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中國煤礦智能開采科技創(chuàng)新與發(fā)展論文

時間:2023-03-05 06:18:35 論文 我要投稿
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中國煤礦智能開采科技創(chuàng)新與發(fā)展論文

  引言

  近十年來,為了實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn),國內(nèi)開展的有關(guān)煤礦開采科技創(chuàng)新研究工作取得了很大的成績,已使得我國煤炭開采水平接近或部分達(dá)到了世界先進(jìn)水平,但真正實現(xiàn)完全智能開采還局限在薄煤層工作面m。對綜采技術(shù)方面,利用陀螺儀對采煤機(jī)位置進(jìn)行三維檢測跟蹤定位0,在原有記憶割煤、過載保護(hù)、自動調(diào)高等功能基礎(chǔ)上新增加了紅外攝像、雷達(dá)探測防機(jī)械碰撞和煤巖分析檢測功能,這些技術(shù)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_些開采技術(shù)也是國內(nèi)外煤炭行業(yè)所共同面臨的難題。解決這些問題需要通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新,研究新技術(shù)尤其是光電技術(shù)在煤礦開采中的快速應(yīng)用。筆者通過分析國外煤礦先進(jìn)的開采技術(shù),對我國未來幾年影響煤礦開采的新技術(shù)進(jìn)行重點研究,提出智能開采的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在智能探測、智能導(dǎo)航和智能控制方面,對其中較成熟的技術(shù)進(jìn)行了初步試驗,對具有應(yīng)用前景的技術(shù)進(jìn)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(jìn)煤礦開采水平,以使我國由世界第一煤炭開采大國變?yōu)榈谝幻禾块_采強國。

  1、國外智能開采技術(shù)現(xiàn)狀

  進(jìn)入21世紀(jì)以來,國外煤礦開采追求“安全、高效、簡單、實用、可靠、經(jīng)濟(jì)”的原則,其智能開采的技術(shù)思路是:通過鉆孔地質(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,通過陀螺儀獲知采煤機(jī)的三維坐標(biāo),兩者結(jié)合實現(xiàn)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(zhì)條件為載體,頂層規(guī)劃自動化采煤過程H。

  1.1工作面自動化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)會研究計劃)設(shè)立的綜采自動化項目,開展綜采工作面自動化和智能化技術(shù)的研究。到2005年該項目通過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)計了工作面自動化LASC系統(tǒng),并首次在澳大利亞的Beltana礦試驗成功。2008年,對LASC系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,增加了采煤機(jī)自動控制、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,將這項技術(shù)集成到對應(yīng)的采煤機(jī)上,實現(xiàn)快速商用4。LASC系統(tǒng)包含慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和工作面自動控制算法2項核心技術(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),通過運行嵌入式導(dǎo)航定位軟件實現(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GPS信號輔助的情況下行進(jìn)2.7km,定位誤差在30cm以內(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)自動制導(dǎo)。

 �、賹τ诰C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。然后利用在采煤過程中記錄的頂?shù)装逦恢眯畔υ撃P瓦M(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采技術(shù)控制原理如圖1所示。

 �、谶B續(xù)采煤機(jī)自動制導(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)自動制導(dǎo)技術(shù)開發(fā)了具有應(yīng)用程序控制和通信功能,且包含先進(jìn)圖形用戶界面的自動制導(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,需要在后面的開采中實時校正。

  2)工作面自動控制模型和算法。基于該算法,設(shè)計了工作面矯直系統(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項核心技術(shù),通過對舵性導(dǎo)航儀記錄的采煤機(jī)空間位置進(jìn)行分析,確定當(dāng)前工作面的直線度,計算出每臺液壓支架的推移量,給液壓支架電控系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行信息,對工作面直線度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。慣性導(dǎo)航儀輸出2路信號: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)航儀開始商業(yè)化應(yīng)用以來,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智能開采服務(wù)中心

  智能開采服務(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,對所管轄礦井進(jìn)行實時監(jiān)控,目前只有莫蘭巴北礦上線。

