关于煤矿智能综采工作面安全高效开采适应性评价分析

＊郭 磊

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部赵庄二号井 山西 046605）

科学技术水平的不断发展，进一步提高了我国工业信息技术与网络技术水平，同时也推动着产业转型，未来的产业发展方向将是高度智能化。因为工作特点和恶劣自然环境等影响，煤炭企业需要重视矿山智能综采工作面的安全隐患问题，通过认真调研矿山智能综采工作面的安全性和有效开采适应性，顺利开展煤炭综采工作，以实现智能化采矿的目标。

1.智能化开采概述

为了合理、高效地进行采矿工作，智能化采矿技术应运而生。智能化采矿就是在自动控制系统中增加了主动决定功能，使工程开采单位可以及时了解围岩条件和外部环境的变化趋势并自行调节采矿参数，其主要通过智能认知、智能决定和智能管理这三个要素进行采矿工作。主要特征是监控装置同时具有自主学习和主动决定的功能，具有自我认知、自监控、自主调控的能力，从而实现自适应采矿。自我认知是经过必要的信号采集，从而为自动控制提供了基础；自监控则是通过采集和分析现场运行数据信号，自主决策控制方案；自主调控是在主控装置工作流程中，通过不断掌握、调节和完善自主调控参量，以及时适应工作环境发生的变化。智能采矿技术尽管目前还处在初级阶段，但正在进入创新发展的重要阶段，它必须通过对作业面采高、支护体系和被保护巷道围岩结构之间的智能相互耦合群组自适应控制、对作业面直线速度的智能引导、系统内多目标信息融合与协调、对超前性于保护系统和辅助作业面的智能调控等创新技术进行突破研究，并借助对解决综合机械性设备问题的环境参数主动感知实现对采矿行为的主动监控，从而实现智能化采矿技术升级。

2.实现煤矿综采工作面智能化开采的思路与方法

(1)由简单地质条件向复杂地质条件过渡

矿石一般都处于地势险峻的环境中，因此，我国采矿工作中，综采工作面的地质环境比较复杂，不但会影响到智能化开采的正常进行，而且还会在特定条件下逐渐造成不可控制的影响。所以就要求工程技术人员必须在地质条件比较简单的工作面上开展试验，并对其进行智能开发，然后对其成功经验合理总结，并且结合实际情况调整技术方法，同时注意引入各种较先进的智能开发技术，再把智能开发重点向地质条件较为复杂的工作面转移，以便进一步达到智能开发的预想目标。

(2)由远程遥控向智能化开采发展

智能开采工作面以远程遥控为应用基础，从而实现各种设备的操作和控制，实现智能化采矿。远程控制对智能化和智能化技术的实际要求相对较低，当一些关键设备不能合理适应时，也能达到预期的目标。但一般来说，智能化采矿以远程控制为核心，其适应性不足，当整个系统出现设备故障时，需要工作人员进入工作区检查相应设备，然后进行调整和维修。

在工作面的智能开发中，智能技术是核心内容。其开发成熟后，已广泛应用到了井下的信号传输技术、设备定位技术等方面，并完成了对工作面智能管理系统的集成。它的复杂系统设计不但为智能开发创造了必要的技术条件，同时也在煤矿安全生产中起到了十分关键的作用，进而保障设备的持续有效工作，更高效地完成了作业面的智能开发与智能管控。随着煤矿开发技术的逐步提高，未来煤矿开发所涉及的地质条件也将更加复杂，机械设备运用与综采作业面也将更加复杂。只有通过合理运用先进科学技术成果，才能达到综采作业面不需要人工干预的智能开发。

3.煤矿综采工作面智能化开采的关键技术分析

(1)视频监控技术

矿井开展实施智能化采矿工作的过程中，会运用许多专业的技术装备来保证工作顺利完成。但是，要想在最少的时间内掌握井下作业的实际情况，就必须及时把视频监测技术整合到矿井智能开发的流程中。从现阶段运用煤矿井下视频监测技术的角度来看，其实是企业工作人员利用智能开发系统中的视频监测系统，来更全面地对具体开采情况以及设备运作状况加以掌握。

