煤矿智能化开采技术分析.pdf

2020 年第 8 期2020 年 8 月 煤矿开采长久以来都是劳动密集型产业，还被人 们贴上了“傻大黑粗”的标签。在煤矿开采过程中， 由于地质条件存在很大的不确定性，事故频发，严重 威胁了工人的生命安全。为了改变目前这种情况，煤 矿企业开始大力发展智能化开采技术，这也上升到了 国家层面。采用煤矿智能化开采技术后，不仅能降低 人在煤矿生产中的参与度，还能大幅提高生产效率。 现在智能化开采技术还处于起步阶段[1-3]，很多人还不 了解。为此，本文简要介绍了煤矿智能化开采的相关 内容，以帮助人们认识智能化开采技术。 1煤矿智能化开采的含义及重要性 1.1煤矿智能化开采的概念 近年来，随着人工智能技术的发展，智能算法不 断更新，推进了煤矿智能化开采的发展。煤矿智能化 开采是煤矿机械化和自动化开采的重要延伸，其强调 的是实现煤矿的无人化开采。智能化开采技术就是要 使机电设备具有一些人的思维，对周围的开采环境有 识别并做出相应处理的能力。通过这种方式，逐渐减 弱人在煤矿开采中所发挥的作用，并保证设备能自动 运行[4]。换句话说，智能化开采的本质就是给机电设备 装上一个“大脑” ，使机电设备具有思考的能力，将原 来由人操作的过程改为由电脑控制，具体如图 1 所示[5]。 煤矿智能化开采的关键在于，设备上的控制程序对于 煤矿井下复杂环境的适应性。因此，要实现煤矿的智 能化开采并不是一件容易的事情，一方面，要进行智能 算法的开发，使其能适应井下复杂的生产环境；另一方 面，要开发相应的设备，例如传感器和微处理器等。煤 矿智能化开采的主要目的是实现生产环节的智能化决策 和自动化运行，主要工作岗位实现无人化。 1.2煤矿智能化开采的重要性 传统的煤矿开采依赖于人力资源，安全事故发生时 经常有人员伤亡。统计有关数据发现，2019 年上半年， 全国煤矿事故死亡人数达到了 108 人，带来了恶劣的社 会影响。虽然很多煤矿的安全措施已经足够完善，但由 于煤矿水、瓦斯以及地质情况仍存在很大的不确定性， 很难从源头上避免安全事故的发生。随着社会的发展， 对煤矿开采的要求也越来越高，其中最重要的是保证 工人的生命安全。与此同时，中国煤矿开采的人力资源 成本也逐渐上升，煤矿企业迫切需要减员提效。在这种 背景下，煤矿的智能化开采应运而生。在煤矿生产过程 中，夜班是令工人十分头痛的事情工人的生物钟颠 倒，很难有效适应，导致夜班时发生事故的可能性要大 于白班。而采用了煤矿智能化开采技术后，很多煤矿取 消了夜班，极大地保证了工人的权益。 此外，在传统开采过程中，很多机电设备需要人来 操控，操控时需要通过肉眼识别开采状况来采取相应的 操作。由于人的精力有限，在煤矿井下长时间工作，人 的思想意识和操作动作很难不受影响，难以准确判断具 体工作情况。这不仅导致开采效率降低，还容易因为设 备误操作而引发安全事故。而采用煤矿智能化开采技术 后，可以保证设备持续高效运行，极大地降低了误操作 的概率，大大提高了煤矿的开采效率。 收稿日期2020-04-10 作者简介牛斌，1982年生，男，山西岚县人，2013年毕业于太 原理工大学矿业工程专业，硕士，工程师。 煤矿智能化开采技术分析 牛斌 （ 山西煤炭运销集团碾底煤业有限公司，山西 清徐 030400 ） 摘要 为了实现中国煤矿开采由劳动密集型向技术密集型转变，中国开始大力推进煤矿智能化开采，并在很多矿井 进行了工业性试验。因此，提高人们对煤矿智能化开采技术的认识是非常有必要的。简要介绍了煤矿智能化开采的基本 概念，分析了其关键技术和存在的问题，以期为认识智能化开采提供一定的参考。 关键词 煤矿；智能化开采；无人化开采；三维地质成像 中图分类号 TD67文献标识码 A文章编号 2095-0802-202008-0089-02 Analysis of Intelligent Mining Technology in Coal Mines NIU Bin Niandi Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Coal Transportation and Sales Group, Qingxu 030400, Shanxi, China Abstract In order to realize the transation of Chinas coal