  根據(jù)出現(xiàn)的報警、故障信息,及時發(fā)郵件或電話通知礦井進(jìn)行調(diào)整。同時,每曰、周、月和季度向礦井提交運行分析報告,指導(dǎo)礦井提高運行管理水平,合理安排設(shè)備檢修。分析報告包括每日的觸發(fā)響應(yīng)動作計劃通知,每周的智能服務(wù)回顧,每月的井下精益運行回顧,每季度的生產(chǎn)表現(xiàn)回顧。智能開采服務(wù)中心的應(yīng)用可以實現(xiàn)停機(jī)時間少、早期監(jiān)測和設(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)開米公司,屬高瓦斯礦井。2013年產(chǎn)量740萬t,2014年計劃產(chǎn)量810萬t,單井單面。屬于LW2層面第5個工作面,工作面長度405m,走向長度3471m,工作面采高3.0~3.2m,設(shè)計產(chǎn)量3500t/h。全套開采裝備包括:7LS6D采煤機(jī),RS20S液壓支架控制系統(tǒng),臺11kV和1.6MW刮板輸送機(jī)電動機(jī),6臺INOXIHP泵站(泵站壓力32.5~34.5MPa的4臺,0.0~41.5MPa的2臺)。采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)為Faceboss,統(tǒng)為LASC。

  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,其他時間安排生產(chǎn)。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(chǎn)班人員10人,分為正副班長(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,采煤機(jī)司機(jī)控制頂滾筒、底滾筒隨動割煤。而從機(jī)頭到機(jī)尾時,采煤機(jī)根據(jù)上一刀信息自動記憶割煤,重載速度8~14m/min。支架采用自動拉架+人工干預(yù)方式(頂板破碎,人工超前拉架),立柱安裝2個壓力傳感器,_用一備。工作面矯直系統(tǒng)在割煤過程中實時記錄采煤機(jī)三維位置、橫向和縱向傾角,采煤機(jī)每截割4刀時,矯直系統(tǒng)根據(jù)記錄的信息,控制每臺支架的推移量,調(diào)節(jié)工作面的直線度。

  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)境的時間,提高礦井安全水平;同時減小了煤炭產(chǎn)量波動,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、國內(nèi)智能開采技術(shù)現(xiàn)狀

  2.1智能開采控制系統(tǒng)

  根據(jù)國內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)的智能化開采煤礦控制模式,可以總結(jié)出智能開采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

  2.2遠(yuǎn)程干預(yù)無人化采煤工藝

  國內(nèi)智能化開采實現(xiàn)工作面內(nèi)無人,即‘‘以工作面自動控制為主,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,實現(xiàn)“無人跟機(jī)作業(yè),有人安全值守”的開采理念,設(shè)計了人工干預(yù)下模糊控制多工序的采煤工藝。所實現(xiàn)的開采系統(tǒng)智能化功能如下:系統(tǒng)具有多方位、多層次的感知能力,可實現(xiàn)綜采工作面信息交互的高速網(wǎng)絡(luò)平臺和通道;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運行;智能化煤流平衡控制;采煤機(jī)與運輸系統(tǒng)狀態(tài)及運能的自適應(yīng)配合;液壓支架智能跟機(jī)移架,支架遠(yuǎn)程序列化自動控制;刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測與智能化刮板輸送機(jī)尾伸縮自動控制、智能化軟啟動;各種設(shè)備自動協(xié)調(diào)運行,針對復(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)備之間的配合運行參數(shù)。

  2.3礦井虛擬現(xiàn)實技術(shù)

  綜采工作面利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)造出一個三維的采礦現(xiàn)實環(huán)境,模擬采礦作業(yè)過程及工藝設(shè)備的運行,操作人員可與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互,在任意時刻穿越任何空間進(jìn)入系統(tǒng)模擬的任何區(qū)域08。系統(tǒng)能識別物體、輸入和處理各種信息,控制物體運動,模擬自然規(guī)律,確定空間狀態(tài),其主要特點是創(chuàng)造了與現(xiàn)實開采情況極為接近的三維環(huán)境,通過計算機(jī)顯示采礦作業(yè)情況,獲得生產(chǎn)系統(tǒng)運行狀況平面圖、不同的設(shè)備動態(tài)顯示圖和設(shè)備運行具體參數(shù),包括運行的時間、產(chǎn)量、設(shè)備間的距離等動態(tài)信息,通過對不同型號設(shè)備、不同開采參數(shù)下的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)模擬,從而達(dá)到優(yōu)化和評價生產(chǎn)系統(tǒng)目的09。虛擬現(xiàn)實系統(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鼠標(biāo)和鍵盤移動鏡頭,自主瀏覽場景中的任意位置;飛行模式則有更大活動空間,鏡頭可移動至

