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中國(guó)煤礦智能開(kāi)采科技創(chuàng)新與發(fā)展論文
引言
近十年來(lái)，為了實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展的有關(guān)煤礦開(kāi)采科技創(chuàng)新研究工作取得了很大的成績(jī)，已使得我國(guó)煤炭開(kāi)采水平接近或部分達(dá)到了世界先進(jìn)水平,但真正實(shí)現(xiàn)完全智能開(kāi)采還局限在薄煤層工作面m。對(duì)綜采技術(shù)方面，利用陀螺儀對(duì)采煤機(jī)位置進(jìn)行三維檢測(cè)跟蹤定位0,在原有記憶割煤、過(guò)載保護(hù)、自動(dòng)調(diào)高等功能基礎(chǔ)上新增加了紅外攝像、雷達(dá)探測(cè)防機(jī)械碰撞和煤巖分析檢測(cè)功能，這些技術(shù)大部分處在研究階段，與國(guó)際最高水平相比仍有_定差距，而有_些開(kāi)采技術(shù)也是國(guó)內(nèi)外煤炭行業(yè)所共同面臨的難題。解決這些問(wèn)題需要通過(guò)不斷的技術(shù)創(chuàng)新，研究新技術(shù)尤其是光電技術(shù)在煤礦開(kāi)采中的快速應(yīng)用。筆者通過(guò)分析國(guó)外煤礦先進(jìn)的開(kāi)采技術(shù)，對(duì)我國(guó)未來(lái)幾年影響煤礦開(kāi)采的新技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，提出智能開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在智能探測(cè)、智能導(dǎo)航和智能控制方面,對(duì)其中較成熟的技術(shù)進(jìn)行了初步試驗(yàn)，對(duì)具有應(yīng)用前景的技術(shù)進(jìn)行了分析展望，目的是爭(zhēng)取在國(guó)家‘‘十三五”期間趕上和超過(guò)世界先進(jìn)煤礦開(kāi)采水平，以使我國(guó)由世界第一煤炭開(kāi)采大國(guó)變?yōu)榈谝幻禾块_(kāi)采強(qiáng)國(guó)。
1、國(guó)外智能開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀
進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)外煤礦開(kāi)采追求“安全、高效、簡(jiǎn)單、實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)”的原則，其智能開(kāi)采的技術(shù)思路是:通過(guò)鉆孔地質(zhì)勘探和掘進(jìn)相結(jié)合的方式,描繪工作面煤層的賦存分布，通過(guò)陀螺儀獲知采煤機(jī)的三維坐標(biāo)，兩者結(jié)合實(shí)現(xiàn)工作面的全自動(dòng)化割煤。該思路可避開(kāi)煤巖識(shí)別難題，以地質(zhì)條件為載體，頂層規(guī)劃自動(dòng)化采煤過(guò)程H。
1.1工作面自動(dòng)化LASC系統(tǒng)
2001年7月，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CSIRO承擔(dān)了ACARP(AustralianCoalAssociationResearchProgram,澳大利亞煤炭協(xié)會(huì)研究計(jì)劃)設(shè)立的綜采自動(dòng)化項(xiàng)目，開(kāi)展綜采工作面自動(dòng)化和智能化技術(shù)的研究。到2005年該項(xiàng)目通過(guò)采用軍用高精度光纖陀螺儀和定制的定位導(dǎo)航算法取得了3項(xiàng)主要成果，即采煤機(jī)位置三維精確定位(誤差±10cm)、工作面矯直系統(tǒng)(誤差±50cm)和工作面水平控制,設(shè)計(jì)了工作面自動(dòng)化LASC系統(tǒng),并首次在澳大利亞的Beltana礦試驗(yàn)成功。2008年，對(duì)LASC系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，增加了采煤機(jī)自動(dòng)控制、煤流負(fù)荷平衡、巷道集中監(jiān)控等，在商業(yè)應(yīng)用方面CSIRO研究組同久益、艾可夫等采煤機(jī)供應(yīng)商簽署了協(xié)議，將這項(xiàng)技術(shù)集成到對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)上，實(shí)現(xiàn)快速商用4。LASC系統(tǒng)包含慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和工作面自動(dòng)控制算法2項(xiàng)核心技術(shù)。
