中国煤矿智能开采科技创新与发展论文

2021-06-25 论文

　　引言

　　近十年来，为了实现煤矿安全高效生产，国内开展的有关煤矿开采科技创新研究工作取得了很大的成绩，已使得我国煤炭开采水平接近或部分达到了世界先进水平,但真正实现完全智能开采还局限在薄煤层工作面m。对综采技术方面，利用陀螺仪对采煤机位置进行三维检测跟踪定位0,在原有记忆割煤、过载保护、自动调高等功能基础上新增加了红外摄像、雷达探测防机械碰撞和煤岩分析检测功能，这些技术大部分处在研究阶段，与国际最高水平相比仍有_定差距，而有_些开采技术也是国内外煤炭行业所共同面临的难题。解决这些问题需要通过不断的技术创新，研究新技术尤其是光电技术在煤矿开采中的快速应用。笔者通过分析国外煤矿先进的开采技术，对我国未来几年影响煤矿开采的新技术进行重点研究，提出智能开采的关键技术体现在智能探测、智能导航和智能控制方面,对其中较成熟的技术进行了初步试验，对具有应用前景的技术进行了分析展望，目的是争取在国家‘‘十三五”期间赶上和超过世界先进煤矿开采水平，以使我国由世界第一煤炭开采大国变为第一煤炭开采强国。

　　1、国外智能开采技术现状

　　进入21世纪以来，国外煤矿开采追求“安全、高效、简单、实用、可靠、经济”的原则，其智能开采的技术思路是:通过钻孔地质勘探和掘进相结合的方式,描绘工作面煤层的赋存分布，通过陀螺仪获知采煤机的三维坐标，两者结合实现工作面的全自动化割煤。该思路可避开煤岩识别难题，以地质条件为载体，顶层规划自动化采煤过程H。

　　1.1工作面自动化LASC系统

　　2001年7月，澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO承担了ACARP(AustralianCoalAssociationResearchProgram,澳大利亚煤炭协会研究计划)设立的综采自动化项目，开展综采工作面自动化和智能化技术的研究。到2005年该项目通过采用军用高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法取得了3项主要成果，即采煤机位置三维精确定位(误差±10cm)、工作面矫直系统(误差±50cm)和工作面水平控制,设计了工作面自动化LASC系统,并首次在澳大利亚的Beltana矿试验成功。2008年，对LASC系统进行了优化，增加了采煤机自动控制、煤流负荷平衡、巷道集中监控等，在商业应用方面CSIRO研究组同久益、艾可夫等采煤机供应商签署了协议，将这项技术集成到对应的采煤机上，实现快速商用4。LASC系统包含惯性导航系统和工作面自动控制算法2项核心技术。

　　1)LASC系统将基于光纤陀螺的惯性导航设备安装在采煤机机身电控箱内，通过运行嵌入式导航定位软件实现采煤机三维位置的精确定位。该惯性2

　　导航定位软件在无GPS信号辅助的情况下行进2.7km,定位误差在30cm以内。惯性导航定位软件可用于综采工作面的水平控制和连续采煤机自动制导。

　　①对于综采工作面水平控制，基本原理是首先根据巷道掘进数据和钻孔数据生成工作面三维地质模型，该模型精度能达到50mm,能准确反映出煤层起伏、倾角、断层等构造，可直接用于指导采煤机俯仰采控制。然后利用在采煤过程中记录的顶底板位置信息对该模型进行不断优化，就可以准确预知工作面的煤层变化情况5。其次结合采煤机精确定位软件的数据，LASC系统就能够提前控制采煤机的割顶割底量，从而顺利通过断层等地质变化区段。澳大利亚煤矿使用的水平控制开采技术控制原理如图1所示。

　　②连续采煤机自动制导，已被澳大利亚确定为煤炭产业重要的技术63。基于连续采煤机自动制导技术开发了具有应用程序控制和通信功能,且包含先进图形用户界面的自动制导系统，如图2所示，表示连续采煤机偏航角有了一定的误差，需要在后面的开采中实时校正。

　　2)工作面自动控制模型和算法。基于该算法,设计了工作面矫直系统，其包含高精度舵性导航仪和矫直数据分析系统2项核心技术,通过对舵性导航仪记录的采煤机空间位置进行分析，确定当前工作面的直线度，计算出每台液压支架的推移量，给液压支架电控系统发出执行信息，对工作面直线度进行动态调整。惯性导航仪输出2路信号：一路给支架,控制支架的推移量;另一路给采煤机，用于控制采煤机的割顶割底量&]。自2009年惯性导航仪开始商业化应用以来，澳大利亚60%以上的综采工作面使用了工作面矫直系统。

