煤矿无人工作面开采技术研究(1).pdf

R 豢 e V i e w 煤 矿无人工作 面开采 技术研 究 方新秋 ， 何 杰 ， 郭敏 江 ， 张 斌 中国矿业大学矿业工程 学院， 煤炭资源与安全开采国家重点实验室． 江苏徐州 2 2 1 0 0 8 擅 娶为解 决中国煤矿开采技术装备普遍 落后 ， 煤炭 资源回收率低 、 死亡率高 以及 “ 数 字矿 山” 发展缓慢 的问题 。 基 于科 学采矿理 念 ， 分析煤矿开采现状 ， 研究存在 的问题 ， 提出高度 自动化与传统综采工艺相 结合 的无人工作面 的概 念和系统模型 ． 构建 了无人工 作面 的技术框架 ， 分析了需要解决的关键技术 ， 包括采煤机 自动调高 、 采煤机 自主定位与导航 系统 、 煤岩界面 自动识别、 井上一 井下 双 向通讯 、 采煤工艺智能化、 工作面组件 式软件和模型及数据库技术 。 指出了应用状况。 关■词无人工作面 ； 自动化 ； 自主定位 GI S 中圈分类号T D 3 5 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 0 7 8 5 7 2 0 0 8 0 9 0 0 5 6 0 6 S t u d y o n Un ma n n e d W o r k f a c e M i n i n g Te c h n o l o g y F A N G X i n q i u ， H E J i e ， G UO Mi n j i a n g ， Z HA N G B i n S t a t e K e y L a b o r at o r y o fC o a l R e s o u r c e s a n d M i n e S a f e t y , S c h o o l ofMi n i n g E n g i n e e r i n g , C h i n a U n i v e r s i t y ofM i n i n g a n d T e c h n o l o g y , Xu z h o u 2 2 1 0 0 8 , J i a n g s u P r o v i n c e ， C h i n a g l lt a c t C h i n a ％c o a l mi n i n g s u ff e r s ma n y p r o b l e ms, S u c h a s b a c k wa r d n e s s o f t e c h n o l o g i e s a n d e q u i p me n t s ,l o w r e c o v e r y r a t e o f mi n e r a l r e s o u r c e s, h i g h mo r t ali t y ,a s w e l l a s t h e r e t a r d e d n e s s i n a d o p t i n g ” d i g i t al mi n i n g ’ ． W i t h t h e c o n c e p t o f s c i e n t i f i c mi n i n g i n mi n d , t h i s p a p e r a n a l y z e s t h e c u r r e n t s t a t u s of c o al mi n i n g , t h e e x i s t i n g p r o b l e ms, a n d p r o p o s e s t h e c o n c e p t a n d t h e s y s t e m mo d e l of u n ma n n e d wo r k f a c e, w h i c h c o mb i n e s a h i g h d e g r e e of a u t o ma t i o n a n d t h e t r a d i t i o n al f u l l y me c h a n i z e d mi n i n g ． T h e t e c h n i c al f r a me wo r k o f u n m a n n e