＊許 寶

（山西中陽華潤聯(lián)盛蘇村煤業(yè)有限公司 山西 033200）

引言

目前，隨著我國信息化和智能技術(shù)的發(fā)展，提高礦山智能化采煤水平已成為今后煤炭工業(yè)發(fā)展的重要趨勢之一。煤炭地下智能化開采需要解決智能資源勘探、先發(fā)制人探測等問題，煤層地質(zhì)特征預(yù)測，實時數(shù)據(jù)快速傳輸和反饋，數(shù)據(jù)共享，鉆井智能精確定位，智能檢測和維護，而問題的解決需要新的技術(shù)和地下工程的有機結(jié)合。我國正處于轉(zhuǎn)型升級的重要階段，由于傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的有效整合和網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的影響，煤礦企業(yè)發(fā)生了非常顯著的變化。其中，傳統(tǒng)裝備與智能技術(shù)的融合，可以實現(xiàn)煤炭開采智能化，推動行業(yè)升級轉(zhuǎn)型。同時，受環(huán)境和安全因素的制約，煤礦企業(yè)迫切需要先進的智能礦山設(shè)備及配套技術(shù)。有鑒于此，探索綜采煤礦智能化開采是非常現(xiàn)實的。

1.煤礦綜采智能化工作面的技術(shù)優(yōu)勢

(1)有利于提高機械化水平

加強自動化技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用，提高采煤作業(yè)的自動化水平，將礦工的工作量控制在合理范圍內(nèi)，降低煤炭企業(yè)的勞動力成本，帶動產(chǎn)業(yè)升級。結(jié)構(gòu)和保證采煤?？傮w而言，自動化采礦技術(shù)、計算機設(shè)備應(yīng)用廣泛，計算機處理大量數(shù)據(jù)，幫助計算多種數(shù)據(jù)，并通過不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)在全機械化開采中實現(xiàn)自動化，提高采煤技術(shù)的效率。

(2)有利于形成對高難度開采工作較高的應(yīng)對能力

綜采工作面智能化技術(shù)的功能主要體現(xiàn)在無人采礦和系統(tǒng)測試中，應(yīng)用后可順利完成采礦作業(yè)。其中，無人采煤功能，借助遠程操作設(shè)備，讓操作人員在地面上遠程控制設(shè)備，保障煤礦開采的順利進行，防止井下事故的發(fā)生，防止井下復(fù)雜因素對礦山的影響。不同的煤礦條件需要采用其他采煤技術(shù)，如短壁綜采，因其空間小，對厚煤層煤礦的適用性強，突破了空間有限的影響，提高煤礦工作效率。

(3)監(jiān)控參數(shù)以確保實時性能

在綜采工作面中，智能設(shè)備及其技術(shù)系統(tǒng)可以實現(xiàn)智能數(shù)據(jù)監(jiān)控。例如，地面調(diào)度室的智能集成系統(tǒng)不僅可以用鑰匙啟動和停止，還可以監(jiān)控實時工作設(shè)備的啟動、運行、裝載和暫停，確保綜采工作的順利進行，并更及時地發(fā)現(xiàn)綜采工作面機械化開采中存在的潛在問題，提高綜采工作面機械化開采時間。

(4)智能化開采階段劃分

智能提取是自動提取的高級階段。通過對設(shè)備的智能學(xué)習(xí)實現(xiàn)自動提取，減少了人工參與采礦過程，顯著提高了采礦的效率和安全性。中國的煤炭開采正朝著智能開采方向發(fā)展，從第一座炸藥礦到通用機械化的種子開采，現(xiàn)在正朝著全機械化的開采方向發(fā)展，但中國的智能開采仍處于初級階段。煤礦智能化的發(fā)展是一個長期的階段。根據(jù)技術(shù)特點，煤礦智能化發(fā)展可分為四個階段。

①智能采礦階段1.0

智能提取的第一階段是感知工作面，包括推進速度、位置和采礦設(shè)備的其他數(shù)據(jù)。在此階段，初步建立了以采礦系統(tǒng)自動控制為主的模式，并通過人工干預(yù)進行整合。

