煤礦綜采工作面無人化開采技術探析

仇磊

摘 要：綜采工作面無人化是保證煤礦安全及效率提升最有效的途徑，無人化無論從技術儲備還是實際需求出發都需要建立在少人化模式的充分發展基礎之上，少人化模式的常態化應用是目前中國煤礦自動化發展的重點，無人模式是發展方向。本文進一步分析了煤礦綜采工作面無人化開采技術，以供同仁參考借鑒。

關鍵詞：煤礦；綜采工作；無人化；開采技術

1 無人工作面開采的優勢及限制條件

1.1 無人工作面技術及其優勢

由于采煤工作面易出現頂板、瓦斯、水、火、地熱等眾多災害，使得工作人員的生命安全受到嚴重威脅。無人工作面開采技術指的是采煤工作的破煤、裝煤、運煤、支護、采空區的處理等工序完全實現智能無人化，人僅需在離工作面一定距離的巷道（或硐室） 內進行遠程控制即可。無人工作面開采技術，使得在煤炭的生產過程中，采煤工作面現場沒有人員的出現，避免了任何安全事故的發生。這在我國乃至世界的井工開采技術中有著里程碑式的意義。

1.2 無人工作面開采技術的限制條件

制約無人工作面開采技術發展的最重要因素為煤層的賦存條件。我國的大部分煤礦地質條件極其復雜，斷層、褶皺、陷落柱、火成巖入侵等地質構造層出不窮，給采煤自動化、智能化帶來嚴峻的挑戰。目前，我國僅在神東、陜煤、平煤、永煤等煤層賦存均勻、無地質構造的幾個采煤工作面實現了遠距離的控制。因此，無人工作面開采技術仍然需要進行進一步大量的研究與探索。

2 傳統煤礦開采技術中的常見問題

2.1 嚴重破壞土地資源

現階段，采用傳統開采技術開采的煤炭產量仍然占有相當大的比例，即使是國家重點煤礦的開采也多以長臂式開采等傳統開采方法為主。這種傳統的開采方法會產生極大范圍的地表植物的破壞，并且能夠引起地表塌陷。地表的塌陷不僅會造成水土流失和土地荒漠化，還有可能誘發滑坡、泥石流等自然災害，對地表植被及土地資源造成難以恢復的破壞。與此同時，因開采而形成的采空區還會對地表建筑物產生非常大的影響。因為地下被采空之后，地下的巖層、土層會發生流動、崩塌的現象，大大降低了建筑物的安全性。

2.2 嚴重破壞水資源

但在煤炭的實際開采過程中，經常會出現因開采而引起的漏斗式降落，地下水的水流速度會加快，地下水位也會明顯下降，這種情況的存在破壞了水資源自身的生態平衡。眾所周知，我國的淡水資源極為緊缺，煤炭開采所造成的水資源的污染和破壞問題勢必會加重我國的淡水資源供應壓力，不利于經濟社會的可持續發展。

2.3 瓦斯處理系統不完善，安全性差

安全是企業生產經營順利進行的重要保障，尤其在煤礦開采過程中尤為重要。但受傳統煤礦開采技術的限制，部分煤礦企業片面的追求經濟效益，不重視企業的安全問題。而因為安全工作落實不到位而出現的安全事故在煤礦開采企業中頻繁發生。在煤炭的開采過程中涉及到非常多的技術，其中，瓦斯處理系統是煤炭開采過程中不可小覷的一項技術。因為瓦斯處理系統不僅會在使用過程中對環境造成較大的污染，而且因為瓦斯屬于易燃物，存在較大的安全隱患，所以，瓦斯處理系統的完善與否具有非常重要的意義。如果瓦斯處理系統不完善就有可能引發災害或事故的發生，影響到企業的安全生產。

