智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析

刘 辉

(晋城煤炭规划设计院，山西 晋城 048000)

煤炭属于比较重要的化石能源，但是在经济全球化背景下与智能化与信息化技术的双重压力下，我国的煤炭开采技术要积极创新与改革，结合智能化的开采手段来提升煤矿开采的效率。并且随着各种绿色能源的使用和开发，基于煤炭行业的智能化开采技术的应用在目前绝对有着跨时代的意义。由此在煤炭开采期间结合智能化技术来开采，需要解决其所存在的技术难题，不断推进我国煤炭在生产期间所实现智能化和高效化与绿色化的现代工业生产目标。

1 智能化煤矿的实际含义

智能化就是指大数据、互联网和云计算等高新技术做组合而成的一种技术和系统，利用机器来代替人工作业。在煤矿开采期间利用智能化技术主要就是根据先进的设备和一起，让这些设备与仪器在工作期间能够具有对工作环境的感知能力和判断能力，结合这些因素与数据的判断来执行其决策[1]。而这些设备能够通过人类所设定的高级程度不断对工作平台中的各项数据进行收集与识别，进而自动保存和识别，不断进行总结之后使各个方面的工作更加出色。这样就相当于人在工作期间不断积累工作经验是一样的情况。

而想要实现煤矿开采的智能化，就需要在开采期间正确使用智能化煤机装备。该装备可自主对信息进行收集、分析，积累经验，在面对不同的煤矿开采期间能够发挥自身的智能化作用，真正实现在煤矿开采期间的无人化运作模式[2]。智能化的煤矿开采其实际上就是以自动化系统为基本框架，利用大数据、云计算和互联网等技术来收集和分析相关数据，结合不同的开采环境来准确调整数据与参数，促进煤矿智能化开采的效率更进一步提升。

2 智慧煤矿基础和平台建设

2.1 智慧煤矿基础

智慧煤矿中信息化和数字化其最为基本的基础形式，首先需要解决3个基础的理论问题：(1)以数字煤矿为主，探讨其本身所存在的多源异构数据如何关联的方法与措施，以便于数据的统一表达；(2)为一些煤矿开采设备使用路径、形式的控制和对于一些复杂围岩进行开采的方法和措施提供充足的理论基础；(3)预测煤矿井和设备群本身的健康情况，并为此提供维护与保养的措施[3]。目前结合这些基础的问题研究以此来形成一定的理论意义方法，也为智慧煤矿的开采提供精准的理论性支撑。

2.2 智慧煤矿智能平台的建设

要想实现智慧煤矿的稳定与安全运行，需以能够承载其运行要求的智能平台建设为主。

2.2.1 MOS智慧煤矿操作平台

本管理平台也是智慧煤矿建设的重要平台形式，能够以一体化的系统平台来展示煤矿的关键信息，且能够为上层业务的实现来以大数据或者云计算形式运行，也能够支撑下游的矿山信息一体化感知和展示以及应用平台[4]。根据现有系统内的基本业务模块内容，如设备管理、人员管理、智慧生产与智能监控等，来实现煤矿开采业务的整体覆盖，并且以全息影像平台的支持，清晰且透明度的展示现有矿山开采的日常工作和业务内容，解决传统矿山数据难以采集或者是采集十分混乱、模糊的重要问题，真正实现矿山开采与生产过程自动化的效果，最终促进矿山管理科学化、智能化与现代化发展。因此MOS智慧煤矿多系统综合操作平台其需要具备以下几点特征：

(1)全面数据的标准化。在该平台建设期间，所有的操作系统平台数据均要使用统一的格式进行交换和存储，数据互联与互通十分通畅。

(2)统一的数据存储设计方案。在对矿山进行实时监测背景下，需要采取统一的方案来进行数据的存储，保障数据快捷查询的工作要求，便于统一的数据管理，避免发生数据存储混乱的问题。

(3)保障数据传输的及时性与稳定性。在本身矿山采集的背景下，需要具备数据及时性传输的特点，满足远程实时决策与操作的关键内容。且在数据传输期间，需要保障其具备一定的稳定性，保障系统长时间稳定运行的要求。

(4)组态化可配置的要求。在智慧煤矿的操作平台中，需要保障其各端都可支持全面的组态化设计与开发要求，并且其平台的业务逻辑和操作界面能够快速以组态化的形式进行设计与建设，做到配置中心的统一管理。

(5)需保障大数据开放性与及时性分析的要求。本平台能够支持健康管理的大数据分析，以数据统一接入的方式实现全维度数据的重构与管理。也可重构一些跨业务数据内容，支持多种开采应用程序的部署与开发，进而保障这些数据与功能能够在不同的场景进行灵活应用，且可满足各种智能设备的灵活接入。

