中國煤礦智慧開採科技創新與發展論文
中國煤礦智慧開採科技創新與發展論文
引言
近十年來，為了實現煤礦安全高效生產，國內開展的有關煤礦開採科技創新研究工作取得了很大的成績，已使得我國煤炭開採水平接近或部分達到了世界先進水平,但真正實現完全智慧開採還侷限在薄煤層工作面m。對綜採技術方面，利用陀螺儀對採煤機位置進行三維檢測跟蹤定位0,在原有記憶割煤、過載保護、自動調高等功能基礎上新增加了紅外攝像、雷達探測防機械碰撞和煤巖分析檢測功能，這些技術大部分處在研究階段，與國際最高水平相比仍有_定差距，而有_些開採技術也是國內外煤炭行業所共同面臨的難題。解決這些問題需要透過不斷的技術創新，研究新技術尤其是光電技術在煤礦開採中的快速應用。筆者透過分析國外煤礦先進的開採技術，對我國未來幾年影響煤礦開採的新技術進行重點研究，提出智慧開採的關鍵技術體現在智慧探測、智慧導航和智慧控制方面,對其中較成熟的技術進行了初步試驗，對具有應用前景的技術進行了分析展望，目的是爭取在國家‘‘十三五”期間趕上和超過世界先進煤礦開採水平，以使我國由世界第一煤炭開採大國變為第一煤炭開採強國。
1、國外智慧開採技術現狀
進入21世紀以來，國外煤礦開採追求“安全、高效、簡單、實用、可靠、經濟”的原則，其智慧開採的技術思路是:透過鑽孔地質勘探和掘進相結合的方式,描繪工作面煤層的賦存分佈，透過陀螺儀獲知採煤機的三維座標，兩者結合實現工作面的全自動化割煤。該思路可避開煤巖識別難題，以地質條件為載體，頂層規劃自動化採煤過程H。
1.1工作面自動化LASC系統
2001年7月，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織CSIRO承擔了ACARP(AustralianCoalAssociationResearchProgram,澳大利亞煤炭協會研究計劃)設立的綜採自動化專案，開展綜採工作面自動化和智慧化技術的研究。到2005年該專案透過採用軍用高精度光纖陀螺儀和定製的定位導航演算法取得了3項主要成果，即採煤機位置三維精確定位(誤差±10cm)、工作面矯直系統(誤差±50cm)和工作面水平控制,設計了工作面自動化LASC系統,並首次在澳大利亞的Beltana礦試驗成功。2008年，對LASC系統進行了最佳化，增加了採煤機自動控制、煤流負荷平衡、巷道集中監控等，在商業應用方面CSIRO研究組同久益、艾可夫等採煤機供應商簽署了協議，將這項技術整合到對應的採煤機上，實現快速商用4。LASC系統包含慣性導航系統和工作面自動控制演算法2項核心技術。
1)LASC系統將基於光纖陀螺的慣性導航裝置安裝在採煤機機身電控箱內，透過執行嵌入式導航定位軟體實現採煤機三維位置的精確定位。該慣性2
導航定位軟體在無GPS訊號輔助的情況下行進2.7km,定位誤差在30cm以內。慣性導航定位軟體可用於綜採工作面的水平控制和連續採煤機自動制導。
①對於綜採工作面水平控制，基本原理是首先根據巷道掘進資料和鑽孔資料生成工作面三維地質模型，該模型精度能達到50mm,能準確反映出煤層起伏、傾角、斷層等構造，可直接用於指導採煤機俯仰採控制。然後利用在採煤過程中記錄的頂底板位置資訊對該模型進行不斷最佳化，就可以準確預知工作面的煤層變化情況5。其次結合採煤機精確定位軟體的資料，LASC系統就能夠提前控制採煤機的割頂割底量，從而順利透過斷層等地質變化區段。澳大利亞煤礦使用的水平控制開採技術控制原理如圖1所示。
