煤礦綜采工作面自動化智能化開采技術(shù)研究

陳俊國

（山西潞安集團司馬煤業(yè)有限公司，山西長治046000）

我國的煤炭資源十分豐富，國內(nèi)對煤炭的利用也較為多樣，在日常生活中，我們使用煤炭來進行發(fā)電仍占據(jù)著國家能源結(jié)構(gòu)的主要部分，并且在未來相當(dāng)一段時間內(nèi)仍需要大量利用煤炭資源來構(gòu)建我國的能源構(gòu)成。隨著各種礦井開采的進行，許多煤礦表層較易開采的部位已經(jīng)開采完畢，正逐漸往更下層煤礦進行作業(yè)，但由于下層地質(zhì)結(jié)構(gòu)中環(huán)境惡劣，經(jīng)常會出現(xiàn)高溫、高壓等情況，一旦開采出現(xiàn)問題，會導(dǎo)致礦山災(zāi)害的產(chǎn)生，嚴重影響煤礦的開采效率，甚至危害人民安全，為了煤礦開采的安全生產(chǎn)，許多問題亟待解決，針對于此，本文開展研究了煤礦開采的智能化技術(shù)，以推動井下自動化智能化的發(fā)展。

1 自動化智能化開采研究現(xiàn)狀

相對比于國外，國內(nèi)的煤礦開采自動化、智能化發(fā)展較晚，但在吸取國外優(yōu)秀技術(shù)的基礎(chǔ)上，我國的相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，大量科研人員通過不懈努力研制了一批擁有自主產(chǎn)權(quán)的開采設(shè)備，為煤礦的安全生產(chǎn)做出了重大貢獻。通過查詢文獻得知，我國于2007 年首次制造出能取代外國進口的液壓支架的電液控制系統(tǒng)；榆家梁礦在2008 年通過實際測試，達到了液壓支架隨采煤機移動的自動化移動等目標(biāo)，冀中能源峰峰集團于2009 年通過和浙江大學(xué)合作，在下屬多個礦井實現(xiàn)了薄煤層綜采面工作的采煤機的數(shù)字化，無需工作人員下井操作，就能實現(xiàn)對薄煤層的工作面進行開采，并能實時監(jiān)測采煤機位置及狀態(tài)，大大提升了開采的安全性；2013年，“863計劃”開展了“煤炭自動化智能化掘進”等專項，為重點發(fā)展智能開采核心技術(shù)及設(shè)備奠定基礎(chǔ)；充礦集團于2016 年采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與技術(shù)成功解決了工作面找直的自動化問題，發(fā)展了工作面的裝備控制等技術(shù)；我國又于2017 年立項了國家重點項目——“煤礦自動化智能化開采安全技術(shù)與裝備”，重點攻關(guān)礦井下煤層界面的識別技術(shù)、自動化開采核心技術(shù)及裝置、綜采面自動化巡檢機器、綜采面智能超前支護裝置及各種自動化輔助裝備及平臺等。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，截至目前，我國在煤礦自動化智能化的過程中取得了較為豐富的成果，如液壓支架電液控制系統(tǒng)、礦井下設(shè)備可視化遠程控制和采煤機記憶切割等，但我們?nèi)孕枰獙ξ覈淖詣踊_采技術(shù)及設(shè)備相對于國外的技術(shù)仍具有相當(dāng)?shù)木嚯x有一個清醒的認識，相信隨著我國的不斷發(fā)展，技術(shù)上完成超越已經(jīng)不需要很長的時間[1]。

2 綜采工作面自動化智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)

圖1為綜采工作面開采系統(tǒng)主干模型，控制中心是礦井的關(guān)鍵，主要利用控制中心對其他各個系統(tǒng)發(fā)出命令，控制其他系統(tǒng)完成指令，實現(xiàn)開采的自動化和智能化。下文就開采中使用到的工作面取直、煤層界面識別、支架自動跟機、記憶切割4項核心技術(shù)進行簡要介紹。

圖1 綜采工作面開采系統(tǒng)主干模型

2.1 工作面自動取直技術(shù)

