煤矿智能化开采技术及其发展

张冬卉

（铁法煤业（集团）有限责任公司，辽宁 铁岭112700）

1 煤矿智能化开采技术创新

1.1 智慧煤矿物联网技术

智能决策和智能控制的前提就是对环境的提前感知和对设备状态的感知。目前，我国煤矿开采时使用了多种监控系统，并呈现出飞跃式发展，能够对煤矿生产中产生的关键信息予以感知。但是这些产品在运用时存在数据接口和平台的异样，相互之间无法融合，导致数据孤岛或者数据出现碎片化现象，从而使得这些数据无法进行有效的数据分析，难以发挥出这些数据的利用价值。物联网技术的应用实现了设备之间、环境之间、人员之间的数据互融。这一技术成为智慧煤矿开采的主要技术类型。

在应用煤矿物联网技术时，需要注重设备定位与云计算提供的各项服务，针对这两个方面进行突破。（1）在对煤矿开采人员进行定位时，可以建立井下的位置服务，同时也可利用空间感知场、井下位置服务等开展设备定位。（2）应用云计算服务、边缘计算服务时，需要注重各设备数据之间存在的关系。

1.1.1 物联网位置服务

超宽带技术主要是利用纠偏算法，对不同的煤矿环境或者面对不同的开采条件计算出煤矿环境、温度、介质条件；在协同定位平台中借助激光雷达或者惯导等对不同介质进行协同定位；定位基站的功能是定位计算，即针对人员的位置或者设备的运行等进行计算，以了解当前设备运行的状况，提升煤矿开采工作的安全性。如图1所示。

图1 煤矿物联网位置的服务示意图

1.1.2 物联网云计算服务

该服务中最为关键的技术就是分布式计算技术，这一技术对构建大数据计算框架提供了数据上的支撑，如：在构建综采工作面时，通过应用这一计算框架，制定数据的分析引擎，专家根据数据分析的结果（这些数据主要有音频数据、空间的各项数据、时序数据或者大数据信息管理时出现的数据）做出判断。标准算法库进行开发，能够分析分类数据或者回归等大数据；可视化的工具，为各设备控制节点提供云计算服务或者边缘计算服务等。

1.2 多信息融合的协同控制技术

构建多传感器信息融合系统主要是根据多源信息的特征，如：所具备的相关性、关联性。技术人员在采用融合算法，得出全年的数据信息，进而开展更加精准、智能化的煤矿开采、检测、识别和探测等，从而使得相关人员依托智能化水平提升智能决策的能力。信息融合协同技术主要是相关技术人员在借助该系统对相关数据开展协同管理，对各项信息开展融合计算，得出最终的多信息计算结果后实现煤矿开采各项设备的联动管理和控制，在短时间内完成预期任务后，促进各项设备的顺利运行。这就可以看出协同管理和控制的过程中主要应用任务协同模式对设备进行统一控制，完成同一个任务。同时，协同控制时还可以应用协同模式，即该模式分为检修模式协同、工作模式协同、停产模式协同等。例如：煤壁片帮进行分析，该系统中的超前压力信息在发出报警信息后，系统给出相应的指令，在开展图像分析时，相关技术人员借助传感器（煤层图像、断面顶板图像）等进行自动识别，在对其中的图像进行有效识别后，使得图像清晰度和分辨率得到提升，使得技术人员在观测时更加精准。针对护帮板的保护，技术人员需要观测护帮板的护帮强度，在对液压支架初撑力自动补偿系统进行启动和运行时，保障传感器与相关设备运行保持联动状态，进而实现对护帮板的有效保护。

在开展多源信息融合时，可以采用以下几个方面的技术：（1）多传感器系统的信息融合平台；（2）构建信息融合系统的模型；（3）算法设计；（4）数据采集的处理和分析；（5）融合效果的评价或者分析。在对多源数据信息开展有效融合时，需根据数据方式的不同，对融合进行划分，即直接融合、特征融合、决策融合等。如图2所示。

图2 智能开采工作面系统的多信息融合模型

如图2所示我们可以看出，智能开采中的信息源呈现多元化，即来自于超前压力、立柱压力、顶梁倾角、护帮强度或者图像中的信息。根据信息融合系统中不同的融合类型，即将这些信息源划分为，前2种产生的信息源为直接融合；后2种主要为特征融合，决策融合就是为所有信息源开展的决策和判断，提供了重要信息依据。

1.3 智能化综采关键技术

智能化无人综采技术是无人跟机开展的一系列作业任务。这一技术难点在于使用时需要增加和引进先进的远程遥控技术，这一技术融合了多种关键技术，如：自动化技术、检测技术、视频技术、计算机技术和通信技术等，其是多种技术的综合应用。

（1）液压支架全工作面跟机自动化技术、远程人工干预技术。即在液压支架电液控制系统控制下开展无人跟机自动化控制，在实现电液控制系统数据与液压支架视频技术相互结合试用下，利用监控中心远程操作台对液压支架进行人工干预，能够对复杂的煤矿开采环境下液压支架进行自动化控制。

（2）自动跟机技术。这一技术主要指综采工作面的液压支架跟随采煤机位置或者采煤机运行的方向自动移架、自动喷雾、三机联动和自动刮板输送机等，对液压支架自动跟机示意图进行了展示，并对远程干预控制界面进行了展示。

