煤矿智能无人采煤工作技术分析

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工作面灾害事故常常发生，施工环境复杂多变，容易对人身安全构成威胁，“机械替人”这一概念愈发凸显，不仅可以减少人工成本、提高工作效率，还可以减少伤亡事故，从而保证施工的安全。因此，衍生出更多对煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术的研究，并将关键智能化技术广泛铺展开来，促进煤炭产业结构的优化升级，满足更丰富和更深层次的煤炭开采需求。

1智能无人采煤工作面的特点

煤矿智能无人工作面开采技术的特点是开采范围大、开采效率高、安全系数高，这是其区别于传统人工开采的优势所在。

1．1开采范围大开采范围大分为两方面:首先是纵向开采范围大，即开采厚度高;其次是横向开采范围广，可以覆盖较大的开采横截面积。处在2000m以下的深层煤层具有空气稀薄、地质与水文条件恶劣的特点，现阶段对深岩层的开发依然持之以恒，智能化设计的无人工作机制可以实现对煤矿的开采和研究，将大大降低施工难度和危险系数，获得强大的环境适应性。地面以下的横向工作空间受煤壁内应力与外应力的综合作用，煤壁存在一定的载荷，人员施工时要更加小心谨慎，导致开采范围受限，而无人工作面可以更大胆地预测可施工区域，对大量的数据信息进行归纳整合，进而得到更具创新性、突破性的开采方案［1］。

1．2开采效率高对传统开采技术进行优化是煤矿井下智能化无人工作面的开采关键技术，即“取其精华，去其糟粕”。简单来看，智能化无人采煤工作面的关键技术就是通过科学技术手段和信息化网络代替手工操作的技术，优点是节省人力、物力资源，无需聘请和培训大量的专业施工人员，大大降低人为工作导致的失误，工作效率可以在原有基础上得到较大程度提高，该技术涵盖专业信息搜集技术、分析技术、高精度定位导航技术、重大安全事故预警和监测技术等，可以进一步降低施工危险系数，将安全事故的发生率和经济损失降到更低，不仅可以提高煤炭开采效率，还可以促进煤炭产业结构的优化升级，打破原有的贸易壁垒，冲撞出新的火花，使煤矿具备更大的开拓性和更强的竞争力。

1．3安全系数高通过上文阐述可知，工作面开采技术的智能化、信息化、无人化都可以降低劳动力的使用量，大大减少开采人员伤亡，对安全防护的意义重大。工作人员可以进行远程控制，无需进入高危环境，使煤炭开采工作得以顺利安全地完成。在安全生产上，要以科学的采矿思想为指导，不能单纯地追求高效率，完善采煤工作面开采关键技术的内在理念和特点，使其形成标志性的安全生产组织模式，构建完善的工作体系［2］。

2煤矿智能无人采煤工作面的常见灾害

2．1顶板灾害顶板灾害的发生率较高，是开采工作的重大安全隐患，对作业人员的生命安全造成了很大威胁。巷道支护技术与工作面支护技术为大范围冒顶、局部冒顶提供了较大支撑，虽然对大范围冒顶、局部冒顶的影响作用存在差别，但都要进行提前预防和管控。局部冒顶的解决措施更复杂，该问题发生在超前支护段、支架前探梁、工作面端等位置。一般使用顶板软化技术管控顶板大面积来压，冲击地压也是较大的威胁因素，必须对其做好预防与监测工作，避免因局部顶板和大范围顶板问题而造成不可挽回的损失。

2．2瓦斯灾害井下瓦斯存量大，常见的瓦斯危害为煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸。煤与瓦斯突出主要发生在掘进巷道、石门揭煤，该危害比普通作业时的风险更高;瓦斯爆炸作为井下作业中的常见危害，每年的伤亡人数居高不下，主要原因是割煤时瓦斯从煤炭中游离出来，进入矿井空气中，当瓦斯含量高于界限值(或在环境条件综合作用下)时会增加爆炸的可能性［3］。

2．3矿井火灾矿井火灾发生的原因如下:煤矿温度过高，自燃引起火灾;用电设备使用不当导致温度过高、短路等，进而引起火灾;瓦斯爆炸引起矿井火灾;作业人员的行为规范不达标引起矿井灾害。发生矿井火灾既有潜在因素，又有显性因素，可以通过准确的监测和预防减少灾祸发生。

2．4矿井水灾地表水渗透和地下水堆积等造成煤层底板承压水，如果底板未做好防护措施，将会直接淹没采煤工作面，发生大面积水灾，老空水也是危险系数最高的灾害因素。在实际开采过程中，只要一项防护保障措施没做好，就会带来“灭顶之灾”，给煤矿产业或公司造成不可挽回的损失，情况严重的甚至会造成社会轰动和影响［4］。

2．5粉尘灾害当今时代是工业化的时代，大量的工业废气和工业垃圾排到大气中，导致空气品质受到极大影响，甚至有相当一部分室内工作人员患有“病态建筑综合征”。可想而知，对井下作业人员来说，大量吸入由割煤造成的大量粉尘(还包括使用机器设备产生的颗粒物等)，大大增加患“尘肺病”的概率，会对身体健康造成极大威胁。其次，大量煤炭颗粒物聚集于空气中，当其含量超标时，爆炸概率大大增加，对作业人员的生命安全造成危害。上述主要灾害造成的伤亡人数随时间的变化曲线见图1(2000～2018年)。

3智能无人采煤工作面开采关键技术

矿井工作面无人化、智能化的特点越来越突出，“机械替人”理念的运用更加广泛，技术人员要付出更大的努力进行井下无人技术的设计与研究。本节作为本文的主题，对关键技术进行较为详细的阐述和讨论，无人智能化模式的井下采矿主要应用以下技术。