(2)在工作面运输机中的应用情况

对采矿工程作业来讲，需要重点注意的是采矿矿山搬运期间长壁工作面输送机，其主要用作运矿机械设备、采矿机运输的轨道线路，随着当前对矿山机械设备需要量的增加，输送机属性改变也很大，主要体现在槽宽数据增加、管径增大方面。由于使用设备可达到物料输送及软启动的功效，因此，一般作业通常采用的机械设备是液力耦合器、变频电机，设备运行应用时能够经变频器的自动调压原理而发挥作用。

(3)采煤机智能化

采煤机是综采工作面的核心装置之一，其智能程度是煤矿综合机械性开采作业面的关键。而采煤机的智能程度，也是可以针对煤层瓦斯开采赋存状况自行划分标高范围，而这就需要采煤机对煤层开采厚度有着精确的判断能力。若无法正确辨别煤层瓦斯所开凿的标高范围，一方面可能会造成切割标高范围不够，造成煤炭资源的浪费；另一方面又可能会造成切割标高范围过大，切割了煤层瓦斯开凿顶板，进而造成对采煤机的损伤程度增加。因此要能对同一工作面的煤层开采厚薄程度进行正确辨认，采煤机上还应该安装精密的地质雷达。地质雷达不但能辨别地层的厚薄程度，还可以辨别地层类型。

(4)井下数据分析系统

现阶段我国智能化采矿流程中较为重要的工作内容之一就是进行数据分析，来判断工作任务能否科学、顺利地进行下去。所以，不管是从科学技术角度而言还是从现实的具体操作层面来说，环境数据分析工作都是十分重要的。与此同时，逻辑模型也充分展示了在煤矿智能挖掘过程中，人们必须掌握具体的环境数据和信息，通过准确、合理地分析煤矿挖掘的有关信息和数据，以满足各种环境的智能挖掘。总的来说，在煤矿开采过程中，准确的信息和数据分析系统能够有效地帮助工作人员更加清晰全面地了解煤矿开采过程中遇到的困难和问题，并进行针对性地解决。

(5)液压支架智能化

液压支撑是控制围岩的主要设备之一，其主要功能是确保有一条安全的生产作业空间。而液压支撑的主要智能化特点在于可依据地层电阻调整工作电阻，以保证工作面作业顶板的安全稳定。这就需要研制一种新型智能液压围岩控制器，可依据围岩的实际状况设定合理的工作电阻。值得注意的是，若液压支撑的实际工作电阻过大或过小均不利于作业面的顺利开挖。若液压支撑的实际工作电阻较大，则会对顶部增加一次压应力，从而造成顶部的破裂，易于出现冒顶事故。若液压支撑的实际工作电阻过小，则会造成顶底板的沉降量很大，不利于采掘机顺利完成作业。

4.煤矿智能化开采关键技术存在的问题与解决方法

(1)采煤机智能调高控制

采煤机智能调高控制是指采煤机可以根据煤层的情况进行调整，根据自身的厚度和倾角做出相应的变化，实现精确切割。目前，采煤机的智能控制主要用于获取采煤机的准确信息，进而实现采煤作业。可自行绘制并记录切割曲线路线，自动实现后续开采过程中的切割。该方法不能适应煤层的变化，但可以应用于煤层。从控制逻辑的角度，可以精确地调节其高度，但是在煤和岩石的识别技术上却一直未能有较好的突破，在之后的研究中也没有取得较好的研究成果。所以，在当前煤矿界面识别采煤机的运行数据并不是最好的途径，而应该利用信息预测技术进行精确检测，比如对其进行三围的精准检测和数字模型计算等，以便进行更高效的智能管理。

(2)液压支架群组与围岩的智能耦合自适应控制

液压支撑系统是矿井机械化开采运用过程中非常关键的装置，而其设备与围岩相互作用状态优劣也会影响到工作生产的合理进行。尽管目前对支撑动作的调节做到了智能化，但由于其主要目标是为了实现工作装备的有效协调与推进，对支撑本身动作的调节，还需要人工来完成。所以目前面临着效率不足、动作协调性不足甚至还无法取得完全一致的效果。所以，必须通过适当措施改善其控制效应。支护系统的围岩智能耦合，是指液压支护架除了当前被动的支撑功能以外，还能够实现主动感知、分析以及调整温度等作用，通过主动改变支撑状况实现相应功能，从而使整体支撑状态最大化。

