煤矿无人工作面开采技术应用分析

摘要：薄煤层开采技术不仅有利于煤炭资源的开发利用，对于延长矿井开采年限和实现高效开采同样具有十分重要的意义。文章针对无人工作面开采技术进行了分析，介绍了薄煤层开采的螺旋钻开采工艺。

关键词：薄煤层；无人工作面开采技术；螺旋钻开采；煤矿开采；煤炭资源 文献标识码：A

中图分类号：TD353 文章编号：1009-2374（2015）10-0164-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0933

我国煤炭资源分布辽阔，煤层赋存条件复杂，煤层所处的地质条件也多种多样，不少矿井中厚煤层已近枯竭，矿产资源面临资源短缺、供应乏力的严峻形势。在我国，薄煤层分布较广，煤质也相当不错，可采的薄煤层储量约占全国煤炭总储量的18%。然而薄煤层开采的产量却只占到煤炭开采总产量的7.3%，这个比例远远低于薄煤层储量所占的比例。薄煤层开采一直采用传统的炮采工艺，少数工作面采用薄煤层采煤机采煤。传统薄煤层炮采工艺不仅工艺复杂、单产低，而且工人劳动强度非常大，生产效率低，对于厚度较小的薄煤层炮采工艺是无法进行开采的。根据我国现有资源情况，发展薄煤层机械化开采有利于煤炭资源的开发利用，矿井开采年限的延长以及高效开采的实现。

1 传统薄煤层开采技术中存在的问题

我国煤炭资源分布辽阔，煤层赋存条件复杂，煤层所处的地质条件也多种多样，不少矿井中厚煤层已近枯竭，矿产资源面临的资源短缺，供应乏力的严峻形势。在我国，薄煤层分布较广，煤质也相当不错，可采的薄煤层储量约占全国煤炭总储量的18%。然而薄煤层开采的产量却只占到煤炭开采总产量的7.3%，这个比例远远低于薄煤层储量所占的比例。薄煤层开采一直采用传统的炮采工艺，少数工作面采用薄煤层采煤机采煤。传统薄煤层炮采工艺不仅工艺复杂、单产低，而且工人劳动强度非常大，生产效率低，对于厚度较小的薄煤层炮采工艺是无法进行开采的。根据我国现有资源情况，发展薄煤层机械化开采有利于煤炭资源的开发利用，矿井开采年限的延长以及高效开采的实现。

2 无人工作面开采及螺旋钻开采工艺

高度小、顶板压力小是薄煤层开采所具有的特点，这些特点也决定了薄煤层高产高效采煤方法的发展方向。鉴于我国煤矿矿区具有地质复杂的特点，采用以综合利用资源和科学采煤为基本原则的无人工作面开采技术应时而生，它有效提升了长壁开采煤矿的自动化水平。无人工作面开采技术指的是在开采工作面完全处于安全系统保护下，采用切煤机械（如刨煤机和采煤机等）自身拥有的定位系统与导航技术、矿岩识别技术、液压控制技术、刮板输送自主推移技术、自动监控与监测技术、通道双向通讯技术和计算机中心控制技术，以有线方式或无线方式远端控制主要的生产设备，对其工作状态进行监测，自主实现切煤、移架、移刮板输送、放煤和顶板支护等关键工序，以完全动态化的生产流程来达到生产自动化、采煤智能化、生产管理信息化和生产无人化。只要设备出现故障，设备维保人员即可在第一时间到达工作面进行维修与保养。

按照煤矿无人工作面开采系统的模型来看，首先要分析无人工作面子系统的技术支持，主要涉及采煤机定位与导航技术、采煤机调高技术、自动识别技术、液压控制技术、刮板推移技术、三机监测与故障诊断技术、通道双向通讯技术、组件式矿山软件与模型技术、数据库技术和多传感器技术等。基于我国煤矿工作面的自动化程度，并从无人工作面的概念、特性、模型和技术体系进行分析，要研发符合于我国国情的无人开采工作面，需要进一步引进现代先进技术并创新，主要涉及以下七个方面的关键技术：

