淺議煤礦的自動(dòng)化開采技術(shù)

王海燕

摘要：煤礦自動(dòng)化開采是科技與社會(huì)發(fā)展的必然趨勢，文章介紹了國內(nèi)外自動(dòng)化采煤技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了目前我國煤礦自動(dòng)化開采面臨的困難，然后分析了煤礦自動(dòng)化開采的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：煤礦開采;自動(dòng)化

傳統(tǒng)的煤礦開采，以井工開采為主，自動(dòng)化程度低，需要大量的人工作業(yè)。而井下環(huán)境差，危險(xiǎn)性很高，煤礦開采行業(yè)每年都會(huì)有大量的人員傷亡。自動(dòng)化技術(shù)、信息技術(shù)的不斷發(fā)展，為煤礦的智能化開采提供了技術(shù)基礎(chǔ)。另一方面，國家對安全生產(chǎn)的重視程度越來越高，對事故的處罰程度越來越重，發(fā)生人員傷亡后，企業(yè)需要承擔(dān)的賠償費(fèi)用越來越高，這也刺激企業(yè)要加強(qiáng)科技研發(fā)力度，不斷提高煤礦開采的自動(dòng)化程度，實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人。“十二五”期間，隨著“智能制造”在我國的不斷推進(jìn)，我國煤炭機(jī)械科研工作者已經(jīng)在綜采成套裝備感知、信息傳輸、高可靠性等一些領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展， 研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的綜采成套智能控制系統(tǒng)。

1 自動(dòng)化采煤技術(shù)在國外的發(fā)展?fàn)顩r

1.1統(tǒng)一的信息平臺

澳大利亞 Landmark 公司利用 Rockwell 的 Ethernet /IP 工業(yè)以太網(wǎng)對綜采工作面采煤機(jī)、支架及相關(guān)設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制及水平導(dǎo)航控制進(jìn)行了有益的嘗試。2010 年的 4 月， 比賽洛斯將研制的新技術(shù)（ PMC Evo - S） 用于綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)復(fù)雜的信息通訊， 只利用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間信息的連接和交流， 所有設(shè)備只使用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)信息平臺， 提高了設(shè)備的通信效率。

1. 2 LASC 技術(shù)

澳大利亞綜采長壁工作面自動(dòng)控制委員會(huì)（ 簡稱 LASC） 開展了煤礦綜采智能化技術(shù)研究， 采用高精度光纖陀螺儀和定制的定位導(dǎo)航算法， 應(yīng)用于綜采工作面設(shè)備操控， 取得了三項(xiàng)主要成果： 采煤機(jī)三維精確定位（ 誤差 ± 10 cm） 、工作面矯直系統(tǒng)（ 誤差± 50 cm） 和工作面水平控制， 完成了工作面自動(dòng)化系統(tǒng)原型， 同時(shí)實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)自動(dòng)控制、煤流負(fù)荷平衡、巷道集中監(jiān)控等。該成果突破煤巖識別難題， 解決了采煤機(jī)準(zhǔn)確割煤問題。LASC 系統(tǒng)在國外煤礦的應(yīng)用， 使礦井煤炭產(chǎn)量提高了 5% ～ 25% ， 減少工人暴露在高危工作環(huán)境的時(shí)間， 提高了礦井安全水平; 也減少了煤炭產(chǎn)量波動(dòng)， 達(dá)到了均衡生產(chǎn)。

1. 3 IMSC 技術(shù)

美國 JOY 公司推出了一種適用于長壁工作面的遠(yuǎn)程智能增值產(chǎn)品 /服務(wù)系統(tǒng)（ 簡稱 IMSC） ， 可實(shí)時(shí)監(jiān)控煤礦設(shè)備運(yùn)行， 根據(jù)出現(xiàn)的報(bào)警故障信息， 及時(shí)發(fā)布郵件或電話通知礦井工程師進(jìn)行調(diào)整。智能化開采服務(wù)中心每日、周、月和季度向礦井提交運(yùn)行分析報(bào)告， 指導(dǎo)礦井提高運(yùn)行管理水平， 合理安排設(shè)備檢修。同時(shí)， 在澳大利亞的 Anglo 礦業(yè)公司總部設(shè)置總調(diào)度室， 對所管轄的礦井進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控， 利用數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析系統(tǒng)， 分析生產(chǎn)過程設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，指導(dǎo)礦井生產(chǎn)。