②連續採煤機自動制導，已被澳大利亞確定為煤炭產業重要的技術63。基於連續採煤機自動制導技術開發了具有應用程式控制和通訊功能,且包含先進圖形使用者介面的自動制導系統，如圖2所示，表示連續採煤機偏航角有了一定的誤差，需要在後面的開採中實時校正。
2)工作面自動控制模型和演算法。基於該演算法,設計了工作面矯直系統，其包含高精度舵性導航儀和矯直資料分析系統2項核心技術,透過對舵性導航儀記錄的採煤機空間位置進行分析，確定當前工作面的直線度，計算出每臺液壓支架的推移量，給液壓支架電控系統發出執行資訊，對工作面直線度進行動態調整。慣性導航儀輸出2路訊號：一路給支架,控制支架的推移量;另一路給採煤機，用於控制採煤機的割頂割底量&]。自2009年慣性導航儀開始商業化應用以來，澳大利亞60%以上的綜採工作面使用了工作面矯直系統。
1.2智慧開採服務中心
智慧開採服務中心作為一種增值產品/服務，在澳大利亞布里斯班的Anglo礦業公司總部設定總排程室,對所管轄礦井進行實時監控，目前只有莫蘭巴北礦上線。
根據出現的報警、故障資訊，及時發郵件或電話通知礦井進行調整。同時，每曰、周、月和季度向礦井提交執行分析報告，指導礦井提高執行管理水平，合理安排裝置檢修。分析報告包括每日的觸發響應動作計劃通知，每週的智慧服務回顧,每月的井下精益執行回顧，每季度的生產表現回顧。智慧開採服務中心的應用可以實現停機時間少、早期監測和裝置損壞最小化，可提高生產力，降低生產成本。
1.3布林加(Bulga)井工礦智慧開採技術
布林加(Bulga)井工礦屬於澳大利亞嘉能可(Glencore)礦業開米公司，屬高瓦斯礦井。2013年產量740萬t,2014年計劃產量810萬t,單井單面。屬於LW2層面第5個工作面，工作面長度405m,走向長度3471m,工作面採高3.0~3.2m,設計產量3500t/h。全套開採裝備包括：7LS6D採煤機，RS20S液壓支架控制系統,臺11kV和1.6MW刮板輸送機電動機，6臺INOXIHP泵站(泵站壓力32.5~34.5MPa的4臺,0.0~41.5MPa的2臺)。採煤機智慧控制系統為Faceboss,統為LASC。
每星期進行2次檢修，分別是星期二的7:00—14:30和星期五的7:00—17:30,其他時間安排生產。實行三八制，早班7:00—15:00,中班15:00—23:00,夜班23:00—次日7:00。每生產班人員10人,分為正副班長(2人)、電工(2人)、機械工(2人)、操作工(3人)和維護主管(工程師1人)。
採煤機從刮板輸送機機尾到機頭時，採煤機司機控制頂滾筒、底滾筒隨動割煤。而從機頭到機尾時，採煤機根據上一刀資訊自動記憶割煤，過載速度8~14m/min。支架採用自動拉架+人工干預方式(頂板破碎,人工超前拉架)，立柱安裝2個壓力感測器，_用一備。工作面矯直系統在割煤過程中實時記錄採煤機三維位置、橫向和縱向傾角，採煤機每截割4刀時，矯直系統根據記錄的資訊，控制每臺支架的推移量，調節工作面的直線度。
LASC系統的應用使礦井煤炭產量提高了5%~25%,減少工人暴露在高危工作環境的時間，提高礦井安全水平;同時減小了煤炭產量波動，達到了均衡生產，提高了礦井生產質量管理水平。
2、國內智慧開採技術現狀
2.1智慧開採控制系統
根據國內已經實現的智慧化開採煤礦控制模式，可以總結出智慧開採控制系統結構如圖3所示。
2.2遠端干預無人化採煤工藝
