影響煤礦無人化工作面開采技術(shù)的因素分析

范 凱

(中煤平朔集團(tuán)有限公司,山西 朔州 036000)

解決煤礦開采由高危行業(yè)變?yōu)榈臀Ｐ袠I(yè)的關(guān)鍵所在就是減少工作面的作業(yè)人數(shù),提高采礦設(shè)備的智能化,即實(shí)現(xiàn)礦井采礦的無人化開采技術(shù)。隨著采礦工藝的不斷發(fā)展更新,采礦大數(shù)據(jù)智能設(shè)備的研發(fā),煤礦無人化工作面開采技術(shù)有了新的發(fā)展,在采礦工藝中的占比會(huì)逐步提升。

1 無人化工作面研發(fā)的背景及現(xiàn)狀

為了更好地預(yù)防和避免在煤礦開采過程中可能出現(xiàn)的安全事故,我國各大煤炭企業(yè)在采礦工序的各個(gè)環(huán)節(jié)中都實(shí)行了嚴(yán)格的安全監(jiān)督管理，取得了一定的成效,但由于煤礦開采受到各種地質(zhì)環(huán)境因素的影響,安全生產(chǎn)形勢依然不容樂觀。因此,在安全生產(chǎn)的前提下,促進(jìn)無人化綜采工作面開采技術(shù)的提升,將是未來世界各國煤炭企業(yè)生產(chǎn)研究發(fā)展的主流方向。

就目前來說,應(yīng)充分利用人工智能及大數(shù)據(jù)資源技術(shù)的成果來實(shí)現(xiàn)采礦設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展。采礦智能設(shè)備應(yīng)能與各種礦井的實(shí)際地質(zhì)條件相適應(yīng)。國外煤炭資源豐富的發(fā)達(dá)國家,在煤礦設(shè)備自動(dòng)化和無人化開采工藝領(lǐng)域方面的發(fā)展相對(duì)較快,煤礦無人化開采工作面的設(shè)備開機(jī)率都比較高,人工智能采礦設(shè)備故障率較低。而人工智能采礦設(shè)備故障率的排查環(huán)節(jié)在能否完全實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)備采礦的過程中相當(dāng)關(guān)鍵,找出智能化采礦設(shè)備的故障是提高人工智能采礦設(shè)備開機(jī)率的保障。現(xiàn)階段而言,我國的礦井無人化智能開采技術(shù)在國外發(fā)達(dá)國家已獲經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,再經(jīng)過無人化智能開采技術(shù)的自我完善及自主研究創(chuàng)新,形成了成套的理論支撐體系；在無人化智能采礦設(shè)備上也經(jīng)歷了從機(jī)械化、自動(dòng)化到智能化設(shè)備各階段的跨越,現(xiàn)在部分智能化采礦設(shè)備已經(jīng)能夠有的放矢地控制無人化采煤工作面。我國在向煤礦完全無人化開采技術(shù)及采礦智能設(shè)備的研發(fā)方面邁出了一大步[1]。

我國的煤礦開采經(jīng)歷了由最初的粗放式生產(chǎn)到現(xiàn)在的集約化生產(chǎn),采煤工藝由最初的爆破采煤、普通機(jī)械化采煤、綜合機(jī)械化采煤演變到當(dāng)今的智能化的無人化工作面采煤。綜采無人化開采技術(shù)研發(fā)最終達(dá)到的目的是:作業(yè)人員不需要在危險(xiǎn)的綜采工作面內(nèi)進(jìn)行移架、推移刮板輸送機(jī)和操作采煤機(jī)等工序來實(shí)現(xiàn)割煤,而是在輔助運(yùn)輸巷道或其他安全地點(diǎn)操縱和控制采礦智能機(jī)械設(shè)備,完成采煤、裝煤、運(yùn)煤、頂板支護(hù)管理等基本采煤工序。

無人化開采技術(shù)還能改變?cè)疾擅杭夹g(shù)的面貌,提高煤礦產(chǎn)量、勞動(dòng)效率、資源采出率,并節(jié)約成本,減輕作業(yè)人員的體力勞動(dòng),改善勞動(dòng)條件,使礦井生產(chǎn)完全在更加安全的高產(chǎn)高效的基礎(chǔ)上,全面提高礦井的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。

