煤礦智能無人采煤工作面開采關鍵技術

＊胡海峰

（山西焦煤汾西礦業集團柳灣煤礦 山西 032303）

采煤工作面始終是最繁忙的施工場所之一，在煤炭開采作業中經常面臨威脅人員和設備安全的不利影響，比如瓦斯超標、頂板災害等煤礦生產問題，如果處理不當就會發生嚴重的安全生產事故，給企業平穩健康發展帶來無法彌補的創傷。近些年隨著智能技術不斷發展成熟，在煤炭開采中推廣使用智能無人工作面成為一種新的方向，智能無人采煤技術不僅可以提升煤炭開采效率，減少當班人員數量，還可以在保障安全生產的前提下提升煤炭生產的穩定性，減少各種礦井災害的不利影響。為此，有必要深入開展煤礦智能無人采煤工作面開采技術研究工作，分析智能無人開采關鍵技術，從中找到安全高效環保的煤炭開采技術。

1.采煤工作面常見災害種類分析

(1)頂板災害

頂板災害在煤炭生產中是一種比較常見的危險事故，占煤炭所有災害的比重也很大。近些年，隨著國家對煤礦頂板災害研究的重視，頂板支護理論不斷發展成熟，礦山壓力、巖石裂縫脫落等得到有效治理，使得大規模冒頂事故得到有效避免，然而局部小規模的冒頂事故仍然是煤礦開采工作面安全治理的難點。一些局部冒頂事故常發生在靠近煤壁附近、采煤工作面兩端、井下放線附近及地質斷裂帶附近。局部冒頂事故可以是漏冒型頂板、壓垮型冒頂和推垮型冒頂中的任何一種或多種，多樣化的事故類型造成局部冒頂研究更加復雜，甲酯局部冒頂事故多為偶然性零星小型事故，容易造成煤礦安全管理方面的疏忽。實際上，多數的局部冒頂事故發生前都會表現出一定的征兆，只有采取正確的監測、預防手段，掌握冒頂事故的發展規律，才能從根本上預防和減少冒頂事故的發生。

(2)瓦斯及粉塵災害

瓦斯災害也是煤礦安全事故的常見類型，常見的瓦斯災害主要有兩種，分別是瓦斯爆炸和瓦斯突出。瓦斯突出主要存在于巷道掘進工作中，而瓦斯爆炸則多發生在采煤機割煤的過程中，這是由于瓦斯原本穩定地質條件下存在于地下煤層巖石間隙，采煤機械開始運轉后，強烈的機械振動、切割產生的高溫、變大的煤層裂縫等綜合因素作用下，使瓦斯氣從煤層巖石間隙逃離聚集在采煤工作面，如果處理不當就會造成瓦斯爆炸。此外，煤礦生產過程需要切割煤層和巖石，加之煤炭生產作業空間狹小，很容易在有限的空間內漂浮大量的固體粉塵，如果采煤工作面通風不暢的情況下，就會造成粉塵超標，危險安全生產的形勢。粉塵災害的另一個體現是大量的煤塵和矽塵等混合型固體顆粒隨呼吸進入工人體內，這些固體顆粒不能經過肺泡代謝排出體外，最終會演變為塵肺病。必須采用一定的技術手段除塵降瓦斯，為煤炭生產提供安全的作業環境。

(3)礦井火災

在煤礦安全生產事故中，礦井火災是一種危險程度較大的災害類型。常見的煤礦火災可以是電氣設備著火、煤場自燃、人為引發火災等，由于井下著火多發生在狹小采煤工作面或者采煤巷道，火災產生的煙氣會導致人員窒息，同時井下火災撲救難度較大，稍不注意就容易演變成重大火災事故。在所有火災類型中煤場自燃是最常見的著火形式，隨著地下埋藏的煤炭采掘過程中逐漸暴露在空氣中，機械采掘的高溫將煤層點燃，如果不采取有效措施控制煤層自燃的范圍和程度，就會導致整個采煤工作面都出現嚴重的火災，對煤礦整體安全生產帶來不利的影響。鑒于煤礦火災危害嚴重，要根據礦井火災的特點分類做好火災預防工作。對于煤層自燃現象，要做到科學制定采煤工作計劃，減少對礦體的破壞和碎礦堆積，留出充足的空間保持空氣流通，減少煤層附近熱量過多聚集。對于外因導致的火災，少量明火可以水、砂、磚塊、干粉滅火器等撲滅，當火勢較大時要能夠用發泡塑料、橡膠氣囊等阻隔火勢，同時啟動礦井反風裝置，防止煙氣返流至采煤工作面。