d w o r k f a c e i s o u t l i n e d ． T h e k e y t e c h n o l o g i e s a r e a n a l y z e d, i n c l u d i n g t h e a u t o m a t i c h e i g h t _ a d j u s t m e n t of s h e are r , s e l f - lc lo s i t i o n i n g a n d n a v i g a t i o n s y s t e m,a u t o ma t i c i d e n t i f i c a t i o n of c o a l a n d r o c k i n t e r f a c e ,s u r f a c e- u n d e r gro u n d t w o wa y c o mmu n i c a t i o n ,i n t e l l i g e n t mi n i n g t e c h n o l o g y , w o r k f a c e c o mp o n e n t s o f tw are a n d mo d e l s ， a s w e ll a s d a t a b a s e t e c h n o l o gy ． I t s a p p l i c a t i o n i s als o d i s c u s s e d ． Ke 『o mi n e r l e s s w o r k f a c e ； a u t o ma t i o n ； s e l f - p o s i t i o n i n g ； GI S 0引言 中国矿产资源面临的资源短缺 ， 供应乏力的严峻形势 。 已 经成 为发 展工业 的瓶颈 ， 这 种状 况继 续发 展下 去 ， 势必对 国民 经济的可持续发展产生深刻影响。煤炭行业的发展受到国家 高度重视 ， “ 8 6 3 ” 计划已在矿产资源高效勘查与开发利用技术 领域重点提出发展地下无人采矿技术 。 但 目前采矿行业 中仍 存在很多问题。 1 煤炭产量高 ， 死亡率高 2 1世纪，中国成 为世界上第一产煤大 国，全 国产煤从 2 0 0 0年的 9 ． 9亿 t 到 2 0 0 6年的 2 3 ． 3 亿 t 。而伴随高产量的是 煤炭行业 的高死亡率 。2 0 0 6年 ， 全国小煤矿的百万吨死亡率 为 5 ． 5 6人 。地 方 重点 煤 矿 为 2 ． 8 1人 。国有 大 型煤 矿 为 0 ． 9 6 人。 百万吨死亡率是美国的近 1 0 0倍 ， 俄罗斯的近 1 0倍， 印度 的近 1 2倍 。 2 煤炭需求量大 ， 资源浪费严重 全国煤炭需求预测为 2 0 1 0年 2 5亿～ 2 7亿 t ， 2 0 2 0年 3 0 亿～ 3 2亿 t 。 占能源需求量的 6 0 ％以上 ； 而全 国煤矿的平均资 源回收率为 3 0 ％～ 3 5 ％， 资源富集地区的小型矿井资源回收率 只有 1 0 ％～ 1 5 ％。 薄煤层储量 占中国煤炭储量约 2 0 ％， 而产量 仅占约 8 ％。 煤炭企业存在着严重的“ 采厚弃薄” 、 “ 吃肥丢瘦” 现象 。 3 重大灾害事故频繁 工作面瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸与顶板事故是矿井的重 大灾害 ， 工作面发生重大事故频率高。 4 开采技术发展迅速， 总体水平落后 2 0 0 5年， 全国高产 高效矿井有 1 9 7处 ， 采掘机械化程度 达到 7 5 ％， 开采技术发展迅速 ， 基本达到世界领先水平。而煤 收 稿 日期 2 o o 8 一 o 3 1 7 基金项 目国家 自然科 学基金项 目 5 0 5 0 4 0 1 4 作者 简介 方新秋 ． 江苏省徐州市解放南路 中国矿业 大学矿业工程学院 ， 副教授 ， E m a i l x i n q iu f a n g 1 6 3 ． c o n 5 6 科技导报 2 0 0 8， 2 6 9 维普资讯 矿总体生产技术水平低 、 装备差 、 效率低 ， 特别是 乡镇煤矿 ， 基 本上 是非 机械 化开 采 ， 非 机械化 采煤 占 6 0 ％。 