唐銨

貴州盤江精煤股份有限公司山腳樹礦 貴州 六盤水 553533

引言

煤炭資源是世界發(fā)展的重要資源，在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，煤炭資源仍然是全球的主要資源之一。隨著我國(guó)智能化社會(huì)和數(shù)字化社會(huì)的到來，我國(guó)煤炭現(xiàn)代化已是煤炭行業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。我國(guó)煤炭企業(yè)在開采活動(dòng)中，應(yīng)積極運(yùn)用智能化等技術(shù)，達(dá)到最有效的利用煤炭資源的目的，從而降低環(huán)境污染造成的危害。有關(guān)部門應(yīng)積極研發(fā)煤炭智能化開發(fā)技術(shù)，以增加煤炭資源的開發(fā)規(guī)模，提高我國(guó)煤炭開采運(yùn)行的質(zhì)量，從而促進(jìn)我國(guó)煤炭行業(yè)的發(fā)展變革。

1 智能化采煤系統(tǒng)架構(gòu)分析

智能化采煤系統(tǒng)架構(gòu)主要分為感知層和應(yīng)用層，包括4方面要素，即煤炭開采空間感知能力要素、智能分析及決策能力要素、自動(dòng)執(zhí)行能力要素和可靠及穩(wěn)健運(yùn)維能力要素。

感知層是煤礦動(dòng)力災(zāi)害精準(zhǔn)預(yù)警物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和應(yīng)用基礎(chǔ)，主要涵蓋前兆信息采集和多網(wǎng)絡(luò)的接入技術(shù)。智能化采煤系統(tǒng)中前兆信息采集技術(shù)主要包括光纖微震傳感、三軸高靈敏度應(yīng)力傳感、分布式多點(diǎn)激光甲烷監(jiān)測(cè)、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)和鉆孔瓦斯涌出初速度測(cè)量等自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控監(jiān)測(cè)技術(shù)。通過這些傳感技術(shù)對(duì)井下設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，最終對(duì)井下事故進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)井下災(zāi)害前兆信息的深度感知、高精度監(jiān)測(cè)[1]。多網(wǎng)接入技術(shù)則是應(yīng)用Zig Bee，6LoWPAN，Wi-Fi無線自組網(wǎng)及路由管理技術(shù)及裝備對(duì)井下受限空間進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)非在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)智能化采煤系統(tǒng)架構(gòu)的高可靠和抗干擾。應(yīng)用層的主要目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)井下動(dòng)力災(zāi)害的精準(zhǔn)預(yù)警，最終確保實(shí)現(xiàn)智能化采煤。應(yīng)用層的管理主要有危險(xiǎn)區(qū)域辨識(shí)、智能評(píng)價(jià)以及災(zāi)害預(yù)警服務(wù)。同時(shí)運(yùn)用智能化大數(shù)據(jù)，對(duì)災(zāi)變區(qū)域預(yù)測(cè)模型進(jìn)行全息全局學(xué)習(xí)，從而探尋出煤礦井下工作面的動(dòng)力災(zāi)害事故規(guī)律，減少和避免井下災(zāi)害事故的發(fā)生。

2 我國(guó)采煤機(jī)智能化與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 設(shè)備改造不及時(shí)

煤礦采煤機(jī)的智能化發(fā)展首先需要煤礦企業(yè)對(duì)老舊設(shè)備進(jìn)行淘汰，并積極引進(jìn)先進(jìn)的機(jī)電設(shè)備，因此，需要大量的資金投入。然而現(xiàn)階段，很多煤礦企業(yè)將更多的關(guān)注點(diǎn)放在短期效益上，而忽視了對(duì)于相關(guān)設(shè)備的智能化改造[2]。一方面，沒有安排相關(guān)技術(shù)人員對(duì)老舊設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，從而導(dǎo)致較低的生產(chǎn)效率與較大的安全隱患；另一方面，也沒有對(duì)先進(jìn)的采礦技術(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)與應(yīng)用，從而阻礙了采煤機(jī)的智能化發(fā)展。

2.2 信息管理不完善

采煤機(jī)的智能化發(fā)展離不開信息化管理技術(shù)的應(yīng)用，二者具有較為緊密的聯(lián)系。然而，部分煤礦企業(yè)在采煤機(jī)的管理過程中忽視了對(duì)其進(jìn)行全生命周期的信息化管理，從而無法在問題發(fā)生時(shí)為相關(guān)技術(shù)人員提供較為全面與科學(xué)的數(shù)據(jù)參考。與此同時(shí)，在對(duì)其進(jìn)行日常檢修與維護(hù)過程中，也缺乏相應(yīng)的信息記錄，從而影響后續(xù)的維修過程。

