煤礦智能化開采技術及其發展

張冬卉

（鐵法煤業（集團）有限責任公司，遼寧 鐵嶺112700）

1 煤礦智能化開采技術創新

1.1 智慧煤礦物聯網技術

智能決策和智能控制的前提就是對環境的提前感知和對設備狀態的感知。目前，我國煤礦開采時使用了多種監控系統，并呈現出飛躍式發展，能夠對煤礦生產中產生的關鍵信息予以感知。但是這些產品在運用時存在數據接口和平臺的異樣，相互之間無法融合，導致數據孤島或者數據出現碎片化現象，從而使得這些數據無法進行有效的數據分析，難以發揮出這些數據的利用價值。物聯網技術的應用實現了設備之間、環境之間、人員之間的數據互融。這一技術成為智慧煤礦開采的主要技術類型。

在應用煤礦物聯網技術時，需要注重設備定位與云計算提供的各項服務，針對這兩個方面進行突破。（1）在對煤礦開采人員進行定位時，可以建立井下的位置服務，同時也可利用空間感知場、井下位置服務等開展設備定位。（2）應用云計算服務、邊緣計算服務時，需要注重各設備數據之間存在的關系。

1.1.1 物聯網位置服務

超寬帶技術主要是利用糾偏算法，對不同的煤礦環境或者面對不同的開采條件計算出煤礦環境、溫度、介質條件；在協同定位平臺中借助激光雷達或者慣導等對不同介質進行協同定位；定位基站的功能是定位計算，即針對人員的位置或者設備的運行等進行計算，以了解當前設備運行的狀況，提升煤礦開采工作的安全性。如圖1所示。

圖1 煤礦物聯網位置的服務示意圖

1.1.2 物聯網云計算服務

該服務中最為關鍵的技術就是分布式計算技術，這一技術對構建大數據計算框架提供了數據上的支撐，如：在構建綜采工作面時，通過應用這一計算框架，制定數據的分析引擎，專家根據數據分析的結果（這些數據主要有音頻數據、空間的各項數據、時序數據或者大數據信息管理時出現的數據）做出判斷。標準算法庫進行開發，能夠分析分類數據或者回歸等大數據；可視化的工具，為各設備控制節點提供云計算服務或者邊緣計算服務等。

1.2 多信息融合的協同控制技術

構建多傳感器信息融合系統主要是根據多源信息的特征，如：所具備的相關性、關聯性。技術人員在采用融合算法，得出全年的數據信息，進而開展更加精準、智能化的煤礦開采、檢測、識別和探測等，從而使得相關人員依托智能化水平提升智能決策的能力。信息融合協同技術主要是相關技術人員在借助該系統對相關數據開展協同管理，對各項信息開展融合計算，得出最終的多信息計算結果后實現煤礦開采各項設備的聯動管理和控制，在短時間內完成預期任務后，促進各項設備的順利運行。這就可以看出協同管理和控制的過程中主要應用任務協同模式對設備進行統一控制，完成同一個任務。同時，協同控制時還可以應用協同模式，即該模式分為檢修模式協同、工作模式協同、停產模式協同等。例如：煤壁片幫進行分析，該系統中的超前壓力信息在發出報警信息后，系統給出相應的指令，在開展圖像分析時，相關技術人員借助傳感器（煤層圖像、斷面頂板圖像）等進行自動識別，在對其中的圖像進行有效識別后，使得圖像清晰度和分辨率得到提升，使得技術人員在觀測時更加精準。針對護幫板的保護，技術人員需要觀測護幫板的護幫強度，在對液壓支架初撐力自動補償系統進行啟動和運行時，保障傳感器與相關設備運行保持聯動狀態，進而實現對護幫板的有效保護。

在開展多源信息融合時，可以采用以下幾個方面的技術：（1）多傳感器系統的信息融合平臺；（2）構建信息融合系統的模型；（3）算法設計；（4）數據采集的處理和分析；（5）融合效果的評價或者分析。在對多源數據信息開展有效融合時，需根據數據方式的不同，對融合進行劃分，即直接融合、特征融合、決策融合等。如圖2所示。

圖2 智能開采工作面系統的多信息融合模型

如圖2所示我們可以看出，智能開采中的信息源呈現多元化，即來自于超前壓力、立柱壓力、頂梁傾角、護幫強度或者圖像中的信息。根據信息融合系統中不同的融合類型，即將這些信息源劃分為，前2種產生的信息源為直接融合；后2種主要為特征融合，決策融合就是為所有信息源開展的決策和判斷，提供了重要信息依據。

1.3 智能化綜采關鍵技術

智能化無人綜采技術是無人跟機開展的一系列作業任務。這一技術難點在于使用時需要增加和引進先進的遠程遙控技術，這一技術融合了多種關鍵技術，如：自動化技術、檢測技術、視頻技術、計算機技術和通信技術等，其是多種技術的綜合應用。

（1）液壓支架全工作面跟機自動化技術、遠程人工干預技術。即在液壓支架電液控制系統控制下開展無人跟機自動化控制，在實現電液控制系統數據與液壓支架視頻技術相互結合試用下，利用監控中心遠程操作臺對液壓支架進行人工干預，能夠對復雜的煤礦開采環境下液壓支架進行自動化控制。

（2）自動跟機技術。這一技術主要指綜采工作面的液壓支架跟隨采煤機位置或者采煤機運行的方向自動移架、自動噴霧、三機聯動和自動刮板輸送機等，對液壓支架自動跟機示意圖進行了展示，并對遠程干預控制界面進行了展示。