1)LASC系統(tǒng)將基于光纖陀螺的慣性導(dǎo)航設(shè)備安裝在采煤機(jī)機(jī)身電控箱內(nèi)，通過(guò)運(yùn)行嵌入式導(dǎo)航定位軟件實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)三維位置的精確定位。該慣性2
導(dǎo)航定位軟件在無(wú)GPS信號(hào)輔助的情況下行進(jìn)2.7km,定位誤差在30cm以?xún)?nèi)。慣性導(dǎo)航定位軟件可用于綜采工作面的水平控制和連續(xù)采煤機(jī)自動(dòng)制導(dǎo)。
①對(duì)于綜采工作面水平控制，基本原理是首先根據(jù)巷道掘進(jìn)數(shù)據(jù)和鉆孔數(shù)據(jù)生成工作面三維地質(zhì)模型，該模型精度能達(dá)到50mm,能準(zhǔn)確反映出煤層起伏、傾角、斷層等構(gòu)造，可直接用于指導(dǎo)采煤機(jī)俯仰采控制。然后利用在采煤過(guò)程中記錄的頂?shù)装逦恢眯畔?duì)該模型進(jìn)行不斷優(yōu)化，就可以準(zhǔn)確預(yù)知工作面的煤層變化情況5。其次結(jié)合采煤機(jī)精確定位軟件的數(shù)據(jù)，LASC系統(tǒng)就能夠提前控制采煤機(jī)的割頂割底量，從而順利通過(guò)斷層等地質(zhì)變化區(qū)段。澳大利亞煤礦使用的水平控制開(kāi)采技術(shù)控制原理如圖1所示。
②連續(xù)采煤機(jī)自動(dòng)制導(dǎo)，已被澳大利亞確定為煤炭產(chǎn)業(yè)重要的技術(shù)63。基于連續(xù)采煤機(jī)自動(dòng)制導(dǎo)技術(shù)開(kāi)發(fā)了具有應(yīng)用程序控制和通信功能,且包含先進(jìn)圖形用戶(hù)界面的自動(dòng)制導(dǎo)系統(tǒng)，如圖2所示，表示連續(xù)采煤機(jī)偏航角有了一定的誤差，需要在后面的開(kāi)采中實(shí)時(shí)校正。
2)工作面自動(dòng)控制模型和算法。基于該算法,設(shè)計(jì)了工作面矯直系統(tǒng)，其包含高精度舵性導(dǎo)航儀和矯直數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)2項(xiàng)核心技術(shù),通過(guò)對(duì)舵性導(dǎo)航儀記錄的采煤機(jī)空間位置進(jìn)行分析，確定當(dāng)前工作面的直線(xiàn)度，計(jì)算出每臺(tái)液壓支架的推移量，給液壓支架電控系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行信息，對(duì)工作面直線(xiàn)度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。慣性導(dǎo)航儀輸出2路信號(hào)：一路給支架,控制支架的推移量;另一路給采煤機(jī)，用于控制采煤機(jī)的割頂割底量&]。自2009年慣性導(dǎo)航儀開(kāi)始商業(yè)化應(yīng)用以來(lái)，澳大利亞60%以上的綜采工作面使用了工作面矯直系統(tǒng)。
1.2智能開(kāi)采服務(wù)中心
智能開(kāi)采服務(wù)中心作為一種增值產(chǎn)品/服務(wù)，在澳大利亞布里斯班的Anglo礦業(yè)公司總部設(shè)置總調(diào)度室,對(duì)所管轄礦井進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，目前只有莫蘭巴北礦上線(xiàn)。
根據(jù)出現(xiàn)的報(bào)警、故障信息，及時(shí)發(fā)郵件或電話(huà)通知礦井進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)，每曰、周、月和季度向礦井提交運(yùn)行分析報(bào)告，指導(dǎo)礦井提高運(yùn)行管理水平，合理安排設(shè)備檢修。分析報(bào)告包括每日的觸發(fā)響應(yīng)動(dòng)作計(jì)劃通知，每周的智能服務(wù)回顧,每月的井下精益運(yùn)行回顧，每季度的生產(chǎn)表現(xiàn)回顧。智能開(kāi)采服務(wù)中心的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)停機(jī)時(shí)間少、早期監(jiān)測(cè)和設(shè)備損壞最小化，可提高生產(chǎn)力，降低生產(chǎn)成本。
1.3布爾加(Bulga)井工礦智能開(kāi)采技術(shù)
