智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向

孙宝学 高帅伟

【摘 要】随着我国经济的快速发展，煤炭相关产业也随之崛起，因此煤矿开采的相关技术成为了近几年来我国研究的主要对象。现阶段在我国煤炭的开采过程中仍然存在着一定问题，为了进一步提高煤矿的安全生产，煤炭的开采技术已经朝着现代化方向发展。本文作者主要讨论了智慧煤矿与智能化开采关键核心技术。

【关键词】智慧煤矿;开采;核心技术

引言

煤炭是我国的主体能源，也是最经济和可清洁高效利用的能源。基于当前世界能源格局和我国资源禀赋以及现实经济社会需求，未来相当长时间内，煤炭仍将在世界能源结构中占较大比例，仍将是我国主体能源。在当前第3次工业革命与第4次工业革命的历史交汇期，应用信息技术、智能制造技术和人工智能技术发展的成果，实现煤炭安全高效绿色开采和清洁高效利用，发展智慧煤矿成为煤炭工业发展的必由之路。我国煤炭以井工开采为主，经过多年发展，我国煤炭综采技术装备已从依赖进口到全部国产化。近10年来，通过智能化开采技术与装备的创新研发，突破多项关键技术，在薄和较薄煤层智能化综采，大采高和超大采高智能化综采以及特厚煤层综放开采智能化技术与装备方面实现领跑。已建成一批现代化特大型安全高效煤矿，为全面推进智慧煤矿建设和智能化开采发展奠定了基础。围绕智慧煤矿及智能化无人开采的重大技术需求，突破行业共性核心问题，加快智能、安全、高效现代煤炭生产体系建设成为主要目标。

1概述

智慧煤矿是采用现代化的理念将物联网、云计算、大数据、人工智能等现代技术融合到煤矿的开采过程中，让煤矿的开采变得智能化，实现煤矿安全生产全过程的自动化。智慧煤矿的主要目标是形成煤矿产业的完全智能化。另一方面，智慧煤矿还要符合我国现阶段对于环境保护的要求，让整个开采过程中实现绿色化、环保化。智慧煤矿平台实际上是融合了8个方面的子平台，其中包括了综合管理平台、煤矿井下定位导航平台、矿井采掘运输信息管理平台、视频监控及三维景象平台、危险感知报警平台、智能化无人工作系统管理平台、井下机器人管理平台以及全矿井设备管理平台。这8个平台在实际应用的过程中相互影响、相互联系，工作人员通过综合性管理平台对这8个子平台进行分级管理，实现煤矿开采的智能化、环保化、绿色化。

2智慧煤矿与智能化开采的关键技术

智能化开采是智慧煤矿平台的核心系统，为了保障煤矿的开采效果，在智能化开采系统应用的过程中有几项关键技术，下文笔者分别进行分析。

2.1精准定位系统

在进行煤矿开采的过程中为了保证煤矿开采能够按照计划逐步推进，必须进行精准的定位。但是众所周知，在矿井中并没有复杂的电磁信号也不能接收到卫星信号，因此实现定位导航的难度会有所加大。在现阶段我国应用的定位系统中基于GIS的定位信息系统是运用最广泛的技术之一，其包含了5个方面的核心技术。分别为高精度适用于复杂磁场环境的导航技术、局部定位導航芯片技术、井下高速无线通信技术、井下高精度定位技术以及井下导航避让技术。这5个技术的应用能够让井下的定位系统更加精确，进一步保障煤矿的顺利开采。

2.2井下环境检测技术

对于煤矿井下来讲，由于其潮湿、复杂的电磁环境会严重制约着探测技术的应用，因此井下环境检测技术就成为了现阶段我国煤矿行业对井下现状分析的重要技术。环境检测、振动探测等识别技术已经成为了我国煤矿井下环境感知的核心技术，这些技术主要包含了4个方面。分别为高精度穿透技术、煤炭探测传感器、基于网络的采掘装备传感器以及特定物理环境探测仪。这4种技术相互联系、相互工作，进而能够更加精确的将井下复杂、极端环境信息传输到地面，实现煤矿开采过程中的直接探测。

