煤矿智能化综采工作面设计分析

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摘要：为了进一步提升开采的效率和安全性，煤矿开始发展智能化开采技术。智能化开采现在还处于起步阶段，很多关键问题还未得到解决，因此，认识智能化开采的发展现状十分重要。分析了煤矿智能化开采的发展现状及面临的问题，并探究了智能化综采工作面设计的关键技术。

关键词：煤矿开采；智能化；综采工作面；关键技术

煤炭是中国的主要能源，保证其安全高效开采具有十分重要的意义。经过多年的发展，煤矿开采技术实现了由炮采向综采的转化，开采效率和安全性大幅度提高，例如工人的效率大幅度提高、百万吨死亡人数大幅下降。为了响应国家节能减排的号召和进一步提升煤矿生产的效率及安全性，煤矿企业开始研究智能化开采技术[1-2]。所谓的“智能开采技术”，就是在综采技术的基础上，实现无人化及自动化开采。然而中国现在还处于智能化开采的初级阶段，很多技术还有待突破。因此，认识智能化开采的发展现状及智能化综采工作面设计的关键技术是十分必要的。本文将围绕智能化开采的发展现状和智能化综采工作面的初步设计展开论述。

1智能化开采发展现状及面临的问题分析

1.1智能化开采发展现状分析

随着人工智能技术的快速发展，现在已经进入了人工智能时代。为了紧跟时代的潮流，煤矿行业也要实现智能化开采。所谓的“智能化开采”，就是自动化开采的高级阶段，通过机械的自我学习而实现开采的自动化和智能化。智能化开采减少了煤矿开采过程中人的参与，煤炭资源开采的效率更高且更安全，体现了科学技术对于生产力提升的作用。经过多年的发展，中国的煤矿开采由最初的手工作业（炮采）、半机械化（普采）以及现在的完全机械化（综采），正在向自动化开采转化。目前，只有薄煤层实现了自动化开采，而对于厚煤层，还未实现开采的自动化。现在越来越多的煤矿应用了传感器，中国煤矿已经具备了实现自动化开采的能力。需要区分的是自动化开采和智能化开采这两个概念，自动化开采强调机电设备按照预定的轨迹运行，而智能化开采要求设备按照实际情况选择最优的轨迹运行，显然智能化开采更高级[3]。从自动化开采过渡到智能化开采至少需要10～20a，因此可以说，中国的智能化开采还处于初级阶段，很多技术还处于摸索中。

1.2智能化开采面临的问题分析

虽然很多煤矿已经基本实现了信息化，但是这对于智能化开采来说还远远不够。智能化开采不仅仅注重一些智能算法的开发，更注重的是硬件设备。与此同时，煤矿智能化开采还需要大量的信息化专业方面的人才，但是这个条件很多煤矿不具备。不仅煤矿企业缺少智能化方面的人才，其他企业也缺少相关方面的人才。这些因素导致煤矿智能化开采进展比较缓慢。用于煤矿井下智能控制的硬件设备还不成熟，主要是因为煤矿井下环境恶劣，例如温度高、粉尘多以及电磁干扰强。没有稳定可靠的硬件设备，就难以实现智能化开采这种精确的控制。现在设备的生产厂家很多，但是在采集数据时使用了不同的信号传输协议，导致在使用时需要进行数据转换，给设备的集中控制带来了巨大的障碍。考虑到井下设备使用的安全性，不得不进行防爆设计，这也会在一定程度上对设备的运行造成干扰。在进行智能化开采时，需要解决的问题主要有以下几方面：a)采煤机的定位和工作面的自动调斜。准确的采煤机定位是实现智能化开采的前提条件，如何使采煤机以限定的准确的厚度进行切割，这是一个需要解决的问题。同时，为了保证支架和刮板机的受力处于平衡状态，需要使工作面与液压支架保持平行。b)稳定、高速、抗干扰的网络信息传输平台。在智能化开采过程中，需要不断地采集周围的环境信息来进行控制，如何稳定、可靠地传输这些信息是一个非常重要的问题。c)对数据库技术的开发和建设。智能化综采工作面井上和井下的传输数据量庞大，包括监测数据、图像、语音和视频数据等，其需要更复杂、更精准的处理手段，以实现对工作面信息的查询分析和应用。