为解决上述 问题 ， 改善煤炭现状 ， 维持煤 矿资源 的可持 续 发 展f 1] ， 基 于无人 工 作 面开 采技 术 特 征 ， 本 文 提 出现 阶 段需 要加大对无人工作 面先进采煤技术 的研究力度 ， 提高综合开 发矿产资源水平 。 1国 内外研 究现 状 实 现少 人 、 无 人 的 自动 化 采矿 是 当前 国际 采矿 界 研究 的 热 点 。美 国和澳 大利 亚 的煤 炭企 业 在这 方 面走 在前 面 ， 2 0世 纪 8 0年代以来 。 他们在工作面采用 了计算机 技术 、 大功率 电牵 引采 煤机 、 电液 控 制 的液 压支 架 和具 有 软 启 动功 能 刮板 输送机， 实现了工作面三机的 自动化及井下环境安全信息实 时监测 。9 0年代 开始 ， 加 拿 大 、 芬 兰 、 瑞 典 分别 制定 了矿 山 自 动化方案 ， 2 0世纪 9 0年代初 ， 加拿大国际镍公司 I n c o 开始 研 究遥 控采 矿技 术 ； 1 9 9 2年 ，芬兰 采矿 工 业 宣布 智能 采 矿技 术方 案 ； 瑞 典 制定 向矿 山 自动化 进 军 的“ G r o u n t e c k n i k 2 0 0 0战 略计划 ” [2 - 3 ] 。 由于地质条件的复杂 以及多种因素 的影响 ， 中国无人 自 动化采矿发展相对落后 ， 国内科研单位也相继开展了采矿机 器人 MR 、 矿山地理信息系 MG I S 、 三维地学模拟 3 DG M 、 矿山虚拟现实 MV R 、 矿山 G P S定位等方面的技术开发与应 用研究 ， 在煤矿中的应用取得了一定 的成效 。 2 0 0 0年 9月， 北京 开采 所 与北京 煤 机厂 、 德 国 DB T公 司 等厂 家 合作 为铁 法 煤业集团小青煤矿装备了 国内第一个 薄煤层 自动化无人工 作面『句 。 2 0 0 4年 7月． 山东新汶矿业集团公司从 国外引进螺旋 钻机采煤新工艺 ，工人在工作面以外 的地点操作机电设备 。 可完成破煤 、 装煤 、 运煤等各工序， 实现了无人工作 面。2 0 0 5 年 5月 ， 大 同煤矿 集 团从 德 国 D B T公 司 引进 了一 套 自动化 刨 煤机 ， 实现了国内首个薄煤层刨煤机综采无人工作 面[7 1 。2 0 0 7 年 3月 ， 中国首个具有 自主知识产权的 自动化 、 信息化采煤 工作面在山东兖矿集团东滩煤矿正式投产 ， 标志着 中国煤炭 行业高产 、 高效矿井建设进入新阶段 。高产高效开采技术的 迅速发展 、综采 自动化 工作 面安全高效综合配套技 术的发 展 ， 以及大功率电牵引采煤机 、 液压支架和刮板输送机 自动 控制和工况检测与故障诊断技术的实现 。 使工作面 自动化程 度迅速提高 ， 在地 质条件较好的地方 神东地 区 ， 工作面基 本实 现少 人 、 无 人开 采 。 2无人工作面的概念及其特征 国外 给无 人采矿 下 的定 义是1 8 - o l 利用 目前最 先进 的技 术 ， 包 括 地下 通讯 、 定位 、 工艺 设 计 、 监 视 和 控 制系 统操 纵 采 矿设 备与采矿系统 ， 其采矿工艺包括 自动凿岩、 自动装药与爆破 、 自动装岩 、 自动转运 、 自动卸岩和 自动支护等， 其技术基础是 高速地下通讯 系统和高精度地下定位 、 定 向系统 要求达到 mm级 。国内早期学者对无人工作面采煤技术下的定义是 工人不出现在 回采工作面内 ， 而是在 回采工作面以外 的地点 eV 1 eW 操作 和控制机电设备 ， 完成工作面 内的破煤 、 装煤 、 运煤 、 支 护和处理采空 区等各项工序㈣。 不同国家 、 不同时代 以及不 同地质条件下 ， 无人 自动化 工作面有 自身的特征和内涵 ， 国外主要研究金属矿 山和露天 采矿 ． 国内早期研究主要是为解决薄煤层的开采 ， 随着采矿 科技水平 的提高 ， 针对 中国矿井地质条件的复杂性 ， 以综合 利用煤炭资源和科学采矿为原则 ， 提 出现代无人工作面的定 义为 在工作面安全专家 系统 的保护下 ， 通过有线 或无线方 式远程控制关键生产设备 ， 监测其工况 ， 利用割煤设备 刨煤 机或采煤机 的 自主定位与 自动导航技术 、 煤岩 自动识别技 术、 液压支架电液控制技术 、 刮板输送机 自动推移技术 、 工作 面 自动监控监测技术 、 井下高速双 向通讯技术和计算机集 中 控制技术等 自动完成割煤 、 移架 、 移刮板输送机、 放煤和顶板 支护等生产流程 ， 动态 优化作业程序 ， 实现工作面生产过程 自动化 、 采煤工艺智能化 、 工作 面管理信息化以及操作的无 人化 。 