  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)自動動作為主,人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔;以綜采運輸設(shè)備集中自動化控制為主,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,構(gòu)成一個相互聯(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,實現(xiàn)對綜采成套裝備的協(xié)調(diào)管理與集中控制10。

  2.5智能開采技術(shù)難點

  1)開采設(shè)備自動化技術(shù)水平有待提高。由于開采地質(zhì)條件的不斷變化,煤層賦存的不可預(yù)知性,因此開采智能化還不能完全離開人的智慧,需要發(fā)揮機(jī)器和人各自的特長,規(guī)避人機(jī)各自的短處。

  2)開采設(shè)備可靠性需增強,同時應(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)開采惡劣環(huán)境下可視化技術(shù)難題。需要研究清晰、實時的開采工作面再現(xiàn)技術(shù)。

  4)開采智能決策技術(shù)難題。需要研究統(tǒng)_的通信平臺,實現(xiàn)開采裝備通信接口、協(xié)議的互通互聯(lián),研究平臺協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、實時性和智能化。

  3、國內(nèi)智能開采試驗結(jié)果

  3.1厚煤層智能開采試驗情況

  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(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)運行,并能實現(xiàn)以下功能。

  1)液壓支架圍巖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)自動移架,采煤機(jī)根據(jù)煤流平衡負(fù)荷,與輸送機(jī)運能狀態(tài)的自適應(yīng)割煤配合;刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測,機(jī)尾伸縮自動控制,智能化軟啟動控制。

  2)組建了綜采工作面信息交互網(wǎng)絡(luò)平臺,具有有線、無線網(wǎng)絡(luò)接入功能。能夠控制單機(jī)設(shè)備自動協(xié)調(diào)運行,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)實平臺可以及時反映工作面運行狀態(tài)。

  3)可以通過地面遠(yuǎn)程操作臺_鍵啟停功能實現(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�?刂�,完成工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)集中控制。

  紅柳林煤礦智能開采項目實現(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、動態(tài)決策、協(xié)調(diào)執(zhí)行為一體的智能開采控制系統(tǒng),自動化和智能化程度處于國際先進(jìn)水平;在控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制方式、響應(yīng)時間、智能功能、工作面人數(shù)、產(chǎn)能等主要技術(shù)指標(biāo)方面處于國際領(lǐng)先水平。項目的實施將采煤工作面的操作工人數(shù)量降低至5人,實現(xiàn)了工作面無人跟機(jī)操作、少人值守的自動化安全高效生產(chǎn)。智能開采控制系統(tǒng)在紅柳林煤礦示范應(yīng)用,井下正式投入運行6個月,共生產(chǎn)原煤792.17萬t,創(chuàng)造利潤9.08億元;主要創(chuàng)新成果已在寧夏煤業(yè)、陜西煤業(yè)、陽泉煤業(yè)、平朔集團(tuán)等多個礦區(qū)推廣應(yīng)用,累計取得經(jīng)濟(jì)效益20億元以上。

  3.2薄煤層智能開采試驗情況

  陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦1001綜采工作面傾斜長度235m,走向長度進(jìn)風(fēng)巷為2271m,回風(fēng)巷為2291m,采高1.1~2.3m,可采儲量107萬t。于2014年2、3、4月進(jìn)行了為期3個月的工業(yè)試驗性,具體試驗情況如下。

  1)2014年2月,1001綜采工作面開始使用全自動化割煤作業(yè)。通過利用井下監(jiān)控中心遠(yuǎn)程操作臺和監(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個小班(8h),日平均割煤8刀半,全月共生產(chǎn)原煤9.05萬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個小班(8h),日平均割煤11刀半,全月共生產(chǎn)原煤14.58萬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,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個小班(8h),日平均割煤12刀,全月共生產(chǎn)原煤17.03萬t。其中4月2日零點班實現(xiàn)了單班生產(chǎn)8刀30架的最高紀(jì)錄。

  薄煤層智能開采系統(tǒng)經(jīng)過3個月的工業(yè)性試驗,地面調(diào)度室和井下監(jiān)控中心遠(yuǎn)程作業(yè)、采煤機(jī)自動記憶截割等自動化功能穩(wěn)定,系統(tǒng)應(yīng)用效果良好,能夠大幅減少采場作業(yè)人員,降低職工勞動強度。工作面的生產(chǎn)能力不斷提高,月產(chǎn)量達(dá)到17.03萬t,年生產(chǎn)能力可達(dá)200萬t以上。工作面由原來的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。每個生產(chǎn)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、智能開采技術(shù)發(fā)展方向