（3）記憶截割技術又稱之為采煤機控制技術，即借助采煤機學習示范到運行參數和采煤機自動化控制系統中的在線學習、修改參數功能等，完成綜采工作面全工序自動化割煤。

（4）工作面視頻監控技術。實際工作面中安裝視頻監控系統，在井下監控中心、地面指揮控制中心對整個煤礦開采工作面進行視頻監控。煤壁監控攝像儀能夠對采集到的視頻進行實時上傳，然后在將其傳到監控中心，構建了更加清晰的煤巖界面。為了獲取采煤機的位置，其主要是借助紅外線傳感器進行獲取，再借助軟件處理能夠無縫轉換攝像儀跟隨采煤機的畫面。

（5）綜采自動化集中控制技術。集中控制系統能夠對采煤機、液壓支架、運輸設備及供液設備等有機整合到一起，再合理編排，實現地面與井下的集中化管理和控制。

1.4 煤礦機器人

煤礦開采作業較為復雜，在開采時還會采用人工開采的方式。這不僅會增加危險性，還會降低工作的效率。因此，煤礦開采過程中利用機器人替代井下作業或者應急救援人工作業等已經成為未來智慧煤礦的新趨勢，究其原因，煤礦開采過程中造成的人員傷亡越來越多，利用先進的技術開展煤礦安檢和管控，對及時采取應急救援發揮著重要作用。極端復雜環境機器人的設計和應用，賦予了機器人感知的能力和防爆、導航、避障、路徑規劃、自救等方面的功能。因此，在之后研究中可以從以下幾個方面進行研究：井下機器人自我狀態的識別和避障功能；快速充電技術和協同管控等。

我國近幾年加大對機器人的研發和應用，為了提升機器人應用效果，即采用了井下機器人自適應變阻抗力跟蹤控制方法。這一方法應用后，避免機器人應用時所產生的碰撞問題和損害到其他設備的風險，即通過研究機器人與環境之間產生的接觸阻力等，找出其存在的變化規律，以得出最終的控制參數，應用變阻力跟蹤控制方法對機器人的自適應力開展跟蹤和控制，減少機器人發生碰撞的次數，實現對機器人的自動化控制。這一方法運用后，能夠減少機器人發生碰撞次數，降低對人員及周圍環境、設備的損害。

井下機器人在未知區域掃描檢測方法或者障礙識別方法還有待研究，同時，還在探測自身風險、自我避障等方面進行完善。

根據了解，井下機器人的電池容量有著嚴格要求，根據煤礦井下電氣設備安裝規范，研究供電快速充電技術成為煤礦機器人合理應用最為關鍵的技術。如：機器人無線自主尋徑充電方法或者防爆電源，無線充電裝置等。

2 煤礦智能化開采技術的發展趨勢

2.1 5G技術智能化開采技術

借助5G技術能夠促進智能化無人開采技術得到更快的發展，其在應用5G技術后，在自主感知、精準定位和智能導航等方面都取得了重大突破。可以看出，我國大范圍覆蓋5G技術，能夠給煤礦智能化開采帶來重要的作用和發展契機。其發揮的作用主要表現在以下幾個方面，見表1。

表1 5G技術與傳統智能開采技術對比

（1）大寬帶與泛在萬物互聯。井下綜采工作面或者掘進工作面都是復雜的環境或者受限最大的環境。5G環境下與泛在互聯海量傳感器進行部署，進而獲取更多類型的數據，數據量也會變大；部署高清攝像頭，獲取更加高清的視頻畫面，為了解設備的運行狀態、工作面的環境、人員可能存在的危險等情況提供重要依據，也為開展智能化的決策提供數據支撐。

（2）精準、可靠。5G最為關鍵的能力就是可靠性強、用時短等。煤礦采煤機在運行時其速度較快，5G能夠對采煤機姿態、采煤機速度和煤巖識別等進行判斷，邏輯控制序列中的動作。并且空口時延、端對端時延已經達到了毫秒級別，具有較高的可靠性，進一步保障了該設備遠程監控更加精準，得出更加可靠的信息。

（3）5G可以根據切片技術將物理網絡分割成多個邏輯獨立的虛擬網絡，進而對煤礦開采中不同的開采場景進行布置，借助移動邊緣計算技術，將煤礦井下不同的傳感器數據中融入更多的服務，如：預警服務和控制服務等，在將其下沉到數據源邊緣地帶，能夠在這一節點處對數據進行有效分析和對設備開展有效控制，提升了分析的智能性和高效性。

2.2 智能化綜采技術

智能化綜采技術成為當前煤礦開采的主要發展趨勢，我們可以從該技術應用中獲取更多經驗教訓，制定出更多關鍵技術和采煤工藝、智能化的技術路線。在應用更多新技術后，突破難點和重點，化解智能化綜采過程中出現的難題。

其一，綜采工作面使用無線通信技術，這一技術的應用能夠減少井下通信線纜的過多使用，緩解了強度較大的線纜維護難度。

其二，為了能夠使地面上的調度人員或者監控中心人員清晰地看到井下現場生產界面，需要進一步對遠程干預操作手段進行不斷豐富，以此提升巡檢人員的人身安全。即在未來需要對人員感知技術或者單兵作戰系統進行探索，在實現地面人員與監控人員的雙面通信后，能夠幫助這些人員隨時掌握現場的信息，在進行采集或者傳輸相關信息后，盡快了解到井下的信息。

3 結束語

煤礦智能化開采技術的革新對促進煤礦產業的轉型和發展發揮著重要作用。智慧煤礦也成為未來主要發展趨勢，智能化開采作為其主要核心技術，我們需要緊緊抓住信息技術和5G技術帶來的發展契機，將煤炭開采和數字化礦山的建設融為一體，借助人工智能、物聯網技術和大數據技術等促進傳統開采礦業的改革和創新，從而構建更加高效的智慧煤礦，實現智慧煤礦的可持續發展。