仅当设备出现故障时 ， 维修人员才会到达工作面 ， 从而 确保 高产 、 高效 和安 全生 产 。 现代无人 工作 面的定义是建立在高度发展的科学技术 和特殊应用背景之上 ， 有其 自身特征。 1 开采 范 围广 包 括 薄 、 中厚 、 厚 及 特 厚煤 层 ， 可实 现 薄煤 层 刨 煤机 无人 自动化采煤 、 中厚或厚煤层一次采全高无人 自动化和特厚煤 层 无人 放 顶煤 开采 。 2 作为 解放 层 利用无人工作面开采高瓦斯煤层实现瓦斯 的预先释放 ， 降低瓦斯的浓度 ， 保证生产安全 。 3 传统工艺和 自动化技术的结合 以传统 的采煤工艺为原则 ， 利用现代科学技术去丰富和 改进传统的开采水平、 管理模式 、 组织结构和采矿工艺。 4 科 学采 矿 技术 无人工作面是在 先进 、 完善 的顶板监控监测系统 、 安全 专家系统 、 灾害预测预警 系统等下进行 ， 以科学采矿思想为 原则 ， 实现资源的合理化配置， 基本实现零死亡。 5 高度 自动化、 信息化、 高产 、 高效 整个 生产 过 程 采用 先 进 的 自动 化技 术 和 大功 率 的设 备 ． 自动 化水 平高 、 生 产 能力 大 、 效 率高 。 3无人 工作 面 系统 模型 无人工作面是一个复杂的系统工程 ， 它是不 同领域技术 的交叉 和综合 ，要实现无人工作面需要投入大量的人力 、 物 力和财力 ， 就 目前采煤工作 面开采技术现状来看 ． 它包括很 多子系统 ， 按其功能流和数 据流可将其分解为 三机 自动控 制 系统 ， 三机 工 况 检 测 与诊 断 系 统 ， 防 尘 、 防 水 、 防震 和 防爆 系统 、工作面灾害预测预报系统 。 “ 采煤一 环境 ”安全专家系 统 ， 采煤工艺智能系统 、 数字化显示与更新系统 ， 采矿模拟系 统和决策仿真系统 。图 1给出了无人工作面整个系统工程模 型 科 技 导 报 2 0 0 8， 2 6l 9 5 7 维普资讯 R 豢 e V i e W 图 1 无人 工 作 面 系 统模 型 F i g． 1 Un ma n n e d wo r k f a c e s y s t e m mo de 3 ． 1三机 自动 控制 系统 工作面的三机主要包 括 采煤机 、 液压支架和刮板输送 机 ， 实现三机 自动控制是实现无人工作面的基础 。采煤机是 无人工作面设备的核心部件 。 实现无人工作面的关键技术就 是研究适合 中国煤层条件的采煤机 自动控制系统。采煤机的 自动控制系统包括 自主定位与 自动导航系统及 自动调高系 统 ， 采煤机高速、 精确 自主定位导航技术是实现采煤机 自动 控制系统的关键【 l 】 】 。液压支架电液控制系统是 目前最先进的 支架控制方式 ， 集机械 、 液压 、 电子 、 计算机和通信 网络等技 术于一身 ， 可实现拉架、 推溜 、 打护帮板、 收护帮板以及架 问 喷雾等随机联动 自动化 ． 以及 自动控制液压支架动作 。 实现 支架本架控制、 邻架控制、 隔架控制 、 运行状态和工作面矿压 监测的远程控制等 。新型智能化刮板输送机在各性能方面 取得了很大的发展 ． 代表了当今世界刮板输送机的最高水平， 实现了 自动推移控制 ． 同时向大型化 、 智能化 、 高可靠性及元 部件标准化方向发展。 3 ． 2三机 工况检 测与 故 障诊 断系统 三机工况 自动检测与故 障诊断系统为实现三机在工作 面安全运行提供可靠保障， 采煤机智能化检测技术已经达到 较 高水 平 ， 大柳 塔 矿 、 东 滩矿 和 寺河 矿 引进 的 D B T、 久益 等公 司的新型 电牵 引采煤机具有建立在微处理机基础上的智能 监控、 监测和保护系统 。 在采煤机上安装有 电压 、 电流、 绝缘、 牵引力 、 方 向、 位置 、 流量 、 压力 、 温度 、 湿度 、 速度 、 摇臂倾角 及机身倾斜等传感器 ． 