2.3视频监控技术

虽然有了相关技术设备的支持，但是为了便于管理员了解井下作业的实时情况，视频监控技术就显得尤为重要。对于煤矿井下视频监控技术来讲，实际上是通过指挥中心的视频监测系统实时观察到煤层倾角变化以及井下开采时设备的运转情况。操作人员可以通过显示器实时了解井下工作的具体情况，避免在生产的过程中出现问题。视频监控技术能够帮助工作人员进一步对煤矿开采的进程以及各种传感器的运转情况实时了解。视频监控技术的应用还可以在智慧煤矿系统出现问题时通过人工干预的方式进行解决，进一步保证煤矿开采的顺利进行。

3发展方向

3.1智慧煤矿物联网技术与装备

环境、设备状态的感知是实现智能决策、控制的先决条件。现有煤矿各类监控系统已实现飞跃式发展，实现了对于煤矿生产关键信息的基本感知。然而不同厂家的产品基于本企业标准生产，其数据接口与平台各异，数据独立进行处理，相互之间缺乏通信与融合，数据孤岛与数据碎片化现象严重，因而难以形成有效的数据分析模型与算法，分析结构也就缺乏准确性，难以指导生产。物联网技术旨在打破数据壁垒，实现设备之间、设备与环境之间、设备与人员之间的数据互联，最终实现万物互联。因而，物联网技术与装备是实现智慧煤矿的关键核心技术。

3.2智能化无人开采关键技术与装备

随着智能化无人开采的深入发展，更多的机械化、信息化的短板被补充完善，煤矿井下精准定位导航、图像智能识别、智能化控制等关键核心技术的应用将会越来越成熟。在地质条件日益复杂、生产环境要求日益提高、安全要求日益严格的大趋势下，智能化无人开采的需求将会越来越迫切。

煤矿智能化无人开采系统是要建立一个从开采准备、工艺规划到开采过程实时控制、设备管理，直至远程监控服务的煤炭生产全过程无人或少人的智慧生产系统。目前，针对智能化无人开采，以下5个关键科技问题亟待解决：①工作面有限空间内装备位姿及运动关系精确探测;②低照度、高粉尘空间视频监控及图像识别;③围岩-开采系统耦合作用规律及多机协同控制;④复杂条件下超前巷道装备自动化技术;⑤关键材料、元部件及整机可靠性提升技术。

3.3煤矿机器人

煤矿生产系统庞大复杂，作业环境恶劣，靠人工操作机械的方式，无法有效减少井下一线作业人员，实现无人则安。用机器人替代井下作业、安控和应急救援人工作业是建设智慧煤矿的新要求。煤矿作业类机器人属于重载防爆机器人，其他领域尚无可借鉴的技术和产品。煤矿安控和应急救援类机器人属于极端复杂环境机器人，不单要有必备的感知检控功能，还要求有可靠的防爆、运移、导航、避障、路径规划和抗颠覆及自救等功能。因此针对煤矿机器人，以下共性的关键技术成为重点研究方向：①井下机器人自适应变阻抗力跟踪控制方法;②井下机器人自我状态识别、避障和自主平衡;③井下长时可靠供电及自主寻径无线快速充电技术;④井下多机器人联合通信及协同控制平台。

结语

1）智慧煤矿与智能化开采是煤炭工业现代化的必然趋势，做好顶层设计是智慧煤矿与智能化开采健康发展的重要保证基础，坚持正确的原则，科学规划智慧煤矿的总体架构，建立完善的标准体系，是智慧煤矿与智能化开采技术发展的重要保证。

2）精准地质信息探测，物联网技术与装备，智能化快速掘进技术与装备，无人开采关键技术与装备以及煤矿机器人，是当前智慧煤矿建设中的重点研发方向。

参考文献：

[1]王国法，杜毅博.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向[J].煤炭科学技术，2019，47（01）：1-10.

[2]高有进，罗开成，张继业.综采工作面智能化开采现状及发展展望[J].能源与环保，2018，40（11）：167-171.

（作者单位：河南平宝煤业有限公司）