  4.1智能開采關(guān)鍵技術(shù)

  根據(jù)國內(nèi)外對煤礦開采技術(shù)的發(fā)展要求,提出了智能開采的關(guān)鍵技術(shù)由智能探測、智能導(dǎo)航和智能控制3個部分組成,它們之間的關(guān)系如圖5所示。

  4.2開采智能探測

  開采智能探測是指對采場未知區(qū)域的自動探查和檢測,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(yè)領(lǐng)域。

  1)煤巖分界。采用太赫茲技術(shù)利用單天線進(jìn)行多普勒雷達(dá)脈沖的發(fā)送和接收,信號通過煤巖層時會減弱,并且遇到煤巖界面會發(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間間隙,除與發(fā)射波頻率、煤和頂板巖性等可測知的因素有關(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)。通過對接收到的反射波進(jìn)行信號處理可確定頂?shù)酌汉穸取?/p>

  2)煤矸放落自動識別。煤矸放落自動識別_直是綜采工作面的技術(shù)難題,通過時域光譜技術(shù)探測是_種可行的技術(shù)方法。時域光譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測時間分辨的電場,通過傅里葉變換獲得被測物質(zhì)的光譜信息,通過特征頻率對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)行分析和鑒定,適用于煤炭礦物質(zhì)的實時成分分析112。

  3)超前探測。超前探測系統(tǒng)無需預(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)頂板條件下能夠運行良好。但是也存在其固有的問題:在具有波散射性質(zhì)的煤層表現(xiàn)不好,探測范圍小,發(fā)射器功率偏低,深入煤層的深度范圍有限,需要未來功率更大的信號源支持來克服信號在煤層內(nèi)的衰減13。圖6是采用可見光拍攝的綜采工作面煤層成像,圖7是采用超前探測成像技術(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開采智能導(dǎo)航

  開采智能導(dǎo)航是指利用先進(jìn)的計算機(jī)、光電和導(dǎo)航技術(shù)對開采設(shè)備和人員進(jìn)行自動定位,以實現(xiàn)安全監(jiān)控和精確開采。圍繞綜采設(shè)備姿態(tài)定位、綜采設(shè)備安全感知、工作面直線度控制、視頻圖像處理等多種關(guān)鍵技術(shù),關(guān)鍵是對采煤機(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)航是實現(xiàn)智能開采的必要技術(shù),根據(jù)我國煤礦井下裝備自動導(dǎo)航的落后局面,在分析當(dāng)前國外煤礦的導(dǎo)航技術(shù)水平后,借鑒在國內(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)探測防碰撞系統(tǒng)是一種安裝在采煤機(jī)上的主動安全系統(tǒng),是_種可以向采煤機(jī)操作人員預(yù)先發(fā)出視聽報警信號的探測裝置1]。傳統(tǒng)的雷達(dá)是二維的,測得的距離定位是_個平面,但如果用于煤礦智能開采過程中的防碰撞,還需要增加垂直方向的距離檢測。

  4.4開采智能控制

  根據(jù)開采條件變化自動調(diào)控采掘過程,使智能化采掘設(shè)備與自動調(diào)度決策集為_體,融合采煤機(jī)智能記憶截割、液壓支架智能跟機(jī)自動化、工作面運輸系統(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、一鍵啟停等多項技術(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,實現(xiàn)綜采成套裝備智能化開采技術(shù)新突破,形成具有集成套裝備安全感知、信息可靠傳輸、動態(tài)決策、協(xié)調(diào)執(zhí)行于_體的智能開采系統(tǒng)。

  5、結(jié)語

  通過國外煤礦實地考察和文獻(xiàn)分析,研究了國外先進(jìn)的煤礦智能開采方法,對國內(nèi)的智能開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)行智能開采的實踐過程,總結(jié)出以下的智能開采技術(shù)創(chuàng)新成果。國外智能開采,主要是澳大利亞,采用純慣性導(dǎo)航對采煤機(jī)和連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行三維定位實現(xiàn)工作面連續(xù)推進(jìn),并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。中國智能開采,在薄煤層和厚煤層實現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙控開采,工作面實現(xiàn)了無人化智能開采。提出了智能開采由智能探測、智能導(dǎo)航和智能。

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中國煤礦智能開采科技創(chuàng)新與發(fā)展論文

