信息化背景下谈井下采矿技术问题及优化措施

2023-10-22刘新峰

科学与信息化 2023年18期

刘新峰

神木县隆德矿业有限责任公司陕西神木 719315

引言

随着科技进步，我国煤矿行业进入了全新的发展阶段，许多大型煤矿或者中小型煤矿几乎都实现了机械化作业，用机械设备取代人工作业的方式大大提高了生产效率，克服了井下作业的诸多限制。但在信息化背景下，各煤矿企业内的信息化与机械化融合取得了一定成效，但采矿中依旧存在诸多技术难题。为迎合行业现代化发展，各煤矿企业需立足自身情况，逐步用信息技术构建全新的采矿技术体系，以发挥新技术优势为煤矿创造更大的效益。

1 煤矿井下采矿的技术问题

1.1 技术水平

信息化背景下各煤矿企业采用了采矿新技术，克服了传统技术的诸多限制。许多煤矿采矿技术都展开了信息化探索，但部分煤矿企业受限于自身的发展，其采矿信息化水平偏低，开采作业中常常伴随着以下问题：

1.1.1 矿井自燃。伴随着采矿工作，煤炭会发生氧化过程，此过程将释放大量的热量，但因为井下作业空间相对有限，通风不佳、散热不好，在多因素影响下，矿井内发生自燃现象的概率较高。煤样复合时需消耗很长时间释放热量，短时间内无法集聚热力资源，有关人员对煤氧复合的关注度不足。煤矿生产作业中火灾事故不可忽视，此类事故造成的隐患大、损失大[1]。结合实际的生产经验，矿井自燃下的火灾事故多位于采空区，需结合该区域情况制定最佳的解决措施。

1.1.2 瓦斯爆炸。煤矿井下作业中瓦斯爆炸事故的出现频次也相对较高。煤层中的瓦斯量往往超出了标准，瓦斯中的甲烷含量异常高，具有吸附特性，热度远超煤炭。当瓦斯浓度达到特定上限时必将诱发安全事故。因此，许多煤矿在信息化条件下尚未完全解决瓦斯风险，瓦斯事故时有发生。

1.1.3 附井事故。煤矿生产作业的环境条件十分复杂，为保障采矿作业的便捷性，一般需在矿井内设置天井、溜井等竖井，使作业人员可利用竖井进出。一旦在实际的工作中竖井结构不稳或者支撑点设置不合理，如未给梯子加装防护栏，井口位置未考虑安全标准设置防护栏或者警示标识，都可能诱发严重事故，这也是信息化条件下煤矿采矿方面需重点关注的问题。

1.1.4 生态事故。现阶段煤矿行业内越发关注可持续发展，为带动整个行业的进步，采矿作业中不仅需更新工艺与技术，配备新设备，还需要加强生态管理。目前许多煤矿企业都采用了信息化技术，但其在作业过程中依旧存在生产事故，主要是因为井下环境复杂，伴随着开采作业，周围地区可能发生地表陷落等问题，影响生态环境的稳定与平衡。另外，高强度的井下开采作业中，采空区分布较多，周围土地受压过大，超出了自身负荷，一旦有轻微地质运动或者极端天气，都可能诱发地震、滑坡等事故造成巨大风险。

1.2 地质问题

煤矿井下采矿技术中地质问题也相对突出，采矿作业中煤矿深度、煤层构造等都是影响开采效率、技术应用效果的直接因素。当下部分煤矿企业并未意识到地质工作的重要性，在实际的工作中常常未做好前期的地质调研，或者在地质调查和整合阶段未合理应用信息技术，难以整合与分析全部的地质信息，无法在地质基础上选择采矿技术，安排采矿作业，造成了一系列的技术和管理等问题。

2 信息化背景下煤矿采矿技术的优化措施

2.1 在煤矿监测监控设备方面的应用

煤矿井下采矿中涉及了多种机械设备，设备运行状态关乎采矿效率与安全。煤矿企业在当下为动态监控设备及作业过程，应用机电自动化展开了全过程监控。但有关设备在运行期间往往面临诸多安全风险，通过采用智能化、自动化技术，可实时监控设备的运行状态，一旦发现设备异常情况及时发出预警信息，提醒相关人员注意处理实际问题。

2.2 矿井虚拟现实技术

煤矿生产作业的复杂性高、专业性强，生产过程中有关人员需全面、准确了解井下生产情况，技术人员需借助信息技术在生产中融入矿井虚拟现实技术，在该技术下应完成三维建模，模拟井下设备的运行情况，并选用配套软件完成智能化调节与控制，实现可视化管理、智能化控制，帮助有关人员及时处理生产中的问题。矿井虚拟现实技术有以下意义：操作人员在三维建模控制中能完整、准确地掌握开采作业全过程，为保障作业进度，煤矿企业需在虚拟现实系统中应用人机交互模拟作业过程，此模拟过程下能大大降低作业风险，相关人员根据模拟过程及结果可发现生产过程中的潜在问题，提前制定风险预防措施；可促进煤矿企业的智能化控制，在信息模板控制中添加三维模型，矿井作业中有关人员能完成可视化操作，为有关人员从三维角度监控设备的运行状态提供了新的保障，依据相应模块采集和模拟结果，有关人员能精确调节设备运行参数，达到实时化控制的目标[2]。因此，结合煤矿生产的全过程，应用虚拟现实技术不仅能提升煤矿生产期间的数据运算能力，更能智能检测和控制设备。在智能检测过程中一旦发现设备存在异常情况，应由智能化模块及时发送预警信息，快速展开相应的处理与预防。