(4)礦井水災

在煤礦采煤工作面生產過程中，地面水和地下水可以通過各種通道匯入，如果礦井涌水量超過了井下正常的排水能力時，就會在井下工作面形成礦井水災。礦井水災事故也是煤礦常見的主要災害形式，水災導致的淹井事故不僅影響礦井正常的生產活動，而且透水事故淹沒井下電氣設備造成相關設備報廢，人員如果未及時疏散還會造成傷亡事故，給企業安全生產帶來嚴重的不良后果。煤礦井下水災事故有承壓水、老窖水等形式，這些透水事故的特征表現各不相同，但是都是對煤礦危害比較大的災害類型。對于老窖水而言，通常存在于舊有礦坑采空區，一旦工程施工觸碰到這些老窖水，老窖積水就會迅速涌進采煤巷道，同時這些老窖水由于長時間處于封閉狀態，水中含有大量腐蝕性酸性氣體很容易導致人員窒息甚至死亡。對于煤礦承壓水而言，一些煤礦開采深度較深，在煤層鉆孔作業時需要警惕打通地下承壓含水層，為此，煤礦企業必須加強探放水制度落實督導，在認真分析探放水安全的結論后才能進行正常的采煤作業。

2.煤礦智能無人工作面開采技術

(1)智能無人工作面開采優勢

為了切實提高煤礦綜采工作面安全生產的效率，減少礦井中各種災害發生的概率，國內煤礦智能無人工作面被視為未來現代化煤礦發展的新方向。煤礦智能無人采煤工作面開采技術呈現出開采范圍大、開采安全性高、開采效率高的特點。從無人采煤工作面應用效果來看，智能無人采煤工作面具有很強的適用性，既能夠在淺層巷道進行生產，又能在深部礦井滿足采礦需求，長遠來看其無人采煤技術將會成為許多礦井的主流開采技術之一。從煤礦安全管理來看，煤礦生產必須堅持“安全生產大于天，安全責任重于山”的工作原則，做好煤礦安全生產相關的技術與管理工作，煤礦智能無人采煤技術能夠實現智能化、遠程化組織井下生產，減少了采煤工人直接接觸危險的工作環境，保障了職工生命健康安全。從煤礦生產效率而言，智能無人開采技術是采用智能化機械設備代替傳統人力加機械的作業模式，減少了直接從事煤炭生產的勞動者數量，對機械、電氣、通信、安全等專業進行有效融合，保障了煤礦安全高效組織生產活動。

(2)智能無人工作面運行過程

隨著大型煤炭機械化設備廣泛應用在煤礦中，需要控制調節的液壓支架動作、采煤機速度、滾筒高度等參數逐漸增多，同時要求這些機械設備要以更高的操控水平進行工作，將采煤電氣化機械設備與智能信息技術結合，就誕生了煤礦智能無人采煤工作面生產模式。智能無人工作面開采體系涉及多種工程控制技術，包括煤機定位系統、三機配套采煤裝備、搖擺臂調高系統、煤巖邊界辨識體系、雙向高速通信技術、井下抗干擾系統、設備監測及參數調控系統等，涉及到采礦、安全、機械、電氣、通信、自動化、人工智能等多領域成果的應用。智能無人采煤工作面運行的過程見圖1，從圖中可知，滾筒采煤機、前移液壓支架和刮板輸送機共同組成了綜采平臺主要開采設備，依靠高速通信網絡可以綜采設備運行眾多參數反饋至中控平臺，通過定位和導航系統隨時校正采煤設備動作，此外在智能化采煤三機配套系統中安裝了信號反饋校正程序，能夠自主排查綜采設備的故障并進行自我校正。