2.1 采煤机的自动识别系统与调高系统

采煤机的自动识别系统与调高系统总共拥有20多种有关煤岩分界的传感机理，例如记忆性程序控制系统、振动频谱传感系统、天然γ射线、测力截齿、同位素、噪声、红外线、紫外线、超声波、无线电波、雷达探测等，但是煤矿井下的煤体和煤岩节理条件比较复杂，实在难以通过人为手段对其煤岩分界进行准确且可靠的判别，至今都不能很好地利用以上技术。因此，研发出可靠且具有一定分辨率的煤岩分界识别装置是实现采煤机滚筒自动调高的核心内容。近些年来，采煤技术逐步由具有一定分辨率的煤岩传感装置与计算机控制中心结合，由此形成煤岩分界传感装置和识别系统，特别是我国在研发出大功率的自动采煤机以后，更应该优先采用这种组合形式。这种组合形式中采用的记忆性智能程控分界识别系统和控制装置在煤矿开采中的应用最为广泛，也作为国外常见机型标配的一项关键技术，而雷达探测系统则是未来最具前景的一项技术。

2.2 采煤机的定位系统

采煤机定位系统的应用基础是井下双向的通讯系统和高精度定位、定向系统，我国在这方面的技术突破仍然为零。另外，我国自主研发的采矿机器人（MR）也不能很好地解决井下定位的问题，它与GIS技术联合的无人采矿定位技术在我国也尚未取得任何突破。因此可以说，研发具有自主定位功能的采煤机系统是实现无人开采工作面的一个重要突破方向。

2.3 井下与井上之间的双向通讯技术

煤矿矿井的通讯问题是关键，怎么能够实现快速、准确、完整、清晰和即时地采集和传送井下的各种环境指标、工况参数、生产状况和调度指令等相关数据，同时实现井下与井上的双向传送，在数据传送过程中有关信息反馈功能还需进一步改善。

2.4 智能化开采技术

开采技术方面要实现智能化开采，完成采煤设备整体和生产过程中的各种自动控制、协调组织、适应、保护和修复甚至再生，研发无人开采工作面的新生产过程和生产模式。

2.5 组件式软件和基本模型

开采作业面智能监测系统、安全分析系统、无人采煤模拟与决策仿真系统、三机控制系统和工况检测与诊断系统都是根据各类应用程序和基本模型作为工具，需针对不同的应用与需求建立相应的基本模型，研发出不同品种、不同型号和不同功能的组件式软件。

2.6 多传感装置

无人开采工作面采集数据需要配置大量的传感装置，这些传感装置的使用和信息的采集融合处理还需要深入研究和实践检验。

2.7 数据库技术

按照数据库技术的相关理论，结合煤矿无人开采工作面的具体生产状况，组建相关的数据库，可以实现对采集数据的删减、增项、查询和预览打印报表等功能项目，也可以实现对可视化技术输入三维数据，最终实现开采工作面信息的拓扑查询、数据分析与应用为煤矿开采的安全模拟、分析和预测促进应用与推广。数据库技术涉及的信息量很大，不但涉及地质情况和生产数据，还应包括对这些数据信息进行第一次处理而衍生的中间信息。尽快攻克诸如3D实体拓扑描述、表达、组织与动态维护以及数据库信息的维护显然成为数据库技术最棘手的问题，有待解决。

3 结语

综上所述，得出结论：（1）研究我国煤矿开采的现状，基于综采工作面的自动化程度，提出无人开采工作面技术是目前解决我国煤矿安全开采可持续经营的关键途径；（2）分析国内外先进的无人开采技术，提出现代的煤矿无人开采工作面的概念、组件以实现真正意义的无人开采工作面为基本需要的基本模型和技术构成，重点介绍采煤机定位系统的各项子系统内容；（3）建立无人开采工作面的技术拓展体系，为今后继续发展我国现代煤矿无人开采工作面技术提供研究的思路和理论基础，为今后研发无人开采设备和进一步实现“数字矿山”夯实基础。

参考文献

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[2] 吕玉龙.薄煤层机械化开采设备在国内的发展简况

[J].江西能源，2008，（2）.

[3] 李扬，孙超，张明敏，张文杰，潘志庚.跟踪与匹配并行的增强现实注册方法[J].中国图象图形学报，2011，（4）.

作者简介：赵建平（1963-），男，山西平遥人，太原煤气化集团公司生产技术管理部工程师，研究方向：煤矿生产技术管理。

（责任编辑：王 波）