  引言

  近十年來,為了實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn),國內(nèi)開展的有關(guān)煤礦開采科技創(chuàng)新研究工作取得了很大的成績,已使得我國煤炭開采水平接近或部分達(dá)到了世界先進(jìn)水平,但真正實現(xiàn)完全智能開采還局限在薄煤層工作面m。對綜采技術(shù)方面,利用陀螺儀對采煤機(jī)位置進(jìn)行三維檢測跟蹤定位0,在原有記憶割煤、過載保護(hù)、自動調(diào)高等功能基礎(chǔ)上新增加了紅外攝像、雷達(dá)探測防機(jī)械碰撞和煤巖分析檢測功能,這些技術(shù)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_些開采技術(shù)也是國內(nèi)外煤炭行業(yè)所共同面臨的難題。解決這些問題需要通過不斷的技術(shù)創(chuàng)新,研究新技術(shù)尤其是光電技術(shù)在煤礦開采中的快速應(yīng)用。筆者通過分析國外煤礦先進(jìn)的開采技術(shù),對我國未來幾年影響煤礦開采的新技術(shù)進(jìn)行重點研究,提出智能開采的關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在智能探測、智能導(dǎo)航和智能控制方面,對其中較成熟的技術(shù)進(jìn)行了初步試驗,對具有應(yīng)用前景的技術(shù)進(jìn)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(jìn)煤礦開采水平,以使我國由世界第一煤炭開采大國變?yōu)榈谝幻禾块_采強國。

  1、國外智能開采技術(shù)現(xiàn)狀

  進(jìn)入21世紀(jì)以來,國外煤礦開采追求“安全、高效、簡單、實用、可靠、經(jīng)濟(jì)”的原則,其智能開采的技術(shù)思路是:通過鉆孔地質(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,通過陀螺儀獲知采煤機(jī)的三維坐標(biāo),兩者結(jié)合實現(xiàn)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(zhì)條件為載體,頂層規(guī)劃自動化采煤過程H。

  1.1工作面自動化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)會研究計劃)設(shè)立的綜采自動化項目,開展綜采工作面自動化和智能化技術(shù)的研究。到2005年該項目通過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)計了工作面自動化LASC系統(tǒng),并首次在澳大利亞的Beltana礦試驗成功。2008年,對LASC系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,增加了采煤機(jī)自動控制、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,將這項技術(shù)集成到對應(yīng)的采煤機(jī)上,實現(xiàn)快速商用4。LASC系統(tǒng)包含慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和工作面自動控制算法2項核心技術(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),通過運行嵌入式導(dǎo)航定位軟件實現(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GPS信號輔助的情況下行進(jìn)2.7km,定位誤差在30cm以內(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)自動制導(dǎo)。

 �、賹τ诰C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。然后利用在采煤過程中記錄的頂?shù)装逦恢眯畔υ撃P瓦M(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采技術(shù)控制原理如圖1所示。

 �、谶B續(xù)采煤機(jī)自動制導(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)自動制導(dǎo)技術(shù)開發(fā)了具有應(yīng)用程序控制和通信功能,且包含先進(jìn)圖形用戶界面的自動制導(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,需要在后面的開采中實時校正。

  2)工作面自動控制模型和算法。基于該算法,設(shè)計了工作面矯直系統(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項核心技術(shù),通過對舵性導(dǎo)航儀記錄的采煤機(jī)空間位置進(jìn)行分析,確定當(dāng)前工作面的直線度,計算出每臺液壓支架的推移量,給液壓支架電控系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行信息,對工作面直線度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。慣性導(dǎo)航儀輸出2路信號: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)航儀開始商業(yè)化應(yīng)用以來,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智能開采服務(wù)中心

  智能開采服務(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,對所管轄礦井進(jìn)行實時監(jiān)控,目前只有莫蘭巴北礦上線。

