煤矿智能化开采技术研究现状及展望

2023-02-05唐铵

科学与信息化 2023年24期

唐铵

贵州盘江精煤股份有限公司山脚树矿贵州六盘水 553533

引言

煤炭资源是世界发展的重要资源，在今后相当长的一段时间内，煤炭资源仍然是全球的主要资源之一。随着我国智能化社会和数字化社会的到来，我国煤炭现代化已是煤炭行业发展的大趋势。我国煤炭企业在开采活动中，应积极运用智能化等技术，达到最有效的利用煤炭资源的目的，从而降低环境污染造成的危害。有关部门应积极研发煤炭智能化开发技术，以增加煤炭资源的开发规模，提高我国煤炭开采运行的质量，从而促进我国煤炭行业的发展变革。

1 智能化采煤系统架构分析

智能化采煤系统架构主要分为感知层和应用层，包括4方面要素，即煤炭开采空间感知能力要素、智能分析及决策能力要素、自动执行能力要素和可靠及稳健运维能力要素。

感知层是煤矿动力灾害精准预警物联网的发展和应用基础，主要涵盖前兆信息采集和多网络的接入技术。智能化采煤系统中前兆信息采集技术主要包括光纤微震传感、三轴高灵敏度应力传感、分布式多点激光甲烷监测、钻屑瓦斯解吸指标和钻孔瓦斯涌出初速度测量等自动化远程监控监测技术。通过这些传感技术对井下设备实现远程控制，最终对井下事故进行预测，实现对井下灾害前兆信息的深度感知、高精度监测[1]。多网接入技术则是应用Zig Bee，6LoWPAN，Wi-Fi无线自组网及路由管理技术及装备对井下受限空间进行远程控制，实现非在线监测数据统计运用，实现智能化采煤系统架构的高可靠和抗干扰。应用层的主要目的是实现对井下动力灾害的精准预警，最终确保实现智能化采煤。应用层的管理主要有危险区域辨识、智能评价以及灾害预警服务。同时运用智能化大数据，对灾变区域预测模型进行全息全局学习，从而探寻出煤矿井下工作面的动力灾害事故规律，减少和避免井下灾害事故的发生。

2 我国采煤机智能化与自动化技术的发展现状

2.1 设备改造不及时

煤矿采煤机的智能化发展首先需要煤矿企业对老旧设备进行淘汰，并积极引进先进的机电设备，因此，需要大量的资金投入。然而现阶段，很多煤矿企业将更多的关注点放在短期效益上，而忽视了对于相关设备的智能化改造[2]。一方面，没有安排相关技术人员对老旧设备进行改造升级，从而导致较低的生产效率与较大的安全隐患；另一方面，也没有对先进的采矿技术进行学习与应用，从而阻碍了采煤机的智能化发展。

2.2 信息管理不完善

采煤机的智能化发展离不开信息化管理技术的应用，二者具有较为紧密的联系。然而，部分煤矿企业在采煤机的管理过程中忽视了对其进行全生命周期的信息化管理，从而无法在问题发生时为相关技术人员提供较为全面与科学的数据参考。与此同时，在对其进行日常检修与维护过程中，也缺乏相应的信息记录，从而影响后续的维修过程。

2.3 复杂地质条件适应能力差

智能化系统在简单地质条件下应用效果较好，但在复杂条件下难以发挥出理想的效果。目前，综采工作面端头及超前支架与工作面设备联动、工作面自动找直调直、各设备协同控制等功能不完善，制约着复杂条件下的应用效果，智能化采、掘技术更适用于煤层赋存条件简单、地质结构稳定的工作面，面对复杂多变地质条件的自适应调整能力有待提升。

3 煤矿采煤机智能化发展的关键技术

3.1 感知智能技术

对于采煤机来说，传统的开采过程需要井下作业人员与地面技术人员进行合理配合。智能化技术的应用可以很好地利用先进技术对井下情况进行判断，并通过信息技术反馈给相关技术人员，从而避免了井下作业人员的勘探工作，降低了人员伤亡事故发生的概率[3]。在感知技术的智能化发展方面，主要包括以下几方面内容。

3.1.1 综采界面的感知。我国煤炭资源禀赋丰富，但其煤层结构通常较为复杂，自动界面识别技术的合理应用很大程度上决定了综采无人化技术的发展速度。现阶段，应用较为广泛的识别技术主要包括射线、雷达以及激光等，为了更为准确的判断煤岩结构，通常采用多种技术协同发展的方式，同时利用先进的信息化技术对各个数据进行融合分析，更为精准的进行感知。

3.1.2 定位技术的应用。通常情况下，采煤机会按照既定的路线进行作业，因此，定位技术的合理应用对液压支架的调整以及切割面的平整性有着较为直接的影响[4]。现阶段，应用较为广泛的三维定位技术主要包括红外线、超声波、无限传感网等，在导航装置的指引下，对采煤机的行走轨迹进行确定，同时对其行走速度与距离进行精准判断。