國內智慧化開採實現工作面內無人，即‘‘以工作面自動控制為主，監控中心遠端干預為輔”的工作面智慧化生產模式，實現“無人跟機作業，有人安全值守”的開採理念，設計了人工干預下模糊控制多工序的採煤工藝。所實現的開採系統智慧化功能如下：系統具有多方位、多層次的感知能力，可實現綜採工作面資訊互動的高速網路平臺和通道;工作面生產系統協同集中控制;採煤機智慧化快速記憶截割自動執行;智慧化煤流平衡控制;採煤機與運輸系統狀態及運能的自適應配合;液壓支架智慧跟機移架,支架遠端序列化自動控制;刮板輸送機鏈條張力監測與智慧化刮板輸送機尾伸縮自動控制、智慧化軟啟動;各種裝置自動協調執行，針對複雜多變的煤層條件及裝置工況變化調整自身及裝置之間的配合執行引數。
2.3礦井虛擬現實技術
綜採工作面利用虛擬現實技術創造出一個三維的採礦現實環境，模擬採礦作業過程及工藝裝置的執行,操作人員可與虛擬現實系統進行人機互動，在任意時刻穿越任何空間進入系統模擬的任何區域08。系統能識別物體、輸入和處理各種資訊，控制物體運動,模擬自然規律，確定空間狀態，其主要特點是創造了與現實開採情況極為接近的三維環境，透過計算機顯示採礦作業情況，獲得生產系統執行狀況平面圖、不同的裝置動態顯示圖和裝置執行具體引數，包括執行的時間、產量、裝置間的距離等動態資訊,透過對不同型號裝置、不同開採引數下的生產系統進行動態模擬，從而達到最佳化和評價生產系統目的09。虛擬現實系統提供自主模式和飛航模式2種自主漫遊控制模式。自主模式即操作人員可透過滑鼠和鍵盤移動鏡頭，自主瀏覽場景中的任意位置;飛航模式則有更大活動空間，鏡頭可移動至
2.4遠端遙控技術
智慧化採煤生產採用遠端遙控技術，遵循下列原則：以採煤機記憶截割為主，人工遠端干預為輔;以液壓支架跟隨採煤機自動動作為主，人工遠端干預為輔;以綜採運輸裝置集中自動化控制為主，就地控制為輔;以綜採裝置智慧感知為主，影片監控為輔。
圖4工作面裝置遠端遙控的網路通訊層次結構智慧開採控制打破了傳統的以單機裝備為主、總體協調的研製思路,建立了以成套裝備總控制網路資訊綜合決策為主、單機裝備為執行機構的體系結構。將採煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、帶式輸送機、供液系統、供電系統等裝備有機結合起來，構成一個相互聯絡、相互依存、相互制約的採煤系統，依據系統控制決策模型分析結果，實現對綜採成套裝備的協調管理與集中控制10。
2.5智慧開採技術難點
1)開採裝置自動化技術水平有待提高。由於開採地質條件的不斷變化，煤層賦存的不可預知性,因此開採智慧化還不能完全離開人的智慧，需要發揮機器和人各自的特長，規避人機各自的短處。
2)開採裝置可靠性需增強，同時應增加裝置感知、決策、控制和智慧化功能，由單機向成套裝備智慧轉變。
3)開採惡劣環境下視覺化技術難題。需要研究清晰、實時的開採工作面再現技術。
4)開採智慧決策技術難題。需要研究統_的通訊平臺，實現開採裝備通訊介面、協議的互通互聯,研究平臺協議標準化、實時性和智慧化。
3、國內智慧開採試驗結果
3.1厚煤層智慧開採試驗情況
陝西煤業化工集團紅柳林煤礦位於陝西省神木縣西部，紅柳林井田位於陝北侏羅紀煤田東部，煤層為傾角不足1°的單斜構造,井田構造屬簡單類。煤層厚度5.0~7.9m,平均厚度6.2m,屬中厚-特厚煤層，層位穩定，厚度變化規律明顯，全區可採，屬穩定煤層。智慧開採控制系統自2013年3月始在井下應用，系統平穩執行,並能實現以下功能。
