智慧煤礦與智能化開采技術(shù)的發(fā)展方向

孫寶學(xué) 高帥偉

【摘 要】隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，煤炭相關(guān)產(chǎn)業(yè)也隨之崛起，因此煤礦開采的相關(guān)技術(shù)成為了近幾年來我國(guó)研究的主要對(duì)象。現(xiàn)階段在我國(guó)煤炭的開采過程中仍然存在著一定問題，為了進(jìn)一步提高煤礦的安全生產(chǎn)，煤炭的開采技術(shù)已經(jīng)朝著現(xiàn)代化方向發(fā)展。本文作者主要討論了智慧煤礦與智能化開采關(guān)鍵核心技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】智慧煤礦;開采;核心技術(shù)

引言

煤炭是我國(guó)的主體能源，也是最經(jīng)濟(jì)和可清潔高效利用的能源?；诋?dāng)前世界能源格局和我國(guó)資源稟賦以及現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)社會(huì)需求，未來相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，煤炭仍將在世界能源結(jié)構(gòu)中占較大比例，仍將是我國(guó)主體能源。在當(dāng)前第3次工業(yè)革命與第4次工業(yè)革命的歷史交匯期，應(yīng)用信息技術(shù)、智能制造技術(shù)和人工智能技術(shù)發(fā)展的成果，實(shí)現(xiàn)煤炭安全高效綠色開采和清潔高效利用，發(fā)展智慧煤礦成為煤炭工業(yè)發(fā)展的必由之路。我國(guó)煤炭以井工開采為主，經(jīng)過多年發(fā)展，我國(guó)煤炭綜采技術(shù)裝備已從依賴進(jìn)口到全部國(guó)產(chǎn)化。近10年來，通過智能化開采技術(shù)與裝備的創(chuàng)新研發(fā)，突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在薄和較薄煤層智能化綜采，大采高和超大采高智能化綜采以及特厚煤層綜放開采智能化技術(shù)與裝備方面實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑。已建成一批現(xiàn)代化特大型安全高效煤礦，為全面推進(jìn)智慧煤礦建設(shè)和智能化開采發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。圍繞智慧煤礦及智能化無人開采的重大技術(shù)需求，突破行業(yè)共性核心問題，加快智能、安全、高效現(xiàn)代煤炭生產(chǎn)體系建設(shè)成為主要目標(biāo)。

1概述

智慧煤礦是采用現(xiàn)代化的理念將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等現(xiàn)代技術(shù)融合到煤礦的開采過程中，讓煤礦的開采變得智能化，實(shí)現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)全過程的自動(dòng)化。智慧煤礦的主要目標(biāo)是形成煤礦產(chǎn)業(yè)的完全智能化。另一方面，智慧煤礦還要符合我國(guó)現(xiàn)階段對(duì)于環(huán)境保護(hù)的要求，讓整個(gè)開采過程中實(shí)現(xiàn)綠色化、環(huán)?；?。智慧煤礦平臺(tái)實(shí)際上是融合了8個(gè)方面的子平臺(tái)，其中包括了綜合管理平臺(tái)、煤礦井下定位導(dǎo)航平臺(tái)、礦井采掘運(yùn)輸信息管理平臺(tái)、視頻監(jiān)控及三維景象平臺(tái)、危險(xiǎn)感知報(bào)警平臺(tái)、智能化無人工作系統(tǒng)管理平臺(tái)、井下機(jī)器人管理平臺(tái)以及全礦井設(shè)備管理平臺(tái)。這8個(gè)平臺(tái)在實(shí)際應(yīng)用的過程中相互影響、相互聯(lián)系，工作人員通過綜合性管理平臺(tái)對(duì)這8個(gè)子平臺(tái)進(jìn)行分級(jí)管理，實(shí)現(xiàn)煤礦開采的智能化、環(huán)?；?、綠色化。

2智慧煤礦與智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)

智能化開采是智慧煤礦平臺(tái)的核心系統(tǒng)，為了保障煤礦的開采效果，在智能化開采系統(tǒng)應(yīng)用的過程中有幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，下文筆者分別進(jìn)行分析。

2.1精準(zhǔn)定位系統(tǒng)

