關于煤礦智能綜采工作面安全高效開采適應性評價分析

＊郭 磊

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部趙莊二號井 山西 046605）

科學技術水平的不斷發(fā)展，進一步提高了我國工業(yè)信息技術與網絡技術水平，同時也推動著產業(yè)轉型，未來的產業(yè)發(fā)展方向將是高度智能化。因為工作特點和惡劣自然環(huán)境等影響，煤炭企業(yè)需要重視礦山智能綜采工作面的安全隱患問題，通過認真調研礦山智能綜采工作面的安全性和有效開采適應性，順利開展煤炭綜采工作，以實現智能化采礦的目標。

1.智能化開采概述

為了合理、高效地進行采礦工作，智能化采礦技術應運而生。智能化采礦就是在自動控制系統(tǒng)中增加了主動決定功能，使工程開采單位可以及時了解圍巖條件和外部環(huán)境的變化趨勢并自行調節(jié)采礦參數，其主要通過智能認知、智能決定和智能管理這三個要素進行采礦工作。主要特征是監(jiān)控裝置同時具有自主學習和主動決定的功能，具有自我認知、自監(jiān)控、自主調控的能力，從而實現自適應采礦。自我認知是經過必要的信號采集，從而為自動控制提供了基礎；自監(jiān)控則是通過采集和分析現場運行數據信號，自主決策控制方案；自主調控是在主控裝置工作流程中，通過不斷掌握、調節(jié)和完善自主調控參量，以及時適應工作環(huán)境發(fā)生的變化。智能采礦技術盡管目前還處在初級階段，但正在進入創(chuàng)新發(fā)展的重要階段，它必須通過對作業(yè)面采高、支護體系和被保護巷道圍巖結構之間的智能相互耦合群組自適應控制、對作業(yè)面直線速度的智能引導、系統(tǒng)內多目標信息融合與協(xié)調、對超前性于保護系統(tǒng)和輔助作業(yè)面的智能調控等創(chuàng)新技術進行突破研究，并借助對解決綜合機械性設備問題的環(huán)境參數主動感知實現對采礦行為的主動監(jiān)控，從而實現智能化采礦技術升級。

2.實現煤礦綜采工作面智能化開采的思路與方法

(1)由簡單地質條件向復雜地質條件過渡

礦石一般都處于地勢險峻的環(huán)境中，因此，我國采礦工作中，綜采工作面的地質環(huán)境比較復雜，不但會影響到智能化開采的正常進行，而且還會在特定條件下逐漸造成不可控制的影響。所以就要求工程技術人員必須在地質條件比較簡單的工作面上開展試驗，并對其進行智能開發(fā)，然后對其成功經驗合理總結，并且結合實際情況調整技術方法，同時注意引入各種較先進的智能開發(fā)技術，再把智能開發(fā)重點向地質條件較為復雜的工作面轉移，以便進一步達到智能開發(fā)的預想目標。

(2)由遠程遙控向智能化開采發(fā)展

智能開采工作面以遠程遙控為應用基礎，從而實現各種設備的操作和控制，實現智能化采礦。遠程控制對智能化和智能化技術的實際要求相對較低，當一些關鍵設備不能合理適應時，也能達到預期的目標。但一般來說，智能化采礦以遠程控制為核心，其適應性不足，當整個系統(tǒng)出現設備故障時，需要工作人員進入工作區(qū)檢查相應設備，然后進行調整和維修。

在工作面的智能開發(fā)中，智能技術是核心內容。其開發(fā)成熟后，已廣泛應用到了井下的信號傳輸技術、設備定位技術等方面，并完成了對工作面智能管理系統(tǒng)的集成。它的復雜系統(tǒng)設計不但為智能開發(fā)創(chuàng)造了必要的技術條件，同時也在煤礦安全生產中起到了十分關鍵的作用，進而保障設備的持續(xù)有效工作，更高效地完成了作業(yè)面的智能開發(fā)與智能管控。隨著煤礦開發(fā)技術的逐步提高，未來煤礦開發(fā)所涉及的地質條件也將更加復雜，機械設備運用與綜采作業(yè)面也將更加復雜。只有通過合理運用先進科學技術成果，才能達到綜采作業(yè)面不需要人工干預的智能開發(fā)。

3.煤礦綜采工作面智能化開采的關鍵技術分析

(1)視頻監(jiān)控技術

礦井開展實施智能化采礦工作的過程中，會運用許多專業(yè)的技術裝備來保證工作順利完成。但是，要想在最少的時間內掌握井下作業(yè)的實際情況，就必須及時把視頻監(jiān)測技術整合到礦井智能開發(fā)的流程中。從現階段運用煤礦井下視頻監(jiān)測技術的角度來看，其實是企業(yè)工作人員利用智能開發(fā)系統(tǒng)中的視頻監(jiān)測系統(tǒng)，來更全面地對具體開采情況以及設備運作狀況加以掌握。