②智能采礦階段2.0

在第二階段，智能采掘系統(tǒng)必須感知采礦設(shè)備的姿態(tài)和圍巖信息，并且必須根據(jù)接收到的信息檢查工作面的正確性和關(guān)鍵采礦設(shè)備的姿態(tài)。本階段僅適用于地質(zhì)環(huán)境較好的工作面。

③智能采礦階段3.0

第三階段，在前一階段的基礎(chǔ)上，增加對圍巖和工作面地理信息的感知。本階段首先需要培訓(xùn)工作面信息的透明度，并在透明度的基礎(chǔ)上進行切割方向的計劃提取，以適應(yīng)地質(zhì)條件更復(fù)雜的工作面。

④智能采礦階段4.0

該階段是智能提取的最后階段，也是一個理想的目標(biāo)。在這一階段，對工作面信息的感知更加完整，對工作面采礦設(shè)備控制的人工干預(yù)更少。最后，可以獨立修改和控制礦井工作面內(nèi)的采礦設(shè)備，完成整個開采過程和設(shè)備移動，整個過程無需人工干預(yù)。目前，我國只有少數(shù)智能礦山在第二、三智能開采階段進行了一些關(guān)鍵技術(shù)的試驗，距離第四智能開采階段的目標(biāo)還有很長的距離。

(5)自動控制以提高精度

綜采工作面支護自動控制、降塵自動化系統(tǒng)、耦合控制系統(tǒng)、綜采順序控制等。在綜采工作面實施自動控制技術(shù)，將以前的人工控制和機械化作業(yè)內(nèi)容納入智能系統(tǒng)，通過計算機系統(tǒng)進行智能控制，有助于減少人工操作造成的誤差，提高綜采作業(yè)的精度。

(6)智能分析提高科學(xué)性

在舊的綜采系統(tǒng)中，雖然引進了許多采煤機，但它們優(yōu)化了操作過程，規(guī)劃了操作軌跡，承載能力分析和其他工作仍取決于從業(yè)人員的經(jīng)驗。智能采煤機的引入可以收集準(zhǔn)確的定位數(shù)據(jù)，智能規(guī)劃，全面規(guī)劃機械化采煤軌跡，調(diào)整滾筒高度，分析報警和自動故障的原因，根據(jù)綜采區(qū)域的實際參數(shù)、實時地理條件、裝載狀態(tài)等數(shù)據(jù)，實時進行智能分析，不斷優(yōu)化綜采工藝，提高煤礦整體功能的科學(xué)性。

2.智能化綜采工作面技術(shù)特征

基于智能綜采工作面的技術(shù)特點，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：一是液壓支架的智能控制。這部分主要包括多個方面，例如監(jiān)測和控制支座與圍巖的連接，長期觀察表明可以確保綜采過程的基礎(chǔ)，達到智能調(diào)節(jié)。最重要的是，可以改變過去傳統(tǒng)的噴灑方式，達到智能操作的效果。第二，在自主定位過程學(xué)習(xí)和智能操作的軌跡下，也可以有效避免過程中的一系列安全隱患。第三，所應(yīng)用的工作臺面運輸設(shè)備的最大特點在于具有電氣軟啟動和負(fù)載特性，同時在實現(xiàn)故障目標(biāo)診斷的同時，可以獲得有效的通訊控制和自動控制。

3.煤礦綜采工作面智能化開采技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r的分析

(1)煤流系統(tǒng)智能化技術(shù)

