無人工作面智能化開采

1、薄煤層綜采現(xiàn)狀及對(duì)其發(fā)展展望研究摘要：近年來，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)煤炭開采技術(shù)水平也有了顯著的提高，這對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有非常重大的意義。就目前我國(guó)煤炭開采情況來看，薄煤層開采對(duì)實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有至關(guān)重要的作用。雖然薄煤層開采技術(shù)有了一定程度的提高、機(jī)械化采煤技術(shù)也有了一定程度的進(jìn)步，但仍存在著一些問題。文章從綜采配套設(shè)備和自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制兩個(gè)方面對(duì)薄煤層開采技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了薄煤層自動(dòng)化開采的工作模式，開發(fā)了既能滿足一定生產(chǎn)能力，又能適應(yīng)復(fù)雜生產(chǎn)環(huán)境的無人自動(dòng)化、遠(yuǎn)程控制開采的開采體系及其工藝。通過對(duì)智能控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸、視頻監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程通訊等關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用研究，建立起了

2、薄煤層數(shù)字化無人工作面監(jiān)控系統(tǒng)，基本實(shí)現(xiàn)了薄煤層綜采工作面的無人化遠(yuǎn)程控制。關(guān)鍵詞：薄煤層，綜采，自動(dòng)化，遠(yuǎn)程控制Abstract:Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,Chinascoalminingtechnologyhasalsobeensignificantlyimproved,whichisofgreatsignificancetothedevelopmentofthenationaleconomy.OnthecurrentsituationofcoalmininginChina,thincoalseammining

3、playsanimportantroleinrealizingthesustainabledevelopmentofcoalindustry.Althoughthethincoalseamminingtechnologyhasacertaindegreeofimprovement,mechanicalminingtechnologyhasacertaindegreeofprogress,buttherearestillsomeproblems.Inthispaper,thethinseamminingtechnologyisstudieddeeplyfromtwoaspectsoffullym

4、echanizedminingequipmentandautomaticremotecontrol.Thepaperputsforwardtheworkingmodeofautomaticminingofthincoalseam,anddevelopsthesystemandtechnologyofunmannedautomationandremotecontrolmining,whichcannotonlymeettheproductioncapacity,butalsocanadapttothecomplexproductionenvironment.Throughtheapplicati

5、onresearchofintelligentcontrol,networktransmission,videomonitoringandremotecommunicationandotherkeytechnologies,themonitoringsystemofthedigitalunmannedworkingfaceofthincoalseamisestablished,andtheunmannedremotecontrolofthefullymechanizedcoalminingfaceisrealized.KeyWords:thinseam,fullymechanized,auto

6、mation,remotecontrol1薄煤層研究背景薄煤層開采一直是困擾我國(guó)煤炭行業(yè)的技術(shù)難題，特別是極薄煤層綜采技術(shù)的實(shí)現(xiàn)尤為困難。數(shù)據(jù)表明全國(guó)1.3m以下的薄煤層約占煤炭?jī)?chǔ)量的19%,而開采比例只有7%。國(guó)內(nèi)多數(shù)礦井采用普采或高檔普采生產(chǎn)工藝，存在生產(chǎn)效率低、經(jīng)濟(jì)效益差、人員與設(shè)備安全性低等問題。另外，對(duì)一些薄、厚煤層并存的煤礦，由于薄煤層開采速度緩慢，使其下部的中厚煤層長(zhǎng)期得不到及時(shí)開采，以至影響工作面的正常接替，而有的就只能被迫丟失一些薄煤層資源；隨著大批煤礦中、厚煤層的資源開采，薄煤層的開采己提上日程。盡管部分礦井開展了薄煤層綜采機(jī)械化研究，但受地質(zhì)條件、開采方式等諸多因素的影響

7、，一直未能順利開展與推廣。開采裝備技術(shù)的落后造成大量薄煤層儲(chǔ)量被棄采，資源被浪費(fèi)。2006-2020國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要優(yōu)先提出：重點(diǎn)研究開發(fā)煤炭高效開采技術(shù)及配套裝備；戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄指出：無人工作面智能化采煤技術(shù)；煤炭工業(yè)發(fā)展十二五“規(guī)劃明確提出：開展技術(shù)攻關(guān)支持煤礦無人工作面開采技術(shù)研究與示范工程建設(shè)；國(guó)務(wù)院關(guān)于促進(jìn)煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見規(guī)定（國(guó)發(fā)200518號(hào)）：鼓勵(lì)采用先進(jìn)技術(shù)，開采難采煤層和極薄煤層。因此，研究采煤裝備自動(dòng)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，提高煤礦井下自動(dòng)化裝備水平，實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作面自動(dòng)化、無人或少人化開采，提高煤炭資源開采效率、減少煤礦井下重