2智能化综采工作面初步设计

2.1智能化综采工作面系统

与传统的综采工作面不同的是，智能化综采工作面更加复杂，需要控制的信息和设备也更多。智能化综采工作面由多个智能控制子系统组成，如图1所示[4]。由图1可知，智能化综采工作面主要由工作面定位系统、围岩控制系统及运输控制系统组成，包含井下定位、井下视频、装备操作和机器人控制4个基础平台，其实现的关键在于智能化开采的成套设备。由此可见，要实现智能化开采，就要突破各种关键的控制技术。信息传输和处理是智能控制所要用到的核心技术，而各种硬件设备是实现控制的基础。智能化开采可以实现远程在线控制和自动化控制，具有较高的效率。

2.2智能化工作面设计的关键技术

井下设备位置、运动状态以及姿态的测量是实现智能化开采的基础。为此，需要对工作面三维成像、井下高清视频图像的获取以及综采设备实时位置和运动状况的监测等方面进行研究。工作面三维成像是为了实时了解工作面的实际开采情况，这个过程通常需要采用先进的三维激光扫描来完成。由于工作面附近的粉尘浓度过高且光线比较暗，必须采用具有很强防尘能力的镜头和低亮度感光元件，通常可以采用CCD元件的感光元件。井下卫星定位信号比较弱，很难对设备进行定位，为此采用惯性导航的方式来进行综采工作面的定位。稳定的围岩控制是实现安全开采的根本，这就要求液压支架具有足够的工作阻力。为此，需要对液压支架与围岩的自适应控制、采煤机的自适应控制进行研究。为了使液压支架与围岩具有一定的自适应能力，需要液压支架能对工作面的顶板应力进行实时的测量，并对工作阻力做出调整。目前，液压支架与围岩相互作用的机理比较复杂，这使得对围岩的自适应控制具有一定的难度。智能化开采的关键在于使综采工作面设备具有一定的自主学习能力，能根据实际情况做出最有利的判断。而要使机械设备具备自主学习的能力，就要使机械设备具有一个“大脑”。对于机械设备而言，“大脑”指的是微处理器和智能学习算法，而智能学习算法则是实现自主学习的关键。虽然现在开发了一些智能算法，例如人工神经网络算法、模糊算法以及混沌算法等，但是这些算法都有着其特有的使用环境。

3结语

随着智能化时代的到来，智能化开采成为煤矿行业重要的发展方向。所谓的“智能开采技术”，就是在综采技术的基础上实现无人化及自动化开采。然而中国现在还处于智能化开采的初级阶段，很多技术有待突破。智能化开采不仅仅注重一些智能算法的开发，更注重的是硬件设备。与此同时，煤矿智能化开采还需要大量的信息化专业方面的人才，但是现在很多煤矿不具备这个条件。与传统的综采工作面不同的是，智能化综采工作面更加复杂，需要控制的信息和设备也更多。智能化综采工作面主要由工作面定位系统、围岩控制系统及运输控制系统组成，包含井下定位、井下视频、装备操作和机器人控制4个基础平台。

参考文献：

［1］邢呈呈.煤矿智能化综采工作面管理平台设计［J］.煤矿机电，2019，40(6)：44-46.

［2］张华.煤矿综采工作面智能化开采技术研究［J］.装备维修技术，2019(4)：42.

［3］李首滨.煤炭智能化无人开采的现状与展望［J］.中国煤炭，2019，45(4)：5-12.

［4］王国法，张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望［J］.中国矿业大学学报，2018，47(3)：459-467.

作者：和兰根 单位：山西吕梁西山德威矿业管理有限公司