煤礦智能化開采技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展研究

＊呂陽龍

（貴州省煤礦設(shè)計研究院有限公司 貴州 550025）

在經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的環(huán)境下，社會各個領(lǐng)域?qū)γ旱V資源的需求不斷增長，有效推動了煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。當(dāng)前人類社會正處于信息化和智能化時代，各種智能技術(shù)被廣泛應(yīng)用到煤礦開采中，也推動了煤礦開采技術(shù)的智能化發(fā)展。在智能化技術(shù)的應(yīng)用下，煤礦開采智能化系統(tǒng)具有信息決策、自主學(xué)習(xí)和瞬間記憶、感知等能力，發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，可有效提高開采效率和質(zhì)量，擴(kuò)大開采面，減少現(xiàn)場安全事故的發(fā)生。另外，在智能化開采中也可以將遙感技術(shù)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)、機(jī)械技術(shù)應(yīng)用其中，推動煤礦智能化開采的轉(zhuǎn)型升級，但是在這一過程中還存在較大的問題，需要人們創(chuàng)新開采技術(shù)，有效滿足開采需求，推動煤礦產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)代化發(fā)展。

1.煤礦智能化開采技術(shù)背景

（1）概述。煤礦智能化開采技術(shù)是指在煤礦生產(chǎn)過程中，采用先進(jìn)的信息技術(shù)、自動化技術(shù)和智能化設(shè)備，實現(xiàn)對煤礦開采過程的全面監(jiān)控、自動化控制和數(shù)據(jù)分析，以提高煤礦生產(chǎn)效率、安全性和環(huán)保性。該技術(shù)可以將信息技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，有效推動煤礦開采技術(shù)的轉(zhuǎn)型升級，是推動煤礦開采技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展、安全發(fā)展、一體化發(fā)展的一種綜合技術(shù)。

（2）研發(fā)成果。在“十二五”規(guī)劃期間，明確提出煤礦行業(yè)要引進(jìn)、消化、應(yīng)用、再創(chuàng)新智能化開采技術(shù)，推動煤礦智能化開采技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，并在長期的實踐、探索、總結(jié)下取得了較好的成果，打造了一批示范工程。后期，多個煤礦開采單位和科技企業(yè)、科技院校、裝備制造企業(yè)聯(lián)合進(jìn)行了技術(shù)研發(fā)，共同實施、完成了中國采煤裝備智能化開采技術(shù)研究和應(yīng)用項目，探索出一種遠(yuǎn)程操控采煤模式，可以實現(xiàn)采煤裝備地面操控的自動化、智能化，為煤礦企業(yè)轉(zhuǎn)型升級提供了技術(shù)支撐，實現(xiàn)采煤的高效、安全化發(fā)展。我國一些煤炭企業(yè)加大了國際合作力度，引進(jìn)了LASC技術(shù)，可以自動勘測、校正，研發(fā)了具備慣導(dǎo)性能的智能采煤機(jī)，有效提高了采煤機(jī)的行走軌跡和滾筒控制采高精度、牽引速度等。這一系列技術(shù)研發(fā)和裝備改進(jìn)為煤礦企業(yè)的采煤智能化發(fā)展提供了物質(zhì)支撐，調(diào)查發(fā)現(xiàn)有多家煤礦企業(yè)都引進(jìn)了電液化控制技術(shù)，進(jìn)行了智能化開采試點[1]。另外，國家也為煤礦智能化開采技術(shù)創(chuàng)新提供了相關(guān)支持，創(chuàng)建了創(chuàng)新中心，專門研發(fā)新技術(shù)，并進(jìn)行“兩智一無”智慧礦區(qū)新項目實踐，“兩智”是指智能化綜采和掘進(jìn)，“一無”是無煤柱開采，為最新的技術(shù)創(chuàng)新革命。并根據(jù)技術(shù)研發(fā)成果制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，出版相關(guān)文獻(xiàn)，提高煤炭科技裝備水平，實現(xiàn)智能化煤炭的全面覆蓋。在此基礎(chǔ)上鼓勵煤炭企業(yè)成立專門的技術(shù)研發(fā)、服務(wù)部門和綜合辦公室，引進(jìn)人才，制定開放式創(chuàng)新平臺發(fā)展模式，確保自身的現(xiàn)代化發(fā)展。