2.3 井下传输网络建设

针对现代煤矿企业，在生产作业中企业必须建立完善的传输网络，只有如此方可保障提高通信效率，使矿井作业中各方面情况均能及时反馈。有关人员建设传输网络时需注意以下方面：①保障矿山企业内部良好的运行状态，达到有线宽带传输网络带宽大、无线接入方便、抗干扰性好、安全稳定等目标。井下传输网络整体上可选择冗余双树结构，该结构下的中继设备数量少、设备体积小[3]。②地面网络设备与井下监控设备之间应保持互联互通性，为达到网络安全的目标，在选择设备时应考虑安全性能。③合理设置网络参数，优先选择有冗余功能、热备冗余功能的设备。

2.4 开发精准地质探测与4D-GIS系统

为保障开采工作的顺利进行，开采之前企业需安排相关人员进入现场展开一系列调研，掌握地下煤层资源的分布等基本情况，后续的开采作业中以这些调研结果为依据选定技术、制定方案。传统的采矿过程中，由于技术条件的限制，设备相对落后，钻井、化探、物探调查等面临诸多难点，不利于提高探测结果的精度，不利于发展智能化。现阶段信息化背景下，煤矿需根据自身的生产特点，将智能化作为工作重点，超前预测地质情况，再引入综采新技术，以提高智能化水平。为此，信息化条件下煤矿应大力创新勘探技术，形成一体化地质检测技术与设备，并同步应用探测数据动态解释技术，以提高信息整合、处理及分析能力。

另外，各煤矿企业在信息化发展中也需综合现代技术建立大数据信息平台，遵循相应的工作流程采集大量的信息，获取完整信息，在信息基础上制定采矿方案。此外，工作流程中也需完善综采工作面采动应力定量探测技术，配套专业化设备设施及工具，在整个生产作业中由这些新设备及技术监测矿区具体情况，及时处理异常问题。当前我国技术发展迅速，GIS技术的应用范围持续扩大，各煤矿企业也需应用该项技术，促进智能数据的开发，并适当融入4D-GIS综合检测应用系统，必要情况下结合大数据优势，在煤矿企业中建立专有数据库，储存历史及当下的采矿数据[4]。采矿作业期间智能化模块能调取历史数据等，分析综合地质情况，通过3D地质动态模型完成模拟、分析。

2.5 薄及中厚煤层的智能化开采模式

结合我国煤炭资源的分布情况，薄煤层分布广，大约达到了总煤炭储量的1/5。但我国薄煤层的厚度参差不齐，储量各有不同，由于煤层分布环境的复杂性，作业期间对设备、技术等都有极高的标准。因此，在一些煤矿企业常常因为薄煤层开采难度较大选择不开采，造成了资源的浪费。现阶段的条件下技术发展迅速，煤矿企业可针对薄煤层研发刨煤机智能化开采设备、滚筒采煤机无人化开采模式，这些设备与作业模式可克服不利条件的限制，提高采煤效率。如薄煤层厚度不超1m，井下空间异常小，刨煤机智能化开采设备配套的智能截割刨煤机能实现自动往返进刀、两端分别头斜切进刀、混合进刀，再通过智能变频刮板的联动控制，可提高开采效率，保障产能[5]。支撑智能自适应液压的支架系统能实现液压支架的智能自适应支撑、刨煤机深度的科学控制；配套的智能变频刮板输送机系统能合理调速，避免刮板输送机的速度异常；在煤量检测、智能变频系统的双重控制下，系统能自动分析和判定刮板输送机的运行状态，在有故障的情况下及时发送预警，提醒相关人员注意处理。配套的薄煤层刨煤机能斜切进刀，在现场可完成三角煤机的双向割煤，这种上下双向自动刨煤的工作模式为采煤提供了便捷。

如薄煤层厚度超过了1m，煤层中存在大量的煤炭资源，传统的采矿工艺存在诸多问题，在信息化条件下可采用鼓式采煤机智能化无人采矿模式，在该模式下兼具定位导航、直线度自动调节功能，在开采作业中智能化模块能完成地质建模、辅助采矿探测，使开采作业中采煤机能根据煤层分布等基本情况，自由切割煤层厚度。滚筒采煤机属于专业化设备，设备外形为扁平形，并配备有扁缆装置，即使现场环境相对恶劣，该采煤机同样能完成其生产任务。矿井地质勘探建模技术能完成对煤层的4D建模，得到更为直观的井下现场情况，并依据相应结果实时修正4D模型，使相关人员从更为完整的角度了解煤层情况。通过整合前期勘探中得到的煤岩信息，有关人员可利用模型提前规划采煤机的采煤路径，合理控制采煤机摇臂角度，使采煤机在不同位置上高度能自动调节。整个作业期间通过检测截割高度、截割速度、截割位置等，可智能化把握采煤机的截割情况，在有异常情况时教师制定解决措施。

2.6 大采高工作面智能人机协同综采模式

我国的煤炭资源分布较多，在山西、内蒙古、陕西等几个地区的煤炭资源分布最多，结合这些省区的煤炭分布情况，煤层厚度一般在6～8m之间，属于坚硬厚煤层，煤炭资源的储存条件相对理想，为达到高效开采的目标，一般应引入一次采全厚开采方式，通过人机协同，保障开采作业的安全性。大采高的耦合协同模式中引入了液压支架与围岩耦合控制、装备的分布式协同控制等技术，在这些新技术的支持下，控制系统的性能稳定、功能多样，基本可解决传统大采高下面临的工作面顶板失稳、矿山压力和煤壁片帮冒顶等问题。具体的工作中应通过“双因素”控制法保障生产效率，将顶板岩层控制在正常范围。先进液压支架可利用遥控自动控制系统、超前规划完成工作面的超前支护，促进先进液压支架与工作面设备的有效配合。