8、大人員傷亡，對(duì)保障煤礦安全、促進(jìn)煤炭資源可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義。目前，薄煤層開采主要采用的生產(chǎn)裝備與工藝技術(shù)落后、適應(yīng)性差，產(chǎn)量小、效率低、效益差、安全生產(chǎn)狀況存在隱患，特別是峰峰集團(tuán)的一些高瓦斯礦井，小于1.2m厚度的薄煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層多、煤層厚度變化大，急需解決保護(hù)層開采難題，為煤與瓦斯突出的主采厚煤層安全開采提供保障。以峰峰集團(tuán)為例，開采歷史達(dá)到100多年，資源極度匱乏，而薄煤層儲(chǔ)量達(dá)到1.26億噸，其中極薄煤層儲(chǔ)量約0.5億噸，且多為稀缺煤種，其工業(yè)應(yīng)用價(jià)值極高，如果放棄薄煤層的開采，將對(duì)國(guó)家資源造成無法挽回的損失。為解決資源回收和提高企業(yè)效益，針對(duì)0.6-0.8煤層

9、開采問題，于2008年初提出了極薄煤綜采自動(dòng)化配套設(shè)備及生產(chǎn)工藝的研究與應(yīng)用”課題，目的是實(shí)現(xiàn)極薄煤層綜采局廣局效。當(dāng)前薄煤層開采還面臨著諸多問題，尤其是空間過于狹小，環(huán)境惡劣，使得1.1,圖1.2所示圖1.1薄煤層工作面空間狹小圖1.2薄煤層環(huán)境惡劣綜采設(shè)備和操作人員的安全等。工作面環(huán)境如圖2國(guó)內(nèi)外薄煤層開采技術(shù)現(xiàn)狀2.1 概況薄煤層開采一直是困擾我國(guó)煤炭行業(yè)的技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)許多煤礦仍采用炮采或高檔普采生產(chǎn)工藝，開采裝備技術(shù)落后，產(chǎn)量低、效益、適應(yīng)性及可靠性差，開采技術(shù)水平相對(duì)較低。如峰峰集團(tuán)薄煤層儲(chǔ)量達(dá)到1.26億噸，其中0.9m-1.3m薄煤層儲(chǔ)量7000萬噸以上，均為稀缺煤種（主要是主

10、焦煤和肥焦煤），開采價(jià)值高。同時(shí)，薄煤層作為具有瓦斯突出危險(xiǎn)的煤層的解放層，其開采后的空間可作為開采層的瓦斯等有害氣體的釋放空間，為主采煤層開采提供可靠的安全保障。隨著厚及中厚煤層資源的減少和一些礦井煤層開采解放層的要求，我國(guó)急需加大薄煤層的開采力度。由于受到工作面空間狹小、地質(zhì)條件變化敏感、材料強(qiáng)度及機(jī)械結(jié)構(gòu)、設(shè)備配套尺寸限制等因素的限制，薄煤層機(jī)械化開采遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于中厚及厚煤層水平。近些年來厚及中厚煤層安全高效開采技術(shù)有了很大提高，促進(jìn)了薄煤層裝備研發(fā)制造和機(jī)械化開采快速發(fā)展。我國(guó)薄煤層的開采開始20世紀(jì)50年代，主要使用炮采工藝；60年代開始使用深截煤機(jī)掏槽，爆破落煤；70年代研制出多種類

11、型的薄煤層刨煤機(jī)；90年代開始，天府、徐州、新汶等礦務(wù)局，先后從俄羅斯和烏克蘭引進(jìn)了螺旋鉆采煤機(jī)，應(yīng)用在一些傳統(tǒng)采煤工藝不能開采的薄與極薄煤層的開采。2.2 開采過程中存在的問題：第一，薄煤層實(shí)際開采過程中，經(jīng)常會(huì)遭受其所處環(huán)境和空間的限制，開采機(jī)械設(shè)備的安裝和操作難度比較大；同時(shí)也是由于薄煤層開采空間的限制，工作人員的活動(dòng)范圍非常有限，瓦斯等有害氣體的排放變得更加困難，因此很容易引發(fā)安全事故第二，由于薄煤層所賦存的煤礦厚度比較低，因此薄煤層的開采進(jìn)度非常快，相關(guān)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)周期也會(huì)因此變短，頻繁的設(shè)備調(diào)動(dòng)使薄煤層的開采工作變得異常緊張。第三，與中、厚煤層相比，薄煤層的產(chǎn)量投資相對(duì)較大。但薄

