關(guān)于煤礦智能綜采工作面安全高效開(kāi)采適應(yīng)性評(píng)價(jià)分析

＊郭 磊

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部趙莊二號(hào)井 山西 046605）

科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，進(jìn)一步提高了我國(guó)工業(yè)信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)水平，同時(shí)也推動(dòng)著產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型，未來(lái)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向?qū)⑹歉叨戎悄芑Ｒ驗(yàn)楣ぷ魈攸c(diǎn)和惡劣自然環(huán)境等影響，煤炭企業(yè)需要重視礦山智能綜采工作面的安全隱患問(wèn)題，通過(guò)認(rèn)真調(diào)研礦山智能綜采工作面的安全性和有效開(kāi)采適應(yīng)性，順利開(kāi)展煤炭綜采工作，以實(shí)現(xiàn)智能化采礦的目標(biāo)。

1.智能化開(kāi)采概述

為了合理、高效地進(jìn)行采礦工作，智能化采礦技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。智能化采礦就是在自動(dòng)控制系統(tǒng)中增加了主動(dòng)決定功能，使工程開(kāi)采單位可以及時(shí)了解圍巖條件和外部環(huán)境的變化趨勢(shì)并自行調(diào)節(jié)采礦參數(shù)，其主要通過(guò)智能認(rèn)知、智能決定和智能管理這三個(gè)要素進(jìn)行采礦工作。主要特征是監(jiān)控裝置同時(shí)具有自主學(xué)習(xí)和主動(dòng)決定的功能，具有自我認(rèn)知、自監(jiān)控、自主調(diào)控的能力，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)采礦。自我認(rèn)知是經(jīng)過(guò)必要的信號(hào)采集，從而為自動(dòng)控制提供了基礎(chǔ)；自監(jiān)控則是通過(guò)采集和分析現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)信號(hào)，自主決策控制方案；自主調(diào)控是在主控裝置工作流程中，通過(guò)不斷掌握、調(diào)節(jié)和完善自主調(diào)控參量，以及時(shí)適應(yīng)工作環(huán)境發(fā)生的變化。智能采礦技術(shù)盡管目前還處在初級(jí)階段，但正在進(jìn)入創(chuàng)新發(fā)展的重要階段，它必須通過(guò)對(duì)作業(yè)面采高、支護(hù)體系和被保護(hù)巷道圍巖結(jié)構(gòu)之間的智能相互耦合群組自適應(yīng)控制、對(duì)作業(yè)面直線(xiàn)速度的智能引導(dǎo)、系統(tǒng)內(nèi)多目標(biāo)信息融合與協(xié)調(diào)、對(duì)超前性于保護(hù)系統(tǒng)和輔助作業(yè)面的智能調(diào)控等創(chuàng)新技術(shù)進(jìn)行突破研究，并借助對(duì)解決綜合機(jī)械性設(shè)備問(wèn)題的環(huán)境參數(shù)主動(dòng)感知實(shí)現(xiàn)對(duì)采礦行為的主動(dòng)監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)智能化采礦技術(shù)升級(jí)。

2.實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作面智能化開(kāi)采的思路與方法

(1)由簡(jiǎn)單地質(zhì)條件向復(fù)雜地質(zhì)條件過(guò)渡

礦石一般都處于地勢(shì)險(xiǎn)峻的環(huán)境中，因此，我國(guó)采礦工作中，綜采工作面的地質(zhì)環(huán)境比較復(fù)雜，不但會(huì)影響到智能化開(kāi)采的正常進(jìn)行，而且還會(huì)在特定條件下逐漸造成不可控制的影響。所以就要求工程技術(shù)人員必須在地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單的工作面上開(kāi)展試驗(yàn)，并對(duì)其進(jìn)行智能開(kāi)發(fā)，然后對(duì)其成功經(jīng)驗(yàn)合理總結(jié)，并且結(jié)合實(shí)際情況調(diào)整技術(shù)方法，同時(shí)注意引入各種較先進(jìn)的智能開(kāi)發(fā)技術(shù)，再把智能開(kāi)發(fā)重點(diǎn)向地質(zhì)條件較為復(fù)雜的工作面轉(zhuǎn)移，以便進(jìn)一步達(dá)到智能開(kāi)發(fā)的預(yù)想目標(biāo)。