  根據(jù)出現(xiàn)的報警、故障信息,及時發(fā)郵件或電話通知礦井進(jìn)行調(diào)整。同時,每曰、周、月和季度向礦井提交運行分析報告,指導(dǎo)礦井提高運行管理水平,合理安排設(shè)備檢修。分析報告包括每日的觸發(fā)響應(yīng)動作計劃通知,每周的智能服務(wù)回顧,每月的井下精益運行回顧,每季度的生產(chǎn)表現(xiàn)回顧。智能開采服務(wù)中心的應(yīng)用可以實現(xiàn)停機(jī)時間少、早期監(jiān)測和設(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)開米公司,屬高瓦斯礦井。2013年產(chǎn)量740萬t,2014年計劃產(chǎn)量810萬t,單井單面。屬于LW2層面第5個工作面,工作面長度405m,走向長度3471m,工作面采高3.0~3.2m,設(shè)計產(chǎn)量3500t/h。全套開采裝備包括:7LS6D采煤機(jī),RS20S液壓支架控制系統(tǒng),臺11kV和1.6MW刮板輸送機(jī)電動機(jī),6臺INOXIHP泵站(泵站壓力32.5~34.5MPa的4臺,0.0~41.5MPa的2臺)。采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)為Faceboss,統(tǒng)為LASC。

  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,其他時間安排生產(chǎn)。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(chǎn)班人員10人,分為正副班長(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,采煤機(jī)司機(jī)控制頂滾筒、底滾筒隨動割煤。而從機(jī)頭到機(jī)尾時,采煤機(jī)根據(jù)上一刀信息自動記憶割煤,重載速度8~14m/min。支架采用自動拉架+人工干預(yù)方式(頂板破碎,人工超前拉架),立柱安裝2個壓力傳感器,_用一備。工作面矯直系統(tǒng)在割煤過程中實時記錄采煤機(jī)三維位置、橫向和縱向傾角,采煤機(jī)每截割4刀時,矯直系統(tǒng)根據(jù)記錄的信息,控制每臺支架的推移量,調(diào)節(jié)工作面的直線度。

  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)境的時間,提高礦井安全水平;同時減小了煤炭產(chǎn)量波動,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、國內(nèi)智能開采技術(shù)現(xiàn)狀

  2.1智能開采控制系統(tǒng)

  根據(jù)國內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)的智能化開采煤礦控制模式,可以總結(jié)出智能開采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

  2.2遠(yuǎn)程干預(yù)無人化采煤工藝

  國內(nèi)智能化開采實現(xiàn)工作面內(nèi)無人,即‘‘以工作面自動控制為主,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,實現(xiàn)“無人跟機(jī)作業(yè),有人安全值守”的開采理念,設(shè)計了人工干預(yù)下模糊控制多工序的采煤工藝。所實現(xiàn)的開采系統(tǒng)智能化功能如下:系統(tǒng)具有多方位、多層次的感知能力,可實現(xiàn)綜采工作面信息交互的高速網(wǎng)絡(luò)平臺和通道;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運行;智能化煤流平衡控制;采煤機(jī)與運輸系統(tǒng)狀態(tài)及運能的自適應(yīng)配合;液壓支架智能跟機(jī)移架,支架遠(yuǎn)程序列化自動控制;刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測與智能化刮板輸送機(jī)尾伸縮自動控制、智能化軟啟動;各種設(shè)備自動協(xié)調(diào)運行,針對復(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)備之間的配合運行參數(shù)。

  2.3礦井虛擬現(xiàn)實技術(shù)

  綜采工作面利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)造出一個三維的采礦現(xiàn)實環(huán)境,模擬采礦作業(yè)過程及工藝設(shè)備的運行,操作人員可與虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互,在任意時刻穿越任何空間進(jìn)入系統(tǒng)模擬的任何區(qū)域08。系統(tǒng)能識別物體、輸入和處理各種信息,控制物體運動,模擬自然規(guī)律,確定空間狀態(tài),其主要特點是創(chuàng)造了與現(xiàn)實開采情況極為接近的三維環(huán)境,通過計算機(jī)顯示采礦作業(yè)情況,獲得生產(chǎn)系統(tǒng)運行狀況平面圖、不同的設(shè)備動態(tài)顯示圖和設(shè)備運行具體參數(shù),包括運行的時間、產(chǎn)量、設(shè)備間的距離等動態(tài)信息,通過對不同型號設(shè)備、不同開采參數(shù)下的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)模擬,從而達(dá)到優(yōu)化和評價生產(chǎn)系統(tǒng)目的09。虛擬現(xiàn)實系統(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鼠標(biāo)和鍵盤移動鏡頭,自主瀏覽場景中的任意位置;飛行模式則有更大活動空間,鏡頭可移動至

  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)自動動作為主,人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔;以綜采運輸設(shè)備集中自動化控制為主,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,構(gòu)成一個相互聯(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,實現(xiàn)對綜采成套裝備的協(xié)調(diào)管理與集中控制10。