利用各種煤礦機(jī)械進(jìn)行無人化綜采工作面采煤,其實(shí)現(xiàn)的基本途徑有兩個(gè)方面。

1)遙控礦井中采煤工作面的設(shè)備,實(shí)現(xiàn)無人化采煤,如對(duì)綜采工作面的設(shè)備進(jìn)行遙控采煤。

2)在巷道中直接控制采煤設(shè)備,動(dòng)力裝置不進(jìn)入工作面,實(shí)現(xiàn)無人化綜采工作面采煤[2]。

現(xiàn)階段,較為成熟的無人化綜采工作面采煤方法一般是在巷道中直接控制采煤設(shè)備進(jìn)行采煤。

2 無人化工作面開采技術(shù)的影響因素

2.1 無人化綜采工作面開采的地質(zhì)環(huán)境因素

煤炭企業(yè)在實(shí)現(xiàn)采礦設(shè)備人工智能開采的過程中,煤礦井下的煤層傾角、煤層厚度、斷層等地質(zhì)構(gòu)造因素時(shí)刻影響著各類采礦設(shè)備。而環(huán)境因素則影響著各種傳感器設(shè)備,例如煤礦采場中的溫度、粉塵濃度、CO濃度、甲烷濃度等參數(shù)都有嚴(yán)格的限制指標(biāo)。煤礦在成煤時(shí)期形成的原巖應(yīng)力、頂?shù)装褰Y(jié)構(gòu),也會(huì)影響到煤礦無人化工作面的實(shí)際開采。

2.2 無人化綜采工作面開采的設(shè)備因素

煤炭企業(yè)在實(shí)現(xiàn)煤礦智能無人化開采的過程中,對(duì)采場中成套的破煤機(jī)械、運(yùn)輸設(shè)備、液壓支架“三機(jī)”等采礦設(shè)備的可靠性要求較高。

采煤機(jī)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能:

1)煤巖界面自動(dòng)識(shí)別功能;

2)采煤機(jī)故障診斷功能;

3)采煤機(jī)記憶截割功能,在參數(shù)設(shè)置里輸入人工割煤時(shí)采煤機(jī)滾筒的截割路線,采煤機(jī)在記憶模式下自動(dòng)重復(fù)參數(shù)設(shè)置里的滾筒軌跡，并在采煤機(jī)左右兩個(gè)搖臂上各安裝一個(gè)傾角傳感器,用于監(jiān)測滾筒底板傾角的變化,對(duì)滾筒高度進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,避免因煤層條件變化而造成的煤層頂?shù)装宓某吠诂F(xiàn)象[3]。

刮板輸送機(jī)應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能:

1)遠(yuǎn)程按鈕準(zhǔn)確推移功能;

2)精準(zhǔn)識(shí)別定位斷鏈、掉鏈等功能。

液壓支架應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下功能:

1)精準(zhǔn)地對(duì)支架壓力、移動(dòng)傾角、自由行程等重要參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測,及時(shí)發(fā)現(xiàn)液壓支架故障隱患,禁止出現(xiàn)液壓支架傾倒、煤壁片幫等功能[4];

2)頂板破碎時(shí),能自動(dòng)識(shí)別及時(shí)移架功能;

3)液壓支架能夠按照采煤工藝的需求實(shí)現(xiàn)和采煤機(jī)全程自動(dòng)聯(lián)機(jī)作業(yè),保證乳化液有足夠的壓力,并能遠(yuǎn)程進(jìn)行準(zhǔn)確無誤的移架操作[5]。

如果上述這些功能不能滿足要求,就無法有效地實(shí)現(xiàn)智能化綜采工作面的開采。

2.3 無人化綜采工作面開采的工藝因素

煤炭企業(yè)在實(shí)現(xiàn)采礦設(shè)備人工智能開采的過程中,關(guān)鍵的工藝技術(shù)因素是作業(yè)人員在不進(jìn)入工作面的條件下,將采煤、裝煤、運(yùn)煤等工序有條不紊地銜接起來,用液壓支架對(duì)頂?shù)装暹M(jìn)行有效安全地支護(hù)管理,要求作業(yè)人員對(duì)專業(yè)業(yè)務(wù)技能和設(shè)備操作熟練掌握。

2.4 無人化綜采工作面開采的視頻遠(yuǎn)程控制及高速無線網(wǎng)絡(luò)因素

無人化綜采面監(jiān)控圖像的來源是煤機(jī)機(jī)組或者頂板支護(hù)設(shè)備上安裝的圖像探頭。采煤機(jī)攝像探頭加裝在采煤機(jī)截割部前方,隨采煤機(jī)進(jìn)行移動(dòng),可隨時(shí)在線觀察采煤機(jī)滾筒所處的位置和煤層的頂?shù)装褰馗顮顩r。礦井在煤塵、巖塵、一氧化碳、甲烷等氣體混合物濃度較低的狀態(tài)下,攝像探頭可以清晰地拍攝到采煤機(jī)滾筒截割頂?shù)装宓那闆r。觀察圖像的清晰度受粉塵濃度影響較大,可以通過采煤機(jī)的噴霧清理攝像探頭。采煤機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測圖像信號(hào)借助隨機(jī)移動(dòng)的光纜在線實(shí)時(shí)傳輸。