可 以检测 1 6 9个采煤机 的参数 ， 实现 交互 式人 机 对话 、 远 近 控制 、 无 线 电随机 遥 控 、 数 据采 集 存储 及传输 、 工况监测 及状态 显示 、 故 障诊断及 预警等 多种功 能 。 液压支架 9 0 ％以上的故障是液压系统泄漏， 目前中国液 压系统泄漏故障 自动检测及其诊断技术发展 比较成熟。刮板 输送机 的故障诊断和工况监测技术可以连续监测输送机各 种部件 的运行状态 。 进行故 障诊断和报警 ， 同时为解决刮板 输送机的启动问题 、 功率平衡问题 、 过载保护和悬链 问题 ， 国 内外公 司研制 出各种可控驱动装 置和 自动调链装置 ，采用 C s T可控驱动装置 、 A C rI ．S自动调链装置及工况监测系统 ， 使 5 8科技导报 2 0 0 8 ， 2 6 9 其向智能化 自动化方向发展 ， 从而实现 了功率大 、 事故率小 、 效率 高 和安全 运行 ㈣ 3 ． 3灾 害预 测预报 系统 工作面灾害 自动预测预报系统通过各种传感器对井下 煤层厚度及其变化、 顶底板岩层组合及其空间分布， 构造 断 层 、 褶 曲 ， 矿井 水 文 地 质及 瓦斯 地 质 、 煤 层 中 的地 质 异 常 体 岩浆岩侵入体 、 岩溶陷落柱 和煤层 冲刷 ， 煤层 夹矸 、 地应 力 、 地温 、 工作面顶板状态 、 瓦斯爆炸 、 地热害以及 由它们诱 发地震、 突水、 煤与瓦斯突出等进行监测 ； 将监测信息传送至 控制中心 ，利用预测评价软件系统和地质信息处理系统 。 为 保证工作面的生产效率提供地质数据和分析判断 ． 从而避免 因地质条件的复杂性和无序变化造成井下工作面事故的发 生 ， 保护井下各种传感器和精密设备安全。 综采工作面 的综合 检测 系统的发展为无人 自动预测预 报系统奠定 了基础 ， 数字 防爆横波地震 仪、 数字防爆坑道无 线电波透视仪 、 数字防爆直流电法仪、 防爆瑞利波仪、 钻孔 防 爆直流电法仪、 钻孔防爆测斜仪 、 便携式智能化地震仪 、 地质 雷达和煤 与瓦斯突出 自动定位仪等矿井物探仪器为探测采 煤工作面前方地质构造提供 了条件旧， 灾害预测预报系统流 程 如 图 2所示 。 图 2工作 面 灾 害 预 测 预 报 系统 F i g ． 2 Wor k f a c e d i s a s t e r f o r e c a s t s y s t e m 3 ． 4“ 采煤 一 环 境” 安全 专 家系统 “ 采煤一 环境” 专家可靠系统模型为无人工作面提供了可 靠的安全系统保障， 保证无人工作面的高产 、 高效和可靠性 。 它能判断机电设备和周 围环境的状态 ， 快速采集各种数据并 进行分析、 诊断以及预测 ， 从而保证设备能 自动工作在最优 的状况下。 综合分析无人工作面可靠性系统 的影响因素 ， 包括环境 因素和机械设备 因素 ，它们分别组成了环境 系统和机械 系 统。环境系统包括静态和动态 因素 ， 井下温度 、 顶板淋水、 顶 板松软、 底板松软、 断层、 瓦斯、 煤层厚度 、 倾角等是静态地质 因素 ． 但在采煤过程中随机出现 ， 具有动态特征 ； 顶板状态随 着采煤速度 、 采高以及支架状态的变化是动态变化 ， 而顶板 的初次来压、 周期来压以及工作面前方应力分布又具有一定 的规律『 l 司 ， 具有静态特征。 机械系统可靠性影响因素主要包括 三机 自动化配套和采煤工艺系统可靠性 ，自动化程度高 、 功 维普资讯 率大 ， 效率高是无人工作 面最大 的特征 ， 因此三机配套不仅 包括几何尺寸配套、 性能配套 、 生产能力配套和寿命配套 ， 还 有 自动化 程 度 的配套 ；采煤 工 艺 系统 基 本 为一 串联 系统 ， 系 统 中每一 个 工艺 环 节发 生故 障都将 造 成 采 煤机 的停止 采 煤 ， 工 作 面设 备 和环 境 系 统 的相 互 交 叉 形 成 了“ 三机 一 围 岩 ” 系 统 ， 模型结构如图 3所示。 图 3安 全 专 家 分析 系统 模 型 F i g ． 3 Se c u d t y e x p e a n a ly s i s s y s t e m mo d e l 3 ． 5采煤工 艺 智能化 系统 综采高产高效工作面 自动化程度不断提高 ， 工作面生产 过 程 基本 实 现 了 自动 化 操 作 ， 自动化 生产 系 统 中 ． 