  2.5智能開采技術(shù)難點

  1)開采設(shè)備自動化技術(shù)水平有待提高。由于開采地質(zhì)條件的不斷變化,煤層賦存的不可預(yù)知性,因此開采智能化還不能完全離開人的智慧,需要發(fā)揮機(jī)器和人各自的特長,規(guī)避人機(jī)各自的短處。

  2)開采設(shè)備可靠性需增強,同時應(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)開采惡劣環(huán)境下可視化技術(shù)難題。需要研究清晰、實時的開采工作面再現(xiàn)技術(shù)。

  4)開采智能決策技術(shù)難題。需要研究統(tǒng)_的通信平臺,實現(xiàn)開采裝備通信接口、協(xié)議的互通互聯(lián),研究平臺協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)化、實時性和智能化。

  3、國內(nèi)智能開采試驗結(jié)果

  3.1厚煤層智能開采試驗情況

  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(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)運行,并能實現(xiàn)以下功能。

  1)液壓支架圍巖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)自動移架,采煤機(jī)根據(jù)煤流平衡負(fù)荷,與輸送機(jī)運能狀態(tài)的自適應(yīng)割煤配合;刮板輸送機(jī)鏈條張力監(jiān)測,機(jī)尾伸縮自動控制,智能化軟啟動控制。

  2)組建了綜采工作面信息交互網(wǎng)絡(luò)平臺,具有有線、無線網(wǎng)絡(luò)接入功能。能夠控制單機(jī)設(shè)備自動協(xié)調(diào)運行,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)實平臺可以及時反映工作面運行狀態(tài)。

  3)可以通過地面遠(yuǎn)程操作臺_鍵啟停功能實現(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�?刂�,完成工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)集中控制。

  紅柳林煤礦智能開采項目實現(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、動態(tài)決策、協(xié)調(diào)執(zhí)行為一體的智能開采控制系統(tǒng),自動化和智能化程度處于國際先進(jìn)水平;在控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制方式、響應(yīng)時間、智能功能、工作面人數(shù)、產(chǎn)能等主要技術(shù)指標(biāo)方面處于國際領(lǐng)先水平。項目的實施將采煤工作面的操作工人數(shù)量降低至5人,實現(xiàn)了工作面無人跟機(jī)操作、少人值守的自動化安全高效生產(chǎn)。智能開采控制系統(tǒng)在紅柳林煤礦示范應(yīng)用,井下正式投入運行6個月,共生產(chǎn)原煤792.17萬t,創(chuàng)造利潤9.08億元;主要創(chuàng)新成果已在寧夏煤業(yè)、陜西煤業(yè)、陽泉煤業(yè)、平朔集團(tuán)等多個礦區(qū)推廣應(yīng)用,累計取得經(jīng)濟(jì)效益20億元以上。

  3.2薄煤層智能開采試驗情況

  陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦1001綜采工作面傾斜長度235m,走向長度進(jìn)風(fēng)巷為2271m,回風(fēng)巷為2291m,采高1.1~2.3m,可采儲量107萬t。于2014年2、3、4月進(jìn)行了為期3個月的工業(yè)試驗性,具體試驗情況如下。

  1)2014年2月,1001綜采工作面開始使用全自動化割煤作業(yè)。通過利用井下監(jiān)控中心遠(yuǎn)程操作臺和監(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個小班(8h),日平均割煤8刀半,全月共生產(chǎn)原煤9.05萬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個小班(8h),日平均割煤11刀半,全月共生產(chǎn)原煤14.58萬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,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個小班(8h),日平均割煤12刀,全月共生產(chǎn)原煤17.03萬t。其中4月2日零點班實現(xiàn)了單班生產(chǎn)8刀30架的最高紀(jì)錄。

  薄煤層智能開采系統(tǒng)經(jīng)過3個月的工業(yè)性試驗,地面調(diào)度室和井下監(jiān)控中心遠(yuǎn)程作業(yè)、采煤機(jī)自動記憶截割等自動化功能穩(wěn)定,系統(tǒng)應(yīng)用效果良好,能夠大幅減少采場作業(yè)人員,降低職工勞動強度。工作面的生產(chǎn)能力不斷提高,月產(chǎn)量達(dá)到17.03萬t,年生產(chǎn)能力可達(dá)200萬t以上。工作面由原來的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。每個生產(chǎn)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、智能開采技術(shù)發(fā)展方向