2.煤礦智能化開采技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)前煤礦智能化開采關(guān)鍵技術(shù)較多，是支撐煤礦智能化開采的核心和關(guān)鍵，其中液壓支架全工作面跟機(jī)自動化和人工控制技術(shù)兩者緊密結(jié)合可以實時監(jiān)測現(xiàn)場環(huán)境，控制作業(yè)面，穩(wěn)步推進(jìn)工作進(jìn)行。這兩者技術(shù)效果的發(fā)揮還需要依賴工作面記憶截取，可以將作業(yè)面原始數(shù)據(jù)和當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，前者是控制技術(shù)，后期是數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以輔助前者的應(yīng)用。視頻監(jiān)控技術(shù)、智能化集成供液控制技術(shù)是對現(xiàn)場的動態(tài)信息進(jìn)行控制，根據(jù)工作狀態(tài)實時提供動力，是基礎(chǔ)技術(shù)。另外，自動化集中控制技術(shù)超前支護(hù)自動控制技術(shù)具有相同功能，是綜合技術(shù)體，是自動化控制的關(guān)鍵。

(1)液壓支架全工作面跟機(jī)自動化技術(shù)和遠(yuǎn)程人工控制技術(shù)

在智能化開采技術(shù)中，液壓支架全工作面跟機(jī)自動化技術(shù)是指通過液壓支架、傳感器、控制系統(tǒng)等設(shè)備，實現(xiàn)對煤礦工作面的全面監(jiān)控和自動化控制，包括對支架的液壓系統(tǒng)、頂板控制、支架移動等方面的自動化控制，提高煤礦工作面的生產(chǎn)效率和安全性。遠(yuǎn)程人工控制則是指通過遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和通信技術(shù)，實現(xiàn)對煤礦設(shè)備和工作面的遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作，工作人員可以通過遠(yuǎn)程控制中心對煤礦設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控、調(diào)試和操作，實現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程控制。這種技術(shù)可以幫助煤礦管理人員實時監(jiān)控煤礦生產(chǎn)情況，及時做出決策，提高工作效率和安全性。

(2)采煤機(jī)工作面記憶截取技術(shù)

采煤機(jī)工作面記憶截取技術(shù)是指通過采煤機(jī)設(shè)備上的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，記錄和存儲工作面的工作狀態(tài)、煤層情況、礦巖地質(zhì)信息及設(shè)備運行數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息，這些數(shù)據(jù)可以用于分析煤層地質(zhì)特征、煤礦工作面的變化情況，優(yōu)化采煤機(jī)的工作參數(shù)和工作方式，提高采煤效率和安全性。當(dāng)采煤機(jī)工作面記憶截取技術(shù)應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)過程時，可以幫助操作人員更好地了解工作面的情況，及時調(diào)整工作策略，提高煤炭開采效率和質(zhì)量，同時降低事故風(fēng)險，煤礦管理人員也可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和分析結(jié)果做出更加科學(xué)的決策，提高煤礦生產(chǎn)的智能化水平。

(3)工作面視頻監(jiān)控技術(shù)

在煤礦開采過程中要根據(jù)工作面現(xiàn)狀在特定部位安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將系統(tǒng)和井下監(jiān)控中心、地面監(jiān)控中心進(jìn)行鏈接，對采掘工作面進(jìn)行視頻監(jiān)控，該監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像儀和紅外傳感器、軟件等組成。其中攝像儀可以實時采集煤壁視頻，再將視頻傳送到監(jiān)控中心，實現(xiàn)煤巖界面的可視化監(jiān)控；紅外傳感器可以實時追蹤采煤機(jī)運行軌跡和方向信息；軟件可以自動處理攝像儀和傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息[2]。

(4)智能化集成供液控制技術(shù)

智能化集成供液技術(shù)是指通過智能化系統(tǒng)實現(xiàn)對供液過程的集成監(jiān)控和控制，主要應(yīng)用于煤礦井下水文地質(zhì)勘探和開采作業(yè)中，確保供水系統(tǒng)安全、高效運行。智能化集成供液技術(shù)可以通過對泵站、管網(wǎng)、水源等供水設(shè)備和設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控和智能化控制，從而實現(xiàn)供水系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)、數(shù)據(jù)采集、異常報警等功能，確保礦井供水安全穩(wěn)定，提高供水效率，降低事故風(fēng)險。