與一些發(fā)達國家相比，我國煤礦綜采工作面智能化技術(shù)呈現(xiàn)出一定的滯后性，經(jīng)過幾年的發(fā)展，我國首次研制出綜采工作面智能化技術(shù)。目前我國許多大型煤礦采用綜采工作面智能開采技術(shù)。通過這一措施，不僅增加了日產(chǎn)量，提高了相應(yīng)的開采率，而且依靠相關(guān)的智能監(jiān)控方法，延長了煤礦的開采時間，在這一過程中，采煤技術(shù)逐步實現(xiàn)了智能化，相關(guān)設(shè)施的使用率也得到了提高，傷亡事故的概率也降低了。單機自動化能力的加強使綜采智能開采技術(shù)的發(fā)展更加順利。結(jié)合具體國情，加快綜采工作面智能開采技術(shù)的研究與開發(fā)勢在必行。綜采多個工作面對應(yīng)的空間很窄，溫濕度很高，煤塵多，相關(guān)技術(shù)人員在操作相關(guān)設(shè)備時，一旦發(fā)現(xiàn)瓦斯爆炸，將導(dǎo)致傷亡事故的發(fā)生。鑒于綜采工作面相應(yīng)設(shè)備系統(tǒng)的復(fù)雜性，很明顯，以前的手動控制方式無法避免控制不當(dāng)?shù)陌l(fā)生，因此無法避免發(fā)生故障的可能性導(dǎo)致無法確保相關(guān)設(shè)備的安全，并且在應(yīng)用和監(jiān)控過程中，不同設(shè)備的獨立運行狀態(tài)，無法做到有效結(jié)合，從而達到集中處理相關(guān)信息的目的。

(2)圍巖與支架耦合控制

綜采工作面支護模式是一個亟待更新和變革的環(huán)節(jié)。圍巖與支護的耦合控制是傳統(tǒng)支護模式發(fā)展的新趨勢。特別是在復(fù)雜的采礦實踐中，為了實現(xiàn)智能概念，有必要進一步分析支架的耦合控制。圍巖與支護的耦合控制以深部巷道耦合理論為理論基礎(chǔ)，通過對煤壁參數(shù)的分析和設(shè)置，構(gòu)建了液壓支架結(jié)構(gòu)，分析了檢測系統(tǒng)檢測到的信息的耦合比，構(gòu)建了初始支撐力智能補償、快速防傾報警、千斤頂調(diào)整等多級聯(lián)動機構(gòu)。實現(xiàn)圍巖的耦合控制和智能化系列化控制。在綜采過程中，特別是復(fù)雜地質(zhì)開采過程中，圍巖與支護的耦合控制可以擴大智能系統(tǒng)對地質(zhì)環(huán)境的容忍度，提高圍巖和液壓支架的穩(wěn)定性，進而確保全球智能系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4.煤礦綜采工作面智能化技術(shù)與設(shè)備

(1)支架防撞技術(shù)

主動安全防撞系統(tǒng)可以安裝在采煤機上，屬于感應(yīng)裝置，可以提前向采煤機發(fā)送視聽警告信號。雷達檢測和機械防撞的主要功能是結(jié)合雷達檢測技術(shù)檢測采煤機滾筒附近的障礙物，如果系統(tǒng)在采煤機操作前檢測到障礙物，采煤機操作將暫停并待機，相關(guān)工作人員及時進行解決。操作原理是基于剪切機的平穩(wěn)運行，即系統(tǒng)狀態(tài)不工作，當(dāng)采煤機即將接近采礦設(shè)備、液壓支架或工人時，系統(tǒng)會發(fā)出警報。如果駕駛員在發(fā)出警告后沒有采取加速/減速制動等具體措施，系統(tǒng)的緊急制動系統(tǒng)可以自動啟動以避免碰撞。

(2)視頻監(jiān)控技術(shù)

綜合開采面模擬開采系統(tǒng)增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建三維真實開采環(huán)境，模擬作業(yè)過程設(shè)備和采煤全過程，系統(tǒng)可與操作者互動，實時穿越所有空間，達到系統(tǒng)仿真的全部范圍。該系統(tǒng)可以確定空間狀態(tài)、管理物體的運動、識別物體、輸入和處理信息集、模擬自然現(xiàn)象、識別物體等。該系統(tǒng)的一個顯著特點是構(gòu)建了一個非常接近的三維環(huán)境。結(jié)合計算機在實際挖礦狀態(tài)下，顯示當(dāng)前挖礦狀態(tài)，一組設(shè)備運行參數(shù)，各種設(shè)備動態(tài)渲染，生產(chǎn)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)規(guī)劃等。實現(xiàn)了各類設(shè)備開采參數(shù)的評價和優(yōu)化目標(biāo)，這是生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

(3)記憶學(xué)習(xí)

