煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

景少波

(陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

近年來(lái)，隨著社會(huì)各界人士對(duì)能源結(jié)構(gòu)和能源安全的關(guān)注度與重視度的不斷提高，加之我國(guó)煤礦工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)逐步完善，產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)不斷進(jìn)步，社會(huì)對(duì)煤炭產(chǎn)業(yè)節(jié)能環(huán)保工作的關(guān)注度不斷提高，在煤炭資源智能化開(kāi)采和煤礦產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中，逐步提出降低煤礦資源能源占比、提高清潔能源使用效率?，F(xiàn)階段煤炭資源仍為我國(guó)主體能源之一，是我國(guó)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重要組成[1]。傳統(tǒng)的煤炭開(kāi)采技術(shù)很難滿足現(xiàn)階段煤炭產(chǎn)業(yè)智能化應(yīng)用的基本需要。在此背景下，對(duì)煤礦智能開(kāi)采技術(shù)研究現(xiàn)狀及未來(lái)展望的分析探討，具備重要理論意義與現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 煤礦智能化概述

煤礦智能化是我國(guó)煤礦工業(yè)生產(chǎn)的全新形式，也是我國(guó)煤礦工業(yè)可持續(xù)性健康發(fā)展和穩(wěn)步發(fā)展的基礎(chǔ)支撐[2]。煤礦智能化主要是將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)以及其他各項(xiàng)技術(shù)融為一體，形成更加標(biāo)準(zhǔn)、更加完善、更加一體、更加健全的覆蓋煤礦產(chǎn)業(yè)鏈全過(guò)程的全面感知體系，形成煤炭資源開(kāi)采的全數(shù)據(jù)傳輸通道，是為煤炭資源開(kāi)采的數(shù)據(jù)傳輸、應(yīng)用分析等提供數(shù)據(jù)支撐的服務(wù)平臺(tái)[3]。煤礦智能化將大數(shù)據(jù)信息技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)融為一體，使煤炭資源的開(kāi)采過(guò)程更加自動(dòng)化、智能化和科學(xué)化，實(shí)現(xiàn)煤炭資源開(kāi)采過(guò)程的全過(guò)程管控與全流程控制，使煤炭資源的開(kāi)采效率能夠得到大幅度的提升，也把發(fā)生安全事故的可能性降到最低，保證煤炭資源開(kāi)采的安全性，為煤炭資源開(kāi)采企業(yè)提供更有力的安全保障，也為煤礦生產(chǎn)企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)效益和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力提供支持。

另一方面，煤礦智能化體系的發(fā)展符合現(xiàn)階段我國(guó)環(huán)境保護(hù)的基本策略要求，能夠?qū)崿F(xiàn)煤炭資源開(kāi)采企業(yè)由傳統(tǒng)模式下的粗放型管理向綠色環(huán)保管理的工作模式的轉(zhuǎn)變[4-5]。在此過(guò)程中，煤礦智能化能根據(jù)煤礦資源開(kāi)采不同階段的實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)狀，結(jié)合煤炭資源開(kāi)采初期、開(kāi)采中期和開(kāi)采末期的不同特征形成管理平臺(tái)，利用不同的管理功能形成不同的結(jié)構(gòu)服務(wù)，包括煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中的綜合管理服務(wù)模塊、煤礦井下定位導(dǎo)航服務(wù)模塊、煤礦采掘運(yùn)輸信息傳輸和管理模塊、井下空間視頻監(jiān)控模塊、井下空間三維景象模擬模塊以及井下空間危險(xiǎn)系數(shù)感知示警模塊、智能化無(wú)人操作系統(tǒng)管理模塊等諸多方面的聯(lián)合運(yùn)營(yíng)，實(shí)現(xiàn)各模塊之間的相互連接和功能之間的相互依托，為順利開(kāi)展各項(xiàng)工作提供強(qiáng)有力的支撐，煤礦智能化平臺(tái)架構(gòu)示意圖，如圖1所示。

圖1 煤礦智能化平臺(tái)架構(gòu)示意Fig.1 Architecture of coal mine intelligent platform

2 煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 精準(zhǔn)定位系統(tǒng)技術(shù)

在煤礦智能化開(kāi)采過(guò)程中，精確定位系統(tǒng)技術(shù)是提升智能化程度的重要手段。為了能夠按照預(yù)期生產(chǎn)計(jì)劃推進(jìn)各項(xiàng)工藝流程，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的安全生產(chǎn)和高效開(kāi)采，必須做好準(zhǔn)確的煤炭資源的定位工作[6]。在整個(gè)煤礦資源的開(kāi)采過(guò)程中，由于開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較為復(fù)雜，井下空間較為狹窄，地上地下空間的電磁信號(hào)連接和接收性能相對(duì)較差，在該類特殊的環(huán)境條件下，實(shí)現(xiàn)地面空間和井下空間數(shù)據(jù)的精確定位與導(dǎo)航的難度大幅度提升，因此，發(fā)展精確定位系統(tǒng)技術(shù)尤其必要，在融合GIS信息定位的基礎(chǔ)上，利用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、遙感定位技術(shù)等多項(xiàng)先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，結(jié)合復(fù)雜磁場(chǎng)環(huán)境空間的導(dǎo)航技術(shù)、局部定位的芯片導(dǎo)航技術(shù)、井下空間高速無(wú)線通信技術(shù)甚至是煤礦井下空間高精度定位技術(shù)等諸多技術(shù)，各技術(shù)強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，保證定位系統(tǒng)得到的最終數(shù)值更加精確科學(xué)，以此順利開(kāi)展煤礦資源開(kāi)采的各項(xiàng)工作，保證煤礦企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益[7]。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)技術(shù)