主 要 设 备 为采煤机、 液压支架和刮板输送机 ． 三种设备是相互独立 ． 依 照一定的原则分开控制 ， 基本上实现 了 自动化 、 高效和安全 生产 ， 这些为无人工作 面采煤工艺 自动化奠定 了基础。随着 内置式多功能微处理机 、 智能控制采煤机和综采工作 面自动 综合监测系统 的发展 ， 增加 了采煤机动态控制与故障处理能 力， 根据地质条件的变化 ， 改变煤机的运行状态参数 截割速 度 、 滚 筒位 置 、 破 碎 机位 置 ， 无 人 工 作 面 采 煤 工艺 智 能化 实 现成为可能。例如当顶板不好时 ． 支架受力状态发生变化 ． 将 会 自动 调 整移 架 的 方式 、 移 架 速 度 、 采 煤 机 割 煤 速 度 和截 深 等； 刮板输送机过载时 ， 采煤机将会改变割煤速度 、 深度来调 整生产能力 ， 放煤 口根据放煤方式 、 放煤布局以及放煤时间自 动控制放煤总量。 无人工作面采煤工艺的自动化调整系统使工 作面整体系统工作在最佳状态 ， 保证工作面和谐 、 安全、 可靠的 生产 。当顶 、 底板 状态 ， 煤层 厚度变化 ． 以及刮板 输送机 承载状 态变化 时 ， 无人工作 面采煤工艺 智能控 制如 图 4所示 。 图 4无 人 工 作 面 采 煤 工 艺 智 能 化 控 制 F i g ． 4 I n t el li g e n t c on t r o l o f u n ma n n e d wor a c e c o a l mi n i n g t e c h n o l o g y 綦 eV 1 eW 3 ， 6采矿模 拟 系统 无人 工作 面采矿模拟系统利用虚拟现实技术创造出一 个三维的采矿现实环境 ， 模拟采矿作业过程以及工艺设备的 运行 ， 操作人员 可以与该系统进行人机交互 ， 在任 意时刻穿 越任何空 间进入系统模拟的任何 区域l 1 7 _ 阍。该系统能识别物 体 、 输入和处理各种信息 、 控制物体运动 、 模拟 自然规律 、 确 定 空 间状 态 ． 其 主要 特 点 是创 造 一 个 与现 实 开采 情 况极 为 接 近 的三 维 环境 ， 通 过 计 算 机 显 示采 矿 作 业 情 况 ， 获 得 生 产 系 统运行状况平面图、 不 同的设备动态显示图和设备运行具体 参数 ， 包括运行 的时间 、 产量、 设备间的距离等动态信息 ， 通 过对不 同型号设备、 不 同开采参数下的生产系统进行动态模 拟 ， 从而达到优化和评价生产系统的目的。 3 ， 7决 策仿 真 系统 无人工作面 的决策仿真系统 是一个智能型的多层次结 构 ， 通过系统的中心控制将地质信息、 设备信息数据库 、 各种 控制与监测系统 、 软件 系统 以及模型有机地结合起来 ， 完成 开采工艺与设备的优化决策 ， 同时根据操作人员参 与活动所 产生动态、 直观的反应和操作 ， 使计算机模拟 、 设计 的优化和 决策 系 统具 有 逻辑 思 维 、直 观 形象 思 维甚 至 创造 思 维 能力 ． 能随时根据工作面生产状况信息 的改变做出迅速反应， 寻找 最佳解决办法。 4无人 工作 面 的技 术框 架及 关键 技术 根据无人工作面的系统模型 ． 分析要实现无人工作面各 个 子 系统 所需 要 的技 术 支撑 ， 包 括采 煤 机 自主定 位 与 自动导 航技术 、 采煤机 自动调高技术 、 煤岩 自动识别技术 、 液压支架 电液控 制技 术 、 刮 板 输 送 机 自动推 移 技 术 、 三 机 工 况检 测 和 故障诊断技术 、 井下高速双 向通讯技术 、 组件式 矿山软件与 模型技术 ， 数据库技术 以及井下多传感器技术 ． 其技术框架 如 图 5所示 图 5无人工作面技术体 系 F i g． 5 Un ma n n e d wor a c e t e c h n o lo g y s y s t em 研究 中 国煤 矿工 作 面 自动 化水 平 ， 基 于无 人 工作 面 的概 念 、 特征 、 系统模型及技术体系的分析 ， 要实现符合 中国国情 的无人工作面， 需要对现代先进技术进行集成创新 ． 完成 以 下 关键 技术 4 ． 