12、煤層煤礦開采并非沒有益處，其開采優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)為：工作面的頂板位移較小且容易控制、薄煤層的開采不會(huì)造成大面積的地面塌陷以及薄煤層的開采不會(huì)對(duì)鄰近煤層產(chǎn)生太大的影響。第四，較之于厚煤層和中煤層而言，薄煤層煤礦的產(chǎn)量比較低、煤礦拋灑浪費(fèi)也比較嚴(yán)重。薄煤層所處的地理環(huán)境復(fù)雜多變，這將對(duì)薄煤層的產(chǎn)量造成嚴(yán)重的影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，薄煤層煤礦的開采量只相當(dāng)于中、厚煤層開采量的三分之一。2.3 設(shè)備應(yīng)用過程中還存在問題：刨煤機(jī)應(yīng)用過程中存在的主要問題有：我國(guó)的刨煤機(jī)產(chǎn)品尚處于成長(zhǎng)階段，有許多關(guān)鍵技術(shù)尚待攻關(guān)；機(jī)頭機(jī)尾體積和重量大，端頭支護(hù)困難。巷道變形嚴(yán)重時(shí)，會(huì)造成機(jī)頭機(jī)尾被壓死；機(jī)頭機(jī)尾處往往頂板較為破碎

13、，移溜支設(shè)不牢固致推移困難，機(jī)頭機(jī)尾推移時(shí)間過長(zhǎng)，制約了生產(chǎn)能力；機(jī)頭機(jī)尾處裝煤效果差形成大量堆煤，人工清理易發(fā)生安全事故，同時(shí)也是造成機(jī)頭尾推移困難的原因；遇工作面地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，輔助工序繁雜，人員作業(yè)困難、勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低；刨頭的連接螺栓易變形，電控部分防塵、防水性能對(duì)工作環(huán)境要求苛刻，集控箱事故率高。世界各主要產(chǎn)煤國(guó)家都在積極開發(fā)和研制適應(yīng)各種煤層條件的、高產(chǎn)高效的綜采設(shè)備，具美國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、英國(guó)等國(guó)家發(fā)展尤為迅速，日產(chǎn)超過萬研究目標(biāo)及研究?jī)?nèi)容噸的工作面數(shù)量逐年增加，而且產(chǎn)量記錄不斷刷新，推動(dòng)了采煤機(jī)綜合機(jī)械化的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期。德國(guó)和英國(guó)的綜采技術(shù)及綜采設(shè)備位于世界前沿，

14、由于受其國(guó)內(nèi)煤層賦存條件的限制，具高產(chǎn)高效工作面數(shù)量不如美國(guó)和澳大利亞，而最著名的、生產(chǎn)采煤機(jī)械的公司主要集中在德國(guó)和英國(guó)。國(guó)外具有影響力的采煤機(jī)械制造公司，比如美國(guó)久益(JOY)公司、德國(guó)艾可夫(EICKHOFF)公司、英國(guó)Long-Airdox公司、日本三井三池及波蘭KOMAG采礦機(jī)械化研究中心等，都以生產(chǎn)和研發(fā)適合于中厚煤層開采的大功率采煤機(jī)為主，但對(duì)薄煤層采煤機(jī)研制不多。究其主要原因，是因?yàn)樵谶@些國(guó)家進(jìn)行煤炭開采，需要較高的人工費(fèi)用，以自動(dòng)化程度較高的刨煤機(jī)為主進(jìn)行薄煤層的開采。若使用滾筒采煤機(jī)對(duì)薄煤層進(jìn)行開采則難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，需要支付數(shù)額較大的工人工資，導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)降低和成本增加

