仇磊

摘 要：綜采工作面無(wú)人化是保證煤礦安全及效率提升最有效的途徑，無(wú)人化無(wú)論從技術(shù)儲(chǔ)備還是實(shí)際需求出發(fā)都需要建立在少人化模式的充分發(fā)展基礎(chǔ)之上，少人化模式的常態(tài)化應(yīng)用是目前中國(guó)煤礦自動(dòng)化發(fā)展的重點(diǎn)，無(wú)人模式是發(fā)展方向。本文進(jìn)一步分析了煤礦綜采工作面無(wú)人化開采技術(shù)，以供同仁參考借鑒。

關(guān)鍵詞：煤礦；綜采工作；無(wú)人化；開采技術(shù)

1 無(wú)人工作面開采的優(yōu)勢(shì)及限制條件

1.1 無(wú)人工作面技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)

由于采煤工作面易出現(xiàn)頂板、瓦斯、水、火、地?zé)岬缺姸酁?zāi)害，使得工作人員的生命安全受到嚴(yán)重威脅。無(wú)人工作面開采技術(shù)指的是采煤工作的破煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)、采空區(qū)的處理等工序完全實(shí)現(xiàn)智能無(wú)人化，人僅需在離工作面一定距離的巷道（或硐室） 內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制即可。無(wú)人工作面開采技術(shù)，使得在煤炭的生產(chǎn)過(guò)程中，采煤工作面現(xiàn)場(chǎng)沒有人員的出現(xiàn)，避免了任何安全事故的發(fā)生。這在我國(guó)乃至世界的井工開采技術(shù)中有著里程碑式的意義。

1.2 無(wú)人工作面開采技術(shù)的限制條件

制約無(wú)人工作面開采技術(shù)發(fā)展的最重要因素為煤層的賦存條件。我國(guó)的大部分煤礦地質(zhì)條件極其復(fù)雜，斷層、褶皺、陷落柱、火成巖入侵等地質(zhì)構(gòu)造層出不窮，給采煤自動(dòng)化、智能化帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。目前，我國(guó)僅在神東、陜煤、平煤、永煤等煤層賦存均勻、無(wú)地質(zhì)構(gòu)造的幾個(gè)采煤工作面實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的控制。因此，無(wú)人工作面開采技術(shù)仍然需要進(jìn)行進(jìn)一步大量的研究與探索。

2 傳統(tǒng)煤礦開采技術(shù)中的常見問(wèn)題

2.1 嚴(yán)重破壞土地資源

現(xiàn)階段，采用傳統(tǒng)開采技術(shù)開采的煤炭產(chǎn)量仍然占有相當(dāng)大的比例，即使是國(guó)家重點(diǎn)煤礦的開采也多以長(zhǎng)臂式開采等傳統(tǒng)開采方法為主。這種傳統(tǒng)的開采方法會(huì)產(chǎn)生極大范圍的地表植物的破壞，并且能夠引起地表塌陷。地表的塌陷不僅會(huì)造成水土流失和土地荒漠化，還有可能誘發(fā)滑坡、泥石流等自然災(zāi)害，對(duì)地表植被及土地資源造成難以恢復(fù)的破壞。與此同時(shí)，因開采而形成的采空區(qū)還會(huì)對(duì)地表建筑物產(chǎn)生非常大的影響。因?yàn)榈叵卤徊煽罩螅叵碌膸r層、土層會(huì)發(fā)生流動(dòng)、崩塌的現(xiàn)象，大大降低了建筑物的安全性。

2.2 嚴(yán)重破壞水資源

但在煤炭的實(shí)際開采過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)因開采而引起的漏斗式降落，地下水的水流速度會(huì)加快，地下水位也會(huì)明顯下降，這種情況的存在破壞了水資源自身的生態(tài)平衡。眾所周知，我國(guó)的淡水資源極為緊缺，煤炭開采所造成的水資源的污染和破壞問(wèn)題勢(shì)必會(huì)加重我國(guó)的淡水資源供應(yīng)壓力，不利于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

2.3 瓦斯處理系統(tǒng)不完善，安全性差

安全是企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)順利進(jìn)行的重要保障，尤其在煤礦開采過(guò)程中尤為重要。但受傳統(tǒng)煤礦開采技術(shù)的限制，部分煤礦企業(yè)片面的追求經(jīng)濟(jì)效益，不重視企業(yè)的安全問(wèn)題。而因?yàn)榘踩ぷ髀鋵?shí)不到位而出現(xiàn)的安全事故在煤礦開采企業(yè)中頻繁發(fā)生。在煤炭的開采過(guò)程中涉及到非常多的技術(shù)，其中，瓦斯處理系統(tǒng)是煤炭開采過(guò)程中不可小覷的一項(xiàng)技術(shù)。因?yàn)橥咚固幚硐到y(tǒng)不僅會(huì)在使用過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成較大的污染，而且因?yàn)橥咚箤儆谝兹嘉铮嬖谳^大的安全隱患，所以，瓦斯處理系統(tǒng)的完善與否具有非常重要的意義。如果瓦斯處理系統(tǒng)不完善就有可能引發(fā)災(zāi)害或事故的發(fā)生，影響到企業(yè)的安全生產(chǎn)。

3 煤礦綜采工作面無(wú)人化開采關(guān)鍵技術(shù)

3.1 煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)