在綜采面向前挖掘的過程中，綜采面應(yīng)該形成一個較好的直線，這樣刮板輸送機與液壓支架之間的受力才能維持在較好的水平。實現(xiàn)這一目標(biāo)需要對采煤機、液壓支架進行精準(zhǔn)有效的控制，實時獲取采煤機的工作狀態(tài)及位置參數(shù)，可視化分析，控制完成其自動的導(dǎo)航，采用截割模型中的截割數(shù)據(jù)發(fā)送給液壓支架控制系統(tǒng)指令。這其中的技術(shù)難點是如何實時實現(xiàn)對采煤機的位置檢測，通過實踐嘗試，國內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)慣性導(dǎo)航技術(shù)可以針對此問題進行解決，是實現(xiàn)位置檢測的重要技術(shù)。

慣性導(dǎo)航技術(shù)本身就擁有諸多優(yōu)點，比起其他技術(shù)來說，位置檢測的精度較高，但由于長時間會累積誤差，采煤機的導(dǎo)航不能長時間自動化，因此需要一定的技術(shù)來對累計誤差進行修復(fù)，利用閉合路徑算法可以有效解決這個問題，實現(xiàn)采煤機的自動導(dǎo)航。

天地科技公司把引入的LASC 系統(tǒng)和公司專有技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了工作面自動取直的功能，在一年多的煤礦實際測試中，成功驗證了此方案的可行性。此方案利用LASC中慣性導(dǎo)航技術(shù)完成采煤機位置檢測，實時可視化采煤機工作情況及路線，相互參考豎直向的投影與滾筒高度參數(shù)，實現(xiàn)截割工作面的水平，最終液壓支架控制系統(tǒng)接收到一系列指令后合理調(diào)控刮板輸送機，完成找直功能[2]。

2.2 煤巖界面識別技術(shù)

煤層界面的識別是自動化開采的核心，通過此技術(shù)可以有效勘測出煤礦情況，根據(jù)需要對采煤機滾筒進行控制，從而使得煤礦的開采率上升，含矸率下降，也能有效防止截割其他硬質(zhì)雜質(zhì)而產(chǎn)生機器損壞。

現(xiàn)如今，煤層識別的技術(shù)有很多種，其中圖像識別技術(shù)及紅外探測技術(shù)相對來說使用更多。

在綜采面截割時，采煤機的截齒由于經(jīng)常碰撞從而會發(fā)生截齒溫度上升紅外輻射變化的情況，紅外探測技術(shù)就是針對于此利用紅外熱像儀對輻射變化進行監(jiān)控來有效完成對煤層界面的識別。雖然有諸多學(xué)者對此技術(shù)進行研究，但由于傳感器本身所具有的一系列問題，如傳感器精度不夠，易截割到硬質(zhì)物體，使得在實際使用只能利用在特定場景下。

圖像識別技術(shù)其基本原理是采用超清攝像機來實現(xiàn)對煤層圖像的捕獲，從而實現(xiàn)對圖像分析識別的功能。但在實際情況下，由于煤礦井下環(huán)境較為復(fù)雜，粉塵較多，圖像在收集中會受到一系列的影響，所以獲取的煤巖圖像質(zhì)量相對較差，在后續(xù)的處理中較為困難。

現(xiàn)如今，煤層識別技術(shù)沒有一種能完全適合所有的礦井，在實際應(yīng)用中，只能根據(jù)實際條件來選擇煤層的識別技術(shù)，又或者選用多種技術(shù)來對圖像進行交叉識別，改善技術(shù)的缺陷，以解決環(huán)境影響的問題。

2.3 液壓支架跟機自動化技術(shù)

為了實現(xiàn)開采的自動化，工作面向前推進時開采要求具有一定的連續(xù)性，此時液壓支架跟機自動化必不可少。采煤機在綜采面完成一段的作業(yè)后，液壓支架會根據(jù)綜采面頂板壓力、傾角、位置等參數(shù)，以采煤機為參考，利用電液控制將液壓支架、刮板輸送機等設(shè)備及時推送到下一個工作位置，達到自動支護的功能。

當(dāng)前主流的煤礦綜合開采作業(yè)面形成了“三機一泵”的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)以自動化跟架技術(shù)為主。具體的工作過程為：采煤機上安裝的紅外線發(fā)生裝置發(fā)送信號，液壓支架上面安裝有紅外線接收裝置，可以接收采煤機發(fā)送的信號，從而確定兩個設(shè)備之間的具體空間位置，然后驅(qū)動裝置代送液壓支架等一系列裝置跟隨采煤機運動，保障了設(shè)備之間的連貫性。

