煤礦智能化綜采工作面設(shè)計(jì)分析

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摘要：為了進(jìn)一步提升開(kāi)采的效率和安全性，煤礦開(kāi)始發(fā)展智能化開(kāi)采技術(shù)。智能化開(kāi)采現(xiàn)在還處于起步階段，很多關(guān)鍵問(wèn)題還未得到解決，因此，認(rèn)識(shí)智能化開(kāi)采的發(fā)展現(xiàn)狀十分重要。分析了煤礦智能化開(kāi)采的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題，并探究了智能化綜采工作面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：煤礦開(kāi)采；智能化；綜采工作面；關(guān)鍵技術(shù)

煤炭是中國(guó)的主要能源，保證其安全高效開(kāi)采具有十分重要的意義。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，煤礦開(kāi)采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了由炮采向綜采的轉(zhuǎn)化，開(kāi)采效率和安全性大幅度提高，例如工人的效率大幅度提高、百萬(wàn)噸死亡人數(shù)大幅下降。為了響應(yīng)國(guó)家節(jié)能減排的號(hào)召和進(jìn)一步提升煤礦生產(chǎn)的效率及安全性，煤礦企業(yè)開(kāi)始研究智能化開(kāi)采技術(shù)[1-2]。所謂的“智能開(kāi)采技術(shù)”，就是在綜采技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)人化及自動(dòng)化開(kāi)采。然而中國(guó)現(xiàn)在還處于智能化開(kāi)采的初級(jí)階段，很多技術(shù)還有待突破。因此，認(rèn)識(shí)智能化開(kāi)采的發(fā)展現(xiàn)狀及智能化綜采工作面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是十分必要的。本文將圍繞智能化開(kāi)采的發(fā)展現(xiàn)狀和智能化綜采工作面的初步設(shè)計(jì)展開(kāi)論述。

1智能化開(kāi)采發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的問(wèn)題分析

1.1智能化開(kāi)采發(fā)展現(xiàn)狀分析

隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)進(jìn)入了人工智能時(shí)代。為了緊跟時(shí)代的潮流，煤礦行業(yè)也要實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采。所謂的“智能化開(kāi)采”，就是自動(dòng)化開(kāi)采的高級(jí)階段，通過(guò)機(jī)械的自我學(xué)習(xí)而實(shí)現(xiàn)開(kāi)采的自動(dòng)化和智能化。智能化開(kāi)采減少了煤礦開(kāi)采過(guò)程中人的參與，煤炭資源開(kāi)采的效率更高且更安全，體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)對(duì)于生產(chǎn)力提升的作用。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，中國(guó)的煤礦開(kāi)采由最初的手工作業(yè)（炮采）、半機(jī)械化（普采）以及現(xiàn)在的完全機(jī)械化（綜采），正在向自動(dòng)化開(kāi)采轉(zhuǎn)化。目前，只有薄煤層實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化開(kāi)采，而對(duì)于厚煤層，還未實(shí)現(xiàn)開(kāi)采的自動(dòng)化。現(xiàn)在越來(lái)越多的煤礦應(yīng)用了傳感器，中國(guó)煤礦已經(jīng)具備了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化開(kāi)采的能力。需要區(qū)分的是自動(dòng)化開(kāi)采和智能化開(kāi)采這兩個(gè)概念，自動(dòng)化開(kāi)采強(qiáng)調(diào)機(jī)電設(shè)備按照預(yù)定的軌跡運(yùn)行，而智能化開(kāi)采要求設(shè)備按照實(shí)際情況選擇最優(yōu)的軌跡運(yùn)行，顯然智能化開(kāi)采更高級(jí)[3]。從自動(dòng)化開(kāi)采過(guò)渡到智能化開(kāi)采至少需要10～20a，因此可以說(shuō)，中國(guó)的智能化開(kāi)采還處于初級(jí)階段，很多技術(shù)還處于摸索中。