1)液壓支架圍巖耦合智慧化控制和大采高支架姿態控制;全工作面液壓支架跟隨採煤機自動移架，採煤機根據煤流平衡負荷，與輸送機運能狀態的自適應割煤配合;刮板輸送機鏈條張力監測,機尾伸縮自動控制，智慧化軟啟動控制。
2)組建了綜採工作面資訊互動網路平臺，具有有線、無線網路接入功能。能夠控制單機裝置自動協調執行，並且根據複雜多變的煤層條件及裝置工況進行調整配合。建立的三維虛擬現實平臺可以及時反映工作面執行狀態。
3)可以透過地面遠端操作檯_鍵啟停功能實現工作面泵站、破碎機、轉載機、刮板輸送機和採煤機的順序啟停控制，完成工作面生產系統的協調集中控制。
紅柳林煤礦智慧開採專案實現了基於總控制網路的集各單機裝置感知、邏輯控制、動態決策、協調執行為一體的智慧開採控制系統，自動化和智慧化程度處於國際先進水平;在控制系統架構、控制方式、響應時間、智慧功能、工作面人數、產能等主要技術指標方面處於國際領先水平。專案的實施將採煤工作面的操作工人數量降低至5人，實現了工作面無人跟機操作、少人值守的自動化安全高效生產。智慧開採控制系統在紅柳林煤礦示範應用，井下正式投入執行6個月，共生產原煤792.17萬t,創造利潤9.08億元;主要創新成果已在寧夏煤業、陝西煤業、陽泉煤業、平朔集團等多個礦區推廣應用，累計取得經濟效益20億元以上。
3.2薄煤層智慧開採試驗情況
陝西陝煤黃陵礦業有限公司一號煤礦1001綜採工作面傾斜長度235m,走向長度進風巷為2271m,迴風巷為2291m,採高1.1~2.3m,可採儲量107萬t。於2014年2、3、4月進行了為期3個月的工業試驗性,具體試驗情況如下。
1)2014年2月，1001綜採工作面開始使用全自動化割煤作業。透過利用井下監控中心遠端操作檯和監控影片進行遠端採煤，並在工作面設定3名工作人員(採煤機司機、支架工、輸送機司機各1人)進行跟機安全監護。2月生產作業21d,安排採煤39個小班(8h),日平均割煤8刀半,全月共生產原煤9.05萬t。
2)2014年3月，1001綜採工作面繼續使用井下監控中心遠端操作檯和監控影片進行遠端採煤，並將工作面監護人員減少至2人(採煤機司機和支架工各1人，支架工同時負責刮板輸送機的監護工作)。3月生產作業25d,安排採煤42個小班(8h),日平均割煤11刀半，全月共生產原煤14.58萬t。
3)2014年4月，1001綜採工作面在利用井下監控中心進行遠端採煤的同時，還嘗試在地面排程室進行遠端採煤,4月5日起將工作面監護人員減少至1人(工作面監護工)，並於4月8日實現了地面採煤作業常態化。4月生產作業28d,安排採煤56個小班(8h),日平均割煤12刀，全月共生產原煤17.03萬t。其中4月2日零點班實現了單班生產8刀30架的最高紀錄。
薄煤層智慧開採系統經過3個月的工業性試驗，地面排程室和井下監控中心遠端作業、採煤機自動記憶截割等自動化功能穩定，系統應用效果良好,能夠大幅減少採場作業人員，降低職工勞動強度。工作面的生產能力不斷提高，月產量達到17.03萬t,年生產能力可達200萬t以上。工作面由原來的9人，減至目前的1人進行隨機監護，將工人從操作工變成巡檢工。每個生產小班減少8人，每個原班減少16人，每年可減少人工總費用525萬元。
4、智慧開採技術發展方向
4.1智慧開採關鍵技術
根據國內外對煤礦開採技術的發展要求，提出了智慧開採的關鍵技術由智慧探測、智慧導航和智慧控制3個部分組成,它們之間的關係如圖5所示。
4.2開採智慧探測
開採智慧探測是指對採場未知區域的自動探查和檢測，用於指導採煤機俯仰採控制和搖臂調高、綜放工作面放煤時的煤矸自動識別等，可分為煤巖分界、煤矸識別和超前探測等專業領域。