礦井無人化工作面的采煤機(jī)、液壓支架遠(yuǎn)程控制通過無人化工作面攝像探頭及傳感器傳輸?shù)幕A(chǔ)數(shù)據(jù)來完成。由于礦井環(huán)境復(fù)雜,致使攝像探頭視頻成像模糊,遠(yuǎn)程作業(yè)人員無法近距離操控采礦智能設(shè)備,而且無人化工作面在線數(shù)據(jù)信號(hào)受傳輸速度的影響,圖像比較遲緩,無法滿足現(xiàn)場應(yīng)急操作的要求,所以,提高在線圖像的清晰度及圖像的傳輸速度迫在眉睫。

無人化開采工作面的無線信號(hào)傳輸比較重要,因需要在線實(shí)時(shí)觀察工作面各類設(shè)備情況,就必須把礦井綜采工作面的各類智能采礦設(shè)備工作信號(hào)圖像準(zhǔn)確無誤地傳送到地面或者中央集中控制臺(tái)。無人化開采工作面通信很多時(shí)候會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤、延時(shí)等情況?，F(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的圖像數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸方式是無線傳輸。無線網(wǎng)絡(luò)傳輸雖然克服了傳統(tǒng)圖像及數(shù)據(jù)發(fā)送方式的許多弊端,但是，如果工作面環(huán)境條件復(fù)雜,會(huì)使無線信號(hào)缺失而無法傳輸。因此,提高無線傳輸信號(hào)的速度、準(zhǔn)確性和可靠性是實(shí)現(xiàn)無人化開采工作面技術(shù)的關(guān)鍵一步[6]。

2.5 無人化綜采工作面開采的人員安全感知管理因素

煤炭企業(yè)在實(shí)現(xiàn)煤礦智能無人化開采的過程中,原來的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)模式與管理結(jié)構(gòu)模式發(fā)生了改變,各崗位作業(yè)人員的角色都會(huì)出現(xiàn)本質(zhì)上的改變,由原來的現(xiàn)場操作設(shè)備人員變成了遠(yuǎn)程智能化控制人員,由原來的人員管理模式變成設(shè)備動(dòng)態(tài)管理模式。

在無人化綜采工作面遇到復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域時(shí),需配設(shè)一名跟班作業(yè)人員,無人化綜采工作面內(nèi)應(yīng)設(shè)置有人員安全精準(zhǔn)定位保護(hù)裝置,及時(shí)對(duì)無人化綜采工作面人員的移動(dòng)進(jìn)行精確定位,對(duì)區(qū)域內(nèi)突發(fā)的緊急情況進(jìn)行智能化的采礦設(shè)備有效閉鎖自動(dòng)保護(hù),避免作業(yè)人員在跟班過程中造成不必要的安全損失。

3 結(jié)束語

為了最大程度減少和降低煤礦生產(chǎn)安全事故發(fā)生的概率,提升煤炭生產(chǎn)工作的安全性,應(yīng)該將煤礦綜采面無人化開采技術(shù)最大范圍地應(yīng)用在煤礦的開采和生產(chǎn)工作中[6]。綜采無人化工作面采煤技術(shù)符合煤礦開采技術(shù)的時(shí)代發(fā)展潮流,它具有安全性好、效率高等特點(diǎn)。發(fā)展綜采無人化工作面技術(shù)有利于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的機(jī)械化、自動(dòng)化；有利于礦井生產(chǎn)的集中化；有利于加強(qiáng)礦井生產(chǎn)技術(shù)的管理；有利于礦山安全綠色的生產(chǎn)。發(fā)展綜采無人化工作面采煤可為礦山壓力大、礦井深部地溫高或瓦斯涌出量比較大的煤層以及厚度在0.7 m以下的極薄煤層的開采提供了一個(gè)安全綠色、高產(chǎn)高效的采煤新途徑。隨著人工智能的不斷創(chuàng)新發(fā)展,綜采無人化工作面采煤技術(shù)將是未來采礦行業(yè)發(fā)展的趨勢。