煤巖自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)是煤礦無(wú)人開采工作面技術(shù)的重要組成部分，也是其關(guān)鍵技術(shù)之一，煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)應(yīng)用較早，早在20世紀(jì)90年代煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于煤礦開采工作中，因此煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在系統(tǒng)設(shè)備和識(shí)別技術(shù)方面均已達(dá)到一個(gè)較高的水平。煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)利用紅外線、紫外線、超聲波、雷達(dá)探測(cè)的方式，深入較深的煤層。煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)包括記憶程序控制系統(tǒng)及震動(dòng)頻譜傳感系統(tǒng)，記憶程序控制系統(tǒng)是煤巖自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)識(shí)別煤巖的分界；而震動(dòng)頻譜傳感系統(tǒng)主要適用于圍巖較為復(fù)雜的地區(qū)，能夠通過(guò)傳感器將地下煤巖的情況以頻譜的方式呈現(xiàn)，從而作為煤礦無(wú)人面開采的依據(jù)。由于技術(shù)的限制，煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在圍巖復(fù)雜的地區(qū)的應(yīng)用效果會(huì)大打折扣，因此煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的研究方向，應(yīng)該集中于提升煤巖傳感器的分辨率和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性兩方面，從而使煤巖自動(dòng)識(shí)別技術(shù)在煤礦無(wú)人面開采工作中發(fā)揮更大的作用。

3.2 采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)

作為人工作面技術(shù)的發(fā)展前提，研究地下高速通訊系統(tǒng)和高精度地下定位、定向系統(tǒng)對(duì)自主定位采煤機(jī)的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，開發(fā)出適合中國(guó)礦山實(shí)際情況的定位系統(tǒng)能夠大幅度提高我國(guó)無(wú)人面開采技術(shù)水平，其設(shè)計(jì)優(yōu)化主要包含以下幾個(gè)方面：

（1）采煤機(jī)動(dòng)力模型。采煤機(jī)的工作環(huán)境復(fù)雜多變，眾多因素都能干擾采煤機(jī)的運(yùn)行，進(jìn)而影響采煤機(jī)的工作狀態(tài)。因此，在動(dòng)力模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，合理確定采煤機(jī)的即時(shí)速度、加速度以及位置等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)就成為了重要的考量要素。在進(jìn)行這些工作之前需要首先建立自主定位采煤機(jī)動(dòng)力學(xué)模型，模擬外界干擾下的采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)特征，確定其準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

（2）設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的精確計(jì)算。在建立動(dòng)力模型之后，針對(duì)模型的分析需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行支持，因而在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要更為高效的數(shù)據(jù)處理辦法，有效地解決計(jì)算精度、計(jì)算量、計(jì)算時(shí)間及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。

（3）航位推算誤差補(bǔ)償模型。工作環(huán)境會(huì)影響采煤機(jī)慣性傳感器準(zhǔn)確度，進(jìn)而影響航位推算系統(tǒng)精度，所以針對(duì)設(shè)備在礦井地下特定環(huán)境中的誤差補(bǔ)償進(jìn)行研究顯得尤為重要。受技術(shù)與經(jīng)濟(jì)上制約，單純依靠?jī)x表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝來(lái)減少傳感器的誤差，其實(shí)際效果是十分有限的，所以在補(bǔ)償模型的建立過(guò)程中，需要使用最優(yōu)估計(jì)方法對(duì)移動(dòng)目標(biāo)位置測(cè)算，減少慣性傳感器準(zhǔn)確度對(duì)位置狀態(tài)的影響，降低累計(jì)誤差，提高航位推算系統(tǒng)精度。

（4）航位推算系統(tǒng)工作性能。煤礦井下工作環(huán)境惡劣多變，要保證航位推算系統(tǒng)的工作性能，就要針對(duì)設(shè)備的防爆性、防水性、防塵性、防震性等做出優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的工作可靠性。

（5）礦井導(dǎo)航系統(tǒng)研究。現(xiàn)階段，無(wú)人面開采導(dǎo)航系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)高精度電子地圖和采煤機(jī)定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。其中，地圖匹配需要采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)處于預(yù)定軌道，在軌道數(shù)據(jù)已知的條件下，通過(guò)比較采煤機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)路線與地圖數(shù)據(jù)庫(kù)中的軌道相符程度來(lái)確定其運(yùn)動(dòng)位置和運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)傳感器誤差的校正，保證采煤機(jī)處于正確路線。

3.3 多傳感器技術(shù)

在煤礦無(wú)人工作面開采技術(shù)的應(yīng)用中，為了能更高效地對(duì)煤礦進(jìn)行開采，采煤機(jī)需要得到更多信息，多傳感器技術(shù)在這個(gè)過(guò)程中扮演著重要角色，將礦井下信息進(jìn)行收集，并將分析結(jié)果對(duì)無(wú)人工作面開采系統(tǒng)進(jìn)行反饋，確保系統(tǒng)能做出正確判斷。

3.4 井下—井上雙向高速通訊技術(shù)

井下—井上雙向高速通訊技術(shù)能幫助礦井工作人員更好地了解井下采煤機(jī)的情況，通過(guò)工作人員對(duì)采煤機(jī)在井下的環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等數(shù)據(jù)的分析，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，該技術(shù)的快速、準(zhǔn)確、完整等特點(diǎn)為井下煤礦開采工作的順利進(jìn)行提供了保障，當(dāng)?shù)V井下出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，工作人員可通過(guò)該技術(shù)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行充分了解，并制定相關(guān)解決方案，使煤礦開采工作更高效。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)煤礦無(wú)人工作面開采技術(shù)的研究，需要對(duì)無(wú)人工作面的概念、特征、系統(tǒng)模型及技術(shù)體系的分析，對(duì)中國(guó)煤礦工作面自動(dòng)化水平進(jìn)行深入的理解， 對(duì)現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行集成創(chuàng)新，發(fā)展出符合中國(guó)國(guó)情的無(wú)人工作面開采技術(shù)。

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