2.3 復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)能力差

智能化系統(tǒng)在簡(jiǎn)單地質(zhì)條件下應(yīng)用效果較好，但在復(fù)雜條件下難以發(fā)揮出理想的效果。目前，綜采工作面端頭及超前支架與工作面設(shè)備聯(lián)動(dòng)、工作面自動(dòng)找直調(diào)直、各設(shè)備協(xié)同控制等功能不完善，制約著復(fù)雜條件下的應(yīng)用效果，智能化采、掘技術(shù)更適用于煤層賦存條件簡(jiǎn)單、地質(zhì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的工作面，面對(duì)復(fù)雜多變地質(zhì)條件的自適應(yīng)調(diào)整能力有待提升。

3 煤礦采煤機(jī)智能化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 感知智能技術(shù)

對(duì)于采煤機(jī)來說，傳統(tǒng)的開采過程需要井下作業(yè)人員與地面技術(shù)人員進(jìn)行合理配合。智能化技術(shù)的應(yīng)用可以很好地利用先進(jìn)技術(shù)對(duì)井下情況進(jìn)行判斷，并通過信息技術(shù)反饋給相關(guān)技術(shù)人員，從而避免了井下作業(yè)人員的勘探工作，降低了人員傷亡事故發(fā)生的概率[3]。在感知技術(shù)的智能化發(fā)展方面，主要包括以下幾方面內(nèi)容。

3.1.1 綜采界面的感知。我國(guó)煤炭資源稟賦豐富，但其煤層結(jié)構(gòu)通常較為復(fù)雜，自動(dòng)界面識(shí)別技術(shù)的合理應(yīng)用很大程度上決定了綜采無人化技術(shù)的發(fā)展速度?，F(xiàn)階段，應(yīng)用較為廣泛的識(shí)別技術(shù)主要包括射線、雷達(dá)以及激光等，為了更為準(zhǔn)確的判斷煤巖結(jié)構(gòu)，通常采用多種技術(shù)協(xié)同發(fā)展的方式，同時(shí)利用先進(jìn)的信息化技術(shù)對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，更為精準(zhǔn)的進(jìn)行感知。

3.1.2 定位技術(shù)的應(yīng)用。通常情況下，采煤機(jī)會(huì)按照既定的路線進(jìn)行作業(yè)，因此，定位技術(shù)的合理應(yīng)用對(duì)液壓支架的調(diào)整以及切割面的平整性有著較為直接的影響[4]。現(xiàn)階段，應(yīng)用較為廣泛的三維定位技術(shù)主要包括紅外線、超聲波、無限傳感網(wǎng)等，在導(dǎo)航裝置的指引下，對(duì)采煤機(jī)的行走軌跡進(jìn)行確定，同時(shí)對(duì)其行走速度與距離進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。

3.1.3 刮板輸送的優(yōu)化。刮板輸送機(jī)的應(yīng)用在一定程度上為煤礦企業(yè)節(jié)省了人力、物力、財(cái)力等方面的支出，其智能化發(fā)展主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：第一，啟動(dòng)過程的優(yōu)化，從而更好地避免啟動(dòng)過程中出現(xiàn)不合理的問題。第二，鏈條收縮，從而實(shí)現(xiàn)鏈條進(jìn)給的自動(dòng)控制，提高操作安全性。第三，信號(hào)傳輸，從而更為及時(shí)的對(duì)開采情況進(jìn)行反饋，提高作業(yè)效率。

3.1.4 故障問題的判斷。隨著煤礦企業(yè)開采任務(wù)的逐漸增加，復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境以及高負(fù)荷的運(yùn)行事件不可避免的會(huì)導(dǎo)致采煤機(jī)的運(yùn)行故障。傳統(tǒng)的故障診斷通常需要依賴相關(guān)技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)，而智能化技術(shù)的應(yīng)用可以通過對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合整理分析，來對(duì)其故障發(fā)生原因進(jìn)行精準(zhǔn)判斷。

3.2 截割智能技術(shù)

作為煤礦開采過程中較為重要的環(huán)節(jié)，截割技術(shù)的智能化發(fā)展不僅可以幫助煤礦企業(yè)提高開采效率，還可以更好的幫助地面技術(shù)人員對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)指引。在該技術(shù)的智能化發(fā)展方面，主要包括以下幾部分內(nèi)容。