3．1准确定位导航技术矿井内部结构复杂、电磁干扰因素较多且处于高密闭空间，GPS(地理信息系统)系统通过定位和导航，可以进行方向规划和路径设计，对运动方向和路线进行合理的测量和统计，保证定位导航的准确无误。然而，技术目前在矿井的应用未达到百分百精确，在实际操作过程中必然要注意相关要点。①高精度的定位技术，该技术起到支撑作用;②惯性导航技术，该技术可以适应煤矿开发时的高密度空间和复杂的磁场活动;③场景芯片技术，该技术的主要用途是对局部空间和位置进行精准定位导航，保证每个位置空间内都有卫星系统的支撑;④无线通信技术，此技术主要应对各种突发事故，提高开采过程的安全稳定性。通过对全息数字化三维地质模型的研发与构建，可以对煤炭开采时的三维数据进行跟踪测试，实时获得作业面的环境、水温和气候条件，从而获得三维空间的数据结构［5］。

3．2信息传输技术信息传输时要保证数据的真实性和准确性，煤矿环境的数据信息会受到周围强磁场、地质条件和水文条件等综合因素影响，不利于信息的精准探测。现阶段，常采取三维激光扫描技术，既可以适应深层煤矿的物理环境，又可以对密闭环境的视频影像进行监测控制，可以充分体现在地下开采中的优势。在数据传输过程中，必须保证地下人员与技术人员的双向传输，加强双方的沟通和交流并使之达成共识。涉及的其他相关技术还包括煤岩识别技术(包括雷达探测、光谱探测、红外图像采集等)、智能传感器应用、磁共振技术、光纤网络技术等。

3．3综采可视化技术综采可视化技术涉及网络传输和信息通信技术的使用，煤矿开采周期长、过程复杂，涉及较多信息，单纯靠智能化采集技术可能无法及时进行信息搜集和捕捉，导致错失大量可分析数据，影响得出数值规律，综采可视化技术通过监测实地数据，对大规模数据和局部数据进行采集和捕捉，对实际环境进行可视化观测和记录，利用此方法还能衍生出更多的抗干扰技术。要把智能化开采技术落到实处，就需要掌握以下几个关键技术点:①数据信息的搜索和采集，该步骤作为获取信息的第一步，捕获的信息必须全面且真实可靠，这是后续总结规律的基础;②可通过视频识别信息并将之传输到数据处理后台，利用数据末端对数据进行加工处理，这是综采可视化技术运用的集中环节;③采用自主识别、信息智能化匹配和推送技术，大大节约人力资源和物力资源;④采用大量的信息整合技术，对数据进行归纳和区域化划分，不同的数据对应不同的场景，进而得到规律性结论［6］。

3．4无人值守工作面集控系统矿井工作面无人化、智能化的特点越来越突出，“机械替人”的转变越来越可行，机器人的使用可以大大减少人员伤亡事故。但事物具有两面性，有利便有弊。当工作面中存在不稳定因素或设备故障时，机器人可能无法准确评估和解决，会给施工增加难度。对于井下无人技术，技术人员需要付出更大的努力进行研究。在使用机器人进行井下采矿时，需要加强以下技术的应用:①防爆机器人设计时必须具备一定的防爆识别和控制功能，能够检测并避开危险;②机器人能对传输的数据信息进行整合分析，得出数据规律，进而做出科学合理的判断;③煤矿井下电力供应充足，以防机器人在正常作业中突然断电，无法得到能量的供应。关键技术的使用流程如图2所示。

4某公司智能化开采技术

来自陕北地区的某煤矿实施的智能化开采方案对煤矿行业开采活动具有很大的借鉴意义。该矿煤炭资源丰富，薄煤层煤炭资源在所有煤炭资源中的占比较大，需要投入大量的劳动力，应用强大的跟机作业机制及更大的安全保障措施。2019年，该公司一号煤矿进入薄煤层生产区域。2020年，为了使煤炭开采工作更加高效，一号煤矿顺利实施了地面远程操控系统的智能化无人开采技术，为国内的无人开采技术写下了浓墨重彩的一笔，为后续产业结构升级和生产方式的变革提供了强有力的借鉴。该方案主要应用了网络通信技术、计算机技术、视频技术、自动化控制技术、监控一体化技术，实现了远程控制和自动化操作。在后续的探索中，可以在此公司设计的基础上，结合本文探讨的各种新型关键技术，对智能无人化工作面采矿体系进行升级优化，配合完善的管理机制，得到科学优化升级后的方案。

5小结

大量的模型构建和实践经历表明，煤矿产业的发展亟须发生根本性转变，存在的不足需要花费较长时间发现和弥补。加强智能化无人采煤工作面关键技术的研究与使用，是破除固有产业结构最直接的手段，不仅可以使采煤工作更加安全环保，还可以解决企业面临的诸多难题，为社会的发展做出重要贡献。

参考文献:

［1］刘愿．煤矿井下智能无人采煤工作面开采关键技术分析［J］．中国石油和化工标准与质量，2021，41(18):187－188．

［2］刘子港．探析煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术［J］．中国石油和化工标准与质量，2021，41(17):187－188．

［3］郝少鹏．煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术［J］．石化技术，2020，27(09):175－176．

［4］张伟．煤矿智能无人值守采煤工作面开采关键技术研究［J］．建材与装饰，2019(22):249－250．

［5］宫平，文秀龙，赵鹏飞．煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术分析［J］．南方农机，2019，50(08):160．

［6］王成祥，张玉良．让井下无人采煤成为引领未来煤炭发展新坐标———陕煤黄陵矿业公司实施智能化开采的调查与思考［J］．陕西煤炭，2016，35(05):1－6+14．

作者:吕敏达 单位:陕西能源凉水井矿业有限责任公司