1.2智能化開(kāi)采面臨的問(wèn)題分析

雖然很多煤礦已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了信息化，但是這對(duì)于智能化開(kāi)采來(lái)說(shuō)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。智能化開(kāi)采不僅僅注重一些智能算法的開(kāi)發(fā)，更注重的是硬件設(shè)備。與此同時(shí)，煤礦智能化開(kāi)采還需要大量的信息化專(zhuān)業(yè)方面的人才，但是這個(gè)條件很多煤礦不具備。不僅煤礦企業(yè)缺少智能化方面的人才，其他企業(yè)也缺少相關(guān)方面的人才。這些因素導(dǎo)致煤礦智能化開(kāi)采進(jìn)展比較緩慢。用于煤礦井下智能控制的硬件設(shè)備還不成熟，主要是因?yàn)槊旱V井下環(huán)境惡劣，例如溫度高、粉塵多以及電磁干擾強(qiáng)。沒(méi)有穩(wěn)定可靠的硬件設(shè)備，就難以實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采這種精確的控制?，F(xiàn)在設(shè)備的生產(chǎn)廠家很多，但是在采集數(shù)據(jù)時(shí)使用了不同的信號(hào)傳輸協(xié)議，導(dǎo)致在使用時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，給設(shè)備的集中控制帶來(lái)了巨大的障礙?？紤]到井下設(shè)備使用的安全性，不得不進(jìn)行防爆設(shè)計(jì)，這也會(huì)在一定程度上對(duì)設(shè)備的運(yùn)行造成干擾。在進(jìn)行智能化開(kāi)采時(shí)，需要解決的問(wèn)題主要有以下幾方面：a)采煤機(jī)的定位和工作面的自動(dòng)調(diào)斜。準(zhǔn)確的采煤機(jī)定位是實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采的前提條件，如何使采煤機(jī)以限定的準(zhǔn)確的厚度進(jìn)行切割，這是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。同時(shí)，為了保證支架和刮板機(jī)的受力處于平衡狀態(tài)，需要使工作面與液壓支架保持平行。b)穩(wěn)定、高速、抗干擾的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸平臺(tái)。在智能化開(kāi)采過(guò)程中，需要不斷地采集周?chē)沫h(huán)境信息來(lái)進(jìn)行控制，如何穩(wěn)定、可靠地傳輸這些信息是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。c)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和建設(shè)。智能化綜采工作面井上和井下的傳輸數(shù)據(jù)量龐大，包括監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、圖像、語(yǔ)音和視頻數(shù)據(jù)等，其需要更復(fù)雜、更精準(zhǔn)的處理手段，以實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面信息的查詢(xún)分析和應(yīng)用。

2智能化綜采工作面初步設(shè)計(jì)

2.1智能化綜采工作面系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的綜采工作面不同的是，智能化綜采工作面更加復(fù)雜，需要控制的信息和設(shè)備也更多。智能化綜采工作面由多個(gè)智能控制子系統(tǒng)組成，如圖1所示[4]。由圖1可知，智能化綜采工作面主要由工作面定位系統(tǒng)、圍巖控制系統(tǒng)及運(yùn)輸控制系統(tǒng)組成，包含井下定位、井下視頻、裝備操作和機(jī)器人控制4個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)，其實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵在于智能化開(kāi)采的成套設(shè)備。由此可見(jiàn)，要實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采，就要突破各種關(guān)鍵的控制技術(shù)。信息傳輸和處理是智能控制所要用到的核心技術(shù)，而各種硬件設(shè)備是實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)。智能化開(kāi)采可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線控制和自動(dòng)化控制，具有較高的效率。