(2)由遠(yuǎn)程遙控向智能化開(kāi)采發(fā)展

智能開(kāi)采工作面以遠(yuǎn)程遙控為應(yīng)用基礎(chǔ)，從而實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的操作和控制，實(shí)現(xiàn)智能化采礦。遠(yuǎn)程控制對(duì)智能化和智能化技術(shù)的實(shí)際要求相對(duì)較低，當(dāng)一些關(guān)鍵設(shè)備不能合理適應(yīng)時(shí)，也能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。但一般來(lái)說(shuō)，智能化采礦以遠(yuǎn)程控制為核心，其適應(yīng)性不足，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)設(shè)備故障時(shí)，需要工作人員進(jìn)入工作區(qū)檢查相應(yīng)設(shè)備，然后進(jìn)行調(diào)整和維修。

在工作面的智能開(kāi)發(fā)中，智能技術(shù)是核心內(nèi)容。其開(kāi)發(fā)成熟后，已廣泛應(yīng)用到了井下的信號(hào)傳輸技術(shù)、設(shè)備定位技術(shù)等方面，并完成了對(duì)工作面智能管理系統(tǒng)的集成。它的復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)不但為智能開(kāi)發(fā)創(chuàng)造了必要的技術(shù)條件，同時(shí)也在煤礦安全生產(chǎn)中起到了十分關(guān)鍵的作用，進(jìn)而保障設(shè)備的持續(xù)有效工作，更高效地完成了作業(yè)面的智能開(kāi)發(fā)與智能管控。隨著煤礦開(kāi)發(fā)技術(shù)的逐步提高，未來(lái)煤礦開(kāi)發(fā)所涉及的地質(zhì)條件也將更加復(fù)雜，機(jī)械設(shè)備運(yùn)用與綜采作業(yè)面也將更加復(fù)雜。只有通過(guò)合理運(yùn)用先進(jìn)科學(xué)技術(shù)成果，才能達(dá)到綜采作業(yè)面不需要人工干預(yù)的智能開(kāi)發(fā)。

3.煤礦綜采工作面智能化開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)分析

(1)視頻監(jiān)控技術(shù)

礦井開(kāi)展實(shí)施智能化采礦工作的過(guò)程中，會(huì)運(yùn)用許多專(zhuān)業(yè)的技術(shù)裝備來(lái)保證工作順利完成。但是，要想在最少的時(shí)間內(nèi)掌握井下作業(yè)的實(shí)際情況，就必須及時(shí)把視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)整合到礦井智能開(kāi)發(fā)的流程中。從現(xiàn)階段運(yùn)用煤礦井下視頻監(jiān)測(cè)技術(shù)的角度來(lái)看，其實(shí)是企業(yè)工作人員利用智能開(kāi)發(fā)系統(tǒng)中的視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，來(lái)更全面地對(duì)具體開(kāi)采情況以及設(shè)備運(yùn)作狀況加以掌握。

(2)在工作面運(yùn)輸機(jī)中的應(yīng)用情況

對(duì)采礦工程作業(yè)來(lái)講，需要重點(diǎn)注意的是采礦礦山搬運(yùn)期間長(zhǎng)壁工作面輸送機(jī)，其主要用作運(yùn)礦機(jī)械設(shè)備、采礦機(jī)運(yùn)輸?shù)能壍谰€(xiàn)路，隨著當(dāng)前對(duì)礦山機(jī)械設(shè)備需要量的增加，輸送機(jī)屬性改變也很大，主要體現(xiàn)在槽寬數(shù)據(jù)增加、管徑增大方面。由于使用設(shè)備可達(dá)到物料輸送及軟啟動(dòng)的功效，因此，一般作業(yè)通常采用的機(jī)械設(shè)備是液力耦合器、變頻電機(jī)，設(shè)備運(yùn)行應(yīng)用時(shí)能夠經(jīng)變頻器的自動(dòng)調(diào)壓原理而發(fā)揮作用。