(5)超前支護(hù)自動控制技術(shù)

超前支護(hù)自動控制技術(shù)是指通過自動化系統(tǒng)對采煤工作面進(jìn)行支護(hù)控制，以確保礦井頂板的穩(wěn)定和安全，其主要是通過設(shè)置自動化支架監(jiān)測設(shè)備和控制系統(tǒng)，實時監(jiān)測礦井頂板的運動狀態(tài)和巖層變化，并自動調(diào)節(jié)支架的高度、角度、硬度等參數(shù)，達(dá)到合理支護(hù)的效果。超前支護(hù)自動控制技術(shù)可以提高礦井工作面的支護(hù)效率和安全性，減少事故風(fēng)險，及時發(fā)現(xiàn)并處理潛在的頂板掉落、煤壁垮塌等問題，從而提高煤礦開采作業(yè)的效率，降低成本，提升安全生產(chǎn)水平。

3.煤礦智能化開采實踐中的技術(shù)創(chuàng)新

(1)研發(fā)機(jī)架協(xié)同三角煤工藝

原來的三角煤切割工藝流程主要以采煤機(jī)自動記憶切割為指令進(jìn)行割煤，液壓支架是依據(jù)采煤機(jī)的移動位置追蹤三角煤范圍的跟機(jī)，但是在采煤機(jī)實際運行中，因為液壓支架和采煤機(jī)不是同步運行的，兩種數(shù)據(jù)信息無法實現(xiàn)交互，常常會出現(xiàn)無法配合的情況，對最終的采煤效果會產(chǎn)生影響。對此人們研發(fā)了一種自動化的機(jī)架協(xié)同控制三角煤工藝，在該工藝下可以通過數(shù)據(jù)交互擴(kuò)大切割范圍，將采煤機(jī)和液壓支架進(jìn)行協(xié)同控制，在兩者自動轉(zhuǎn)化動作的情況下自動獲取數(shù)據(jù)信息。如果發(fā)現(xiàn)兩者沒有完成某一個動作，則會出現(xiàn)減速或者停機(jī)的行為，自動截停上一個動作，最終在完成上一道工序后才進(jìn)入到下一道工序中，有效提升三角煤自動化切割水平[3]。

(2)開發(fā)自動啟停自動視頻

利用煤礦智能化開采技術(shù)開發(fā)自動啟停自動視頻安全界面，是目前技術(shù)創(chuàng)新的有效途徑之一，這種界面不僅可以通過圖像識別技術(shù)和監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對煤礦生產(chǎn)過程中視頻數(shù)據(jù)的采集，實時監(jiān)測采煤機(jī)、支架等設(shè)備的運行狀態(tài)和作業(yè)情況，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并實現(xiàn)自動安全停止，以保障礦工和設(shè)備的安全；還可以遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場界面，為遠(yuǎn)程監(jiān)控人員提供現(xiàn)場工作面信息，對機(jī)械設(shè)備啟動和運行進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。且在監(jiān)控界面下也可以對井上、井下設(shè)備啟停時的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)警，對預(yù)警信息進(jìn)行編輯、優(yōu)化，傳輸?shù)降孛婵刂浦行?，確?？刂浦行暮筒删蜃鳂I(yè)面人員都可以接收到預(yù)警信息，最終實現(xiàn)遠(yuǎn)程一鍵啟停的自動化控制。

(3)完善遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

通過引入先進(jìn)的通信技術(shù)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以實現(xiàn)對煤礦設(shè)備、工藝和生產(chǎn)過程的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，讓操作人員在安全的環(huán)境下遠(yuǎn)程監(jiān)視煤礦的運行情況，及時做出反應(yīng)和調(diào)整。這樣一來，不僅可以提高生產(chǎn)效率，減少生產(chǎn)事故，還可以降低人員在煤礦工作環(huán)境中的風(fēng)險。此外，遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的完善還能夠提高生產(chǎn)管理的智能化水平，通過數(shù)據(jù)采集和分析，幫助管理人員進(jìn)行生產(chǎn)計劃和資源調(diào)配，優(yōu)化生產(chǎn)過程，促進(jìn)煤礦生產(chǎn)的數(shù)字化和智能化發(fā)展，提升整體生產(chǎn)效率和安全水平[4]。