1. 4 綜采自動(dòng)化綜合技術(shù)

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（ CSIRO） 專門從事煤礦綜采自動(dòng)化技術(shù)和無人工作面的自動(dòng)化裝備和技術(shù)方面的研究， 近年來啟動(dòng)了“Landmark”研究計(jì)劃， 探索先進(jìn)、安全、高效的自動(dòng)化技術(shù)和模式， 代替人工實(shí)際操作的系統(tǒng)模式。

2自動(dòng)化采煤技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r

黨和國家一直高度重視我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，而煤礦作為我國的主要能源，其開采技術(shù)自然也備受關(guān)注。近年來，隨著我國科研人才隊(duì)伍不斷壯大，煤礦開采技術(shù)取得了長足的發(fā)展，特別是在煤礦的智能化、無人化開采方面，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

2.1 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

通過在采煤機(jī)牽引部安裝位置傳感器，在控制器中利用位移信息計(jì)算采煤機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)精確定位。研發(fā)出了符合煤礦實(shí)際生產(chǎn)工序的采煤機(jī)記憶截割程序，有效解決了回刀掃煤不徹底、三角煤截割與端頭支架自動(dòng)跟機(jī)拉架、推溜等問題，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)在工作面內(nèi)自動(dòng)記憶截割。

2.2 液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)

液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的原理如下：首先在每臺采煤機(jī)上安裝一個(gè)紅外線發(fā)射裝置，同時(shí)在每臺液壓支架上安裝一個(gè)紅外線接收裝置。工作時(shí)，采煤機(jī)上的紅外線發(fā)射裝置發(fā)射信號，被液壓支架上的接收裝置接收，接收到的信息傳到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)這些信息可以判斷采煤機(jī)所處的位置和方向，并控制液壓支架做出自動(dòng)移架、自動(dòng)推溜、跟機(jī)噴霧等動(dòng)作，從而完成液壓支架動(dòng)作與采煤機(jī)運(yùn)行位置動(dòng)態(tài)匹配，實(shí)現(xiàn)工作面液壓支架與刮板輸送機(jī)跟隨采煤機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行。通過分析端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)的動(dòng)作邏輯與時(shí)間差異，優(yōu)化控制程序，實(shí)現(xiàn)了端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)連鎖自移程序化控制。

2.3 煤流負(fù)荷反饋采煤控制技術(shù)

我國自主研發(fā)了 “高壓變頻器、高壓電機(jī)、摩擦限矩陣 與 行 星 減 速 器”相 結(jié) 合 驅(qū) 動(dòng) 的 刮 板 輸 送機(jī)，配套開發(fā)了專用智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了跟隨煤負(fù)荷大小自動(dòng)調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)速度，具備了智能啟動(dòng)、煤量檢測與智能調(diào)速、鏈條自動(dòng)張緊控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控與功率協(xié)調(diào)等功能?？筛鶕?jù)實(shí)時(shí)檢測到的刮板輸送機(jī)煤流負(fù)載，利用變頻器控制技術(shù)自動(dòng)協(xié)調(diào)工作面采、裝、運(yùn)的運(yùn)行。

2.4 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

地面監(jiān)控系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、地面語音系統(tǒng);綜采裝備控制系統(tǒng)安裝于井下綜采工作面;綜采裝備信息及監(jiān)視視頻圖像信息通過井下數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)經(jīng)由井上井下環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)中，地面監(jiān)控系統(tǒng)據(jù)此對井下綜采裝備進(jìn)行控制，包括啟?？刂啤⑦\(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、自動(dòng)化開采、遠(yuǎn)程干預(yù)、故障診斷及報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)分析等。該系統(tǒng)有效地將井下監(jiān)控中心功能轉(zhuǎn)移至地面，極大地提高了開采人員的安全性。