3.1.3 刮板输送的优化。刮板输送机的应用在一定程度上为煤矿企业节省了人力、物力、财力等方面的支出，其智能化发展主要体现在以下3个方面：第一，启动过程的优化，从而更好地避免启动过程中出现不合理的问题。第二，链条收缩，从而实现链条进给的自动控制，提高操作安全性。第三，信号传输，从而更为及时的对开采情况进行反馈，提高作业效率。

3.1.4 故障问题的判断。随着煤矿企业开采任务的逐渐增加，复杂的作业环境以及高负荷的运行事件不可避免的会导致采煤机的运行故障。传统的故障诊断通常需要依赖相关技术人员的经验，而智能化技术的应用可以通过对相关数据进行综合整理分析，来对其故障发生原因进行精准判断。

3.2 截割智能技术

作为煤矿开采过程中较为重要的环节，截割技术的智能化发展不仅可以帮助煤矿企业提高开采效率，还可以更好的帮助地面技术人员对采煤机进行精准指引。在该技术的智能化发展方面，主要包括以下几部分内容。

3.2.1 选择记忆截割路径。感知系统的智能化发展可以帮助煤矿企业更为准确的判断井下煤岩分布情况，但无法精准的判断其厚度，从而无法进行相应的开采工作[5]。因此，对于截割技术的智能化发展，首先应优化的技术进行选择记忆截割路径，在预设路径无法满足开采要求时，需要相关技术人员进行相关调整，并配合技术支持，帮助采煤机对新路径进行记忆，从而避免重复工作的进行。

3.2.2 自适应牵引控制技术。井下工作的顺利进行通常受到多方面因素的影响，而截割作业的复杂化也为煤矿企业开采技术的智能化发展带来了更大的挑战。对于采煤机来说，通常需要根据开采实际情况对工作功率进行灵活调整，而自适应牵引控制技术的应用则可以很好地解决这一问题，从而更好地帮助煤矿企业实现开采作业。

3.2.3 自适应调节控制技术。对于煤矿开采作业来说，采煤机通常是依赖记忆中的路径进行作业，一旦井下发生变化，极有可能导致采煤机与岩石发生碰撞的问题，从而损坏设备。自适应调节控制技术的应用则很好地避免了上述问题的发生，通过信息化技术的应用可以更好地帮助采煤机适应井下工作环境，从而提高开采效率。

3.3 支架智能技术

随着我国煤矿开采规模的不断增加，煤矿开采区域通常分布有多个深井，因此，稳定的支撑技术逐渐成为煤矿企业确保生产量的重要保障。现阶段，我国煤矿企业常用的技术是液压支架智能技术，在应用该技术的过程中，通常不需要相关技术人员进行近距离操控，因此具有很好的便利性。同时，其强大的稳定性及支撑度也是其广泛应用的原因之一。

4 煤矿智能化建设的发展趋势

4.1 智能化发展渐趋平衡

一是地区间智能化发展渐趋平衡。随着国家八部委《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》和《煤矿智能化建设指南》的发布，国家对煤矿智能化建设的重视程度越来越高，各地区政府及煤炭企业对智能化建设的认识逐步提升，将最终实现行业整体智能化水平的提升[6]。二是不同系统间智能化发展渐趋平衡。随着采掘主要生产系统智能化水平的逐渐成熟，智能化发展也逐渐由生产转向辅助作业，特别是针对物料搬运、管路安装、打钻、支护等劳动强度大、劳动密集的作业，智能化的价值得以充分挖掘，将实现矿井各系统智能化的平衡发展。

4.2 复杂地质条件下智能化技术日趋成熟

随着科学技术的进步，各类传感技术、设备协同控制技术、自动找直调直技术、定位导航技术等技术将逐步走向成熟，复杂地质条件下智能化系统能够充分发挥作用，将实现复杂地质条件下自动化减人、智能化无人的目标。

4.3 智能化采掘将实现协同发展

智能化掘进是近年来煤矿智能化发展的重点，相比智能化采煤起步稍晚，发展空间较大、前景广阔。随着掘进设备精准定位导航、智能截割、自动锚索（锚杆）支护、粉尘治理、临时支护协同、物料智能运输等技术难题的突破，将实现采掘协同发展，优化采掘接续格局。

4.4 无线通信技术将成功融合应用

无线通信技术的成功应用可减少井下缆线，提升通信的灵活性、可靠性，降低矿井的通信投入成本，提升智能化系统的传输效率，有效提升智能化系统运行的可靠性。未来，以5G为代表的无线通信技术与智能采煤、安全监控、应急广播、车辆辅助驾驶等系统的融合应用将成为矿井通信技术的主要发展方向，为煤矿智能化建设提速升级。

4.5 AI技术将注入强大动能

AI技术在煤矿的应用场景不断丰富，发挥着重要作用。如：黄陵一号煤矿创新应用AI技术，研发建成AI+NOSA智能风险管控系统，实现了对“人的不安全行为、不按标准作业行为、物的危险状态和环境的不安全因素”三类风险的智能识别、智能管控。未来，AI技术在安全管理上的应用将更加深入，在井下应用场景更加丰富，必将在智能生产、煤矿机器人、灾害防治等专业深度应用，为煤矿智能化建设注入强大动能。