但是就目前的狀況而言，想要將該技術(shù)投入到實際的采煤作業(yè)中還有一些問題需要解決，首先是液壓支架自動化跟機技術(shù)的運行需要編寫的程序來控制，程序只能針對一般的工作狀況，無法根據(jù)實際的作業(yè)情況及時做出有效的調(diào)整方案，這就導(dǎo)致需要問題機器不能夠獨立自主的完成，必須安排操作工人時刻關(guān)注著機器的運作。此外，采煤設(shè)備如采煤機、皮帶輸送機和液壓支架之間沒有相關(guān)聯(lián)的控制程序，它們之間就像一個個的孤島，因此它們之間配合作業(yè)效率低下，易發(fā)生干涉等故障[3]。

2.4 采煤機記憶切割技術(shù)

在很長一段時間內(nèi)采煤機并沒有智能化識別控制模塊，只是通過各種物理手段人工控制采煤機開采哪一塊，哪一塊已經(jīng)開采完成等作業(yè)，工人的判斷在這里起著絕對的主導(dǎo)位置。隨著技術(shù)的發(fā)展，采煤機開始接入自動化技術(shù)，開始和微控制器相結(jié)合，可以實現(xiàn)采煤機工作路線的記錄、存儲、識別等，采煤機可以自主記憶開采過哪一塊的煤層，按照既定的程序判斷下一步該開采哪里。這樣不僅使得采煤機的作業(yè)效率大大提高，減少了空鏟的次數(shù)，而且解放了工人，工人不需要一直盯著開采作業(yè)面，只有當(dāng)這一塊整體開采完畢，工人可以控制采煤機進給。

但是實際的井下作業(yè)，工作環(huán)境復(fù)雜多變，采煤機系統(tǒng)的記憶切割路線會受到極大的干擾，特別是面對容易出現(xiàn)坍縮的開采環(huán)境，在采煤機切割完一步之后，實際的工作區(qū)域周邊的煤炭快速挑中了這一塊開挖的空隙。這就導(dǎo)致在記憶系統(tǒng)中本該已經(jīng)開挖過的區(qū)域，實際上早已充滿物料，采煤機按照既定的指令工作就會判斷失誤，導(dǎo)致采煤機與煤炭硬性擠壓，嚴重的可能損壞采煤機，影響作業(yè)效率。

綜合來看，采煤機記憶切割技術(shù)只能適應(yīng)于地質(zhì)條件較好，采煤機開挖后，開挖區(qū)域周圍的地質(zhì)較穩(wěn)定，不會大規(guī)模地坍縮到已經(jīng)開挖的區(qū)域。但是未來的發(fā)展趨勢必定是向著智能化、自動化的方向，因此考慮機器學(xué)習(xí)技術(shù)，采煤機一方面存儲記憶自己的行動路線，另一方面還能夠具體的判斷實際的即將作業(yè)區(qū)域的情況，判斷前往作業(yè)區(qū)域的路徑上的狀況（有無遮擋等），達到智能化作業(yè)的目的[4]。

3 綜采工作面自動化智能化開采存在的問題與應(yīng)對措施

3.1 自動化智能化開采的制約因素

現(xiàn)今，國內(nèi)自動化、智能化開采還存在著不少的限制，具體來講尤其以下幾個方面：

（1）自動化智能化開采技術(shù)不夠成熟。尤其是液壓支架自動化跟機技術(shù)還不夠成熟，采煤機記憶切割技術(shù)還不夠智能，無法自主判斷外界環(huán)境的變化。

（2）裝備的穩(wěn)定性、可靠性研究需要加強。煤炭開采往往位于幾百米深的地下，設(shè)備的更換尤為不方便，因此設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性就顯得尤為重要。與國外先進的設(shè)備供應(yīng)商相比，國內(nèi)同類裝備在材料、工藝以及智能化水平上還存在較大的差距，設(shè)備故障率遠遠高于國外產(chǎn)品。

（3）急需專業(yè)的人才隊伍。煤礦開采環(huán)境的復(fù)雜和艱辛，就使得煤礦工人的工作條件艱苦、環(huán)境惡劣、工作待遇差，從而導(dǎo)致了新一代年輕人很少從事這一行業(yè)，使得后繼無力。而先進裝備的使用，新奇想法的產(chǎn)生又往往需要新鮮血液的注入，所以人才缺口日益明顯。