(2)在工作面運輸機中的應用情況

對采礦工程作業(yè)來講，需要重點注意的是采礦礦山搬運期間長壁工作面輸送機，其主要用作運礦機械設備、采礦機運輸的軌道線路，隨著當前對礦山機械設備需要量的增加，輸送機屬性改變也很大，主要體現在槽寬數據增加、管徑增大方面。由于使用設備可達到物料輸送及軟啟動的功效，因此，一般作業(yè)通常采用的機械設備是液力耦合器、變頻電機，設備運行應用時能夠經變頻器的自動調壓原理而發(fā)揮作用。

(3)采煤機智能化

采煤機是綜采工作面的核心裝置之一，其智能程度是煤礦綜合機械性開采作業(yè)面的關鍵。而采煤機的智能程度，也是可以針對煤層瓦斯開采賦存狀況自行劃分標高范圍，而這就需要采煤機對煤層開采厚度有著精確的判斷能力。若無法正確辨別煤層瓦斯所開鑿的標高范圍，一方面可能會造成切割標高范圍不夠，造成煤炭資源的浪費；另一方面又可能會造成切割標高范圍過大，切割了煤層瓦斯開鑿頂板，進而造成對采煤機的損傷程度增加。因此要能對同一工作面的煤層開采厚薄程度進行正確辨認，采煤機上還應該安裝精密的地質雷達。地質雷達不但能辨別地層的厚薄程度，還可以辨別地層類型。

(4)井下數據分析系統(tǒng)

現階段我國智能化采礦流程中較為重要的工作內容之一就是進行數據分析，來判斷工作任務能否科學、順利地進行下去。所以，不管是從科學技術角度而言還是從現實的具體操作層面來說，環(huán)境數據分析工作都是十分重要的。與此同時，邏輯模型也充分展示了在煤礦智能挖掘過程中，人們必須掌握具體的環(huán)境數據和信息，通過準確、合理地分析煤礦挖掘的有關信息和數據，以滿足各種環(huán)境的智能挖掘?？偟膩碚f，在煤礦開采過程中，準確的信息和數據分析系統(tǒng)能夠有效地幫助工作人員更加清晰全面地了解煤礦開采過程中遇到的困難和問題，并進行針對性地解決。

(5)液壓支架智能化

液壓支撐是控制圍巖的主要設備之一，其主要功能是確保有一條安全的生產作業(yè)空間。而液壓支撐的主要智能化特點在于可依據地層電阻調整工作電阻，以保證工作面作業(yè)頂板的安全穩(wěn)定。這就需要研制一種新型智能液壓圍巖控制器，可依據圍巖的實際狀況設定合理的工作電阻。值得注意的是，若液壓支撐的實際工作電阻過大或過小均不利于作業(yè)面的順利開挖。若液壓支撐的實際工作電阻較大，則會對頂部增加一次壓應力，從而造成頂部的破裂，易于出現冒頂事故。若液壓支撐的實際工作電阻過小，則會造成頂底板的沉降量很大，不利于采掘機順利完成作業(yè)。

4.煤礦智能化開采關鍵技術存在的問題與解決方法

(1)采煤機智能調高控制

采煤機智能調高控制是指采煤機可以根據煤層的情況進行調整，根據自身的厚度和傾角做出相應的變化，實現精確切割。目前，采煤機的智能控制主要用于獲取采煤機的準確信息，進而實現采煤作業(yè)。可自行繪制并記錄切割曲線路線，自動實現后續(xù)開采過程中的切割。該方法不能適應煤層的變化，但可以應用于煤層。從控制邏輯的角度，可以精確地調節(jié)其高度，但是在煤和巖石的識別技術上卻一直未能有較好的突破，在之后的研究中也沒有取得較好的研究成果。所以，在當前煤礦界面識別采煤機的運行數據并不是最好的途徑，而應該利用信息預測技術進行精確檢測，比如對其進行三圍的精準檢測和數字模型計算等，以便進行更高效的智能管理。