3.2.1 選擇記憶截割路徑。感知系統(tǒng)的智能化發(fā)展可以幫助煤礦企業(yè)更為準(zhǔn)確的判斷井下煤巖分布情況，但無法精準(zhǔn)的判斷其厚度，從而無法進(jìn)行相應(yīng)的開采工作[5]。因此，對(duì)于截割技術(shù)的智能化發(fā)展，首先應(yīng)優(yōu)化的技術(shù)進(jìn)行選擇記憶截割路徑，在預(yù)設(shè)路徑無法滿足開采要求時(shí)，需要相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行相關(guān)調(diào)整，并配合技術(shù)支持，幫助采煤機(jī)對(duì)新路徑進(jìn)行記憶，從而避免重復(fù)工作的進(jìn)行。

3.2.2 自適應(yīng)牽引控制技術(shù)。井下工作的順利進(jìn)行通常受到多方面因素的影響，而截割作業(yè)的復(fù)雜化也為煤礦企業(yè)開采技術(shù)的智能化發(fā)展帶來了更大的挑戰(zhàn)。對(duì)于采煤機(jī)來說，通常需要根據(jù)開采實(shí)際情況對(duì)工作功率進(jìn)行靈活調(diào)整，而自適應(yīng)牽引控制技術(shù)的應(yīng)用則可以很好地解決這一問題，從而更好地幫助煤礦企業(yè)實(shí)現(xiàn)開采作業(yè)。

3.2.3 自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)。對(duì)于煤礦開采作業(yè)來說，采煤機(jī)通常是依賴記憶中的路徑進(jìn)行作業(yè)，一旦井下發(fā)生變化，極有可能導(dǎo)致采煤機(jī)與巖石發(fā)生碰撞的問題，從而損壞設(shè)備。自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)的應(yīng)用則很好地避免了上述問題的發(fā)生，通過信息化技術(shù)的應(yīng)用可以更好地幫助采煤機(jī)適應(yīng)井下工作環(huán)境，從而提高開采效率。

3.3 支架智能技術(shù)

隨著我國(guó)煤礦開采規(guī)模的不斷增加，煤礦開采區(qū)域通常分布有多個(gè)深井，因此，穩(wěn)定的支撐技術(shù)逐漸成為煤礦企業(yè)確保生產(chǎn)量的重要保障?，F(xiàn)階段，我國(guó)煤礦企業(yè)常用的技術(shù)是液壓支架智能技術(shù)，在應(yīng)用該技術(shù)的過程中，通常不需要相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行近距離操控，因此具有很好的便利性。同時(shí)，其強(qiáng)大的穩(wěn)定性及支撐度也是其廣泛應(yīng)用的原因之一。

4 煤礦智能化建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 智能化發(fā)展?jié)u趨平衡

一是地區(qū)間智能化發(fā)展?jié)u趨平衡。隨著國(guó)家八部委《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》和《煤礦智能化建設(shè)指南》的發(fā)布，國(guó)家對(duì)煤礦智能化建設(shè)的重視程度越來越高，各地區(qū)政府及煤炭企業(yè)對(duì)智能化建設(shè)的認(rèn)識(shí)逐步提升，將最終實(shí)現(xiàn)行業(yè)整體智能化水平的提升[6]。二是不同系統(tǒng)間智能化發(fā)展?jié)u趨平衡。隨著采掘主要生產(chǎn)系統(tǒng)智能化水平的逐漸成熟，智能化發(fā)展也逐漸由生產(chǎn)轉(zhuǎn)向輔助作業(yè)，特別是針對(duì)物料搬運(yùn)、管路安裝、打鉆、支護(hù)等勞動(dòng)強(qiáng)度大、勞動(dòng)密集的作業(yè)，智能化的價(jià)值得以充分挖掘，將實(shí)現(xiàn)礦井各系統(tǒng)智能化的平衡發(fā)展。

4.2 復(fù)雜地質(zhì)條件下智能化技術(shù)日趨成熟

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各類傳感技術(shù)、設(shè)備協(xié)同控制技術(shù)、自動(dòng)找直調(diào)直技術(shù)、定位導(dǎo)航技術(shù)等技術(shù)將逐步走向成熟，復(fù)雜地質(zhì)條件下智能化系統(tǒng)能夠充分發(fā)揮作用，將實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下自動(dòng)化減人、智能化無人的目標(biāo)。