在進(jìn)行煤礦開采的過程中為了保證煤礦開采能夠按照計(jì)劃逐步推進(jìn)，必須進(jìn)行精準(zhǔn)的定位。但是眾所周知，在礦井中并沒有復(fù)雜的電磁信號(hào)也不能接收到衛(wèi)星信號(hào)，因此實(shí)現(xiàn)定位導(dǎo)航的難度會(huì)有所加大。在現(xiàn)階段我國(guó)應(yīng)用的定位系統(tǒng)中基于GIS的定位信息系統(tǒng)是運(yùn)用最廣泛的技術(shù)之一，其包含了5個(gè)方面的核心技術(shù)。分別為高精度適用于復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境的導(dǎo)航技術(shù)、局部定位導(dǎo)航芯片技術(shù)、井下高速無線通信技術(shù)、井下高精度定位技術(shù)以及井下導(dǎo)航避讓技術(shù)。這5個(gè)技術(shù)的應(yīng)用能夠讓井下的定位系統(tǒng)更加精確，進(jìn)一步保障煤礦的順利開采。

2.2井下環(huán)境檢測(cè)技術(shù)

對(duì)于煤礦井下來講，由于其潮濕、復(fù)雜的電磁環(huán)境會(huì)嚴(yán)重制約著探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，因此井下環(huán)境檢測(cè)技術(shù)就成為了現(xiàn)階段我國(guó)煤礦行業(yè)對(duì)井下現(xiàn)狀分析的重要技術(shù)。環(huán)境檢測(cè)、振動(dòng)探測(cè)等識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成為了我國(guó)煤礦井下環(huán)境感知的核心技術(shù)，這些技術(shù)主要包含了4個(gè)方面。分別為高精度穿透技術(shù)、煤炭探測(cè)傳感器、基于網(wǎng)絡(luò)的采掘裝備傳感器以及特定物理環(huán)境探測(cè)儀。這4種技術(shù)相互聯(lián)系、相互工作，進(jìn)而能夠更加精確的將井下復(fù)雜、極端環(huán)境信息傳輸?shù)降孛妫瑢?shí)現(xiàn)煤礦開采過程中的直接探測(cè)。

2.3視頻監(jiān)控技術(shù)

雖然有了相關(guān)技術(shù)設(shè)備的支持，但是為了便于管理員了解井下作業(yè)的實(shí)時(shí)情況，視頻監(jiān)控技術(shù)就顯得尤為重要。對(duì)于煤礦井下視頻監(jiān)控技術(shù)來講，實(shí)際上是通過指揮中心的視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察到煤層傾角變化以及井下開采時(shí)設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。操作人員可以通過顯示器實(shí)時(shí)了解井下工作的具體情況，避免在生產(chǎn)的過程中出現(xiàn)問題。視頻監(jiān)控技術(shù)能夠幫助工作人員進(jìn)一步對(duì)煤礦開采的進(jìn)程以及各種傳感器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況實(shí)時(shí)了解。視頻監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用還可以在智慧煤礦系統(tǒng)出現(xiàn)問題時(shí)通過人工干預(yù)的方式進(jìn)行解決，進(jìn)一步保證煤礦開采的順利進(jìn)行。

3發(fā)展方向

3.1智慧煤礦物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝備

環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)的感知是實(shí)現(xiàn)智能決策、控制的先決條件?，F(xiàn)有煤礦各類監(jiān)控系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)飛躍式發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于煤礦生產(chǎn)關(guān)鍵信息的基本感知。然而不同廠家的產(chǎn)品基于本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，其數(shù)據(jù)接口與平臺(tái)各異，數(shù)據(jù)獨(dú)立進(jìn)行處理，相互之間缺乏通信與融合，數(shù)據(jù)孤島與數(shù)據(jù)碎片化現(xiàn)象嚴(yán)重，因而難以形成有效的數(shù)據(jù)分析模型與算法，分析結(jié)構(gòu)也就缺乏準(zhǔn)確性，難以指導(dǎo)生產(chǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)旨在打破數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間、設(shè)備與環(huán)境之間、設(shè)備與人員之間的數(shù)據(jù)互聯(lián)，最終實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)。因而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝備是實(shí)現(xiàn)智慧煤礦的關(guān)鍵核心技術(shù)。