布爾加(Bulga)井工礦屬于澳大利亞嘉能可(Glencore)礦業(yè)開(kāi)米公司，屬高瓦斯礦井。2013年產(chǎn)量740萬(wàn)t,2014年計(jì)劃產(chǎn)量810萬(wàn)t,單井單面。屬于LW2層面第5個(gè)工作面，工作面長(zhǎng)度405m,走向長(zhǎng)度3471m,工作面采高3.0~3.2m,設(shè)計(jì)產(chǎn)量3500t/h。全套開(kāi)采裝備包括：7LS6D采煤機(jī)，RS20S液壓支架控制系統(tǒng),臺(tái)11kV和1.6MW刮板輸送機(jī)電動(dòng)機(jī)，6臺(tái)INOXIHP泵站(泵站壓力32.5~34.5MPa的4臺(tái),0.0~41.5MPa的2臺(tái))。采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)為Faceboss,統(tǒng)為L(zhǎng)ASC。
每星期進(jìn)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(shí)間安排生產(chǎn)。實(shí)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(chǎn)班人員10人,分為正副班長(zhǎng)(2人)、電工(2人)、機(jī)械工(2人)、操作工(3人)和維護(hù)主管(工程師1人)。
采煤機(jī)從刮板輸送機(jī)機(jī)尾到機(jī)頭時(shí)，采煤機(jī)司機(jī)控制頂滾筒、底滾筒隨動(dòng)割煤。而從機(jī)頭到機(jī)尾時(shí)，采煤機(jī)根據(jù)上一刀信息自動(dòng)記憶割煤，重載速度8~14m/min。支架采用自動(dòng)拉架+人工干預(yù)方式(頂板破碎,人工超前拉架)，立柱安裝2個(gè)壓力傳感器，_用一備。工作面矯直系統(tǒng)在割煤過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄采煤機(jī)三維位置、橫向和縱向傾角，采煤機(jī)每截割4刀時(shí)，矯直系統(tǒng)根據(jù)記錄的信息，控制每臺(tái)支架的推移量，調(diào)節(jié)工作面的直線(xiàn)度。
LASC系統(tǒng)的應(yīng)用使礦井煤炭產(chǎn)量提高了5%~25%,減少工人暴露在高危工作環(huán)境的時(shí)間，提高礦井安全水平;同時(shí)減小了煤炭產(chǎn)量波動(dòng)，達(dá)到了均衡生產(chǎn)，提高了礦井生產(chǎn)質(zhì)量管理水平。
2、國(guó)內(nèi)智能開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀
2.1智能開(kāi)采控制系統(tǒng)
根據(jù)國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的智能化開(kāi)采煤礦控制模式，可以總結(jié)出智能開(kāi)采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。
2.2遠(yuǎn)程干預(yù)無(wú)人化采煤工藝
國(guó)內(nèi)智能化開(kāi)采實(shí)現(xiàn)工作面內(nèi)無(wú)人，即‘‘以工作面自動(dòng)控制為主，監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)為輔”的工作面智能化生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)“無(wú)人跟機(jī)作業(yè)，有人安全值守”的開(kāi)采理念，設(shè)計(jì)了人工干預(yù)下模糊控制多工序的采煤工藝。所實(shí)現(xiàn)的開(kāi)采系統(tǒng)智能化功能如下：系統(tǒng)具有多方位、多層次的感知能力，可實(shí)現(xiàn)綜采工作面信息交互的高速網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)和通道;工作面生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)同集中控制;采煤機(jī)智能化快速記憶截割自動(dòng)運(yùn)行;智能化煤流平衡控制;采煤機(jī)與運(yùn)輸系統(tǒng)狀態(tài)及運(yùn)能的自適應(yīng)配合;液壓支架智能跟機(jī)移架,支架遠(yuǎn)程序列化自動(dòng)控制;刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測(cè)與智能化刮板輸送機(jī)尾伸縮自動(dòng)控制、智能化軟啟動(dòng);各種設(shè)備自動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，針對(duì)復(fù)雜多變的煤層條件及設(shè)備工況變化調(diào)整自身及設(shè)備之間的配合運(yùn)行參數(shù)。
2.3礦井虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)