mining from labor-intensive to technology intensive, China began to vigorously promote the intelligent mining of coal mines, and carried out industrial tests in many mines. Therefore, it is necessary to improve peoples understanding of intelligent mining technology in coal mines. This paper briefly introduced the basic concept of intelligent mining in coal mines, analyzed its key technologies and existing problems, in order to provide some reference for understanding intelligent mining. Key words coal mine; intelligent mining; unmanned mining; three-dimensional geological imaging （总第 179 期） 技术研究 89 2020 年第 8 期2020 年 8 月 图 1煤矿智能化开采的流程 综上所述，煤矿智能化开采技术在保证工人生命 安全的基础上，大幅提高了煤矿生产效率，是未来煤 矿开采技术发展的方向。 2煤矿智能化开采的关键技术分析 2.1地质雷达技术 由于煤矿开采是在地层中进行的，从岩层中准确 识别煤层是十分关键的。在识别时，不仅要识别煤层 的具体位置，还要识别煤层的厚度，以便为调整液压 支架的高度提供参考。如果识别煤层出现较大的偏差， 则会导致采煤机的截割高度不准确，出现截割岩层的 情况或大量煤炭资源被遗弃在采空区中。因此，地质 雷达技术是智能化开采成功实施的关键。 工作面内的照明条件差，粉尘浓度高，很难采用 视频监控技术来识别煤层信息，只能采用红外成像技 术来识别煤层信息。这就要求采用的红外技术具有极 高的灵敏度，能区别煤层热性质比较相似的岩层。与 此同时，还应该采用一些其他辅助技术，对工作面周 围的地质构成进行三维成像，如图 2 所示，从而方便 准确地开采煤层。 图 2工作面的三维地质成像 2.2装备定位技术 在智能化开采过程中，装备的空间位置信息是正 常采掘的重要保障。通过关键位置提供的准确路线， 设备才能沿着预定的轨迹来工作。与此同时，设备的 倾斜也是需要重点关注的问题。与地面定位相比，井 下开采的定位十分困难。这是因为地面定位时有明确 的参照物或 GPS，而在井下很难找到准确的参照物或接 收到 GPS 信号。 虽然一些煤矿采用了中继通讯技术，井下有了 GPS 信号来定位，但是这在工作面还是很难使用的。因为 用于通讯的都是弱电信号，而在工作面开采时会有很 强的电磁场对弱电信号产生干扰，接收的信号存在较 大的噪声，给设备定位带来极大的困难。对于设备定 位技术，不仅要克服强干扰的问题，还要克服定位精 度不够的问题，这需要长时间研究。 2.3视频成像技术 为了能准确地对井下开采情况进行实物监控，还 需要对工作面开采过程实现视频成像。通过视频监控 技术可以发现智能化开采中存在的问题，还可以在开 采过程中遇到突发状况时及时做出决策。传统的视频 成像技术很难在井下得到很好的应用，主要是因为井 下的光线比较暗而且粉尘较多，摄像头的视线模糊。 为此，需要采用一些特制的摄像机。针对井下光线较 暗的情况，可以采用先进的 CCD 感光元件，工业级的 感光度在 0.1x 左右。 2.4设备故障诊断技术 在煤矿智能化开采过程中，需要用到的电子元器 件非常多。由于井下恶劣的工作环境，很容易出现 一些元件被损坏或失效的情况。而电子元器件的维修 过程十分麻烦，很难通过肉眼识别故障。为此，需要 智能化设备具有一定的故障诊断功能，发生故障时能 及时报警，并提示发生故障的位置，以便及时维修。 