当前，为了提高液压支撑群组与围岩之间的自适应控制，需要提高其准确性，对于全方位的支撑状态不但需要主动感应，还必须对当前的常用支柱压力进行感知检测，才可以准确掌握对关键部位的受力大小、工作状况的自动检测，以及顶板的完整性。它可以进行超前的压力上报和对上部围岩破坏监测，并且还可以对围岩状态进行预知，唯有如此，才可以全方位地展示出支架保护的完全状况。同时，还需要进行自主调控支撑系统的构造创新，对液压支撑的初撑力和工作阻力及平衡力等都必须有一定的作用点，并通过一定参数，实现支撑的自适应控制，对其构造方式进行革新，并增加支撑的可调整范围以满足各种采高以及围岩条件变化。此外，还必须实现对液压支撑组的智能管理。目前主要研究的是单个支架的支护状况，很少研究多工作面液压支撑组合的支护。有关工程技术人员必须深入研究支撑组合的支护阻力分布状况，分析其具体参数和分布特点，并针对调查的实际状况形成适当的支撑组合和围岩，从而达到一定的自适应控制要求。

5.煤矿智能综采工作面安全高效开采的适应性研究

(1)智能开采评价方法和指标体系

在实现智能完全机械化采掘过程中，工程技术人员必须评估工作面地质条件，以确定在开采过程中是否能应用智能完全机械化采掘的可能，并提供有针对性的工程技术对策，以保证开采工作的顺利进行。怎样采用权重法和模糊数学方法建立评价系统，为工作面的采矿管理工作提供了可信的技术基础。矿井智能综采对于地质条件提出了更高的需求。因为进行智能化采矿，必须尽可能地满足对煤层的赋存要求，因此工作人员需要分析国内最有代表性的工作面地质条件，并建立智能作业面环境影响因素数据库，以分析各种原因对智能矿井综合机械化采掘设备的影响。

(2)量化评价指标

在采矿作业开展中，为确定煤矿在智能综采作业面的开发要求，工作人员可设置综合评价指标体系和分类量化各项综合考评指标。管理人员要根据矿井智能综采特点，掌握成熟的智能化采矿经验，设定分类量化的标准，可以分类为不同的级别，根据等级分类量化不同评价指标。

(3)确定各因素权重

不同的综合评价原因，会直接影响矿井智能综采工作面开采与修购能力，为统一综合评价体系可使用各种因素权重表示不同原因，为防止研究人员的主观性影响到各种因素的权重比例，在评价权重测算阶段，研究人员必须研究各现场原因，并运用AHP层次分析法，单独测算第一原因权重比例与第二原因权重比例，最后决定各原因的权重比例。

(4)建立评价模型

采用模糊综合评估模式，可以通过对煤矿智能综采工作面的开发条件进行综合评估，从而得出较为直接的评估结论。使用百分位算法对各因素加以评分，并将其映射为综合评估价值，从而得出对各评估等级的评分重心。在此基础上，对样本属性作出评估，并根据评估分数判断开采要求的适应性以及智能开采的有效性。分数越高，就表示该采矿要求能够满足智能综采，实现智能化采矿。

6.结束语

综采工作面智能化开采不仅可以合理地减少井底事故，而且可以合理地控制工作面的过剩产量。智能化采矿不仅需要分析工作面的各种非技术要求，还必须做好井下监测工作，为促进通信科学技术的发展提供必要的技术手段，有效保障智能化采矿工作在早期的智能化采矿中，主要是由简单的地质要求向较为复杂的地质要求转变，对智能化采矿要求的掌握至关重要。现阶段综采工作面智能化发展主要以遥感技术自动化技术为核心，而智能无人采矿也可以看作是遥感智能化发展的延续，但随着开采技术的逐步完善，智能无人开采将逐渐成为综采工作面发展的主导形式。