綜采工作面利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造出一個(gè)三維的采礦現(xiàn)實(shí)環(huán)境，模擬采礦作業(yè)過(guò)程及工藝設(shè)備的運(yùn)行,操作人員可與虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互，在任意時(shí)刻穿越任何空間進(jìn)入系統(tǒng)模擬的任何區(qū)域08。系統(tǒng)能識(shí)別物體、輸入和處理各種信息，控制物體運(yùn)動(dòng),模擬自然規(guī)律，確定空間狀態(tài)，其主要特點(diǎn)是創(chuàng)造了與現(xiàn)實(shí)開(kāi)采情況極為接近的三維環(huán)境，通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示采礦作業(yè)情況，獲得生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行狀況平面圖、不同的設(shè)備動(dòng)態(tài)顯示圖和設(shè)備運(yùn)行具體參數(shù)，包括運(yùn)行的時(shí)間、產(chǎn)量、設(shè)備間的距離等動(dòng)態(tài)信息,通過(guò)對(duì)不同型號(hào)設(shè)備、不同開(kāi)采參數(shù)下的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，從而達(dá)到優(yōu)化和評(píng)價(jià)生產(chǎn)系統(tǒng)目的09。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)提供自主模式和飛行模式2種自主漫游控制模式。自主模式即操作人員可通過(guò)鼠標(biāo)和鍵盤(pán)移動(dòng)鏡頭，自主瀏覽場(chǎng)景中的任意位置;飛行模式則有更大活動(dòng)空間，鏡頭可移動(dòng)至
2.4遠(yuǎn)程遙控技術(shù)
智能化采煤生產(chǎn)采用遠(yuǎn)程遙控技術(shù)，遵循下列原則：以采煤機(jī)記憶截割為主，人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔;以液壓支架跟隨采煤機(jī)自動(dòng)動(dòng)作為主，人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔;以綜采運(yùn)輸設(shè)備集中自動(dòng)化控制為主，就地控制為輔;以綜采設(shè)備智能感知為主，視頻監(jiān)控為輔。
圖4工作面設(shè)備遠(yuǎn)程遙控的網(wǎng)絡(luò)通信層次結(jié)構(gòu)智能開(kāi)采控制打破了傳統(tǒng)的以單機(jī)裝備為主、總體協(xié)調(diào)的研制思路,建立了以成套裝備總控制網(wǎng)絡(luò)信息綜合決策為主、單機(jī)裝備為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)。將采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、供液系統(tǒng)、供電系統(tǒng)等裝備有機(jī)結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成一個(gè)相互聯(lián)系、相互依存、相互制約的采煤系統(tǒng)，依據(jù)系統(tǒng)控制決策模型分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采成套裝備的協(xié)調(diào)管理與集中控制10。
2.5智能開(kāi)采技術(shù)難點(diǎn)
1)開(kāi)采設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)水平有待提高。由于開(kāi)采地質(zhì)條件的不斷變化，煤層賦存的不可預(yù)知性,因此開(kāi)采智能化還不能完全離開(kāi)人的智慧，需要發(fā)揮機(jī)器和人各自的特長(zhǎng)，規(guī)避人機(jī)各自的短處。
2)開(kāi)采設(shè)備可靠性需增強(qiáng)，同時(shí)應(yīng)增加設(shè)備感知、決策、控制和智能化功能，由單機(jī)向成套裝備智能轉(zhuǎn)變。
3)開(kāi)采惡劣環(huán)境下可視化技術(shù)難題。需要研究清晰、實(shí)時(shí)的開(kāi)采工作面再現(xiàn)技術(shù)。
4)開(kāi)采智能決策技術(shù)難題。需要研究統(tǒng)_的通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)采裝備通信接口、協(xié)議的互通互聯(lián),研究平臺(tái)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)性和智能化。
3、國(guó)內(nèi)智能開(kāi)采試驗(yàn)結(jié)果
3.1厚煤層智能開(kāi)采試驗(yàn)情況