2.2.2 5G通信与精准定位操作平台

在该操作平台的使用中，5G通讯和其实际的衍生技术本身是做好该平台任何决策的基础，以此来满足精准井下作业的定位和导航要求[6]。另外还需根据井下环境的三维模型，对井下环境情况进行自动更新和显示，精准定位，解决井下环境复杂影响定位信号稳定的关键问题。该平台基于5G通讯技术能够实现人员与设备的自动导航、定位、校正与部署，为井下工作的人员和设备提供多场景精准化的问题解决方案，而该平台的建设与部署需要满足两点要求：

(1)复杂度低且保障全面覆盖。由于井下作业环境十分复杂，内部存在大量的电磁环境，或者是一些围岩等物质会影响无线电信号的发出与接收，而结合5G移动基站的研究能够保障井下人员与设备的灵活布置，根据自动定位和自动校正等功能保障无线信号的覆盖面积，且根据透明性的空间拓展要求来合理布置定位导航，也可支撑定位导航模组的自动布置工作内容。

(2)高精度、抗干扰性强以及成本较低。在煤矿开采过程中，内部属于动态、不断出现围岩掩埋的变化空间形态，且定位时刻变化的特征较为明显。因此在设计井下的导航与通信系统期间，必须要进行动态设置，也可跟随煤石开采期间来进行掩埋状态的通信与定位，而无论使用哪种方法成本都不高。且井下环境十分复杂，磁场较多，因此需要做好内部信号抗干扰的情况。一般井下的工作面尺寸较小，以米级为单位，而要是以米级为单位来进行导航精度的确定显然比较困难。现有的超宽带技术或者捷联式的惯导技术的出现，为井下的精准作业提供了充足的条件。但是就算是有这些技术与设备的支持，也需要从井下实际环境来分析，优化与改进整个材料的选择和算法的应用，以此来保障整个系统的使用精度和适应性。地下开采的定位导航模型如图1所示。

图1 地下开采定位导航模型

3 煤炭智能化开采核心技术分析

3.1 复杂环境中稳定可靠的传输数据

要想实现智能决策和控制，设备状态的明确和井下环境的观察是重点。而由于井下复杂的电磁环境和其他复杂的因素会导致探测技术的失灵。而本文所选择的三维激光扫描技术更加会适合现阶段的井下作业要求，如图2所示。且目前所研究的高光谱技术或者是振动探测技术、地质雷达探测技术和红外视频图像采集技术以及可见光视频技术等还需要进一步加强与完善，才能够真正实现井下数据的稳定与快速传输的要求。

图2 巷道三维激光扫描

3.2 大规模复杂系统数据分析

本身矿山开采作业中，所有的矿山内部系统结构都十分复杂，因此在开采期间会出现一定的数据和信息。本文所设计的数字化煤矿智慧逻辑模型如图3所示。而由于缺少一定信息的挖掘和寻找方法，所以在矿山的开采作业中，一直难以找到数据发生的规律。

图3 数字煤矿智慧逻辑模型图示

3.3 复杂煤层的自动切割技术

为了能够最大限度和最大效率的获取煤炭资源，需在开采煤矿期间保障装备的可行性与实用性。但是井下煤层的深度和厚度都处于复杂的情况，为自动截割带来巨大的困难。现阶段所研究方法整体的使用效果都不太理想，还有这大量的问题需要解决，如如何实现截割自适应技术和协同控制与决策等要求。

3.4 协同控制井下大量设备群网络

目前在矿井开采过程中，井下所具有的工业形式和无线网形式多是以多种通讯协议或者是多网并存的方式所实现，整个井下作业难以实现有效的互通和互联，并且这种不满足开采要求的通信承载能力影响着智能开采的作业效果和质量。虽然现阶段所研究的一网到底网络结构能够在对一定程度上提升煤矿开采的效率，但是现有的技术已经难以满足现阶段所要求的数据及时传输和实时控制的需求与要求。而基于此问题，需要解决的关键在于如何实现井下高速通讯和井下实时通讯的需求，保障远程控制的及时性和稳定性。

3.5 井下机器人处理的难题

需要明确的是，在井下各项设备的高开机率、高可靠性是保障智慧煤矿开采的重要基础，也是实现自动化和智能化开采的重要保障。但是基于目前的设备设计与装备要求，很多设备难以实现自我维修和保养，在长时间运作过程中产生故障的概率增加，难以实现真正的智能化与自动化控制要求。因此目前基于现有的煤矿开采要求，需要将重点放在井下机器人的研究与应用上，以便于井下开采作业的平衡性与快速稳定性要求。

4 结 语

智慧煤矿的智能化开采的主要核心就是在于智慧平台的建设和各项高新技术的应用，只有不断攻克现有智能化煤矿采集的技术瓶颈，不断研发最新的智能化设备与技术，才能够真正的实现煤矿安全性、高效性与高质量性的开采目标。