3 煤礦綜采工作面無人化開采關鍵技術

3.1 煤巖自動識別技術

煤巖自動識別系統是煤礦無人開采工作面技術的重要組成部分，也是其關鍵技術之一，煤巖自動識別技術應用較早，早在20世紀90年代煤巖自動識別技術已經應用于煤礦開采工作中，因此煤巖自動識別技術在系統設備和識別技術方面均已達到一個較高的水平。煤巖自動識別技術利用紅外線、紫外線、超聲波、雷達探測的方式，深入較深的煤層。煤巖自動識別技術包括記憶程序控制系統及震動頻譜傳感系統，記憶程序控制系統是煤巖自動識別系統的核心部分，負責識別煤巖的分界；而震動頻譜傳感系統主要適用于圍巖較為復雜的地區，能夠通過傳感器將地下煤巖的情況以頻譜的方式呈現，從而作為煤礦無人面開采的依據。由于技術的限制，煤巖自動識別技術在圍巖復雜的地區的應用效果會大打折扣，因此煤巖自動識別技術的研究方向，應該集中于提升煤巖傳感器的分辨率和計算機控制系統穩定性兩方面，從而使煤巖自動識別技術在煤礦無人面開采工作中發揮更大的作用。

3.2 采煤機自主定位系統

作為人工作面技術的發展前提，研究地下高速通訊系統和高精度地下定位、定向系統對自主定位采煤機的開發具有重要的現實意義，開發出適合中國礦山實際情況的定位系統能夠大幅度提高我國無人面開采技術水平，其設計優化主要包含以下幾個方面：

（1）采煤機動力模型。采煤機的工作環境復雜多變，眾多因素都能干擾采煤機的運行，進而影響采煤機的工作狀態。因此，在動力模型的設計過程中，合理確定采煤機的即時速度、加速度以及位置等運動狀態參數就成為了重要的考量要素。在進行這些工作之前需要首先建立自主定位采煤機動力學模型，模擬外界干擾下的采煤機運動特征，確定其準確的運動狀態。

（2）設計數據的精確計算。在建立動力模型之后，針對模型的分析需要大量的數據進行支持，因而在設計實驗過程中需要更為高效的數據處理辦法，有效地解決計算精度、計算量、計算時間及坐標轉換等問題。

（3）航位推算誤差補償模型。工作環境會影響采煤機慣性傳感器準確度，進而影響航位推算系統精度，所以針對設備在礦井地下特定環境中的誤差補償進行研究顯得尤為重要。受技術與經濟上制約，單純依靠儀表結構設計與制造工藝來減少傳感器的誤差，其實際效果是十分有限的，所以在補償模型的建立過程中，需要使用最優估計方法對移動目標位置測算，減少慣性傳感器準確度對位置狀態的影響，降低累計誤差，提高航位推算系統精度。

（4）航位推算系統工作性能。煤礦井下工作環境惡劣多變，要保證航位推算系統的工作性能，就要針對設備的防爆性、防水性、防塵性、防震性等做出優化設計，提高系統的工作可靠性。

（5）礦井導航系統研究。現階段，無人面開采導航系統的主要功能是通過高精度電子地圖和采煤機定位系統實現的。其中，地圖匹配需要采煤機運動處于預定軌道，在軌道數據已知的條件下，通過比較采煤機實際運動路線與地圖數據庫中的軌道相符程度來確定其運動位置和運動軌跡，從而實現傳感器誤差的校正，保證采煤機處于正確路線。

3.3 多傳感器技術

在煤礦無人工作面開采技術的應用中，為了能更高效地對煤礦進行開采，采煤機需要得到更多信息，多傳感器技術在這個過程中扮演著重要角色，將礦井下信息進行收集，并將分析結果對無人工作面開采系統進行反饋，確保系統能做出正確判斷。

3.4 井下—井上雙向高速通訊技術

井下—井上雙向高速通訊技術能幫助礦井工作人員更好地了解井下采煤機的情況，通過工作人員對采煤機在井下的環境、設備狀態等數據的分析，對其進行適當調整，該技術的快速、準確、完整等特點為井下煤礦開采工作的順利進行提供了保障，當礦井下出現問題時，工作人員可通過該技術對問題進行充分了解，并制定相關解決方案，使煤礦開采工作更高效。

4 結束語

針對煤礦無人工作面開采技術的研究，需要對無人工作面的概念、特征、系統模型及技術體系的分析，對中國煤礦工作面自動化水平進行深入的理解， 對現代先進技術進行集成創新，發展出符合中國國情的無人工作面開采技術。

參考文獻：

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