陜西煤業(yè)化工集團(tuán)紅柳林煤礦位于陜西省神木縣西部，紅柳林井田位于陜北侏羅紀(jì)煤田東部，煤層為傾角不足1°的單斜構(gòu)造,井田構(gòu)造屬簡(jiǎn)單類(lèi)。煤層厚度5.0~7.9m,平均厚度6.2m,屬中厚-特厚煤層，層位穩(wěn)定，厚度變化規(guī)律明顯，全區(qū)可采，屬穩(wěn)定煤層。智能開(kāi)采控制系統(tǒng)自2013年3月始在井下應(yīng)用，系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行,并能實(shí)現(xiàn)以下功能。
1)液壓支架?chē)鷰r耦合智能化控制和大采高支架姿態(tài)控制;全工作面液壓支架跟隨采煤機(jī)自動(dòng)移架，采煤機(jī)根據(jù)煤流平衡負(fù)荷，與輸送機(jī)運(yùn)能狀態(tài)的自適應(yīng)割煤配合;刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測(cè),機(jī)尾伸縮自動(dòng)控制，智能化軟啟動(dòng)控制。
2)組建了綜采工作面信息交互網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，具有有線(xiàn)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入功能。能夠控制單機(jī)設(shè)備自動(dòng)協(xié)調(diào)運(yùn)行，并且根據(jù)復(fù)雜多變的煤層條件及設(shè)備工況進(jìn)行調(diào)整配合。建立的三維虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)可以及時(shí)反映工作面運(yùn)行狀態(tài)。
3)可以通過(guò)地面遠(yuǎn)程操作臺(tái)_鍵啟停功能實(shí)現(xiàn)工作面泵站、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)的順序啟停控制，完成工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)集中控制。
紅柳林煤礦智能開(kāi)采項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了基于總控制網(wǎng)絡(luò)的集各單機(jī)設(shè)備感知、邏輯控制、動(dòng)態(tài)決策、協(xié)調(diào)執(zhí)行為一體的智能開(kāi)采控制系統(tǒng)，自動(dòng)化和智能化程度處于國(guó)際先進(jìn)水平;在控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制方式、響應(yīng)時(shí)間、智能功能、工作面人數(shù)、產(chǎn)能等主要技術(shù)指標(biāo)方面處于國(guó)際領(lǐng)先水平。項(xiàng)目的實(shí)施將采煤工作面的操作工人數(shù)量降低至5人，實(shí)現(xiàn)了工作面無(wú)人跟機(jī)操作、少人值守的自動(dòng)化安全高效生產(chǎn)。智能開(kāi)采控制系統(tǒng)在紅柳林煤礦示范應(yīng)用，井下正式投入運(yùn)行6個(gè)月，共生產(chǎn)原煤792.17萬(wàn)t,創(chuàng)造利潤(rùn)9.08億元;主要?jiǎng)?chuàng)新成果已在寧夏煤業(yè)、陜西煤業(yè)、陽(yáng)泉煤業(yè)、平朔集團(tuán)等多個(gè)礦區(qū)推廣應(yīng)用，累計(jì)取得經(jīng)濟(jì)效益20億元以上。
3.2薄煤層智能開(kāi)采試驗(yàn)情況
陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號(hào)煤礦1001綜采工作面傾斜長(zhǎng)度235m,走向長(zhǎng)度進(jìn)風(fēng)巷為2271m,回風(fēng)巷為2291m,采高1.1~2.3m,可采儲(chǔ)量107萬(wàn)t。于2014年2、3、4月進(jìn)行了為期3個(gè)月的工業(yè)試驗(yàn)性,具體試驗(yàn)情況如下。
1)2014年2月，1001綜采工作面開(kāi)始使用全自動(dòng)化割煤作業(yè)。通過(guò)利用井下監(jiān)控中心遠(yuǎn)程操作臺(tái)和監(jiān)控視頻進(jìn)行遠(yuǎn)程采煤，并在工作面設(shè)置3名工作人員(采煤機(jī)司機(jī)、支架工、輸送機(jī)司機(jī)各1人)進(jìn)行跟機(jī)安全監(jiān)護(hù)。2月生產(chǎn)作業(yè)21d,安排采煤39個(gè)小班(8h),日平均割煤8刀半,全月共生產(chǎn)原煤9.05萬(wàn)t。