4.3 智能化采掘?qū)?shí)現(xiàn)協(xié)同發(fā)展

智能化掘進(jìn)是近年來煤礦智能化發(fā)展的重點(diǎn)，相比智能化采煤起步稍晚，發(fā)展空間較大、前景廣闊。隨著掘進(jìn)設(shè)備精準(zhǔn)定位導(dǎo)航、智能截割、自動(dòng)錨索（錨桿）支護(hù)、粉塵治理、臨時(shí)支護(hù)協(xié)同、物料智能運(yùn)輸?shù)燃夹g(shù)難題的突破，將實(shí)現(xiàn)采掘協(xié)同發(fā)展，優(yōu)化采掘接續(xù)格局。

4.4 無線通信技術(shù)將成功融合應(yīng)用

無線通信技術(shù)的成功應(yīng)用可減少井下纜線，提升通信的靈活性、可靠性，降低礦井的通信投入成本，提升智能化系統(tǒng)的傳輸效率，有效提升智能化系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。未來，以5G為代表的無線通信技術(shù)與智能采煤、安全監(jiān)控、應(yīng)急廣播、車輛輔助駕駛等系統(tǒng)的融合應(yīng)用將成為礦井通信技術(shù)的主要發(fā)展方向，為煤礦智能化建設(shè)提速升級(jí)。

4.5 AI技術(shù)將注入強(qiáng)大動(dòng)能

AI技術(shù)在煤礦的應(yīng)用場(chǎng)景不斷豐富，發(fā)揮著重要作用。如：黃陵一號(hào)煤礦創(chuàng)新應(yīng)用AI技術(shù)，研發(fā)建成AI+NOSA智能風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“人的不安全行為、不按標(biāo)準(zhǔn)作業(yè)行為、物的危險(xiǎn)狀態(tài)和環(huán)境的不安全因素”三類風(fēng)險(xiǎn)的智能識(shí)別、智能管控。未來，AI技術(shù)在安全管理上的應(yīng)用將更加深入，在井下應(yīng)用場(chǎng)景更加豐富，必將在智能生產(chǎn)、煤礦機(jī)器人、災(zāi)害防治等專業(yè)深度應(yīng)用，為煤礦智能化建設(shè)注入強(qiáng)大動(dòng)能。

4.6 高精度地質(zhì)模型將提供可靠數(shù)據(jù)支撐

高精度的地質(zhì)模型是智能化采煤、快速掘進(jìn)、瓦斯、水害治理等系統(tǒng)效能發(fā)揮的重要保障。未來，利用地面無人機(jī)、鉆探、物探、大數(shù)據(jù)、模型修正等技術(shù)來獲取更加精準(zhǔn)的地質(zhì)數(shù)據(jù)，同時(shí)利用采掘工程揭露數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析計(jì)算迭代修正地質(zhì)模型，構(gòu)建多源融合的地理信息服務(wù)，為礦井的智能化系統(tǒng)可靠運(yùn)行提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

4.7 綠色礦山建設(shè)將成為重要內(nèi)容

聚焦“雙碳”目標(biāo)，通過拓展內(nèi)部循環(huán)經(jīng)濟(jì)體，構(gòu)建水、瓦斯、矸石等清潔利用體系，建設(shè)綠色礦山是未來煤礦發(fā)展的重要內(nèi)容。圍繞矸石充填機(jī)器人、瓦斯綜合利用、老空水處理復(fù)用、矸石山治理、沿空留巷自動(dòng)支護(hù)搬運(yùn)機(jī)器人等領(lǐng)域的智能化技術(shù)，將成為推動(dòng)礦山綠色高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。

4.8 職工隊(duì)伍結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化將提供人才保障

智能化的快速發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)提出了較高要求，必須繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)人才的引進(jìn)、培養(yǎng)和激勵(lì)，提升人員業(yè)務(wù)技能素質(zhì)。未來，煤炭企業(yè)通過加大高素質(zhì)人才引進(jìn)力度，不斷優(yōu)化職工隊(duì)伍結(jié)構(gòu)，打造出高素質(zhì)復(fù)合型科技創(chuàng)新人才隊(duì)伍，將逐步構(gòu)建起人員儲(chǔ)備接替的良性循環(huán)，為智能礦井建設(shè)提供人才保障。

5 結(jié)束語

煤礦行業(yè)采煤機(jī)的智能化發(fā)展不僅是對(duì)開采技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，也需要相關(guān)企業(yè)對(duì)自身的管理模式與方法進(jìn)行不斷完善。這就要求相關(guān)管理人員積極學(xué)習(xí)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的開采技術(shù)，并利用信息化技術(shù)提高管理效率，從而更好地推動(dòng)煤炭行業(yè)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化發(fā)展。