閆海天 高玉峰

1.新疆大學地質(zhì)與礦業(yè)工程學院，中國·新疆 烏魯木齊 830346

2.新疆大學建筑工程學院，中國·新疆 烏魯木齊 830346

1 引言

煤礦智能化開采是中國目前在日益嚴峻的國際市場競爭及國內(nèi)舊的技術設備無法適應現(xiàn)行市場需求的局面下，提高國際市場競爭能力、適應現(xiàn)行市場需求的迫切發(fā)展目標。針對煤礦智能化開采，近年來許多學者從不同角度對其進行了研究：早些年，王虹通過分析監(jiān)測采煤機位置、煤巖識別等技術，對工作面智能開采的發(fā)展方向進行展望[1]。在中國煤礦智能開采取得重大進展后，王國法院士對關鍵核心技術進行了分析，并提出智能開采的發(fā)展方向與實現(xiàn)路徑[2-4]；隨著5G技術的不斷發(fā)展，王國法院士給出了5G技術在礦井的總體支架[5]。

煤礦智能化開采通過智能化技術和裝備的應用，將大幅度提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的安全性，大大降低人工成本，借助遠程操作平臺和監(jiān)控系統(tǒng)，將工人轉(zhuǎn)移到安全的工作環(huán)境中，大大提升了工人的安全指數(shù)。煤礦科技的創(chuàng)新發(fā)展和智能化建設使煤礦企業(yè)模式從勞動密集型轉(zhuǎn)為技術密集型，使煤礦開采的效率和安全性大幅度提高[6]。相關部門要加強對于煤礦智能化技術的研究開發(fā)和投入力度，使之更好地應用于煤礦開采工作中，促進綜合競爭力的提升，實現(xiàn)煤礦開采朝著智能化、無人化、綠色環(huán)保化方向可持續(xù)發(fā)展。

2 煤礦智能化開采的意義

中國目前的能源格局及現(xiàn)實的經(jīng)濟社會需求，決定了煤炭仍將在中國的能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)相當大的比例。除此之外，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能、大數(shù)據(jù)等顛覆性技術的發(fā)展，煤礦智能化開采是工業(yè)發(fā)展的必然選擇。煤礦智能化開采能夠減少井下工作面的工作人員數(shù)量，提高傳感器和處理系統(tǒng)對環(huán)境的適應能力，提高綜采裝備的智能化程度。在許多實現(xiàn)了煤炭生產(chǎn)綜合機械化的國家，礦井的生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)量遙遙領先，其自動化和遠程搖控技術比較先進，能顯著提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。

隨著信息技術、計算機技術、物聯(lián)網(wǎng)技術以及人工智能技術的逐漸發(fā)展，煤炭行業(yè)在生產(chǎn)中越來越多的應用了新技術和新工藝。煤炭是中國重要的能源，關系到國民經(jīng)濟的發(fā)展以及社會建設的開展，煤礦的生產(chǎn)過程具有極大的復雜性和危險性，除了瓦斯爆炸、煤塵爆炸等重大安全事故，還有其他因機械設備故障或操作失誤引發(fā)的各種煤礦事故。提高煤礦生產(chǎn)的機械化和智能化程度，有助于保障煤礦工作人員的安全。探究無人作業(yè)和遠程操控技術，進一步保障安全生產(chǎn)的進行，同時減輕工作人員的工作強度，減少開采過程中不必要的環(huán)節(jié)。充分實現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保，促進煤礦的健康可持續(xù)發(fā)展，提高采煤的可靠性和準確性。

3 中國新疆煤礦智能化開采現(xiàn)狀

煤礦智能化是煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術支撐，這對于提高煤礦安全生產(chǎn)水平并確保煤炭穩(wěn)定供應具有重要意義。近年來，中國新疆煤礦智能化開采持續(xù)發(fā)展，呈現(xiàn)出良好的情況。當前，中國國能新疆公司烏東煤礦、庫爾勒秦華煤礦、新汶伊犁四號井、國網(wǎng)能源新疆、豐沙吉海煤礦4個煤礦已經(jīng)實現(xiàn)智能開采。新疆焦煤集團1930煤礦、徐礦天山礦業(yè)俄霍布拉克煤礦、兗礦硫磺溝煤礦等8處煤礦9個回采工作面正在進行智能化改造，26處煤礦開展了供電、供排水、通風、主輔運輸、安全監(jiān)測、洗選等生產(chǎn)管理環(huán)節(jié)的自動化和智能化改造。另有38處煤礦在智能化推進工作方面取得初步成效，預計年內(nèi)全疆生產(chǎn)礦井智能化比例將達到15%。據(jù)統(tǒng)計，截止今年上半年，中國智能化采煤工作面的數(shù)量已經(jīng)達到了338個，其中山西、陜西、貴州、山東、河南、貴州等六個省份煤礦智能化開采進程較快，其智能采礦工作面數(shù)量占據(jù)比例達到80%。由此可見，煤礦智能化是大勢所趨，新疆煤礦智能化發(fā)展仍然有很長的路要走。