　　1.2智能开采服务中心

　　智能开采服务中心作为一种增值产品/服务，在澳大利亚布里斯班的Anglo矿业公司总部设置总调度室,对所管辖矿井进行实时监控，目前只有莫兰巴北矿上线。

　　根据出现的报警、故障信息，及时发邮件或电话通知矿井进行调整。同时，每曰、周、月和季度向矿井提交运行分析报告，指导矿井提高运行管理水平，合理安排设备检修。分析报告包括每日的触发响应动作计划通知，每周的智能服务回顾,每月的井下精益运行回顾，每季度的生产表现回顾。智能开采服务中心的应用可以实现停机时间少、早期监测和设备损坏最小化，可提高生产力，降低生产成本。

　　1.3布尔加(Bulga)井工矿智能开采技术

　　布尔加(Bulga)井工矿属于澳大利亚嘉能可(Glencore)矿业开米公司，属高瓦斯矿井。2013年产量740万t,2014年计划产量810万t,单井单面。属于LW2层面第5个工作面，工作面长度405m,走向长度3471m,工作面采高3.0~3.2m,设计产量3500t/h。全套开采装备包括：7LS6D采煤机，RS20S液压支架控制系统,台11kV和1.6MW刮板输送机电动机，6台INOXIHP泵站(泵站压力32.5~34.5MPa的4台,0.0~41.5MPa的2台)。采煤机智能控制系统为Faceboss,统为LASC。

　　每星期进行2次检修，分别是星期二的7:00—14:30和星期五的7:00—17:30,其他时间安排生产。实行三八制，早班7:00—15:00,中班15:00—23:00,夜班23:00—次日7:00。每生产班人员10人,分为正副班长(2人)、电工(2人)、机械工(2人)、操作工(3人)和维护主管(工程师1人)。

　　采煤机从刮板输送机机尾到机头时，采煤机司机控制顶滚筒、底滚筒随动割煤。而从机头到机尾时，采煤机根据上一刀信息自动记忆割煤，重载速度8~14m/min。支架采用自动拉架+人工干预方式(顶板破碎,人工超前拉架)，立柱安装2个压力传感器，_用一备。工作面矫直系统在割煤过程中实时记录采煤机三维位置、横向和纵向倾角，采煤机每截割4刀时，矫直系统根据记录的信息，控制每台支架的推移量，调节工作面的直线度。

　　LASC系统的应用使矿井煤炭产量提高了5%~25%,减少工人暴露在高危工作环境的时间，提高矿井安全水平;同时减小了煤炭产量波动，达到了均衡生产，提高了矿井生产质量管理水平。

　　2、国内智能开采技术现状

　　2.1智能开采控制系统

　　根据国内已经实现的智能化开采煤矿控制模式，可以总结出智能开采控制系统结构如图3所示。

　　2.2远程干预无人化采煤工艺

　　国内智能化开采实现工作面内无人，即‘‘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，实现“无人跟机作业，有人安全值守”的开采理念，设计了人工干预下模糊控制多工序的采煤工艺。所实现的开采系统智能化功能如下：系统具有多方位、多层次的感知能力，可实现综采工作面信息交互的高速网络平台和通道;工作面生产系统协同集中控制;采煤机智能化快速记忆截割自动运行;智能化煤流平衡控制;采煤机与运输系统状态及运能的自适应配合;液压支架智能跟机移架,支架远程序列化自动控制;刮板输送机链条张力监测与智能化刮板输送机尾伸缩自动控制、智能化软启动;各种设备自动协调运行，针对复杂多变的煤层条件及设备工况变化调整自身及设备之间的配合运行参数。

　　2.3矿井虚拟现实技术

　　综采工作面利用虚拟现实技术创造出一个三维的采矿现实环境，模拟采矿作业过程及工艺设备的运行,操作人员可与虚拟现实系统进行人机交互，在任意时刻穿越任何空间进入系统模拟的任何区域08。系统能识别物体、输入和处理各种信息，控制物体运动,模拟自然规律，确定空间状态，其主要特点是创造了与现实开采情况极为接近的三维环境，通过计算机显示采矿作业情况，获得生产系统运行状况平面图、不同的设备动态显示图和设备运行具体参数，包括运行的时间、产量、设备间的距离等动态信息,通过对不同型号设备、不同开采参数下的生产系统进行动态模拟，从而达到优化和评价生产系统目的09。虚拟现实系统提供自主模式和飞行模式2种自主漫游控制模式。自主模式即操作人员可通过鼠标和键盘移动镜头，自主浏览场景中的任意位置;飞行模式则有更大活动空间，镜头可移动至