15、。3研究目標(biāo)及技術(shù)路線3.1 研究目標(biāo)(1)薄煤層工作面綜采設(shè)備的自動(dòng)化研制具有自動(dòng)化和智能化控制功能的工作面采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī),使其自動(dòng)完成割煤、裝煤、移架、移刮板輸送機(jī)和頂板支護(hù)等生產(chǎn)工藝流程，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，保證礦井安全高效開采。(2)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的無人化建立工作面集中監(jiān)控平臺(tái)，集通訊網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)視和遠(yuǎn)程操作控制于一體，通過自動(dòng)協(xié)調(diào)匹配或人工遠(yuǎn)程干預(yù)方式，在工作面現(xiàn)場(chǎng)無人值守條件下實(shí)現(xiàn)“采、掘、運(yùn)”生產(chǎn)工藝流程。綜采自動(dòng)化技術(shù)的研究成果已經(jīng)在國(guó)內(nèi)一些條件較好的大型、特大型礦井使用，取得良好效果。如何在地質(zhì)條件復(fù)雜、工作環(huán)境惡劣的薄煤層開采中開發(fā)應(yīng)用綜采自動(dòng)化技術(shù)，是近些年來煤炭行

16、業(yè)科研人員的努力方向和追求目標(biāo)。越是開采條件危險(xiǎn)艱苦，越應(yīng)該使用綜采自動(dòng)化技術(shù)。特別是資源枯竭的老礦井，能夠最大限度地提高煤炭?jī)?chǔ)量利用率、回收不可再生的煤炭資源，延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限。3.2 研究?jī)?nèi)容(1)研究、試驗(yàn)解決采高下限0.9m的極薄煤層綜采設(shè)備與回采工藝，極薄煤層綜采煤巖切割、裝載和自動(dòng)化技術(shù)；(2)研究、試驗(yàn)開采0.9-1.3m薄煤自動(dòng)化綜采工作面三機(jī)關(guān)鍵設(shè)備及配套的功能、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、生產(chǎn)能力等；對(duì)回采工藝系統(tǒng)研究，確定極薄煤綜采生產(chǎn)工藝；(3)薄煤層綜采自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究，分別展開對(duì)成套設(shè)備的可視化、智能截割、遠(yuǎn)程監(jiān)控等內(nèi)容的研究。3.3 技術(shù)路線薄煤層綜采自動(dòng)化技術(shù)研究是實(shí)現(xiàn)

17、綜采工作面自動(dòng)控制，完成綜采工作面自動(dòng)化、信息化、少人無人化目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)研究。技術(shù)路線按照“充分收集并分析國(guó)內(nèi)外已有的成果和資料一現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研并提出問題的解決方法一進(jìn)行充分的理論分析和模擬分析一利用有限元驗(yàn)證理論分析的正確性”的流程完成。圖3.1技術(shù)路線4研究的意義實(shí)現(xiàn)煤炭的安全、高效、高回收率開采是國(guó)家重要的產(chǎn)業(yè)政策和目標(biāo)，煤礦綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)及裝備的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)煤炭安全、高效、高回收率開采的重要保障、是國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展所需煤炭供應(yīng)的先決條件、是煤炭行業(yè)先進(jìn)生產(chǎn)力的重要體現(xiàn)。國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目“煤礦井下采掘裝備遙控關(guān)鍵技術(shù)”，是以突破采煤過程和掘進(jìn)過程中遙控設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)為核心，開發(fā)具備可視

18、化遙控技術(shù)和遠(yuǎn)距離控制裝置的煤巖巷道懸臂式掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)，從而更加直觀、便捷、高質(zhì)量地滿足我國(guó)煤礦井下采掘裝備遠(yuǎn)距離遙控和安全作業(yè)的需要。綜采工作面自動(dòng)化控制技術(shù)水平的高低成為體現(xiàn)煤礦現(xiàn)代化水平和煤機(jī)裝備是否先進(jìn)的重要指標(biāo)。因此，研究與應(yīng)用采煤裝備自動(dòng)化和遠(yuǎn)程監(jiān)控核心技術(shù)，可以提高煤礦井下自動(dòng)化裝備水平，實(shí)現(xiàn)煤礦薄煤層綜采工作面自動(dòng)化、無人或少人開采，提高薄煤層煤炭資源開采效率和保護(hù)層開采力度，解決有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)的主采厚煤層的消突問題，避免煤礦井下重大人員傷亡事故的發(fā)生，取得一定的經(jīng)濟(jì)效益，延長(zhǎng)礦井壽命。為保障煤礦安全、促進(jìn)煤炭資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)和戰(zhàn)略意義。5未來展望薄煤開

