综采工作面无人化生产关键技术分析.pdf

2020 年第 6 期2020 年 6 月 经过多年的发展，中国煤矿生产的技术装备基本 已经实现了国产化。煤矿的开采方式由最开始的半机 械化完全发展为机械化，目前正朝着自动化和智能化 的方向发展。实现生产方式的变革和创新，有助于实 现中国煤炭行业的可持续发展。国家有关政策也在大 力支持煤炭行业的技术变革，原国家安全生产监督管 理总局提出了“机械化换人、自动化减人”的口号， 并将煤炭智能化开采列为重要的研发计划[1-2]。而且国 家 能源技术革命创新行动计划 （ 20162030 年 ） 中 明确指出，到 2030 年左右，国家重点矿区要基本实现 工作面的无人化开采。在陕北、山东等矿区，已经有 部分工作面初步实现了无人化开采，这为中国煤矿智 能化发展提供了宝贵的经验。但是，这种无人化开采 只是在薄煤层开采中应用，对于厚及特厚煤层缺乏一 定的推广性。中国煤矿智能化开采技术和装备还处于 初级发展阶段，有很多问题亟待解决。因此，本文分 析了薄煤层无人化开采模式，阐明了矿井无人化开采 的关键技术以及存在的问题。 1薄煤层无人化开采分析 薄煤层在中国分布较广且储量丰富。由于薄煤层 的厚度变化不稳定、工作面作业空间狭小，给薄煤层 的开采带来了极大的困难。如果丢弃这些薄煤层不进 行开采，则会造成资源的严重浪费，这是十分不可取 的。在这种情况下，许多矿区建立了无人化薄煤层综 采工作面，并取得了一定的效果。下面对薄煤层无人 化开采的作业流程进行分析。 1.1构建工作面透明地质模型 实现工作面无人化开采的前提是工作面环境实现 信息化，关键在于采用数字模型来识别煤岩。常规的地 质钻探获取的数据十分有限，无法满足工作面环境信息 化的需要。在构建工作面的地质数字模型时，需要综合 采用地质雷达、电磁波、CT 等精细手段对地质环境进 行探测，以获取大量的实测数据。将获得的数据与井下 GIS （ 地理信息系统简称） 模型相匹配，形成精细的工 作面数字模型。在进行开采时，可以通过机器人激光扫 描和红外扫描，实时构建完善的地质模型，如图 1 所 示[3]。在获得完整的动态地质模型后，就能实时控制采 煤机的运行方式，从而实现无人化开采。与此同时，通 过 GIS 平台和工作面全景视频图像，能实时更新工作面 的地质模型，实现地质测量和生产的动态管理，为无人 化开采创造有利的条件。 图 1精确的动态地质数据 收稿日期2020-04-16 作者简介赵建国，1985年生，男，山西方山人，2012年毕业于中 国矿业大学矿业工程专业，硕士，工程师。 综采工作面无人化生产关键技术分析 赵建国 （ 阳泉煤业集团二矿，山西 阳泉 045000 ） 摘要 矿井现代化的最终发展目标是实现煤矿的智能化开采，从而实现矿井的无人化开采，提高生产效率。目前， 矿井的无人化开采还处于起步阶段，还存在许多技术上的难题。通过分析薄煤层无人化开采的经验，阐明了实现矿井无 人化开采的关键步骤以及存在的问题，以期为有关采矿工程师提供一定的参考。 关键词 煤矿开采；智能化；无人化；关键技术 中图分类号 TD823.251文献标识码 A文章编号 2095-0802-202006-0108-02 Analysis of Key Technologies for Unmanned Production of Fully Mechanized Mining Face ZHAO Jianguo No.2 Coal Mine, Yangquan Coal Industry Group, Yangquan 045000, Shanxi, China Abstract The ultimate development goal of mine modernization is to realize the intelligent mining of coal mine, so as to realize the unmanned mining of coal mine and improve the production efficiency. At present, the mine unmanned mining is still in the initial stage, there are many technical problems. By analyzing the experience of unmanned mining in thin coal seam, this paper expounded the key steps and existing problems to realize the unmanned mining in the mine, in order to provide some reference for the relevant mining engineers. Key words coal mining; intelligentization; unmanned; key technologies （总第 177 期） 技术研究 红外 扫描 视频 图像 煤岩 数据 钻探 数据 初始数据 电磁 波CT 地质 雷达 精细数据修正数据 108 2020 年第 6 期2020 年 6 月 1.2工作面直线度控制 要实现综采工作面的无人化开采，需要解决煤矿 开采设备中“三机”的自动调直问题。