)執(zhí)行、高可靠性等關(guān)鍵技術(shù)，研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的綜采成套裝備智能系統(tǒng)，根據(jù)技術(shù)現(xiàn)狀提出了“無(wú)人操作、有人巡視”的智能化開采生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)了綜采成套裝備巷道及地面控制的智能化遠(yuǎn)程控制開采，技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，滿足了中國(guó)煤炭能源革命的需求，引領(lǐng)了我國(guó)煤炭科學(xué)開采的發(fā)展方向。（一）智能化開采新模式的探索當(dāng)前國(guó)內(nèi)的智能化開采技術(shù)水平，在控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制方式、響應(yīng)時(shí)間、智能功能、工作面人數(shù)、產(chǎn)能等主要技術(shù)指標(biāo)方面處于國(guó)際領(lǐng)先，開發(fā)了“巷道監(jiān)控中心可視化遠(yuǎn)程控制割煤，采場(chǎng)無(wú)人操作”的新技術(shù)，創(chuàng)新“無(wú)人跟機(jī)作業(yè)，有人安全值守”的開采理念，在采煤過(guò)程中做到工作面內(nèi)無(wú)人操作，構(gòu)建了“以工作面自動(dòng)控制為主，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)為輔”的工作面智能化生產(chǎn)模式，設(shè)計(jì)了人工干預(yù)下模糊控制多工序的采煤工藝，實(shí)現(xiàn)了智能采煤技術(shù)的深刻變革。智能開采控制技術(shù)打破了傳統(tǒng)的以單機(jī)裝備為主、總體協(xié)調(diào)的研制思路，建立了以成套裝備總控制網(wǎng)絡(luò)信息綜合決策為主、單機(jī)裝備為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)。將采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、巷道膠帶機(jī)、供液系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等裝備有機(jī)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建成一個(gè)相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的采煤系統(tǒng)，依據(jù)系統(tǒng)控制決策模型分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采成套裝備的協(xié)調(diào)管理與集中控制。1、智能化開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能化開采，需要對(duì)采煤方法和工藝進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，主要包括：一是采煤機(jī)自動(dòng)化開采工藝：具備適合工作面采煤工藝的記憶截割程序，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在工作面的自動(dòng)記憶截割運(yùn)行。在采煤機(jī)牽引部安裝位置傳感器，通過(guò)控制器的數(shù)據(jù)處理模塊，計(jì)算采煤機(jī)的位移信息，輸入到數(shù)學(xué)模型，精確實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置定位。二是支架及刮板機(jī)跟隨采煤機(jī)隨機(jī)自動(dòng)化工藝：其基礎(chǔ)技術(shù)是液壓支架的電液控制及采煤機(jī)的記憶截割，需要對(duì)綜采工作面三機(jī)設(shè)備適時(shí)進(jìn)行工況檢測(cè)、姿態(tài)檢測(cè)和故障診斷等，保證整個(gè)工作面設(shè)備在最佳狀態(tài)下運(yùn)行。具備數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸功能，讓用戶在巷道監(jiān)控中心和地面監(jiān)控室隨時(shí)了解采煤機(jī)的整機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。三是煤流負(fù)荷反饋采煤控制工藝：實(shí)時(shí)檢測(cè)刮板運(yùn)輸機(jī)上的煤流分布負(fù)荷，通過(guò)變頻技術(shù)控制刮板運(yùn)輸機(jī)的傳輸速度，實(shí)現(xiàn)工作面采裝運(yùn)的自動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。2、煤巖監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)階段綜采工作面自動(dòng)化還需要高清晰度的視頻監(jiān)控。每隔6臺(tái)支架安裝1臺(tái)用于監(jiān)控支架的礦用本質(zhì)安全型高清晰攝像儀，安裝在支架的頂梁上，照射方向與工作面平行。每隔3臺(tái)支架安裝1臺(tái)煤壁監(jiān)控?cái)z像儀，安裝在支架的頂梁上，照射方向與工作面垂直。采集的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)降V用顯示器，并增加了圖像處理后的煤巖分界標(biāo)線。3、遠(yuǎn)程控制技術(shù)設(shè)在巷道監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)控制采煤機(jī)和液壓支架等開采設(shè)備的各種動(dòng)作，通過(guò)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)入記憶截割，采煤機(jī)在工作面按設(shè)定工藝程序自動(dòng)運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)高、臥底、加速、減速；通過(guò)遠(yuǎn)控計(jì)算機(jī)，可以根據(jù)工作面運(yùn)行情況隨時(shí)干預(yù)調(diào)整采煤機(jī)的運(yùn)行。