1)煤巖分界。採用太赫茲技術利用單天線進行多普勒雷達脈衝的傳送和接收，訊號透過煤岩層時會減弱，並且遇到煤巖介面會發生反射。反射波的速度相位滯後或從發射波到反射波被接收的時間間隙，除與發射波頻率、煤和頂板巖性等可測知的因素有關外，還與電磁波在頂底煤中穿越路程即頂底煤厚度有關。透過對接收到的反射波進行訊號處理可確定頂底煤厚度。
2)煤矸放落自動識別。煤矸放落自動識別_直是綜採工作面的技術難題，透過時域光譜技術探測是_種可行的技術方法。時域光譜技術的基本原理是利用飛秒脈衝產生並探測時間分辨的電場，透過傅立葉變換獲得被測物質的光譜資訊，透過特徵頻率對物質結構、物性進行分析和鑑定，適用於煤炭礦物質的實時成分分析112。
3)超前探測。超前探測系統無需預先求取煤巖物理特性,適用範圍更廣，具有可靠的精度，在多數頂板條件下能夠執行良好。但是也存在其固有的問題:在具有波散射性質的煤層表現不好，探測範圍小，發射器功率偏低，深入煤層的深度範圍有限，需要未來功率更大的`訊號源支援來克服訊號在煤層內的衰減13。圖6是採用可見光拍攝的綜採工作面煤層成像，圖7是採用超前探測成像技術形成的煤層內部地質資訊，可以看到煤層受到一定的侵蝕。
4.3開採智慧導航
開採智慧導航是指利用先進的計算機、光電和導航技術對開採裝置和人員進行自動定位，以實現安全監控和精確開採。圍繞綜採裝置姿態定位、綜採裝置安全感知、工作面直線度控制、影片影象處理等多種關鍵技術，關鍵是對採煤機的精準導航定位技術進行研究。
1)光纖慣性導航。作為一種自主式的導航方法，慣性導航是完全依靠載體上的裝置自主地確定出載體的航向、位置、姿態和速度等導航引數，並不需要外界任何的光、電、磁引數&4。採掘裝備的精確導航是實現智慧開採的必要技術，根據我國煤礦井下裝備自動導航的落後局面，在分析當前國外煤礦的導航技術水平後，借鑑在國內航天、航空和航海中普遍應用的慣性導航技術,將其引入到煤礦井下的精確定位系統中，逐步實現煤礦採掘裝備的自主導航功能。
2)三維雷達。雷達探測防碰撞系統是一種安裝在採煤機上的主動安全系統，是_種可以向採煤機操作人員預先發出視聽報警訊號的探測裝置1]。傳統的雷達是二維的，測得的距離定位是_個平面，但如果用於煤礦智慧開採過程中的防碰撞，還需要增加垂直方向的距離檢測。
4.4開採智慧控制
根據開採條件變化自動調控採掘過程,使智慧化採掘裝置與自動排程決策集為_體，融合採煤機智慧記憶截割、液壓支架智慧跟機自動化、工作面運輸系統煤流平衡、智慧整合供液、工作面視覺化影片監控、遠端遙控、三維虛擬現實、一鍵啟停等多項技術E7],建立以成套裝備總控制網路為核心，單機裝備為執行機構的智慧控制模式，解決關鍵元部件以及控制系統等方面的技術難題，實現綜採成套裝備智慧化開採技術新突破，形成具有整合套裝備安全感知、資訊可靠傳輸、動態決策、協調執行於_體的智慧開採系統。
5、結語
透過國外煤礦實地考察和文獻分析，研究了國外先進的煤礦智慧開採方法，對國內的智慧開採工作面所採用的主要技術也進行了研究，分析了在厚煤層和薄煤層進行智慧開採的實踐過程，總結出以下的智慧開採技術創新成果。國外智慧開採，主要是澳大利亞，採用純慣性導航對採煤機和連續採煤機進行三維定位實現工作面連續推進，並取得了較好的經濟效益。中國智慧開採，在薄煤層和厚煤層實現了遠端遙控開採,工作面實現了無人化智慧開採。提出了智慧開採由智慧探測、智慧導航和智慧。