眾所周知，在煤礦資源開(kāi)采過(guò)程中，煤礦實(shí)際開(kāi)采過(guò)程和開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境較復(fù)雜，不同煤層間的地質(zhì)參數(shù)、壓力參數(shù)信息等各有不同，所采取的煤炭資源開(kāi)采技術(shù)也就隨之不同。而同一平面空間或三維立體空間很可能含有原油天然氣或者鐵礦、銅礦等資源，也在一定程度上提升了煤礦資源開(kāi)采的困難程度[8]。此外，煤礦資源開(kāi)采還伴隨著一定的環(huán)境潮濕性，給順利開(kāi)展煤礦資源開(kāi)采工作造成了一定阻礙，很容易導(dǎo)致在煤礦井下空間缺氧環(huán)境條件下發(fā)生安全事故，嚴(yán)重者直接造成井下空間區(qū)域內(nèi)工人的人身安全受到威脅。

因此，在煤礦智能化的開(kāi)采過(guò)程中，通過(guò)對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的監(jiān)測(cè)，利用對(duì)周邊地質(zhì)參數(shù)、空氣參數(shù)以及震動(dòng)探測(cè)參數(shù)等的檢測(cè)，快速甄別煤礦開(kāi)采空間可能存在的異常信息或危險(xiǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將該類已被識(shí)別的數(shù)據(jù)參數(shù)快速上傳到總調(diào)度中心，通過(guò)調(diào)度中心通知井下空間工作人員的方式，提升煤礦資源開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)的安全管理水平，為快速提高煤礦資源開(kāi)采系統(tǒng)安全管控能力和及時(shí)制定緊急防范措施提供參考。同時(shí)，在煤礦資源的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，應(yīng)注重現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境檢測(cè)技術(shù)不同功能之間的相互聯(lián)系和相互承接，保證煤礦開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)不同環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的具體監(jiān)測(cè)結(jié)果能相互印證，確保煤礦開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息被更周全獲取，以此保證該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的準(zhǔn)確性，促使該項(xiàng)技術(shù)能在更復(fù)雜的煤礦資源開(kāi)采環(huán)境中得到更有效的應(yīng)用。

2.3 數(shù)據(jù)分析技術(shù)

數(shù)據(jù)分析技術(shù)是煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)中的重要內(nèi)容，由于數(shù)據(jù)分析技術(shù)是煤礦智能化系統(tǒng)和煤礦智能化平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ)支撐，不論是在煤礦智能化的實(shí)際操作平臺(tái)或技術(shù)平臺(tái)構(gòu)建過(guò)程中，還是在煤礦智能化系統(tǒng)的軟件運(yùn)行和分析過(guò)程中，數(shù)據(jù)分析的重要性都不可忽視。在數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用于煤礦資源開(kāi)采過(guò)程中，由于絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息采用傳感器設(shè)備收集和獲取，為更周全地得到煤礦資源開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)的參數(shù)，保證對(duì)煤礦開(kāi)采過(guò)程的正常推進(jìn)，往往利用諸多傳感設(shè)備對(duì)井下空間的任意結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，大體量的數(shù)據(jù)信息的分析和隱藏信息的挖掘也是數(shù)據(jù)分析技術(shù)存在的根本。

通過(guò)對(duì)大體量數(shù)據(jù)信息的挖掘，能夠形成規(guī)律性的歷史文件，探知煤礦資源開(kāi)采過(guò)程中的具體規(guī)律，并將該規(guī)律運(yùn)用到后續(xù)的煤礦資源開(kāi)采過(guò)程中，提升煤礦資源開(kāi)采效率，同時(shí)構(gòu)建煤礦智能化數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，完善煤礦智能開(kāi)采生產(chǎn)模式[9]。此外，數(shù)據(jù)分析技術(shù)能在煤礦開(kāi)采過(guò)程中為不同階段的工作人員開(kāi)展不同性質(zhì)工作提供相對(duì)便利和相對(duì)準(zhǔn)確的解決措施，使基層生產(chǎn)員工可能存在的問(wèn)題能通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單反饋得到解決，保證順利推進(jìn)資源開(kāi)采各階段的工作。

2.4 視頻監(jiān)控技術(shù)