(3)采煤機(jī)智能化

采煤機(jī)是綜采工作面的核心裝置之一，其智能程度是煤礦綜合機(jī)械性開(kāi)采作業(yè)面的關(guān)鍵。而采煤機(jī)的智能程度，也是可以針對(duì)煤層瓦斯開(kāi)采賦存狀況自行劃分標(biāo)高范圍，而這就需要采煤機(jī)對(duì)煤層開(kāi)采厚度有著精確的判斷能力。若無(wú)法正確辨別煤層瓦斯所開(kāi)鑿的標(biāo)高范圍，一方面可能會(huì)造成切割標(biāo)高范圍不夠，造成煤炭資源的浪費(fèi)；另一方面又可能會(huì)造成切割標(biāo)高范圍過(guò)大，切割了煤層瓦斯開(kāi)鑿頂板，進(jìn)而造成對(duì)采煤機(jī)的損傷程度增加。因此要能對(duì)同一工作面的煤層開(kāi)采厚薄程度進(jìn)行正確辨認(rèn)，采煤機(jī)上還應(yīng)該安裝精密的地質(zhì)雷達(dá)。地質(zhì)雷達(dá)不但能辨別地層的厚薄程度，還可以辨別地層類(lèi)型。

(4)井下數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

現(xiàn)階段我國(guó)智能化采礦流程中較為重要的工作內(nèi)容之一就是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，來(lái)判斷工作任務(wù)能否科學(xué)、順利地進(jìn)行下去。所以，不管是從科學(xué)技術(shù)角度而言還是從現(xiàn)實(shí)的具體操作層面來(lái)說(shuō)，環(huán)境數(shù)據(jù)分析工作都是十分重要的。與此同時(shí)，邏輯模型也充分展示了在煤礦智能挖掘過(guò)程中，人們必須掌握具體的環(huán)境數(shù)據(jù)和信息，通過(guò)準(zhǔn)確、合理地分析煤礦挖掘的有關(guān)信息和數(shù)據(jù)，以滿(mǎn)足各種環(huán)境的智能挖掘。總的來(lái)說(shuō)，在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，準(zhǔn)確的信息和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)能夠有效地幫助工作人員更加清晰全面地了解煤礦開(kāi)采過(guò)程中遇到的困難和問(wèn)題，并進(jìn)行針對(duì)性地解決。

(5)液壓支架智能化

液壓支撐是控制圍巖的主要設(shè)備之一，其主要功能是確保有一條安全的生產(chǎn)作業(yè)空間。而液壓支撐的主要智能化特點(diǎn)在于可依據(jù)地層電阻調(diào)整工作電阻，以保證工作面作業(yè)頂板的安全穩(wěn)定。這就需要研制一種新型智能液壓圍巖控制器，可依據(jù)圍巖的實(shí)際狀況設(shè)定合理的工作電阻。值得注意的是，若液壓支撐的實(shí)際工作電阻過(guò)大或過(guò)小均不利于作業(yè)面的順利開(kāi)挖。若液壓支撐的實(shí)際工作電阻較大，則會(huì)對(duì)頂部增加一次壓應(yīng)力，從而造成頂部的破裂，易于出現(xiàn)冒頂事故。若液壓支撐的實(shí)際工作電阻過(guò)小，則會(huì)造成頂?shù)装宓某两盗亢艽螅焕诓删驒C(jī)順利完成作業(yè)。

4.煤礦智能化開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)存在的問(wèn)題與解決方法

(1)采煤機(jī)智能調(diào)高控制

采煤機(jī)智能調(diào)高控制是指采煤機(jī)可以根據(jù)煤層的情況進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)自身的厚度和傾角做出相應(yīng)的變化，實(shí)現(xiàn)精確切割。目前，采煤機(jī)的智能控制主要用于獲取采煤機(jī)的準(zhǔn)確信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤作業(yè)。可自行繪制并記錄切割曲線(xiàn)路線(xiàn)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)后續(xù)開(kāi)采過(guò)程中的切割。該方法不能適應(yīng)煤層的變化，但可以應(yīng)用于煤層。從控制邏輯的角度，可以精確地調(diào)節(jié)其高度，但是在煤和巖石的識(shí)別技術(shù)上卻一直未能有較好的突破，在之后的研究中也沒(méi)有取得較好的研究成果。所以，在當(dāng)前煤礦界面識(shí)別采煤機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)并不是最好的途徑，而應(yīng)該利用信息預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行精確檢測(cè)，比如對(duì)其進(jìn)行三圍的精準(zhǔn)檢測(cè)和數(shù)字模型計(jì)算等，以便進(jìn)行更高效的智能管理。