(2)液壓支架群組與圍巖的智能耦合自適應控制

液壓支撐系統(tǒng)是礦井機械化開采運用過程中非常關鍵的裝置，而其設備與圍巖相互作用狀態(tài)優(yōu)劣也會影響到工作生產的合理進行。盡管目前對支撐動作的調節(jié)做到了智能化，但由于其主要目標是為了實現工作裝備的有效協(xié)調與推進，對支撐本身動作的調節(jié)，還需要人工來完成。所以目前面臨著效率不足、動作協(xié)調性不足甚至還無法取得完全一致的效果。所以，必須通過適當措施改善其控制效應。支護系統(tǒng)的圍巖智能耦合，是指液壓支護架除了當前被動的支撐功能以外，還能夠實現主動感知、分析以及調整溫度等作用，通過主動改變支撐狀況實現相應功能，從而使整體支撐狀態(tài)最大化。

當前，為了提高液壓支撐群組與圍巖之間的自適應控制，需要提高其準確性，對于全方位的支撐狀態(tài)不但需要主動感應，還必須對當前的常用支柱壓力進行感知檢測，才可以準確掌握對關鍵部位的受力大小、工作狀況的自動檢測，以及頂板的完整性。它可以進行超前的壓力上報和對上部圍巖破壞監(jiān)測，并且還可以對圍巖狀態(tài)進行預知，唯有如此，才可以全方位地展示出支架保護的完全狀況。同時，還需要進行自主調控支撐系統(tǒng)的構造創(chuàng)新，對液壓支撐的初撐力和工作阻力及平衡力等都必須有一定的作用點，并通過一定參數，實現支撐的自適應控制，對其構造方式進行革新，并增加支撐的可調整范圍以滿足各種采高以及圍巖條件變化。此外，還必須實現對液壓支撐組的智能管理。目前主要研究的是單個支架的支護狀況，很少研究多工作面液壓支撐組合的支護。有關工程技術人員必須深入研究支撐組合的支護阻力分布狀況，分析其具體參數和分布特點，并針對調查的實際狀況形成適當的支撐組合和圍巖，從而達到一定的自適應控制要求。

5.煤礦智能綜采工作面安全高效開采的適應性研究

(1)智能開采評價方法和指標體系

在實現智能完全機械化采掘過程中，工程技術人員必須評估工作面地質條件，以確定在開采過程中是否能應用智能完全機械化采掘的可能，并提供有針對性的工程技術對策，以保證開采工作的順利進行。怎樣采用權重法和模糊數學方法建立評價系統(tǒng)，為工作面的采礦管理工作提供了可信的技術基礎。礦井智能綜采對于地質條件提出了更高的需求。因為進行智能化采礦，必須盡可能地滿足對煤層的賦存要求，因此工作人員需要分析國內最有代表性的工作面地質條件，并建立智能作業(yè)面環(huán)境影響因素數據庫，以分析各種原因對智能礦井綜合機械化采掘設備的影響。

(2)量化評價指標

在采礦作業(yè)開展中，為確定煤礦在智能綜采作業(yè)面的開發(fā)要求，工作人員可設置綜合評價指標體系和分類量化各項綜合考評指標。管理人員要根據礦井智能綜采特點，掌握成熟的智能化采礦經驗，設定分類量化的標準，可以分類為不同的級別，根據等級分類量化不同評價指標。

(3)確定各因素權重

不同的綜合評價原因，會直接影響礦井智能綜采工作面開采與修購能力，為統(tǒng)一綜合評價體系可使用各種因素權重表示不同原因，為防止研究人員的主觀性影響到各種因素的權重比例，在評價權重測算階段，研究人員必須研究各現場原因，并運用AHP層次分析法，單獨測算第一原因權重比例與第二原因權重比例，最后決定各原因的權重比例。

(4)建立評價模型

采用模糊綜合評估模式，可以通過對煤礦智能綜采工作面的開發(fā)條件進行綜合評估，從而得出較為直接的評估結論。使用百分位算法對各因素加以評分，并將其映射為綜合評估價值，從而得出對各評估等級的評分重心。在此基礎上，對樣本屬性作出評估，并根據評估分數判斷開采要求的適應性以及智能開采的有效性。分數越高，就表示該采礦要求能夠滿足智能綜采，實現智能化采礦。

6.結束語

綜采工作面智能化開采不僅可以合理地減少井底事故，而且可以合理地控制工作面的過剩產量。智能化采礦不僅需要分析工作面的各種非技術要求，還必須做好井下監(jiān)測工作，為促進通信科學技術的發(fā)展提供必要的技術手段，有效保障智能化采礦工作在早期的智能化采礦中，主要是由簡單的地質要求向較為復雜的地質要求轉變，對智能化采礦要求的掌握至關重要?，F階段綜采工作面智能化發(fā)展主要以遙感技術自動化技術為核心，而智能無人采礦也可以看作是遙感智能化發(fā)展的延續(xù)，但隨著開采技術的逐步完善，智能無人開采將逐漸成為綜采工作面發(fā)展的主導形式。