（3）记忆截割技术又称之为采煤机控制技术，即借助采煤机学习示范到运行参数和采煤机自动化控制系统中的在线学习、修改参数功能等，完成综采工作面全工序自动化割煤。

（4）工作面视频监控技术。实际工作面中安装视频监控系统，在井下监控中心、地面指挥控制中心对整个煤矿开采工作面进行视频监控。煤壁监控摄像仪能够对采集到的视频进行实时上传，然后在将其传到监控中心，构建了更加清晰的煤岩界面。为了获取采煤机的位置，其主要是借助红外线传感器进行获取，再借助软件处理能够无缝转换摄像仪跟随采煤机的画面。

（5）综采自动化集中控制技术。集中控制系统能够对采煤机、液压支架、运输设备及供液设备等有机整合到一起，再合理编排，实现地面与井下的集中化管理和控制。

1.4 煤矿机器人

煤矿开采作业较为复杂，在开采时还会采用人工开采的方式。这不仅会增加危险性，还会降低工作的效率。因此，煤矿开采过程中利用机器人替代井下作业或者应急救援人工作业等已经成为未来智慧煤矿的新趋势，究其原因，煤矿开采过程中造成的人员伤亡越来越多，利用先进的技术开展煤矿安检和管控，对及时采取应急救援发挥着重要作用。极端复杂环境机器人的设计和应用，赋予了机器人感知的能力和防爆、导航、避障、路径规划、自救等方面的功能。因此，在之后研究中可以从以下几个方面进行研究：井下机器人自我状态的识别和避障功能；快速充电技术和协同管控等。

我国近几年加大对机器人的研发和应用，为了提升机器人应用效果，即采用了井下机器人自适应变阻抗力跟踪控制方法。这一方法应用后，避免机器人应用时所产生的碰撞问题和损害到其他设备的风险，即通过研究机器人与环境之间产生的接触阻力等，找出其存在的变化规律，以得出最终的控制参数，应用变阻力跟踪控制方法对机器人的自适应力开展跟踪和控制，减少机器人发生碰撞的次数，实现对机器人的自动化控制。这一方法运用后，能够减少机器人发生碰撞次数，降低对人员及周围环境、设备的损害。

井下机器人在未知区域扫描检测方法或者障碍识别方法还有待研究，同时，还在探测自身风险、自我避障等方面进行完善。

根据了解，井下机器人的电池容量有着严格要求，根据煤矿井下电气设备安装规范，研究供电快速充电技术成为煤矿机器人合理应用最为关键的技术。如：机器人无线自主寻径充电方法或者防爆电源，无线充电装置等。

2 煤矿智能化开采技术的发展趋势

2.1 5G技术智能化开采技术

借助5G技术能够促进智能化无人开采技术得到更快的发展，其在应用5G技术后，在自主感知、精准定位和智能导航等方面都取得了重大突破。可以看出，我国大范围覆盖5G技术，能够给煤矿智能化开采带来重要的作用和发展契机。其发挥的作用主要表现在以下几个方面，见表1。

表1 5G技术与传统智能开采技术对比

（1）大宽带与泛在万物互联。井下综采工作面或者掘进工作面都是复杂的环境或者受限最大的环境。5G环境下与泛在互联海量传感器进行部署，进而获取更多类型的数据，数据量也会变大；部署高清摄像头，获取更加高清的视频画面，为了解设备的运行状态、工作面的环境、人员可能存在的危险等情况提供重要依据，也为开展智能化的决策提供数据支撑。

（2）精准、可靠。5G最为关键的能力就是可靠性强、用时短等。煤矿采煤机在运行时其速度较快，5G能够对采煤机姿态、采煤机速度和煤岩识别等进行判断，逻辑控制序列中的动作。并且空口时延、端对端时延已经达到了毫秒级别，具有较高的可靠性，进一步保障了该设备远程监控更加精准，得出更加可靠的信息。

（3）5G可以根据切片技术将物理网络分割成多个逻辑独立的虚拟网络，进而对煤矿开采中不同的开采场景进行布置，借助移动边缘计算技术，将煤矿井下不同的传感器数据中融入更多的服务，如：预警服务和控制服务等，在将其下沉到数据源边缘地带，能够在这一节点处对数据进行有效分析和对设备开展有效控制，提升了分析的智能性和高效性。

2.2 智能化综采技术

智能化综采技术成为当前煤矿开采的主要发展趋势，我们可以从该技术应用中获取更多经验教训，制定出更多关键技术和采煤工艺、智能化的技术路线。在应用更多新技术后，突破难点和重点，化解智能化综采过程中出现的难题。

其一，综采工作面使用无线通信技术，这一技术的应用能够减少井下通信线缆的过多使用，缓解了强度较大的线缆维护难度。

其二，为了能够使地面上的调度人员或者监控中心人员清晰地看到井下现场生产界面，需要进一步对远程干预操作手段进行不断丰富，以此提升巡检人员的人身安全。即在未来需要对人员感知技术或者单兵作战系统进行探索，在实现地面人员与监控人员的双面通信后，能够帮助这些人员随时掌握现场的信息，在进行采集或者传输相关信息后，尽快了解到井下的信息。

3 结束语

煤矿智能化开采技术的革新对促进煤矿产业的转型和发展发挥着重要作用。智慧煤矿也成为未来主要发展趋势，智能化开采作为其主要核心技术，我们需要紧紧抓住信息技术和5G技术带来的发展契机，将煤炭开采和数字化矿山的建设融为一体，借助人工智能、物联网技术和大数据技术等促进传统开采矿业的改革和创新，从而构建更加高效的智慧煤矿，实现智慧煤矿的可持续发展。