4 煤礦智能化開采技術

4.1 地質(zhì)雷達、TPS技術

煤礦開采是在地層中進行的，而精準地質(zhì)信息作為掘進與開采的基礎，是智能化決策的前提條件[3]。在辨認時，不但要識別煤層的詳細位置，還要識別煤層的厚度，從而為調(diào)整液壓支架的高度提供參考。假如辨認煤層時呈現(xiàn)較大的偏差，將會導致采煤機的截割高度不夠精確，出現(xiàn)截割巖層或采空區(qū)中大量煤炭資源被遺棄的情況。因此，地質(zhì)雷達技術是成功實施智能采礦的關鍵。工作面照明條件較差，粉塵濃度高，并且難以利用視頻監(jiān)控技術識別煤層信息，只有具備極高的靈敏度的紅外成像技術才能識別煤層信息，從而區(qū)分煤層熱性質(zhì)相似的巖層。同時，還可以采用TPS技術，通過配套的軟件TPS win對巖體力學參數(shù)進行評估，對地層變化進行三維成像，巖體中的剪切波和縱波的波速、密度、泊松比、彈性模量等，得出礦體圍巖等級、長度、空間位置，并且對工作面周圍的地質(zhì)組成進行三維成像，以便于更加精確地開采煤層。

4.2 裝備定位技術

在智能化開采過程中，設備的空間位置信息是正常采礦的重要保證。通過關鍵位置提供準確的路線，設備才可以沿著預定的軌道工作。與此同時，設備的傾斜也是需要注意的問題。相比地面定位而言，地下開采的定位是非常困難的，這是因為地面定位時存在著明確的參考或GPS，而在地下采礦時卻難以找到精確的參考或接收GPS信號。雖然某些煤礦使用了中繼通信技術，使得GPS信號能夠在地下可用，但是由于此通信技術的電信號是比較弱的，導致其難以在工作面使用。

除此之外，在工作面開采時會有較強的電磁場干擾微弱的電信號，使接收的信號會有比較大的噪聲，這給設備定位工作帶來了非常大的麻煩。對于設備定位技術，不僅要克服強烈的干擾問題，還需要克服定位不夠精確的問題，這仍然需要很長時間的研究。

4.3 視頻成像技術

為了準確地對地下開采進行物理監(jiān)測，還需要在工作面開采過程中實現(xiàn)視頻成像，通過視頻監(jiān)控技術，不僅能夠發(fā)現(xiàn)智能化開采中存在的問題，而且還能在開采過程中遇到突發(fā)狀況時及時做出合理決策。傳統(tǒng)的視頻成像技術很難在地下采礦得到很好的應用，主要是由于地下的光線相對較暗，粉塵較多，導致攝像頭的視線模糊。因此，需要使用一些特殊的攝像機。鑒于地下開采光線較弱，先進的CCD感光元件是不錯的選擇，其工業(yè)級的感光度在0.1x左右。除此之外，全景視頻拼接技術的不斷發(fā)展，不僅可以實時跟蹤采煤機，自動實現(xiàn)視頻跟機推送、視頻拼接等功能，還能為工作面遠程監(jiān)控提供“身臨其境”的感覺，為遠程生產(chǎn)提供指導。

4.4 設備故障診斷技術

礦井智能綜采工作面的設備不僅數(shù)量龐大，而且用到的電子元器件很多，系統(tǒng)維護量巨大[7]。由于地下采礦工作環(huán)境較為惡劣，很容易出現(xiàn)一些元件被損壞或失效的狀況，而電子元器件的維修過程非常麻煩，通過肉眼識別故障是極其困難的。因此，智能化設備需要具備一定的故障診斷功能，在設備發(fā)生故障時能及時報警，并且能夠提示發(fā)生故障的位置，方便及時維修設備。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有一些故障診斷技術，但是想要精確的識別故障，這就需要一個數(shù)據(jù)庫才行。而智能化開采目前是處于起步階段，建立一個可供參考的故障數(shù)據(jù)庫是有一定難度的，這就形成了一種矛盾。