  4.1智能開采關(guān)鍵技術(shù)

  根據(jù)國內(nèi)外對煤礦開采技術(shù)的發(fā)展要求,提出了智能開采的關(guān)鍵技術(shù)由智能探測、智能導(dǎo)航和智能控制3個部分組成,它們之間的關(guān)系如圖5所示。

  4.2開采智能探測

  開采智能探測是指對采場未知區(qū)域的自動探查和檢測,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(yè)領(lǐng)域。

  1)煤巖分界。采用太赫茲技術(shù)利用單天線進(jìn)行多普勒雷達(dá)脈沖的發(fā)送和接收,信號通過煤巖層時會減弱,并且遇到煤巖界面會發(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間間隙,除與發(fā)射波頻率、煤和頂板巖性等可測知的因素有關(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)。通過對接收到的反射波進(jìn)行信號處理可確定頂?shù)酌汉穸取?/p>

  2)煤矸放落自動識別。煤矸放落自動識別_直是綜采工作面的技術(shù)難題,通過時域光譜技術(shù)探測是_種可行的技術(shù)方法。時域光譜技術(shù)的基本原理是利用飛秒脈沖產(chǎn)生并探測時間分辨的電場,通過傅里葉變換獲得被測物質(zhì)的光譜信息,通過特征頻率對物質(zhì)結(jié)構(gòu)、物性進(jìn)行分析和鑒定,適用于煤炭礦物質(zhì)的實時成分分析112。

  3)超前探測。超前探測系統(tǒng)無需預(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)頂板條件下能夠運行良好。但是也存在其固有的問題:在具有波散射性質(zhì)的煤層表現(xiàn)不好,探測范圍小,發(fā)射器功率偏低,深入煤層的深度范圍有限,需要未來功率更大的信號源支持來克服信號在煤層內(nèi)的衰減13。圖6是采用可見光拍攝的綜采工作面煤層成像,圖7是采用超前探測成像技術(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開采智能導(dǎo)航

  開采智能導(dǎo)航是指利用先進(jìn)的計算機(jī)、光電和導(dǎo)航技術(shù)對開采設(shè)備和人員進(jìn)行自動定位,以實現(xiàn)安全監(jiān)控和精確開采。圍繞綜采設(shè)備姿態(tài)定位、綜采設(shè)備安全感知、工作面直線度控制、視頻圖像處理等多種關(guān)鍵技術(shù),關(guān)鍵是對采煤機(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)航是實現(xiàn)智能開采的必要技術(shù),根據(jù)我國煤礦井下裝備自動導(dǎo)航的落后局面,在分析當(dāng)前國外煤礦的導(dǎo)航技術(shù)水平后,借鑒在國內(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)探測防碰撞系統(tǒng)是一種安裝在采煤機(jī)上的主動安全系統(tǒng),是_種可以向采煤機(jī)操作人員預(yù)先發(fā)出視聽報警信號的探測裝置1]。傳統(tǒng)的雷達(dá)是二維的,測得的距離定位是_個平面,但如果用于煤礦智能開采過程中的防碰撞,還需要增加垂直方向的距離檢測。

  4.4開采智能控制

  根據(jù)開采條件變化自動調(diào)控采掘過程,使智能化采掘設(shè)備與自動調(diào)度決策集為_體,融合采煤機(jī)智能記憶截割、液壓支架智能跟機(jī)自動化、工作面運輸系統(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、一鍵啟停等多項技術(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,實現(xiàn)綜采成套裝備智能化開采技術(shù)新突破,形成具有集成套裝備安全感知、信息可靠傳輸、動態(tài)決策、協(xié)調(diào)執(zhí)行于_體的智能開采系統(tǒng)。

  5、結(jié)語

  通過國外煤礦實地考察和文獻(xiàn)分析,研究了國外先進(jìn)的煤礦智能開采方法,對國內(nèi)的智能開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)行智能開采的實踐過程,總結(jié)出以下的智能開采技術(shù)創(chuàng)新成果。國外智能開采,主要是澳大利亞,采用純慣性導(dǎo)航對采煤機(jī)和連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行三維定位實現(xiàn)工作面連續(xù)推進(jìn),并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。中國智能開采,在薄煤層和厚煤層實現(xiàn)了遠(yuǎn)程遙控開采,工作面實現(xiàn)了無人化智能開采。提出了智能開采由智能探測、智能導(dǎo)航和智能。