　　2.4远程遥控技术

　　智能化采煤生产采用远程遥控技术，遵循下列原则：以采煤机记忆截割为主，人工远程干预为辅;以液压支架跟随采煤机自动动作为主，人工远程干预为辅;以综采运输设备集中自动化控制为主，就地控制为辅;以综采设备智能感知为主，视频监控为辅。

　　图4工作面设备远程遥控的网络通信层次结构智能开采控制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、带式输送机、供液系统、供电系统等装备有机结合起来，构成一个相互联系、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10。

　　2.5智能开采技术难点

　　1)开采设备自动化技术水平有待提高。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。

　　2)开采设备可靠性需增强，同时应增加设备感知、决策、控制和智能化功能，由单机向成套装备智能转变。

　　3)开采恶劣环境下可视化技术难题。需要研究清晰、实时的开采工作面再现技术。

　　4)开采智能决策技术难题。需要研究统_的通信平台，实现开采装备通信接口、协议的互通互联,研究平台协议标准化、实时性和智能化。

　　3、国内智能开采试验结果

　　3.1厚煤层智能开采试验情况

　　陕西煤业化工集团红柳林煤矿位于陕西省神木县西部，红柳林井田位于陕北侏罗纪煤田东部，煤层为倾角不足1°的单斜构造,井田构造属简单类。煤层厚度5.0~7.9m,平均厚度6.2m,属中厚-特厚煤层，层位稳定，厚度变化规律明显，全区可采，属稳定煤层。智能开采控制系统自2013年3月始在井下应用，系统平稳运行,并能实现以下功能。

　　1)液压支架围岩耦合智能化控制和大采高支架姿态控制;全工作面液压支架跟随采煤机自动移架，采煤机根据煤流平衡负荷，与输送机运能状态的自适应割煤配合;刮板输送机链条张力监测,机尾伸缩自动控制，智能化软启动控制。

　　2)组建了综采工作面信息交互网络平台，具有有线、无线网络接入功能。能够控制单机设备自动协调运行，并且根据复杂多变的煤层条件及设备工况进行调整配合。建立的三维虚拟现实平台可以及时反映工作面运行状态。

　　3)可以通过地面远程操作台_键启停功能实现工作面泵站、破碎机、转载机、刮板输送机和采煤机的顺序启停控制，完成工作面生产系统的协调集中控制。

　　红柳林煤矿智能开采项目实现了基于总控制网络的集各单机设备感知、逻辑控制、动态决策、协调执行为一体的智能开采控制系统，自动化和智能化程度处于国际先进水平;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水平。项目的实施将采煤工作面的.操作工人数量降低至5人，实现了工作面无人跟机操作、少人值守的自动化安全高效生产。智能开采控制系统在红柳林煤矿示范应用，井下正式投入运行6个月，共生产原煤792.17万t,创造利润9.08亿元;主要创新成果已在宁夏煤业、陕西煤业、阳泉煤业、平朔集团等多个矿区推广应用，累计取得经济效益20亿元以上。

　　3.2薄煤层智能开采试验情况

　　陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿1001综采工作面倾斜长度235m,走向长度进风巷为2271m,回风巷为2291m,采高1.1~2.3m,可采储量107万t。于2014年2、3、4月进行了为期3个月的工业试验性,具体试验情况如下。

　　1)2014年2月，1001综采工作面开始使用全自动化割煤作业。通过利用井下监控中心远程操作台和监控视频进行远程采煤，并在工作面设置3名工作人员(采煤机司机、支架工、输送机司机各1人)进行跟机安全监护。2月生产作业21d,安排采煤39个小班(8h),日平均割煤8刀半,全月共生产原煤9.05万t。

　　2)2014年3月，1001综采工作面继续使用井下监控中心远程操作台和监控视频进行远程采煤，并将工作面监护人员减少至2人(采煤机司机和支架工各1人，支架工同时负责刮板输送机的监护工作)。3月生产作业25d,安排采煤42个小班(8h),日平均割煤11刀半，全月共生产原煤14.58万t。

　　3)2014年4月，1001综采工作面在利用井下监控中心进行远程采煤的同时，还尝试在地面调度室进行远程采煤,4月5日起将工作面监护人员减少至1人(工作面监护工)，并于4月8日实现了地面采煤作业常态化。4月生产作业28d,安排采煤56个小班(8h),日平均割煤12刀，全月共生产原煤17.03万t。其中4月2日零点班实现了单班生产8刀30架的最高纪录。