19、采通過綜采自動(dòng)化的技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)無人化和高產(chǎn)高效生產(chǎn)是發(fā)展方向，通過創(chuàng)新，不斷提高對(duì)開采條件的適應(yīng)性，提高開采的經(jīng)濟(jì)效益，提高開采人員安全性和舒適度，提高薄煤層儲(chǔ)量的開采比例，最大程度的減少資源的浪費(fèi)。薄煤層裝備配套性能方面：采煤機(jī)在目前的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降低配套采高下限，提高切割能力，加大割煤速度：采用新材料，新技術(shù)，研究新結(jié)構(gòu)。采煤機(jī)采取外牽引、懸臂或爬底板方式，機(jī)身多電機(jī)布置機(jī)電一體制造，小輪轂滾筒設(shè)計(jì)搖臂裝煤結(jié)構(gòu)和通道。研究柔軟型強(qiáng)力自拖電纜，配合拖纜板，實(shí)現(xiàn)電纜自拖曳；研究超導(dǎo)散熱系統(tǒng)，代替冷卻水，去掉水管拖曳；無尾可靠通訊傳輸、即時(shí)遠(yuǎn)程控制。綜采工作面智能化方面：依靠自主創(chuàng)新，突破煤礦

20、井下惡劣復(fù)雜條件信息的安全傳輸、煤巖的識(shí)別、工作面推進(jìn)直線度的控制、綜采設(shè)備的姿態(tài)定位、安全感知、可視的遠(yuǎn)程控制等多種技術(shù)，形成一套集測(cè)、控，視、音、傳一體化的綜采工作面智能控制系統(tǒng)，確保綜采設(shè)備連續(xù)、協(xié)調(diào)、高效、安全運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)工作面生產(chǎn)過程智能化。把現(xiàn)場(chǎng)工作人員所需的視覺、聽覺等各種信息由工作面提取至監(jiān)控中心，工作人員在監(jiān)控中心對(duì)綜采設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)視操控，實(shí)現(xiàn)工作面無人化的開采。采煤機(jī)智能化方面：在原有記憶割煤、過載保護(hù)、自動(dòng)調(diào)高等功能的基礎(chǔ)上，增加視頻虛擬增強(qiáng)功能、雷達(dá)探測(cè)防機(jī)械碰撞功能和（layerdetectionsystem痔技術(shù)。我們進(jìn)行的試驗(yàn)證明紅外攝像功能提高工作面采煤地點(diǎn)周圍低

21、照度、高粉塵工況下視頻辨別的能力；利用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)感知周圍的障礙物實(shí)現(xiàn)防止機(jī)械碰撞；煤層分層檢測(cè)技術(shù)用以檢測(cè)煤巖的賦存分布狀況，通過智能系統(tǒng)記錄并處理，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能化自動(dòng)割煤。液壓支架智能化方面：目前支架的自動(dòng)化功能包括單機(jī)自動(dòng)化、成組自動(dòng)化、跟機(jī)自動(dòng)化、智能調(diào)斜、支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)、高壓快速卸載等功能。未來主要的發(fā)展方向包括工作面推進(jìn)中自動(dòng)找直、超寬帶定位技術(shù)等。根據(jù)采煤機(jī)在工作面的運(yùn)行情況描述出刮板運(yùn)輸機(jī)的彎曲情況，傳輸給支架電液控制系統(tǒng)，自動(dòng)控制液壓支架推移系統(tǒng)，將刮板運(yùn)輸機(jī)的彎曲控制在一定程度內(nèi)并保證工作面連續(xù)推進(jìn)；超寬帶定位技術(shù)可以在工作面建立空間三維坐標(biāo)，將設(shè)備、人員等重要標(biāo)志物進(jìn)行定位，從而將整個(gè)工作面的情況在計(jì)算機(jī)中體現(xiàn)出來并加以控制。工作面三維虛擬現(xiàn)實(shí)：建立高仿真度虛擬工作面生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)情況，通過傳感器等外部設(shè)備采集的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)畫面中的虛擬設(shè)備模擬動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)三維可視效果，實(shí)時(shí)反映綜采工作面的工作情況，可產(chǎn)生身臨實(shí)境之感。通過技術(shù)的發(fā)展，工人將從工作條件惡劣的薄煤工作面現(xiàn)場(chǎng)解放出來，真正實(shí)現(xiàn)煤礦“無人化”的開采和工人有尊嚴(yán)的工作生活。參考文獻(xiàn)1毛德兵，藍(lán)航，徐剛我國(guó)薄煤層綜合機(jī)械化開采技術(shù)現(xiàn)狀及其新進(jìn)展J.煤炭開采，2011(3):11-142喬紅兵，吳淼，胡登高薄煤層開