目前常用的调 直方法有惯性导航技术、基于机器视觉和机器人巡检 的技术等。惯性导航技术最为常用，其主要是根据综 采采煤机上安装的陀螺仪实时地对采煤机进行定位， 获取采煤机的位置，并修正采煤机的位置。此外，也 有部分采矿研究人员利用刮板输送机上的机器人来监 测工作面的直线度，根据刮板输送机的运行轨迹实现 对采煤机位置的修正。 1.3刮板输送机调斜控制 在无人化综采时，经常会发生刮板输送机飘溜和 啃底等情况，这对于开采十分不利。为了避免这种情 况的发生，传统的综采工作面采用刮板输送机与液压 支架的连接杆来处理飘溜问题，但这种处理方法不利 于实现自动化操作。因此，需要在刮板机和输送机推 移杆上的电缆槽内安装自动化的调斜装置，通过一定 的指令来控制这个调斜装置，以实现刮板输送机的自 动调斜。这克服了传统手动调节的缺陷，有利于实现 对刮板输送机运行状态和位置的精确控制，为无人化 开采奠定了基础。 1.4低照度高清视频特征信息提取 工作面作业时会有大量的粉尘，导致井下作业时 摄像头拍摄到的图像或视频信息十分模糊，给煤矿井 下生产的无人化操作带来了极大的不便。为了解决这 种问题，需要研发一种能根据这种模糊的图像信息准 确地识别工作面位置的算法，从而为煤矿工作面的无 人化开采提供一些重要的参考信息。鉴于此，在实际 工作中，工作人员可以从两方面入手，一方面，研发 一种适用于这种情况的高清摄像头；另一方面，研发 一种能从模糊的图像或视频中提取关键信息的算法。 1.5综采装备协同联动控制 工作面开采的无人化需要多个设备协同完成，主 要包括采煤机、刮板输送机和液压支架等。在进行无 人化开采时，每台设备上都装有传感器，需要将这些 传感器采集的数据进行集中处理，从而为工作面运行 时的位置修正提供必要的参考。但是，这些传感器采 集到的数据缺乏相应的基准，处理起来相当困难。为 了解决这种问题，采用搭载视频采集与红外扫描的轨 道机器人来实现对煤矿井下具体位置的感知，实时传 输设备的三维位置信息，以便于在开采时提供相应的 修正作为参考。这种方法解决了多源信息和多目标信 息的处理难题，有助于实现对输送带和刮板输送机运 输量的实时准确监测，从而根据运输量实时调整采煤 机的割煤速度，保证采煤机与刮板输送机的协调运行。 1.6超前支护技术 超前支护是工作面回采时需要重点关注的内容， 其中主要存在以下问题 a 在进行超前支架移架时，会对巷道的顶板进行 反复的支撑，导致巷道被破坏； b 如果采空区的顶板不能及时垮落，则容易引发 回采巷道内的应力集中问题和瓦斯聚集问题，这对于 无人化开采十分不利。 这就要求在进行无人化开采时，解决超前支架的 移架问题，避免对巷道的顶板造成破坏以及及时地对 回采巷道进行有效卸压。 2煤矿无人化开采的关键技术 矿井的无人化开采是一个复杂的系统控制问题， 需要解决的内容有很多，主要包括以下 3 点 a 虽然井下已经实现了数据的采集、分析和展示， 但是，这些数据的联系性非常差，很难准确地把握煤 层开采过程中的一些岩层运动规律。 b 综采工作面无人化控制系统的研发存在巨大困 难，很难实现对井下多个煤矿生产设备的协同控制， 从而保证煤矿开采的顺利进行。 c 设备的管理与维护存在极大困难。由于无人化 开采需要操作的设备多，要想保证这些设备能正常运 行，很难通过一些有效的软件来进行管理。 为了解决这些问题，需要突破一些关键的基础问 题，主要包括多源数据的整合以及信息的处理、围岩 系统与开车系统的作用机制以及矿井开采设备的健康 状况预测。此外，还有技术上的难题需要解决。在煤矿 井下无人化开采时，需要采用精确的定位与导航技术， 这是无人化开采的关键。一方面，由于井下复杂的电 磁干扰，传统的导航技术很难有效运用在井下；另一 方面，国外对惯性导航技术实行了严格的技术封锁， 使得中国定位和导航技术的发展受到很大限制。 3结语 煤矿开采的方式由最开始的半机械化已经完全发 展为机械化，目前正朝着自动化和智能化的方向发展。 生产方式的变革和创新，有助于实现中国煤炭行业的 可持续发展。目前中国对于一些薄煤层已经实现了无 人化开采，这为中国综采工作面的无人化开采提供了 一些宝贵的经验。但是，在实际工作中，还需要解决多 源数据的采集与处理、无人化综采工作面生产系统的 研发以及设备运行状态的管理等关键技术问题。 参考文献 ［1］ 北京天地玛珂电液控制系统有限公司.智能化无人开采技术 ［J］ . 煤炭经济研究， 2019， 3910 89. ［2］ 杨柳.综采工作面无人化生产关键技术分析 ［J］ .能源与节能， 201910 98-99. ［3］ 王国法， 刘峰， 孟祥军， 等.煤矿智能化初级阶段研究与实 践 ［J］ .煤炭科学技术， 2019， 478 1-36. （ 责任编辑白洁 ） 赵建国 综采工作面无人化生产关键技术分析 109