3.2 自動化智能化問題應(yīng)對措施

（1）轉(zhuǎn)變自動化智能化技術(shù)發(fā)展思想。當(dāng)前視覺識別技術(shù)應(yīng)用到復(fù)雜的煤礦開采作業(yè)面上還有很長一段路要走，而根據(jù)采煤機的記憶切割技術(shù)作業(yè)又顯得十分呆板，不能對環(huán)境的變化做出及時的應(yīng)對調(diào)整，咱們不妨轉(zhuǎn)變思路，將地質(zhì)探測技術(shù)加以完善。如果能夠?qū)⒉擅簷C即將作業(yè)的區(qū)域的地質(zhì)信息全面的采集，將采煤機的作業(yè)數(shù)據(jù)與地質(zhì)信息放在計算機中進行模擬，合理規(guī)劃采煤機的作業(yè)路線，只要作業(yè)環(huán)境的變化可以預(yù)測，就能夠使得采煤機提前做出反應(yīng)，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)的作業(yè)。初始透明工作面模型如圖2所示。

圖2 初始透明工作面模型

（2）加大對智能裝備的研究投入，進行核心技術(shù)的公關(guān)，政策大力扶持基礎(chǔ)研究，鼓勵校企合作，打通技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化壁壘，增強不同學(xué)科之間的溝通交流，設(shè)立交叉學(xué)科相關(guān)的專業(yè)，培養(yǎng)技術(shù)人員。

（3）加大人才的招聘力度，擴大人才隊伍。想要突破就必須要擺脫之前的固有思維，加大人才的培養(yǎng)，重（視人才，不僅要給與更高的福利待遇，而且在工作中尊重技術(shù)人員，加快傳統(tǒng)煤礦向自動化智能化方向的進步。

4 綜采工作面自動化智能化開采技術(shù)發(fā)展展望

（1）基于5G技術(shù)的自動化智能化控制。由于井下的環(huán)境更為復(fù)雜，遮擋多，障礙物厚，以及礦藏對磁場的影響，使得井下的信號傳輸備受制約，一大批技術(shù)都不能正常使用，必須針對井下的環(huán)境，提出更實用的通信方案。隨著5G技術(shù)的運用，5G設(shè)備的成本也在逐漸降低，該技術(shù)可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，相關(guān)的設(shè)備供應(yīng)商也已經(jīng)開始布局5G智能煤礦，極大地解決了井下數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾y題。

（2）復(fù)雜環(huán)境下的智能決策技術(shù)。由于前兩次工業(yè)革命的缺席，第三次工業(yè)革命勉強跟著發(fā)達國家進行，尤其是第三次工業(yè)革命計算機的出現(xiàn)把人類帶入到數(shù)據(jù)時代，我國在技術(shù)水平方面一直在快速追趕發(fā)達國家，但差距還是需要引起重視，未來必將是智能化設(shè)備的時代。煤礦開采設(shè)備必將得到極大地發(fā)展，這就需要開采設(shè)備能夠自主識別、自行決策，這需要設(shè)備的自主學(xué)習(xí)。采煤機通過自主學(xué)習(xí)，能夠應(yīng)對各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，通過智能決策模型，實現(xiàn)人機交互，完成實際生產(chǎn)作業(yè)。

（3）未來的自動化智能化開采設(shè)備將實現(xiàn)設(shè)備的全面自動化，配合作業(yè)工人偶爾的調(diào)控，能夠輕松地應(yīng)對復(fù)雜多變的作業(yè)環(huán)境，完成作業(yè)任務(wù)。隨著礦物資源開采環(huán)境的日益嚴峻，未來惡劣的工作環(huán)境將使得工人進入作業(yè)區(qū)域成為一種奢望，設(shè)備要足夠的智能化才能夠完成自檢、作業(yè)、維護、故障處理等一系列操作，從而使得設(shè)備可以完全擺脫人工長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)[5]。

5 結(jié)論

（1）本文主要考慮的對象是煤礦開采作業(yè)設(shè)備，分析了目前煤礦智能化開采作業(yè)中所面臨的四個關(guān)鍵技術(shù)，包括作業(yè)面自動取直技術(shù)、液壓支架自動化跟架技術(shù)、采煤機記憶切割技術(shù)和煤層界面識別技術(shù)，重點分析了它們的作業(yè)原理和所面臨的問題。

（2）綜合考慮了當(dāng)前的自動化智能化設(shè)備所面臨的困境，從技術(shù)層面、工藝裝備和人才培養(yǎng)這三個角度分析了智能化設(shè)備破局的關(guān)鍵，有一定的參考價值。