(2)液壓支架群組與圍巖的智能耦合自適應(yīng)控制

液壓支撐系統(tǒng)是礦井機(jī)械化開(kāi)采運(yùn)用過(guò)程中非常關(guān)鍵的裝置，而其設(shè)備與圍巖相互作用狀態(tài)優(yōu)劣也會(huì)影響到工作生產(chǎn)的合理進(jìn)行。盡管目前對(duì)支撐動(dòng)作的調(diào)節(jié)做到了智能化，但由于其主要目標(biāo)是為了實(shí)現(xiàn)工作裝備的有效協(xié)調(diào)與推進(jìn)，對(duì)支撐本身動(dòng)作的調(diào)節(jié)，還需要人工來(lái)完成。所以目前面臨著效率不足、動(dòng)作協(xié)調(diào)性不足甚至還無(wú)法取得完全一致的效果。所以，必須通過(guò)適當(dāng)措施改善其控制效應(yīng)。支護(hù)系統(tǒng)的圍巖智能耦合，是指液壓支護(hù)架除了當(dāng)前被動(dòng)的支撐功能以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)主動(dòng)感知、分析以及調(diào)整溫度等作用，通過(guò)主動(dòng)改變支撐狀況實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能，從而使整體支撐狀態(tài)最大化。

當(dāng)前，為了提高液壓支撐群組與圍巖之間的自適應(yīng)控制，需要提高其準(zhǔn)確性，對(duì)于全方位的支撐狀態(tài)不但需要主動(dòng)感應(yīng)，還必須對(duì)當(dāng)前的常用支柱壓力進(jìn)行感知檢測(cè)，才可以準(zhǔn)確掌握對(duì)關(guān)鍵部位的受力大小、工作狀況的自動(dòng)檢測(cè)，以及頂板的完整性。它可以進(jìn)行超前的壓力上報(bào)和對(duì)上部圍巖破壞監(jiān)測(cè)，并且還可以對(duì)圍巖狀態(tài)進(jìn)行預(yù)知，唯有如此，才可以全方位地展示出支架保護(hù)的完全狀況。同時(shí)，還需要進(jìn)行自主調(diào)控支撐系統(tǒng)的構(gòu)造創(chuàng)新，對(duì)液壓支撐的初撐力和工作阻力及平衡力等都必須有一定的作用點(diǎn)，并通過(guò)一定參數(shù)，實(shí)現(xiàn)支撐的自適應(yīng)控制，對(duì)其構(gòu)造方式進(jìn)行革新，并增加支撐的可調(diào)整范圍以滿(mǎn)足各種采高以及圍巖條件變化。此外，還必須實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支撐組的智能管理。目前主要研究的是單個(gè)支架的支護(hù)狀況，很少研究多工作面液壓支撐組合的支護(hù)。有關(guān)工程技術(shù)人員必須深入研究支撐組合的支護(hù)阻力分布狀況，分析其具體參數(shù)和分布特點(diǎn)，并針對(duì)調(diào)查的實(shí)際狀況形成適當(dāng)?shù)闹谓M合和圍巖，從而達(dá)到一定的自適應(yīng)控制要求。