2.2智能化工作面設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

井下設(shè)備位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及姿態(tài)的測(cè)量是實(shí)現(xiàn)智能化開(kāi)采的基礎(chǔ)。為此，需要對(duì)工作面三維成像、井下高清視頻圖像的獲取以及綜采設(shè)備實(shí)時(shí)位置和運(yùn)動(dòng)狀況的監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行研究。工作面三維成像是為了實(shí)時(shí)了解工作面的實(shí)際開(kāi)采情況，這個(gè)過(guò)程通常需要采用先進(jìn)的三維激光掃描來(lái)完成。由于工作面附近的粉塵濃度過(guò)高且光線比較暗，必須采用具有很強(qiáng)防塵能力的鏡頭和低亮度感光元件，通?？梢圆捎肅CD元件的感光元件。井下衛(wèi)星定位信號(hào)比較弱，很難對(duì)設(shè)備進(jìn)行定位，為此采用慣性導(dǎo)航的方式來(lái)進(jìn)行綜采工作面的定位。穩(wěn)定的圍巖控制是實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采的根本，這就要求液壓支架具有足夠的工作阻力。為此，需要對(duì)液壓支架與圍巖的自適應(yīng)控制、采煤機(jī)的自適應(yīng)控制進(jìn)行研究。為了使液壓支架與圍巖具有一定的自適應(yīng)能力，需要液壓支架能對(duì)工作面的頂板應(yīng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量，并對(duì)工作阻力做出調(diào)整。目前，液壓支架與圍巖相互作用的機(jī)理比較復(fù)雜，這使得對(duì)圍巖的自適應(yīng)控制具有一定的難度。智能化開(kāi)采的關(guān)鍵在于使綜采工作面設(shè)備具有一定的自主學(xué)習(xí)能力，能根據(jù)實(shí)際情況做出最有利的判斷。而要使機(jī)械設(shè)備具備自主學(xué)習(xí)的能力，就要使機(jī)械設(shè)備具有一個(gè)“大腦”。對(duì)于機(jī)械設(shè)備而言，“大腦”指的是微處理器和智能學(xué)習(xí)算法，而智能學(xué)習(xí)算法則是實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)的關(guān)鍵。雖然現(xiàn)在開(kāi)發(fā)了一些智能算法，例如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、模糊算法以及混沌算法等，但是這些算法都有著其特有的使用環(huán)境。

3結(jié)語(yǔ)

隨著智能化時(shí)代的到來(lái)，智能化開(kāi)采成為煤礦行業(yè)重要的發(fā)展方向。所謂的“智能開(kāi)采技術(shù)”，就是在綜采技術(shù)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)無(wú)人化及自動(dòng)化開(kāi)采。然而中國(guó)現(xiàn)在還處于智能化開(kāi)采的初級(jí)階段，很多技術(shù)有待突破。智能化開(kāi)采不僅僅注重一些智能算法的開(kāi)發(fā)，更注重的是硬件設(shè)備。與此同時(shí)，煤礦智能化開(kāi)采還需要大量的信息化專(zhuān)業(yè)方面的人才，但是現(xiàn)在很多煤礦不具備這個(gè)條件。與傳統(tǒng)的綜采工作面不同的是，智能化綜采工作面更加復(fù)雜，需要控制的信息和設(shè)備也更多。智能化綜采工作面主要由工作面定位系統(tǒng)、圍巖控制系統(tǒng)及運(yùn)輸控制系統(tǒng)組成，包含井下定位、井下視頻、裝備操作和機(jī)器人控制4個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)。

參考文獻(xiàn)：

［1］邢呈呈.煤礦智能化綜采工作面管理平臺(tái)設(shè)計(jì)［J］.煤礦機(jī)電，2019，40(6)：44-46.

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［3］李首濱.煤炭智能化無(wú)人開(kāi)采的現(xiàn)狀與展望［J］.中國(guó)煤炭，2019，45(4)：5-12.

［4］王國(guó)法，張德生.煤炭智能化綜采技術(shù)創(chuàng)新實(shí)踐與發(fā)展展望［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，47(3)：459-467.

作者：和蘭根 單位：山西呂梁西山德威礦業(yè)管理有限公司