　　薄煤层智能开采系统经过3个月的工业性试验，地面调度室和井下监控中心远程作业、采煤机自动记忆截割等自动化功能稳定，系统应用效果良好,能够大幅减少采场作业人员，降低职工劳动强度。工作面的生产能力不断提高，月产量达到17.03万t,年生产能力可达200万t以上。工作面由原来的9人，减至目前的1人进行随机监护，将工人从操作工变成巡检工。每个生产小班减少8人，每个原班减少16人，每年可减少人工总费用525万元。

　　4、智能开采技术发展方向

　　4.1智能开采关键技术

　　根据国内外对煤矿开采技术的发展要求，提出了智能开采的关键技术由智能探测、智能导航和智能控制3个部分组成,它们之间的关系如图5所示。

　　4.2开采智能探测

　　开采智能探测是指对采场未知区域的自动探查和检测，用于指导采煤机俯仰采控制和摇臂调高、综放工作面放煤时的煤矸自动识别等，可分为煤岩分界、煤矸识别和超前探测等专业领域。

　　1)煤岩分界。采用太赫兹技术利用单天线进行多普勒雷达脉冲的发送和接收，信号通过煤岩层时会减弱，并且遇到煤岩界面会发生反射。反射波的速度相位滞后或从发射波到反射波被接收的时间间隙，除与发射波频率、煤和顶板岩性等可测知的因素有关外，还与电磁波在顶底煤中穿越路程即顶底煤厚度有关。通过对接收到的反射波进行信号处理可确定顶底煤厚度。

　　2)煤矸放落自动识别。煤矸放落自动识别_直是综采工作面的技术难题，通过时域光谱技术探测是_种可行的技术方法。时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的电场，通过傅里叶变换获得被测物质的光谱信息，通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定，适用于煤炭矿物质的实时成分分析112。

　　3)超前探测。超前探测系统无需预先求取煤岩物理特性,适用范围更广，具有可靠的精度，在多数顶板条件下能够运行良好。但是也存在其固有的问题:在具有波散射性质的煤层表现不好，探测范围小，发射器功率偏低，深入煤层的深度范围有限，需要未来功率更大的信号源支持来克服信号在煤层内的衰减13。图6是采用可见光拍摄的综采工作面煤层成像，图7是采用超前探测成像技术形成的煤层内部地质信息，可以看到煤层受到一定的侵蚀。

　　4.3开采智能导航

　　开采智能导航是指利用先进的计算机、光电和导航技术对开采设备和人员进行自动定位，以实现安全监控和精确开采。围绕综采设备姿态定位、综采设备安全感知、工作面直线度控制、视频图像处理等多种关键技术，关键是对采煤机的精准导航定位技术进行研究。

　　1)光纤惯性导航。作为一种自主式的导航方法，惯性导航是完全依靠载体上的设备自主地确定出载体的航向、位置、姿态和速度等导航参数，并不需要外界任何的光、电、磁参数&4。采掘装备的精确导航是实现智能开采的必要技术，根据我国煤矿井下装备自动导航的落后局面，在分析当前国外煤矿的导航技术水平后，借鉴在国内航天、航空和航海中普遍应用的惯性导航技术,将其引入到煤矿井下的精确定位系统中，逐步实现煤矿采掘装备的自主导航功能。

　　2)三维雷达。雷达探测防碰撞系统是一种安装在采煤机上的主动安全系统，是_种可以向采煤机操作人员预先发出视听报警信号的探测装置1]。传统的雷达是二维的，测得的距离定位是_个平面，但如果用于煤矿智能开采过程中的防碰撞，还需要增加垂直方向的距离检测。

　　4.4开采智能控制

　　根据开采条件变化自动调控采掘过程,使智能化采掘设备与自动调度决策集为_体，融合采煤机智能记忆截割、液压支架智能跟机自动化、工作面运输系统煤流平衡、智能集成供液、工作面可视化视频监控、远程遥控、三维虚拟现实、一键启停等多项技术E7],建立以成套装备总控制网络为核心，单机装备为执行机构的智能控制模式，解决关键元部件以及控制系统等方面的技术难题，实现综采成套装备智能化开采技术新突破，形成具有集成套装备安全感知、信息可靠传输、动态决策、协调执行于_体的智能开采系统。

　　5、结语

　　通过国外煤矿实地考察和文献分析，研究了国外先进的煤矿智能开采方法，对国内的智能开采工作面所采用的主要技术也进行了研究，分析了在厚煤层和薄煤层进行智能开采的实践过程，总结出以下的智能开采技术创新成果。国外智能开采，主要是澳大利亚，采用纯惯性导航对采煤机和连续采煤机进行三维定位实现工作面连续推进，并取得了较好的经济效益。中国智能开采，在薄煤层和厚煤层实现了远程遥控开采,工作面实现了无人化智能开采。提出了智能开采由智能探测、智能导航和智能。

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