3.2智能化無人開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備

隨著智能化無人開采的深入發(fā)展，更多的機(jī)械化、信息化的短板被補(bǔ)充完善，煤礦井下精準(zhǔn)定位導(dǎo)航、圖像智能識(shí)別、智能化控制等關(guān)鍵核心技術(shù)的應(yīng)用將會(huì)越來越成熟。在地質(zhì)條件日益復(fù)雜、生產(chǎn)環(huán)境要求日益提高、安全要求日益嚴(yán)格的大趨勢(shì)下，智能化無人開采的需求將會(huì)越來越迫切。

煤礦智能化無人開采系統(tǒng)是要建立一個(gè)從開采準(zhǔn)備、工藝規(guī)劃到開采過程實(shí)時(shí)控制、設(shè)備管理，直至遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)的煤炭生產(chǎn)全過程無人或少人的智慧生產(chǎn)系統(tǒng)。目前，針對(duì)智能化無人開采，以下5個(gè)關(guān)鍵科技問題亟待解決：①工作面有限空間內(nèi)裝備位姿及運(yùn)動(dòng)關(guān)系精確探測(cè);②低照度、高粉塵空間視頻監(jiān)控及圖像識(shí)別;③圍巖-開采系統(tǒng)耦合作用規(guī)律及多機(jī)協(xié)同控制;④復(fù)雜條件下超前巷道裝備自動(dòng)化技術(shù);⑤關(guān)鍵材料、元部件及整機(jī)可靠性提升技術(shù)。

3.3煤礦機(jī)器人

煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)龐大復(fù)雜，作業(yè)環(huán)境惡劣，靠人工操作機(jī)械的方式，無法有效減少井下一線作業(yè)人員，實(shí)現(xiàn)無人則安。用機(jī)器人替代井下作業(yè)、安控和應(yīng)急救援人工作業(yè)是建設(shè)智慧煤礦的新要求。煤礦作業(yè)類機(jī)器人屬于重載防爆機(jī)器人，其他領(lǐng)域尚無可借鑒的技術(shù)和產(chǎn)品。煤礦安控和應(yīng)急救援類機(jī)器人屬于極端復(fù)雜環(huán)境機(jī)器人，不單要有必備的感知檢控功能，還要求有可靠的防爆、運(yùn)移、導(dǎo)航、避障、路徑規(guī)劃和抗顛覆及自救等功能。因此針對(duì)煤礦機(jī)器人，以下共性的關(guān)鍵技術(shù)成為重點(diǎn)研究方向：①井下機(jī)器人自適應(yīng)變阻抗力跟蹤控制方法;②井下機(jī)器人自我狀態(tài)識(shí)別、避障和自主平衡;③井下長(zhǎng)時(shí)可靠供電及自主尋徑無線快速充電技術(shù);④井下多機(jī)器人聯(lián)合通信及協(xié)同控制平臺(tái)。

結(jié)語(yǔ)

1）智慧煤礦與智能化開采是煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的必然趨勢(shì)，做好頂層設(shè)計(jì)是智慧煤礦與智能化開采健康發(fā)展的重要保證基礎(chǔ)，堅(jiān)持正確的原則，科學(xué)規(guī)劃智慧煤礦的總體架構(gòu)，建立完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，是智慧煤礦與智能化開采技術(shù)發(fā)展的重要保證。

2）精準(zhǔn)地質(zhì)信息探測(cè)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與裝備，智能化快速掘進(jìn)技術(shù)與裝備，無人開采關(guān)鍵技術(shù)與裝備以及煤礦機(jī)器人，是當(dāng)前智慧煤礦建設(shè)中的重點(diǎn)研發(fā)方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]王國(guó)法，杜毅博.智慧煤礦與智能化開采技術(shù)的發(fā)展方向[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2019，47（01）：1-10.

[2]高有進(jìn)，羅開成，張繼業(yè).綜采工作面智能化開采現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J].能源與環(huán)保，2018，40（11）：167-171.

（作者單位：河南平寶煤業(yè)有限公司）