2)2014年3月，1001綜采工作面繼續(xù)使用井下監(jiān)控中心遠(yuǎn)程操作臺(tái)和監(jiān)控視頻進(jìn)行遠(yuǎn)程采煤，并將工作面監(jiān)護(hù)人員減少至2人(采煤機(jī)司機(jī)和支架工各1人，支架工同時(shí)負(fù)責(zé)刮板輸送機(jī)的監(jiān)護(hù)工作)。3月生產(chǎn)作業(yè)25d,安排采煤42個(gè)小班(8h),日平均割煤11刀半，全月共生產(chǎn)原煤14.58萬(wàn)t。
3)2014年4月，1001綜采工作面在利用井下監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程采煤的同時(shí)，還嘗試在地面調(diào)度室進(jìn)行遠(yuǎn)程采煤,4月5日起將工作面監(jiān)護(hù)人員減少至1人(工作面監(jiān)護(hù)工)，并于4月8日實(shí)現(xiàn)了地面采煤作業(yè)常態(tài)化。4月生產(chǎn)作業(yè)28d,安排采煤56個(gè)小班(8h),日平均割煤12刀，全月共生產(chǎn)原煤17.03萬(wàn)t。其中4月2日零點(diǎn)班實(shí)現(xiàn)了單班生產(chǎn)8刀30架的最高紀(jì)錄。
薄煤層智能開(kāi)采系統(tǒng)經(jīng)過(guò)3個(gè)月的工業(yè)性試驗(yàn)，地面調(diào)度室和井下監(jiān)控中心遠(yuǎn)程作業(yè)、采煤機(jī)自動(dòng)記憶截割等自動(dòng)化功能穩(wěn)定，系統(tǒng)應(yīng)用效果良好,能夠大幅減少采場(chǎng)作業(yè)人員，降低職工勞動(dòng)強(qiáng)度。工作面的生產(chǎn)能力不斷提高，月產(chǎn)量達(dá)到17.03萬(wàn)t,年生產(chǎn)能力可達(dá)200萬(wàn)t以上。工作面由原來(lái)的9人，減至目前的1人進(jìn)行隨機(jī)監(jiān)護(hù)，將工人從操作工變成巡檢工。每個(gè)生產(chǎn)小班減少8人，每個(gè)原班減少16人，每年可減少人工總費(fèi)用525萬(wàn)元。
4、智能開(kāi)采技術(shù)發(fā)展方向
4.1智能開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)
根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)煤礦開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展要求，提出了智能開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)由智能探測(cè)、智能導(dǎo)航和智能控制3個(gè)部分組成,它們之間的關(guān)系如圖5所示。
4.2開(kāi)采智能探測(cè)
開(kāi)采智能探測(cè)是指對(duì)采場(chǎng)未知區(qū)域的自動(dòng)探查和檢測(cè)，用于指導(dǎo)采煤機(jī)俯仰采控制和搖臂調(diào)高、綜放工作面放煤時(shí)的煤矸自動(dòng)識(shí)別等，可分為煤巖分界、煤矸識(shí)別和超前探測(cè)等專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域。
1)煤巖分界。采用太赫茲技術(shù)利用單天線(xiàn)進(jìn)行多普勒雷達(dá)脈沖的發(fā)送和接收，信號(hào)通過(guò)煤巖層時(shí)會(huì)減弱，并且遇到煤巖界面會(huì)發(fā)生反射。反射波的速度相位滯后或從發(fā)射波到反射波被接收的時(shí)間間隙，除與發(fā)射波頻率、煤和頂板巖性等可測(cè)知的因素有關(guān)外，還與電磁波在頂?shù)酌褐写┰铰烦碳错數(shù)酌汉穸扔嘘P(guān)。通過(guò)對(duì)接收到的反射波進(jìn)行信號(hào)處理可確定頂?shù)酌汉穸取?/p>
2)煤矸放落自動(dòng)識(shí)別。煤矸放落自動(dòng)識(shí)別_直是綜采工作面的技術(shù)難題，通過(guò)時(shí)域光譜技術(shù)探測(cè)是_種可行的技術(shù)方法。時(shí)域光譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測(cè)時(shí)間分辨的電場(chǎng)，通過(guò)傅里葉變換獲得被測(cè)物質(zhì)的光譜信息，通過(guò)特征頻率對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)行分析和鑒定，適用于煤炭礦物質(zhì)的實(shí)時(shí)成分分析112。
3)超前探測(cè)。超前探測(cè)系統(tǒng)無(wú)需預(yù)先求取煤巖物理特性,適用范圍更廣，具有可靠的精度，在多數(shù)頂板條件下能夠運(yùn)行良好。但是也存在其固有的問(wèn)題:在具有波散射性質(zhì)的煤層表現(xiàn)不好，探測(cè)范圍小，發(fā)射器功率偏低，深入煤層的深度范圍有限，需要未來(lái)功率更大的信號(hào)源支持來(lái)克服信號(hào)在煤層內(nèi)的衰減13。圖6是采用可見(jiàn)光拍攝的綜采工作面煤層成像，圖7是采用超前探測(cè)成像技術(shù)形成的煤層內(nèi)部地質(zhì)信息，可以看到煤層受到一定的侵蝕。