(4)研發(fā)綜合智能管理平臺

綜合智能管理平臺整合了傳感器、人工智能、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，可以實現(xiàn)對礦井各項數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、分析和管理。通過該平臺，礦山管理人員不僅可以遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運行狀況、礦工安全情況、生產(chǎn)效率等重要數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的智能決策；還可以通過預(yù)測性維護(hù)提高設(shè)備利用率，減少故障停機(jī)時間，最大限度地提高礦山生產(chǎn)效率和安全性。

4.煤礦智能化開采技術(shù)發(fā)展趨勢

(1)厚煤層和薄煤層智能采煤技術(shù)

在頂層設(shè)計和統(tǒng)籌規(guī)劃、分層實施的原則上，對當(dāng)前煤礦智能化技術(shù)進(jìn)行了深入研究和分析發(fā)現(xiàn)，針對厚煤層，主要是采用自動控制的長壁綜采技術(shù)、智能化的煤炭割舌技術(shù)及煤炭輸送自動化技術(shù)等；針對薄煤層，則主要使用綜合機(jī)械化采煤技術(shù)、無人機(jī)械化采煤技術(shù)、智能鉆孔爆破技術(shù)等，從而提高采煤效率，降低人力成本，減少煤礦在開采厚煤層時的風(fēng)險。然而，在此類技術(shù)的實際應(yīng)用過程中，仍存在一些缺點和難點，還需進(jìn)行深入研究，嘗試研發(fā)新的技術(shù)，解決智能化采煤過程中的多種問題，具體如下：其一，嘗試研發(fā)采煤作業(yè)面高效、安全、穩(wěn)定的無線通信技術(shù)，通過該技術(shù)可以減少通信線纜的大量使用，降低作業(yè)面線纜的檢修難度和頻率。其二，嘗試構(gòu)建技術(shù)人員感知技術(shù)和個人獨立操作相結(jié)合的系統(tǒng)[5]。通過該系統(tǒng)可以實現(xiàn)監(jiān)控中心和作業(yè)面巡檢人員之間的實時溝通，實時采集、分析和顯示作業(yè)面所有的數(shù)據(jù)信息，確保地面控制中心人員也可以第一時間接收到信息。讓井下監(jiān)控中心和地面調(diào)度人員可以全面了解井下作業(yè)面的具體情況，便于為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供依據(jù)，為巡檢人員提供安全的環(huán)境。

(2)特殊環(huán)境下的智能化采煤技術(shù)和智能化綜合采煤技術(shù)前景分析

諸如高溫、高濕、有毒有害氣體、煤塵爆炸等特殊環(huán)境，均會導(dǎo)致煤礦工作環(huán)境惡劣且危險，在此類特殊環(huán)境下，智能化采煤技術(shù)可以借助傳感器、監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測煤礦工作環(huán)境中的各種參數(shù)，如溫度、濕度、氣體濃度等，通過智能算法及時預(yù)警和應(yīng)對潛在危險。同時，智能化綜合采煤技術(shù)不僅可以結(jié)合無人駕駛技術(shù)、機(jī)器視覺技術(shù)、人工智能等，實現(xiàn)對采煤設(shè)備的自主控制和集成化作業(yè)，降低人員的直接接觸，減少作業(yè)風(fēng)險，還可以在不同地質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行智能化開采技術(shù)的應(yīng)用和分析，更好地在后期大范圍推廣[6]。

5.結(jié)束語

總之，煤礦智能化開采技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)影響。未來，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)不斷滲透到煤礦開采領(lǐng)域，煤礦行業(yè)將迎來全新的智能化轉(zhuǎn)型。通過智能化技術(shù)的應(yīng)用，煤礦可以提升生產(chǎn)效率、改善工作環(huán)境、降低事故風(fēng)險，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。因此，進(jìn)一步加大煤礦智能化開采技術(shù)的研究和推廣力度，將會為煤礦行業(yè)帶來全新的發(fā)展機(jī)遇，推動煤礦行業(yè)走向綠色化、智能化的未來。