在這個過程中，操作者通過采煤機的遙控器來完成對煤炭的演示切割，所以教學(xué)是手動完成的，在這個過程中，可以根據(jù)采煤作業(yè)的具體情況開發(fā)套裝，通過一個循環(huán)完成相應(yīng)的煤礦作業(yè)。在采煤作業(yè)中，操作者必須根據(jù)具體情況，科學(xué)地調(diào)整采煤作業(yè)所用滾筒的高度，在具體調(diào)整時，必須進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以保證調(diào)整的合理性和順利進行后續(xù)的煤炭開采作業(yè)?？紤]各種因素的影響，如液壓支架的運動速度、刮板輸送機的承載能力、采煤機的牽引速度等。在采煤過程中，可以通過應(yīng)用性能好的采煤機進行記憶切割，記憶數(shù)據(jù)可以根據(jù)剪切位置和方向的不同段進行。

(4)井下數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

數(shù)據(jù)分析是現(xiàn)階段智慧采煤和智能開采最重要的任務(wù)之一。目前煤礦智能化開采的進程主要涉及8個子平臺。因此，數(shù)據(jù)分析非常重要，無論是從技術(shù)角度還是從實際操作和具體操作層面來看。同時，智能采煤過程中呈現(xiàn)的邏輯模塊需要從眾多傳感器中獲取煤礦的具體數(shù)據(jù)和信息，工作人員必須利用這些信息和數(shù)據(jù)來高效地分析開采規(guī)律。我們進行綜合分析以適應(yīng)智能采礦的各種環(huán)境。綜上所述，在當(dāng)今的煤礦開采過程中，準(zhǔn)確的信息和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可以有效地支持員工更加清晰、全面地了解在煤礦開采過程中面臨的困難和問題，也可以進行針對性的解決。

5.煤礦智能化開采技術(shù)展望

(1)實現(xiàn)工作面規(guī)劃開采

要科學(xué)識別煤層分布，有效確定礦區(qū)位置，利用智能開采技術(shù)的煤礦分布分析系統(tǒng)，確定在開采過程中能否實施良好的施工方案?？梢詸z查所有的采礦路線是否與智能采礦設(shè)備兼容。一般來說，在規(guī)劃開采過程中，需要科學(xué)控制基礎(chǔ)地理信息的開采面，在開采過程中實時獲取推進位置的位置信息，可以通過以下方式實現(xiàn)。地理信息系統(tǒng)與配套推進測量系統(tǒng)的組合識別技術(shù)，可確保在采礦作業(yè)過程中位置控制的前提下，有效、準(zhǔn)確地實施規(guī)劃設(shè)計。

(2)自動化和人工輔助操作系統(tǒng)雙控機制

自動化系統(tǒng)可以解決施工人員大部分危險、低效和勞動密集型的工作，提高實際生產(chǎn)效率，但自動化技術(shù)往往受到許多不確定因素的影響，不可避免地會出現(xiàn)一些問題。因此，應(yīng)該能夠配合人工輔助操作系統(tǒng)，實現(xiàn)運行過程中的人工監(jiān)控機制，可靠地發(fā)現(xiàn)各種問題，及時反饋相關(guān)信息，實現(xiàn)持續(xù)優(yōu)化改進機制。

(3)智能機器人集成設(shè)備

機器人生產(chǎn)工作可以增加勞動力短缺的解放，同時提高整個工作過程的安全性，實現(xiàn)高效準(zhǔn)確的施工工作。智能機器人集成技術(shù)是實現(xiàn)整個采礦工作流程的全程無人化，所有工作步驟都準(zhǔn)確無誤。以規(guī)范的操作流程完成，實現(xiàn)工作發(fā)展的整體進度。

6.結(jié)束語

基于目前不斷將先進技術(shù)和裝備應(yīng)用于煤礦綜采生產(chǎn)的發(fā)展現(xiàn)狀，可以采取科學(xué)的集成方案，完善系統(tǒng)架構(gòu)，整合原有的綜采生產(chǎn)和控制系統(tǒng)。綜合智能信息管理系統(tǒng)。通過智能系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了自動化生產(chǎn)，解放了勞動力。同時，通過建設(shè)未來自動化網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)，充分應(yīng)用云計算和大數(shù)據(jù)技術(shù)，創(chuàng)新發(fā)展，大大提高綜采作業(yè)效率，促進真正無人化、智能化的發(fā)展。