視頻監(jiān)控技術(shù)在煤礦智能化開(kāi)采過(guò)程中是應(yīng)重視的又一重要技術(shù)類別。在我國(guó)煤礦工業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展過(guò)程中，盡管其得到了諸多監(jiān)控設(shè)備和監(jiān)控技術(shù)的支持，但由于煤礦產(chǎn)業(yè)開(kāi)采的保密性需要以及其他因素的影響，部分煤礦開(kāi)采過(guò)程仍舊出現(xiàn)了一定問(wèn)題，影響了對(duì)煤礦資源的開(kāi)采效率和管理水平的快速提升，通過(guò)視頻監(jiān)控技術(shù)，能夠在煤礦指揮中心和調(diào)度中心實(shí)時(shí)觀測(cè)井下空間的具體內(nèi)容，通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)井下空間的煤層傾斜度、煤層構(gòu)造形式以及煤層傾斜角度的變化進(jìn)行全過(guò)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控，時(shí)刻分析開(kāi)采技術(shù)對(duì)煤層傾斜角度變化的影響，找尋一定的規(guī)律反饋后創(chuàng)新優(yōu)化煤礦開(kāi)采技術(shù)，為煤礦井下空間安全事故發(fā)生前的預(yù)警工作以及緊急措施方案的制定提供可能，降低安全事故發(fā)生的可能性，也能在發(fā)生煤炭安全事故時(shí)為采取緊急避險(xiǎn)措施和縮小不良影響提供支持。

此外，利用視頻監(jiān)控技術(shù)，能更深入地了解煤礦智能化開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，通過(guò)傳感器獲取的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比分析，具體情況具體分析，采用人工干預(yù)方式解決煤礦資源開(kāi)采存在的問(wèn)題，保證煤礦資源開(kāi)采各項(xiàng)工作開(kāi)展的科學(xué)性與有效性，最大化提升煤礦資源開(kāi)采生產(chǎn)效率，為煤礦企業(yè)獲取經(jīng)濟(jì)效益和培育市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力奠定更扎實(shí)的基礎(chǔ)。

3 煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展展望

就未來(lái)一定時(shí)期內(nèi)煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展而言，煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)主要向智能裝備技術(shù)、智能導(dǎo)航技術(shù)、智能機(jī)器人技術(shù)、三無(wú)開(kāi)采技術(shù)、智能掘進(jìn)技術(shù)等方向發(fā)展[10]。就智能裝備技術(shù)而言，由于煤礦資源開(kāi)采環(huán)境特殊，必須進(jìn)一步推進(jìn)井下空間高速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，推進(jìn)煤礦資源快速高效甄別技術(shù)的應(yīng)用，推進(jìn)煤礦資源自動(dòng)化技術(shù)的研究，進(jìn)一步提高煤礦井下空間網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建水平，不斷增加井下網(wǎng)絡(luò)空間的信息傳輸速度，優(yōu)化煤礦智能裝備的整體性能，保證煤礦開(kāi)采智能裝備的實(shí)用性和科學(xué)性。就智能導(dǎo)航技術(shù)而言，在煤礦資源的井下開(kāi)采過(guò)程中，應(yīng)不斷加強(qiáng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和導(dǎo)航技術(shù)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，通過(guò)對(duì)煤炭資源采掘技術(shù)的實(shí)時(shí)定位，不斷增強(qiáng)煤礦開(kāi)采工作面的管理能力，不斷提高煤炭資源三維空間的定位水平，提高對(duì)煤炭資源設(shè)備的智能化管控力度，最大限度在煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中做到對(duì)設(shè)備的安全監(jiān)管和高精度的空間定位。就智能機(jī)器人技術(shù)而言，在煤炭資源的開(kāi)采過(guò)程中，工作面的運(yùn)營(yíng)與維護(hù)管理是煤炭資源開(kāi)采不可避免的重要內(nèi)容?，F(xiàn)代低碳環(huán)境理念下，對(duì)煤炭資源開(kāi)采工作面的維護(hù)管理的重要性進(jìn)一步凸顯[11-12]。通過(guò)智能機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制，能夠?yàn)槊禾抠Y源工作面的維護(hù)管理起到輔助作用，利用性能相匹配的傳感設(shè)備和智能機(jī)器人的改裝處理，能夠在煤炭資源開(kāi)采過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面的智能化控制和智能化監(jiān)管，從而順利開(kāi)采煤礦資源，智能機(jī)器人開(kāi)采示意圖，如圖2所示。

圖2 智能機(jī)器人開(kāi)采示意Fig.2 Mining of intelligent robot

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，煤礦智能化發(fā)展是不斷提高煤礦機(jī)械化水平和自動(dòng)化能力的大環(huán)境下的重要延伸，是煤礦產(chǎn)業(yè)升級(jí)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要內(nèi)容。強(qiáng)調(diào)煤礦資源開(kāi)采過(guò)程中的科學(xué)管控與高效管理，能夠通過(guò)對(duì)設(shè)備的各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，使煤礦開(kāi)采過(guò)程呈現(xiàn)更科學(xué)的工作流程和更高效的管理格局，適應(yīng)當(dāng)代社會(huì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要。