礦用本安型采煤機(jī)操作臺(tái)，主要用于在巷道控制中心內(nèi)遠(yuǎn)程集中控制三機(jī)設(shè)備的啟停、斷電急停以及對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，從而提高工作效率，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善作業(yè)環(huán)境。（二）現(xiàn)階段智能開采技術(shù)的發(fā)展水平智能化開采是一次采煤工藝的飛躍，提升了我國(guó)煤礦的綜采技術(shù)水平，對(duì)煤礦安全高效生產(chǎn)、行業(yè)技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有重要意義。實(shí)現(xiàn)采煤生產(chǎn)的技術(shù)革命需要開發(fā)技術(shù)的飛躍性突破，綜采工作面從自動(dòng)化到智能化技術(shù)系統(tǒng)，集成了越來(lái)越多的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)功能。綜采工作面是一個(gè)在地球內(nèi)部幾百米深度的隨時(shí)遷移的立體矩形采場(chǎng)，由于在采煤過(guò)程中打破了煤層中的應(yīng)力平衡，受到礦山壓力、瓦斯和地下水等多種因素的侵害影響，需要針對(duì)性的應(yīng)對(duì)技術(shù)才能使開采順利進(jìn)行，智能化開采技術(shù)發(fā)展迎來(lái)了新的技術(shù)難題。（三）存在的問(wèn)題和發(fā)展方向1、地質(zhì)圍巖智能探測(cè)難題智能探測(cè)是指對(duì)采場(chǎng)未知區(qū)域的自動(dòng)探查和檢測(cè)，結(jié)合巷道掘進(jìn)數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)生成工作面三維地質(zhì)模型，能準(zhǔn)確反映出煤層起伏、傾角、斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造，用于指導(dǎo)采煤機(jī)俯仰采控制和搖臂調(diào)高、煤巖自動(dòng)識(shí)別、圍巖控制等，也包括對(duì)未采煤層區(qū)域的超前地質(zhì)精確探測(cè)，以保障智能化采煤裝備的高效運(yùn)行。2、開采智能決策難題目前的智能化開采系統(tǒng)，以過(guò)程化控制為核心。但是與生產(chǎn)管理過(guò)程還沒(méi)有有效地銜接，未進(jìn)行有效的信息集成和互通，不能有效地對(duì)綜采關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行智能管理，為生產(chǎn)管理者提供決策建議。由于開采地質(zhì)條件的不斷變化，煤層賦存的不可預(yù)知性，因此開采智能化還不能完全離開人的智慧，需要發(fā)揮機(jī)器和人各自的特長(zhǎng)，規(guī)避人機(jī)各自的短處，現(xiàn)階段還不能完全離開人的干預(yù)和控制。因此，需要建立綜采工作面自動(dòng)化專家決策系統(tǒng)，融合“人、機(jī)、環(huán)、管”過(guò)程的數(shù)據(jù)及信息，并進(jìn)行深度數(shù)據(jù)挖掘，從而建立起一套基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的綜采工作面自動(dòng)化專家決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“預(yù)測(cè)、預(yù)判、預(yù)控”，進(jìn)一步提高科學(xué)智能決策水平。3、智能化開采發(fā)展方向信息技術(shù)尤其是光電技術(shù)的發(fā)展對(duì)煤炭智能化開采的作用越來(lái)越大，適時(shí)地引入新的技術(shù)對(duì)綜采自動(dòng)化技術(shù)升級(jí)是必要的。一是基于實(shí)時(shí)三維GIS的開采智能導(dǎo)航技術(shù)，實(shí)時(shí)三維GIS的開發(fā)，將地理信息、三維可視化及工作面相關(guān)探測(cè)技術(shù)結(jié)合，建立工作面地質(zhì)數(shù)據(jù)模型，分析模型的拓?fù)潢P(guān)系，開發(fā)形成工作面三維可視化GIS信息系統(tǒng)，為綜采工作面智能化管理與決策提供科學(xué)依據(jù)。核心研究?jī)?nèi)容包括工作面三維空間定位、工作面掃描技術(shù)、工作面智能控制技術(shù)、三維可視化技術(shù)等。本項(xiàng)目建立了工作面實(shí)時(shí)GIS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面實(shí)時(shí)地質(zhì)探測(cè)和設(shè)備定位，解決工作面地質(zhì)探測(cè)、工作面三維空間定位、工作面智能控制等問(wèn)題，為綜采工作面智能化控制的實(shí)現(xiàn)奠定基礎(chǔ)。二是巡檢機(jī)器人在智能化開采中的應(yīng)用：通過(guò)采掘設(shè)備加裝智能控制的遙控機(jī)器人，以輔助智能化工作面的維護(hù)和管理，通過(guò)加裝有合適光源和視覺、聽覺、振動(dòng)等傳感器，經(jīng)過(guò)人工智能化處理，進(jìn)行智能化工作面的自主開采作業(yè)。開采機(jī)器人是智能化開采系統(tǒng)強(qiáng)有力的補(bǔ)充，將逐步取代人類在危險(xiǎn)的綜采工作面從事一些非日常的工作。機(jī)器人技術(shù)將是未來(lái)采煤智能化技術(shù)的發(fā)展方向。四、結(jié)論通過(guò)對(duì)智能化采煤的開發(fā)研究和工程實(shí)踐，推動(dòng)了采煤產(chǎn)業(yè)技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，取得了一系列的技術(shù)突破，結(jié)論如下：（1）智能化開采將工人從危險(xiǎn)的采場(chǎng)解放到相對(duì)安全的巷道中甚至地面，是邁向煤礦本質(zhì)安全最重要的一次進(jìn)步。（2）智能化開采提高了投入與產(chǎn)出比，節(jié)能安全，減人提效，是一次采煤產(chǎn)業(yè)的技術(shù)革命