4.3開(kāi)采智能導(dǎo)航
開(kāi)采智能導(dǎo)航是指利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)、光電和導(dǎo)航技術(shù)對(duì)開(kāi)采設(shè)備和人員進(jìn)行自動(dòng)定位，以實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)控和精確開(kāi)采。圍繞綜采設(shè)備姿態(tài)定位、綜采設(shè)備安全感知、工作面直線(xiàn)度控制、視頻圖像處理等多種關(guān)鍵技術(shù)，關(guān)鍵是對(duì)采煤機(jī)的精準(zhǔn)導(dǎo)航定位技術(shù)進(jìn)行研究。
1)光纖慣性導(dǎo)航。作為一種自主式的導(dǎo)航方法，慣性導(dǎo)航是完全依靠載體上的設(shè)備自主地確定出載體的航向、位置、姿態(tài)和速度等導(dǎo)航參數(shù)，并不需要外界任何的光、電、磁參數(shù)&4。采掘裝備的精確導(dǎo)航是實(shí)現(xiàn)智能開(kāi)采的必要技術(shù)，根據(jù)我國(guó)煤礦井下裝備自動(dòng)導(dǎo)航的落后局面，在分析當(dāng)前國(guó)外煤礦的導(dǎo)航技術(shù)水平后，借鑒在國(guó)內(nèi)航天、航空和航海中普遍應(yīng)用的慣性導(dǎo)航技術(shù),將其引入到煤礦井下的精確定位系統(tǒng)中，逐步實(shí)現(xiàn)煤礦采掘裝備的自主導(dǎo)航功能。
2)三維雷達(dá)。雷達(dá)探測(cè)防碰撞系統(tǒng)是一種安裝在采煤機(jī)上的主動(dòng)安全系統(tǒng)，是_種可以向采煤機(jī)操作人員預(yù)先發(fā)出視聽(tīng)報(bào)警信號(hào)的探測(cè)裝置1]。傳統(tǒng)的雷達(dá)是二維的，測(cè)得的距離定位是_個(gè)平面，但如果用于煤礦智能開(kāi)采過(guò)程中的防碰撞，還需要增加垂直方向的距離檢測(cè)。
4.4開(kāi)采智能控制
根據(jù)開(kāi)采條件變化自動(dòng)調(diào)控采掘過(guò)程,使智能化采掘設(shè)備與自動(dòng)調(diào)度決策集為_(kāi)體，融合采煤機(jī)智能記憶截割、液壓支架智能跟機(jī)自動(dòng)化、工作面運(yùn)輸系統(tǒng)煤流平衡、智能集成供液、工作面可視化視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程遙控、三維虛擬現(xiàn)實(shí)、一鍵啟停等多項(xiàng)技術(shù)E7],建立以成套裝備總控制網(wǎng)絡(luò)為核心，單機(jī)裝備為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能控制模式，解決關(guān)鍵元部件以及控制系統(tǒng)等方面的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)綜采成套裝備智能化開(kāi)采技術(shù)新突破，形成具有集成套裝備安全感知、信息可靠傳輸、動(dòng)態(tài)決策、協(xié)調(diào)執(zhí)行于_體的智能開(kāi)采系統(tǒng)。
5、結(jié)語(yǔ)
通過(guò)國(guó)外煤礦實(shí)地考察和文獻(xiàn)分析，研究了國(guó)外先進(jìn)的煤礦智能開(kāi)采方法，對(duì)國(guó)內(nèi)的智能開(kāi)采工作面所采用的主要技術(shù)也進(jìn)行了研究，分析了在厚煤層和薄煤層進(jìn)行智能開(kāi)采的實(shí)踐過(guò)程，總結(jié)出以下的智能開(kāi)采技術(shù)創(chuàng)新成果。國(guó)外智能開(kāi)采，主要是澳大利亞，采用純慣性導(dǎo)航對(duì)采煤機(jī)和連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行三維定位實(shí)現(xiàn)工作面連續(xù)推進(jìn)，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。中國(guó)智能開(kāi)采，在薄煤層和厚煤層實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙控開(kāi)采,工作面實(shí)現(xiàn)了無(wú)人化智能開(kāi)采。提出了智能開(kāi)采由智能探測(cè)、智能導(dǎo)航和智能。
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