3 自動(dòng)化開采面臨的困難

3.1 地質(zhì)圍巖智能探測

目前煤礦的智能綜采技術(shù)僅限于在人工示范刀基礎(chǔ)上的采煤機(jī)記憶截割工藝，需要經(jīng)常進(jìn)行人工干預(yù)，尚不能真正做到無人化作業(yè)。要想進(jìn)一步提高智能化水平，應(yīng)采用智能探測技術(shù)對綜采工作面進(jìn)行自動(dòng)探查和檢測，并根據(jù)探測到的信息結(jié)合鉆孔數(shù)據(jù)生成綜采工作面三維地質(zhì)模型， 在此基礎(chǔ)上完成頂層推采控制程序的優(yōu)化， 指導(dǎo)采煤機(jī)記憶截割， 保證智能化綜采裝備的高效運(yùn)行。

3.2 設(shè)備的性能有待提高

智能化開采對設(shè)備的性能有很高的要求，而我國的國產(chǎn)設(shè)備在這一方面還不能很好地滿足要求。比如，國產(chǎn)設(shè)備的傳感器的機(jī)載穩(wěn)定性差，精度偏低;智能化控制計(jì)算機(jī)信息處理能力不足， 經(jīng)常死機(jī); “三機(jī)”整體智能化水平有偏低，需要在此基礎(chǔ)上增加感知、決策、控制和智能化功能， 由單機(jī)向成套智能化裝備轉(zhuǎn)變。

3.3 復(fù)雜條件下的智能化開采

我國很多地區(qū)的煤礦賦存條件比較復(fù)雜，開采難度較大。比如存在工作面水害嚴(yán)重、高地壓、煤層薄、傾角大、“三下”開采條件、瓦斯含量高甚至煤與瓦斯突出等，這些特殊開采條件給智能化開采帶來了不小的困難，需要針對這些條件展開專門的研究，實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

4 自動(dòng)化開采的發(fā)展方向

4.1 開采智能導(dǎo)航技術(shù)

利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、光電和導(dǎo)航技術(shù)對開采設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)定位， 解決工作面地質(zhì)探測、三維空間定位、智能控制等問題， 實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控和精確開采。

4.2 智能化掘進(jìn)技術(shù)

進(jìn)一步研究探索智能化掘進(jìn)技術(shù)， 提升掘進(jìn)設(shè)備的智能化控制水平， 打造協(xié)調(diào)、連續(xù)、高效的智能化掘進(jìn)工作面， 實(shí)現(xiàn)智能化無人掘進(jìn)， 推動(dòng)煤礦生產(chǎn)與工藝的變革。

4.3 巡檢機(jī)器人

通過遙控機(jī)器人輔助完成智能化工作面的維護(hù)和管理， 通過加裝合適性能的傳感器， 經(jīng)過人工智能化處理， 進(jìn)行智能化工作面的自主開采作業(yè)。

4.4 “三無”開采技術(shù)

積極探索“無人、無煤柱、無巷道”的“三無”開采技術(shù)， 推廣應(yīng)用“110”工法下的智能化無人開采技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)開采技術(shù)的跨越式發(fā)展。

5結(jié)束語

盡管現(xiàn)在太陽能、風(fēng)能、可燃冰、地?zé)崮艿刃履茉撮_發(fā)技術(shù)不斷發(fā)展，石油產(chǎn)量也不斷提升，但是煤炭資源依然是我國最主要的能源，而且還會(huì)在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)占據(jù)著主要能源的位置。因此，煤礦開采依然是今后相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)的一項(xiàng)重要工作。而隨著大數(shù)據(jù)、人工智能、5G通信等新技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，煤礦的智能化、無人化開采必將成為現(xiàn)實(shí)。目前，該技術(shù)尚處于起步階段，還有相當(dāng)長的路要走。作為科研人員，只有不斷創(chuàng)新，快人一步，占領(lǐng)科學(xué)技術(shù)的制高點(diǎn)，才能在全球化競爭中勝出。

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