圖1 智能無人采煤工作面運行示意圖

3.煤礦智能無人開采關鍵技術

(1)無人采煤系統

煤礦智能無人采煤系統是建立高效獲取采煤工作面數據信息，并將相關信息加工處理反饋至中央控制室，再利用遠程控制技術對采煤工作面進行遙控干預，真正實現遠程無人智能操控煤炭開采的生產模式。智能無人采煤系統能夠通過多種渠道、多個方位感知采煤生產變量，利用視頻音頻傳感器、空間方位傳感器、機械臂仰角俯角傳感器、壓力變化傳感器等感知周圍采煤環境的變化，同時LASK糾偏系統能夠聯合調整參數偏差，實現各種參數高速化、交互式傳輸的需要。無人采煤技術的另一大特點是充分利用了先進的虛擬現實技術，通過搜集海量的智能監控數據以及各種感受器參數信息，可以搭建三維井下虛擬工作場景。處在地面中央控制室的工程技術人員可以利用搭建的智能采煤工作軟件，模擬不同狀態下井下智能采煤工藝匹配程度，并利用深度學習技術不斷豐富智能控制方案，為井下智能無人生產提供科學決策依據。

(2)智能控制系統

要實現采煤機的無人化、智能化操作，需要圍繞五個核心開展調試，即煤層切割速度、截割高度、截割軌跡、刮板輸送機調直和液壓支架調直等組成，任何一個控制步驟不能實現智能化操作，整個采煤工作面的智能化就無法真正實現。在采煤機智能控制中一個很重要的自動化控制體現在液壓系統，包括液壓支架電液控制、智能集成供液系統、綜采機械控制等控制裝置，對于提高煤礦綜采自動化水平具有十分重要的意義。目前發展較快的是智能集成供液系統，該系統能為煤礦生產提供一整套完整的綜采工作面支架液壓供液方案，通過控制集成泵站、電磁載卸、乳化比例、變頻控制、乳液多級過濾等為綜采設備提供清潔的、比例穩定的高質量乳化液，為綜采設備安全高效運行提供可靠物質保障。在綜采設備自動化控制軟件層面，煤礦智能無人控制體現在建立了一整套監視-控制-反饋為主的信息自主處理平臺，實現了采煤工作面液壓支架、采煤機、刮板機、轉載機、破碎機等遠程遙控開采的目的。

(3)智能探測系統

無論是自動化操作，還是人工遠程遙控技術，實現煤礦智能無人采煤離不開對井下煤層附近實際開采數據的支持。為了獲得煤礦智能化開采的準確性，減少煤礦各種類型災害的發生，保障煤礦開采安全高效運行，有必要全面提升特定開采區域的探查與監測。一方面，煤礦企業可以充分挖掘地質條件自動識別技術，借助對地質條件的快速準確識別幫助自動割煤機提升煤炭開采效率。例如：一種太赫茲時域光譜技術，能夠在飛秒的時間內發射電磁場脈沖，利用傅里葉變換穿過被探測巖層內部，快速獲得煤層內部光譜信息，進而完成對周圍區域地質物性的探查。除了常規的探測手段，有條件的煤礦企業可以在充分了解開采地物理特性的基礎上，獲得與智能開采設備相適應的超前探測技術，獲得煤礦采煤區更深層的地質信息，提前捕捉可能存在威脅采煤工作面的災害類型，有針對性地做好開采預防措施。

(4)5G互聯通信

在煤礦智能無人礦井建設中，5G互聯網通信技術將各種智能化采煤裝備巧妙聯系起來，徹底打通了井上與井下、人員與設備、機械與設備之間隔離，調動各種有利于井下智能采煤的因素，推動采煤工作由自動化向智能化實現跨越式發展。5G互聯網通信技術可以穿過上千米的井下巷道，擺脫傳統3G網絡只能滿足人員簡單通話的通信限制，幫助井下工作面與地面工作人員建立穩定的通信，同時可以實現礦區巡檢、綜采、機電、通風等部門人員協作，及時解決煤礦生產過程存在的技術難題。隨著5G技術不斷走向成熟，煤礦智能開采技術也逐漸向更加多元數據融合方向發展，智能設備的自主探測能力得到加強，信息定位更加準確，信息傳輸渠道和傳輸效率更加便捷，從而全面提升煤礦采煤工作面的智能控制水平及控制質量。

4.結束語

總之，煤礦智能無人采煤工作面開采關鍵技術打破了傳統煤炭開采的格局，基于智能控制、5G互聯網、智能探測等新技術的開發利用，能夠有效化解煤炭生產過程中面臨的各種災害，在保障安全的前提下提升煤礦開采的效率。為了實現煤礦智能開采的長遠發展目標，在未來一段時間需要繼續在智能探測、智能控制、人工智能學習、5G通信等方向開展研究，以期全面提升煤礦智能無人采煤工作面的建設水平。