1煤岩界面 自动识别与自动调高技术 目前已有 了 2 0余种煤岩分界传感机理和系统㈣， 诸如记 科 技 导 报 2 0 0 8， 2 6 9 5 9 维普资讯 豢 eV i eW 忆程序控制系统 ， 振动频谱传感 系统 ， 天然 射线 、 测力截 齿 、 同位素、 噪声 、 红外线 、 紫外线 、 超声 波、 无线电波 、 雷达探 测等 ， 由于井下煤层和围岩条件十分复杂， 难以准确 、 可靠地 判断煤岩分界 ， 都未成功地应用于实际 ， 因此研制 出工作可 靠 、 有一定分辨率 的煤岩分界识别传感器 ， 是实现采煤机滚 筒 自动调 高 的关 键 。近 年来 总的发 展趋 势是将 具有 一定 分辨 率的煤岩传感器结合计算机控制 ， 组成煤岩分界传感装置及 煤岩分界识别系统 ，尤其是 国内研制大功率 自动化采煤机 时 ， 应优先考虑采用这类组合形式 。加大力度进一步研究组 合式调高技术方法 ， 其中记忆智能程控煤岩分界识别及控制 系统 在 实 际 中应 用 最 多 ，也 是 目前 国外 机 型 采 用最 多 的技 术 ， 而雷 达探测 技术 是最 有应 用前景 的技 术 。 4 ． 2采煤机 自主 定位 系统 无人工作面的技术基础是高速地下通讯系统和高精度 地下定位 、 定 向系统 ， 中国目前这方面的研究 尚处于空白， 中 国研制成功的首台采矿机器人 MR 也未很好地解决地下定 位问题 ， 而与 C I S技术相结合 的无人采矿定位技术更是在 国 内外处于空白阶段 。 研究具有 自主定位系统 的采煤机是实现 无人工作面的突破 。 其包含以下 5个方面。 1 采 煤机 动力学 模 型 采煤机工作环境复杂 、 恶劣 ， 采煤路线 、 煤岩性质的连续 变化 ， 对采煤机的运动造成各种扰动 ， 改变了采煤机的运动 状态， 准确确定某一 时刻采煤机的速度、 加速度 、 以及位置等 运动状态参数将比较复杂。建立 自主定位采煤机所需要的动 力学模型 ， 确定采煤机在不同采煤工艺下的运动状态 ， 模 拟 各种外界因素对采煤机运动 的影响程度 。 为 自主定位系统的 实现提供基础性关键技术。 2 移动目标的位置与速度精确计算 必须研究有效 的求解方法 ， 解决计算精度、 计算量 、 计算 时间及坐标转换的问题。 3 航 位推算 系统 误差 补偿模 型 惯 性 传感 器 的误 差 是 影 响航 位 推 算 系 统精 度 的主 要 因 素 ，惯性传感器产生 的误差 跟所在 的工作环境有密切的关 系 。 必 须研 究 解决在 矿 井 地下 特 定环 境 中产 生误 差 问题 。单 纯依靠仪表的结构设计与制造工艺来减少传感器的误差 ， 常 会受到技术上与经济上的制约 ， 必须采用先进的最优估计理 论与方法 ． 进行移动 目标位置的最优估计 ， 减少传感器 的随 机误差对位置状态 的影响 ， 从而减少误差积累 ， 提高航位推 算 D R 系 统 的定 位精 度 。 4 航 位推算 系统 环境 适应 性 问题 煤矿井下工作环境恶劣， 要使航位推算系统能在井下正常 工作， 必须解决它的防爆、 防水 、 防尘 、 防震动等关键技术问题。 5 矿井电子地图导航数据库的建立与地 图匹配 MM 算 法 的研 究 利用高精度 电子地图的软件平 台和 G I S二次开发技术 形成无人工作面采煤机定位系统的软件平台。地图匹配的前 提是采煤机运 动在轨道上 ，而与采煤机有关 的轨道数据已 6 0科 技 导 报 2 0 0 8， 2 6 9 知 ， 将 已知的采煤机运动路线的数学特征与地图数据库中的 轨道特征相 比较，从而确定采煤机的运动位置和运动轨迹 ． 并校正传感器的误差 ， 实现地图匹配。系统将监测信息存储 进数据库 ， 利用矿井电子地图 ， 在计算机显示其所在位置． 在 地面监测主机上实 时、 直观地显 示监测结果 ， 随时可以汇报 采煤机行进状态 。综合采煤机 自主定位系统各个关键技术 ． 形成采煤机 自主定位导航系统流程如图 6所示 图 6采煤机 自主定位导航 系统流程 F ig． 6 Flo wc h a t o f s h e ar er a u t o n o mo u s p o s i t io n i n g n a v i g a t io n s y s t e m 4 ． 