井下無人采礦技術裝備導航與控制關鍵技術

張國強

（蘭州石化職業(yè)技術大學，甘肅 蘭州 730207）

為了滿足生產和開采礦物資源的需要，將開采井下礦物資源。在確保安全生產的同時，迫切需要解決深井開采、提高采礦效率和增加產量等技術問題。關于深井采礦的技術條件，研究了一些技術，例如模擬采礦環(huán)境的虛擬現實、井下無人采礦設備的建模和標準，以及無人采礦過程的動態(tài)模擬。在礦床開采環(huán)境中，普遍的假設現實可以重新塑造沉積物，包括分布、裂縫、主要構造表面的存在、金屬特點、周圍巖石條件、操作平臺和模擬無人采礦作業(yè)的技術基地。近年來，對井下無人采礦技術的興趣日益增加。隨著科學和技術的發(fā)展以及安全概念的發(fā)展，重點將是井下采礦以及改進和開發(fā)無人采礦技術[1]。井下采礦技術是指利用計算機技術控制和操作井下生產，以實現非運行。目前，我們積累了大量的數據和在和控制井下采礦技術設備方面的經驗。然而，綜合技術能力薄弱，需要不斷探索和發(fā)展。

1 無人采礦仿真技術研究現狀

地下完全控制采礦過程控制設備的理論，類似的理論包括學校系統(tǒng)、計算機、現有的采礦和技術理論、計算機技術和計算機模擬分析、非采礦生產的計算機模擬分析、采礦技術研究、非采礦過程參數的動態(tài)動力學。為設計和實施無人采礦作業(yè)提供數據和決策支持，信息和通信技術的發(fā)展將從側重于傳統(tǒng)采礦流程自動化的機械化采礦技術發(fā)展到加強無人采礦技術，并帶來先進的傳感器和監(jiān)測系統(tǒng)、智能采礦設備、高速數字通信網絡和新的采礦作業(yè)[2-5]。許多國家由于其巨大的社會意義和廣闊的市場前景，在研究和傳播相關技術方面投入了大量的人力和物力。

1.1 國內無人采礦仿真技術的主要技術現狀

我國的井下采礦技術遠遠落后于先進的國際標準，仍然在鉆井、裝填和裝填在解決效率低下和不安全問題方面面臨困難。昂貴的國外設備占據著一個巨大的市場，并對我們的采礦業(yè)產生重大影響。目前，我們在礦物設備中的份額占市場份額的60%。僅在2004年，中國就進口了485部金屬裝載車，價值3176萬美元。在1970年代和1980年代，大多數其他井下采礦設備仍在使用，這些設備有明顯的缺陷，設備規(guī)模小，主要備件壽命短，耗費資源多，而且環(huán)境受到嚴重污染。在井下采礦中，壓縮空氣的機或壓縮空氣的油車仍然占很大比例，因為幾乎所有主要交通工具都是7-20線的電力車[6]。與先進技術相比，我們的采礦技術研究尚處于起步階段，采礦機械和生產管理控制系統(tǒng)的開發(fā)遠未取得重大進展。面對新的國際技術趨勢，包括有效和安全的無人駕駛機器人操作，很難進行市場競爭。目前，我們的無人采礦技術仍處于“無管制采礦”的早期階段。所以我國必須盡快建立符合我國國情的先進井下采礦系統(tǒng)，對于提高我國采礦技術的可靠性和完整性以及使采礦生產自動化以及高效率高產量的采礦具有重要的戰(zhàn)略意義。

1.2 國外無人采礦仿真技術的主要技術現狀

加拿大、美國、澳大利亞、瑞典和芬蘭等發(fā)達采礦國家已進行了采礦自動化和信息技術領域的研究和應用，并成功地解決了與地下采礦有關的一些技術問題，并在實際采礦項目中有效應用了技術成果。1992年，芬蘭宣布了一項人工智能采礦技術方案。涵蓋28個專題，包括實時采礦監(jiān)測、實時資源管理、采礦信息網絡、新的機械應用和機械監(jiān)測。加拿大最近制定了2050年遠景規(guī)劃，將加拿大最北部的一個礦轉變?yōu)闊o人居住的礦，并通過衛(wèi)星控制所有薩布里設備而機械拆除和中斷。瑞典制定了一項GroundTeck2000采礦自動化戰(zhàn)略計劃。瑞典的LKAB公司成功地測試了基羅納的第一個機械化鐵礦生產系統(tǒng)。自1980年代中期以來，加拿大諾達技術中心一直在研究和開發(fā)自動化采礦技術。在硬巖礦鉆井下挖掘的各種機械設備，包括裝載機、起重機、光學導航系統(tǒng)、遙控裝卸系統(tǒng)、自動裝載機等。這些技術和系統(tǒng)可在不同的采礦條件下獨立使用，并可側重于多套遙控系統(tǒng)，完全適合諾蘭達多礦的需要，同時適應不同的生產水平和復雜的金屬質量條件。因此我們應吸取外國先進的無人采礦技術的經驗，為我國的井下無人采礦事業(yè)作出貢獻。

2 井下無人采礦技術存在的問題

2.1 煤礦災害頻發(fā)