工作 面三 维及 扫描 地图 构建 复杂 环境 视频 感知 应用 装备 定位 及三 维姿 态感 知 多信 息驱 动的 三维 场景 实时 再现 支架 围岩 耦合 控制 采煤 机姿 态调 控 多机 协同 控制 大数 据计 算分 析 智能 装备 关键 材料 智能 装备 关键 元部 件 智能 综采 装备 核心 控制 单元 设备 故障 监测 健康 管理 煤流 监测 与运 输保 障 运输巷 变位智 能超前 支护 机器 人化 多功 能作 业车 5. 煤流及两巷 辅助作业系统 4. 智能化装备关键 元部件及可靠性 3. 围岩感知与智 能化控制系统 2. 工作面装备位姿检测及多 信息的三维场景实时再现 共性 技术 共性 技术 6. 井下机器人协 同指挥与馈电管 理平台研制 煤炭智能化无人开采成套装备 7. 智能化开采成套装备及示范工程 智能开采作业工艺流程成套装备集成工程示范 井下精确 定位、 导航 系统平台 井下视频及三 维虚拟现实远 程操控平台 工作面综采 装备操作系 统平台 机器人群协 同指挥平台 技术 支撑 技术 支撑 四大支撑平台 1. 智慧矿山总体架构、 软件平台及标准体系 煤层煤层顶板 地质层起伏 煤层下岩层 煤/岩层底板 （下转 100 页） 90 2020 年第 8 期2020 年 8 月 能源知识 （上接 90 页） 虽然现在也有一些故障诊断技术，但是诊断也是需要 数据库才能准确识别故障的。而智能化开采刚刚处于 起步阶段，很难建立可供参考的故障数据库，这就形 成了一种矛盾。 3结语 煤矿智能化开采是煤矿机械化和自动化开采的重 要延伸，其强调的是实现煤矿的无人化开采。智能化 开采的本质就是给机电设备装上一个“大脑” ，使机电 设备具有思考的能力，将原来由人进行操作的过程改 为由电脑的程序控制。因此，要实现煤矿的智能化开 采并不是一件容易的事情，不仅要进行智能算法的开 发，使其适应井下复杂的生产环境，还要开发相应的 设备，例如传感器和微处理器等。智能化开采的关键 技术主要有地质雷达技术、装备定位技术、视频成像 技术和故障诊断技术，希望通过相关论述，可以为认 识煤矿的智能化开采提供参考。 参考文献 ［1］ 段志强.煤矿智能化开采关键核心技术分析 ［J］ .中国设备工 程， 20204 21-22. ［2］ 李首滨.智能化开采研究进展与发展趋势 ［J］ .煤炭科学技术， 2019， 4710 102-110. ［3］ 王宗超.智慧煤矿建设与智能化开采关键核心技术分析 ［J］ . 中国新技术新产品， 201916 133-134. ［4］ 杜艳军.煤矿智能化开采现状及展望 ［J］ .山西煤炭， 2019， 394 71-74. ［5］ 王国法， 赵国瑞， 任怀伟.智慧煤矿与智能化开采关键核心技 术分析 ［J］ .煤炭学报， 2019， 441 34-41. （ 责任编辑白洁 ） 达到了煤泥沉淀的目的，从而实现了高效生产和安全 生产。 未来岳城煤矿会在生产中不断采用新技术，实现 井下排水系统的改造，提高生产效率。 中央水仓 经中央水泵房将井 下所有排水排至地 面污水处理厂 图 4岳城煤矿排水系统改造后示意图 西 翼 轨 道 巷 东翼轨道巷 南翼皮带巷 东翼回风巷 东翼 盘区 水仓 水泵 水泵 水泵 一 盘 区 工 作 面 排 水 工作面 排水 水泵 水泵 水泵 西翼 盘区 水仓 西翼回风巷 胶带暗斜井过50 m 东翼辅助运输巷 水泵 水泵 水泵 东辅 巷水 仓 东 翼 辅 助 配 风 巷 北 翼 工 作 面 巷 道 水泵 水泵 水泵 中央沉淀池1池 中央沉淀池2池 工 作 面 排 水 东辅 刀把巷 参考文献 ［1］ 常青.煤矿井下自动排水系统的节能优化 ［J］ .煤炭加工与综 合利用， 20199 78-80. ［2］ 邰华杰.井下中转水仓自动排水系统的设计与优化 ［J］ .机械 管理开发， 2019， 346 222-223. ［3］ 李向军.煤矿井下中央水泵房自动化排水系统优化研究 ［J］ .山 西能源学院学报， 2018， 312 15-17. （ 责任编辑刘晓芳 ） 铀矿的分布 中国共探明大小铀矿床 （田） 200 多个， 主要分布在 江西、 广东、 湖南、 广西， 以及新疆、 辽宁、 云南、 河北、 内蒙 古、 浙江、 甘肃等省 （区） 。 矿床以中小型为主， 主要的铀矿床有 相山铀矿田、 郴县铀矿床、 下庄铀矿田、 产子坪铀矿田、 青龙铀矿田、 腾 冲铀矿床、 桃山铀矿床、 小丘源铀矿床、 黄村铀矿床等。 已经建成和新建的厂矿有 衡阳铀矿、 郴州铀矿、 大 浦街铀矿、 上饶铀矿、 抚州铀矿、 乐安铀矿、 翁源铀矿等。 100