3井下一 井上 双 向高速 通讯 技术 在矿井通信方面 ， 如何快速、 准确 、 完整 、 清 晰、 实时地采 集与传输井下各类环境指标 、 设备工况 、 作业参数和调度指 令等数据 ， 并进行井上一 井下双向传输 ， 尤其是实现信息由井 上到井下反馈， 是有待改进的技术问题。 4 ． 4采矿工 艺智 能化 技术 在 工艺 智 能化 方 面 ， 实 现 采矿 设备 整 体 与整 个作 业 流程 中的 自动控制 、 协调、 适应 、 保护 、 调整和修复 ， 甚至再生 ， 研 究 和设 计无人 工 作面 的新 的作业 过 程及 其作业 模 式。 4 l 5工 作面 组件 式软 件与模 型 工作面灾害智能预测预报系统、 “ 采煤一 环境”安全专家 分析系统、 无人采矿的模拟与决策系统的仿真 、 三机 自动控 制系统以及工况检测与诊断技术 ， 均以各类应用软件与相关 模 型 为工 具 ， 必 须 针对 不 同应 用 和 需 求 ， 研 究 建 立 相 应 的模 型 ， 开发多 品种 、 多型 号 、 多功 能和组 件 式软 件 。 4 ． 6多传感 器技 术 无人智能化采煤工作面采集各种信 息需要大量的传感 器 。 多传感器 的配合使用 、 准确信息采集以及多传感器融合 处理技术等都需要进一步的研究。 4 ． 7无人工 作面 数据 库技 术 根据数据库的相关理论 ， 结合煤矿无人工作面的生产情 况 ． 建立起相应的数据库， 实现对数据的增加 、 删减 、 修改、 查 询 、 报表打印等功能 ， 同时为可视化技术提供三维数据 ， 从而 实现工作面信息的拓扑空间查询、 分析与应用及许多采矿安 全问题的模拟 、 分析与预测 。无人工作面数据库技术所涉及 到 的数据信息量巨大 ， 不仅包括地质数据和工程数据 ， 还有 这些数据经过处理生成的中间数据等。尽快攻克 3 D实体拓 扑描述 、 表达、 组织与动态维护 以及数据库大量信息的维护 成为数据库技术需要解决的难题。 维普资讯 5应 用示 范 在 西 方一 些 国家 ， 如 英 国和 澳 大 利 亚 ， 已进 行 过 自动 化 采煤 ， 自动化采煤对煤层要求较高 ， 只适用于煤层较为平缓 、 顶板比较稳定 、 采高 比较固定的区域。 2 0 0 0年 9月 ， 德 国DB T 公司与国内科研单位及煤机厂家合作 ， 中国第一套综合 自动 化 薄煤层 无 人工作 面 在铁 法小 青煤 矿诞 生 。全 自动 化开 采设 备 中 ， 刨 煤 机 是一 种 浅 截 式 采 煤 机 械 ， 系统 设 备 由滑 行 刨 煤 机 、 刮板 输送 机 、 液 压 推进 装 置 和 电控设 备 4部分 ， 以 及刨 煤 机 及 GH 9 3 4 V E ／ 4 ．7滑行 刨 ， P E 2 ． 3 0 ／ 7 3 2刨头运 行 轨道 系统 ， 液压支架 P M4电液控制系统 ，配套国产 Z Y一 6 4 0 0 ／ 0 9 ／ 2 0 0掩 护支架、 S Z Z 一 7 64／ 1 6 0转载机组成。 其主要特点是 截深浅 ， 一 般为 1 0 0 ～ 2 0 0 mm； 速度快 ， 牵引速度为 1 ． 8 ～ 2 ． 2 m ／ s ； 采高范围 大 ． 0 ． 9 ～ 2 ． 2 m 可 调 性 好 ， 在 运 输 机 采 空侧 设 置 调 斜 千 斤 顶 ， 顶 板暴 露 面 积小 ， 易于 控 制 ， 煤 层 厚 度 平 均 为 1 ． 3 m， 倾 角 为 5 0 - 8 o ． 赋存稳定 ， 工作面长度为 1 5 0 ～ 2 0 0 m， 连续推进长度为 9 0 5 m。2 0 0 1年 1 月试产 。 平均 日产 3 7 1 2 t ， 最高 日产 6 4 8 0 t ， 平 均月 产 1 1 ． 1 8万 t ． 最 高 月 产 1 4 ． 2万 t ， 年产 1 5 0万 t 水 平 。 2 0 0 3年 8月 ， 山西焦煤集 团马兰矿也投产了一套全 自动刨煤 机 系统 ， 实 现薄煤 层无 人 工作 面 开采 ， 煤层 厚 度为 0 ． 8 ～ 1 ． 4 m， 工 作 面 长 度 2 0 0 m， 截 止 2 0 o 3年 1 0月 8日 ， 累 计 生 产 原 煤 6 6 8 1 7 t ， 最高 日产 为 6 2 8 0 t 。神府东胜煤田地质结构简单 ， 煤 层厚 、 稳 定 ， 开