5 智能化開采技術管理

根據(jù)煤礦智能化開采技術的推廣普及，為中國煤礦企業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了有利條件，推動了煤礦企業(yè)的發(fā)展進步[8]。為了進一步增強煤礦開采效率和質(zhì)量，必須加強煤礦開采智能化技術的創(chuàng)新與管理。

5.1 開發(fā)機架協(xié)同割三角煤工藝

為了推進中國煤礦智能化、自動化開采技術的創(chuàng)新發(fā)展，必須加強研發(fā)“機架協(xié)同控制系統(tǒng)”割三角煤技術工藝，提高煤礦的開采效率。在傳統(tǒng)的三角煤割據(jù)作業(yè)過程中，滾筒采煤機和液壓支架系統(tǒng)之間的作業(yè)數(shù)據(jù)信息不能夠隨時更新交換，就容易因為兩者之間配合不到位，導致機械故障或開采速度減慢，影響工作效率。“機架協(xié)同控制系統(tǒng)”割三角煤技術工藝的研發(fā)創(chuàng)新，能夠促進兩者之間工作數(shù)據(jù)信息的更新交換，因為這個功能的實現(xiàn)需要兩者之間相互配合協(xié)作。兩者相互配合完成工作，一旦有一方未完成工作，那么另一方就要減緩速度進行等待；當兩者數(shù)據(jù)信息相互交換后，再一同進行工作，這樣才能夠促進三角煤割據(jù)作業(yè)的穩(wěn)定可靠進行，提升整體的工作效率和質(zhì)量。

5.2 優(yōu)化遠程操控管理系統(tǒng)

在對井下管道項目工作進行監(jiān)督管理時，必須加強遠程監(jiān)督操控管理系統(tǒng)建設，不斷優(yōu)化創(chuàng)新，提升采礦工作的安全性，同時也能夠增強工作效率和質(zhì)量。所以在對遠程監(jiān)控系統(tǒng)進行更新升級時，可以設置快捷操控界面，尤其是對液壓支架和監(jiān)督管理界面的設置，一旦液壓支架出現(xiàn)故障。例如，支架丟失時，相對應的監(jiān)控系統(tǒng)就會及時提示，發(fā)出警報，這就讓維修人員在第一時間根據(jù)警報信息對系統(tǒng)進行維護，也能夠?qū)ζ渌到y(tǒng)進行監(jiān)督管理，可以在遠程操控界面完成補架動作，使液壓支架系統(tǒng)能夠正常運行。

5.3 創(chuàng)新采煤智能化管理平臺

在對采煤智能化技術進行管理時，必須增強煤礦開采智能化管理系統(tǒng)建設。在升級優(yōu)化煤采智能化管理系統(tǒng)時，需要結(jié)合大數(shù)據(jù)以及云技術等科學前衛(wèi)技術，創(chuàng)建一個科學的、一體化的煤礦開采智能化管理平臺。在建設管理平臺時，必須不斷地完善各種功能板塊，包括監(jiān)控板塊、故障分析板塊、自動化操作板塊等，對整個煤礦開采工程項目進行全方位的、智能化的管理。在煤礦開采智能化管理平臺運作時，相關設計、管理人員以及工作人員可以隨時登錄管理平臺，對煤礦的開采情況、設備安全情況進行實時的監(jiān)督管控，使井下管控工作能夠安全高效地進行。

6 結(jié)語

隨著中國煤礦產(chǎn)業(yè)工業(yè)化以及現(xiàn)代信息技術的發(fā)展，煤炭開采技術逐漸朝著創(chuàng)新化、現(xiàn)代化、智能化的方向發(fā)展，改變了傳統(tǒng)的煤礦開采模式，由原有的人為勞動開采模式向現(xiàn)代化、智能化的技術開發(fā)模式轉(zhuǎn)變,這是煤炭行業(yè)的轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略目標[9]。中國新疆地處亞歐大陸腹地，與多個國家接壤，具有重要的戰(zhàn)略位置。因此，新疆煤炭未來發(fā)展前景非常廣闊，其在煤炭行業(yè)地位也會越來越重要[10]。但目前新疆智慧煤礦與智能化開采技術的發(fā)展尚處于起步階段，與自適化、無人化運行以及群眾的期望還有一段距離，所以煤礦設計與管理人員必須肩負起煤采技術創(chuàng)新的偉大使命，不斷優(yōu)化創(chuàng)新，為煤礦開采智能化、無人化運行提供有力的技術支持。