井下采礦是一種復雜的滲透過程，環(huán)境中的空氣和化學品，等待，使他們容易發(fā)生事故，特別是在沒有安全措施的情況下，會有火災、水、井下采礦崩潰、煤氣爆炸(如某些災害)、礦場爆炸和工作引起許多災害和事故的程序，因為人類和自然因素都對災害負責。災害是井下開采的一個重要問題。因此，減少災害和事故的發(fā)生需要加強安全生產以及遇到危險時的安全反應的概念，而井下無人駕駛采礦技術是解決這一問題的最佳手段[7]。它可以盡量避免災害的發(fā)生，減少了人力、物力、財力等資源的浪費。

2.2 煤炭浪費嚴重

盡管我國儲存的煤炭資源豐富，但我國煤礦的應用范圍廣泛，市場需求和生產市場大，而且采礦技術能力薄弱。這一系列的問題導致我國大量煤炭資源的減少，即由于采礦和用戶的價值而煤炭資源的使用減少，是一個實際問題，需要滿足井下采礦的需要。這就要求我們減少煤炭資源的浪費，合理利用煤炭資源。

2.3 采礦技術能力低

盡管井下采礦面臨困難，但該國現有的采礦技術取得了進展和發(fā)展，但由于地質復雜、地形復雜和深海采礦的逐步發(fā)展，井下采礦的總體能力相對較低。但是，井下采礦技術的開發(fā)受到一系列因素的影響，如缺乏技術研究能力、技術人才以及創(chuàng)新能力[8]。這些問題使我們的采礦技術能力下降，遠遠落后于其他國家。

3 井下無人采礦技術裝備導航與控制關鍵技術

3.1 采礦科學規(guī)劃技術

采礦科學規(guī)劃的基礎是資源規(guī)劃和分配以及優(yōu)化資源分配，以提高采礦效率。傳統(tǒng)采礦規(guī)劃技術結合了簡單的程序和可能的方法，將工作場所的初步狀況轉變?yōu)楣ぷ鲌鏊哪繕藸顟B(tài)，使之具有一定程度的智能和自動化，以滿足無人采礦的需要。因此，需要改進采礦計劃的自動化和管理，以便有效地完全自動化地控制鉆井路，并滿足最終未開采的采礦規(guī)劃的需要。

3.2 設備自動控制技術

隨著自動化和智能技術的發(fā)展，研究人員對井下無人采礦技術設備產生了越發(fā)濃厚的興趣。在新的環(huán)境下，改進對井下技術設備的自動控制是井下采礦技術的一個主要趨勢。如果標準偏離航向，采礦技術設備將會對此作出新的調整，然后接收信號進行井下無人采礦。這樣，金屬的自動化就大大提高。此外，與井下采礦有關的通信技術引起了人們廣泛地注意，井下無人采礦技術裝備導航可以將操作和控制設備的數據信息傳送到地面控制室，從而可以自動控制理發(fā)和井下加工，對構造板塊進行遠程診斷和控制，并確保采礦生產的安全和穩(wěn)定。

3.3 設備定位導航技術

可以說，地下無人采礦的主要保障是自動化設施，這需要在地下采礦設施進行定位導航功能以及生產機械導航設備，從而進行井下無人采礦。近年來，在移動機器人工業(yè)中，激光雷達的使用有所增加。根據激光雷達，可將現場信息與其他算法結合起來，從而能夠在不校準操作的情況下追蹤和探測井下屏障，從而大大提高井下采礦設備的穩(wěn)定性和精確度。在能見度低、空氣貧、灰塵和通風差的礦井中，視覺系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)很難有效控制。電磁路由器控制可以很好地解決這個問題[9]。電磁場可以與低頻電纜相結合，將電磁傳感器結合起來，有效地引導移動采礦設備，并通過光學導航系統(tǒng)對設備進行自動控制和定位。此外，還可設置超聲波控制和定位陣列，這些超聲波在走廊之間測量信息，然后從有效控制設備的地點分析這些信息，從而進行調查并提供公路導航和定位，從而大大提高導航和定位精確度。

3.4 地形遙控感知技術

不同的生產條件與地形規(guī)則不同，但通常會遇到土壤特點的特點，即松散土壤、不斷積存的光照，但為了實現自動化，為了采礦環(huán)境的影響、改變地形環(huán)境和制作圖像以實現礦的自動化控制，采礦作業(yè)側重于技術應用。目前，地形學技術一般包括視覺、激光測距、超聲波等。

4 結語

簡而言之，井下無人采礦作為煤炭開采的主要攻關技術，直接影響到采礦的效率。近年來，隨著對煤炭等資源的需求不斷增加，井下無人開采已成為人們廣泛關注的主要手段，而深海采礦取決于無人采礦技術，在目前情況下，當地煤礦企業(yè)繼續(xù)進行深海采礦，增加了開采的風險和難度，而井下采礦技術的研究和開發(fā)則是開發(fā)和應用導航和控制技術。雖然目前無人駕駛采礦技術的開發(fā)水平相對較低，例如導航控制和技術設備的認知尚不成熟，但在非采礦技術影響下的不斷深入研究和開發(fā)的基礎上，技術也逐步增強，在不遠的將來，隨著載有采礦技術、制導和控制重大技術進步的設備問世，無人采礦將廣泛用于井下采礦項目。