5.煤礦智能綜采工作面安全高效開(kāi)采的適應(yīng)性研究

(1)智能開(kāi)采評(píng)價(jià)方法和指標(biāo)體系

在實(shí)現(xiàn)智能完全機(jī)械化采掘過(guò)程中，工程技術(shù)人員必須評(píng)估工作面地質(zhì)條件，以確定在開(kāi)采過(guò)程中是否能應(yīng)用智能完全機(jī)械化采掘的可能，并提供有針對(duì)性的工程技術(shù)對(duì)策，以保證開(kāi)采工作的順利進(jìn)行。怎樣采用權(quán)重法和模糊數(shù)學(xué)方法建立評(píng)價(jià)系統(tǒng)，為工作面的采礦管理工作提供了可信的技術(shù)基礎(chǔ)。礦井智能綜采對(duì)于地質(zhì)條件提出了更高的需求。因?yàn)檫M(jìn)行智能化采礦，必須盡可能地滿(mǎn)足對(duì)煤層的賦存要求，因此工作人員需要分析國(guó)內(nèi)最有代表性的工作面地質(zhì)條件，并建立智能作業(yè)面環(huán)境影響因素?cái)?shù)據(jù)庫(kù)，以分析各種原因?qū)χ悄艿V井綜合機(jī)械化采掘設(shè)備的影響。

(2)量化評(píng)價(jià)指標(biāo)

在采礦作業(yè)開(kāi)展中，為確定煤礦在智能綜采作業(yè)面的開(kāi)發(fā)要求，工作人員可設(shè)置綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和分類(lèi)量化各項(xiàng)綜合考評(píng)指標(biāo)。管理人員要根據(jù)礦井智能綜采特點(diǎn)，掌握成熟的智能化采礦經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定分類(lèi)量化的標(biāo)準(zhǔn)，可以分類(lèi)為不同的級(jí)別，根據(jù)等級(jí)分類(lèi)量化不同評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(3)確定各因素權(quán)重

不同的綜合評(píng)價(jià)原因，會(huì)直接影響礦井智能綜采工作面開(kāi)采與修購(gòu)能力，為統(tǒng)一綜合評(píng)價(jià)體系可使用各種因素權(quán)重表示不同原因，為防止研究人員的主觀性影響到各種因素的權(quán)重比例，在評(píng)價(jià)權(quán)重測(cè)算階段，研究人員必須研究各現(xiàn)場(chǎng)原因，并運(yùn)用AHP層次分析法，單獨(dú)測(cè)算第一原因權(quán)重比例與第二原因權(quán)重比例，最后決定各原因的權(quán)重比例。

(4)建立評(píng)價(jià)模型

采用模糊綜合評(píng)估模式，可以通過(guò)對(duì)煤礦智能綜采工作面的開(kāi)發(fā)條件進(jìn)行綜合評(píng)估，從而得出較為直接的評(píng)估結(jié)論。使用百分位算法對(duì)各因素加以評(píng)分，并將其映射為綜合評(píng)估價(jià)值，從而得出對(duì)各評(píng)估等級(jí)的評(píng)分重心。在此基礎(chǔ)上，對(duì)樣本屬性作出評(píng)估，并根據(jù)評(píng)估分?jǐn)?shù)判斷開(kāi)采要求的適應(yīng)性以及智能開(kāi)采的有效性。分?jǐn)?shù)越高，就表示該采礦要求能夠滿(mǎn)足智能綜采，實(shí)現(xiàn)智能化采礦。

6.結(jié)束語(yǔ)

綜采工作面智能化開(kāi)采不僅可以合理地減少井底事故，而且可以合理地控制工作面的過(guò)剩產(chǎn)量。智能化采礦不僅需要分析工作面的各種非技術(shù)要求，還必須做好井下監(jiān)測(cè)工作，為促進(jìn)通信科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供必要的技術(shù)手段，有效保障智能化采礦工作在早期的智能化采礦中，主要是由簡(jiǎn)單的地質(zhì)要求向較為復(fù)雜的地質(zhì)要求轉(zhuǎn)變，對(duì)智能化采礦要求的掌握至關(guān)重要。現(xiàn)階段綜采工作面智能化發(fā)展主要以遙感技術(shù)自動(dòng)化技術(shù)為核心，而智能無(wú)人采礦也可以看作是遙感智能化發(fā)展的延續(xù)，但隨著開(kāi)采技術(shù)的逐步完善，智能無(wú)人開(kāi)采將逐漸成為綜采工作面發(fā)展的主導(dǎo)形式。