無人工作面採煤技術

無人工作面採煤是指工人不出現在回採工作面內，而是在回採工作面以外的地點操作和控制機電設備，完成工作面內的破煤、裝煤、運煤、支護和處理採空區等各項工序。無人工作面採煤是一種先進、高效的回採工藝。

基本介紹

• 中文名：無人工作面採煤技術
• 外文名：No working face mining technology
• 學科：煤炭工程
• 領域：開採
• 特點：遠程控制
• 優點：先進、高效

簡介

無人工作面採煤是指工人不出現在回採工作面內，而是在回採工作面以外的地點操作和控制機電設備，完成工作面內的破煤、裝煤、運煤、支護和處理採空區等各項工序。無人工作面採煤是一種先進、高效的回採工藝。

無人工作面開採的最大特點是使工人擺脫了較危險的工作地點，把工人從繁重的體力勞動和惡劣的工作環境中解放出來，而且人員少，勞動生產效率高，並能使一些用普通方法無法開採或很難開採的煤層得到開發，提高了資源利用程度。

無人工作面採煤方法分類

薄煤層無人工作面採煤方法的種類很多，分類方式也多種多樣。原蘇聯煤炭科學研究院以工作面內有無支護為標準，將無人工作面採煤分為有支架支護和無支架支護兩類。按採煤設備的種類，將無人工作面採煤分為水力採煤、刨煤機採煤、煤鋸採煤、鑽機採煤等。還有一種分類方法是把無人工作面採煤分為兩類，即開採時改變煤的聚集狀態的，如煤的地下氣化，頁岩的地下分餾等，這種方法叫做化學方法；另一種是開採時不改變煤的聚集狀態，稱機械方法或物理方法。

無人工作面的概念及其特徵

國外給無人採礦下的定義是：利用最先進的技術，包括地下通訊、定位、工藝設計、監視和控制系統操縱採礦設備與採礦系統，其採礦工藝包括自動鑿岩、自動裝藥與爆破、自動裝岩、自動轉運、自動卸岩和自動支護等，其技術基礎是高速地下通訊系統和高精度地下定位、定向系統（要求達到mm級）。國內早期學者對無人工作面採煤技術下的定義是：工人不出現在回採工作面內，而是在回採工作面以外的地點操作和控制機電設備，完成工作面內的破煤、裝煤、運煤、支護和處理採空區等各項工序。

不同國家、不同時代以及不同地質條件下，無人自動化工作面有自身的特徵和內涵，國外主要研究金屬礦山和露天採礦，國內早期研究主要是為解決薄煤層的開採，隨著採礦科技水平的提高，針對中國礦井地質條件的複雜性，以綜合利用煤炭資源和科學採礦為原則，提出現代無人工作面的定義為：在工作面安全專家系統的保護下，通過有線或無線方式遠程控制關鍵生產設備，監測其工況，利用割煤設備（刨煤機或採煤機）的自主定位與自動導航技術、煤岩自動識別技術、液壓支架電液控制技術、刮板輸送機自動推移技術、工作面自動監控監測技術、井下高速雙向通訊技術和計算機集中控制技術等自動完成割煤、移架、移刮板輸送機、放煤和頂板支護等生產流程，動態最佳化作業程式，實現工作面生產過程自動化、採煤工藝智慧型化、工作面管理信息化以及操作的無人化，僅當設備出現故障時，維修人員才會到達工作面，從而確保高產、高效和安全生產。

現代無人工作面的定義是建立在高度發展的科學技術和特殊套用背景之上，有其自身特徵。

1) 開採範圍廣

包括薄、中厚、厚及特厚煤層，可實現薄煤層刨煤機無人自動化採煤、中厚或厚煤層一次采全高無人自動化和特厚煤層無人放頂煤開採。

2) 作為解放層

利用無人工作面開採高瓦斯煤層實現瓦斯的預先釋放，降低瓦斯的濃度，保證生產安全。

3) 傳統工藝和自動化技術的結合

以傳統的採煤工藝為原則，利用現代科學技術去豐富和改進傳統的開採水平、管理模式、組織結構和採礦工藝。

4) 科學採礦技術

無人工作面是在先進、完善的頂板監控監測系統、安全專家系統、災害預測預警系統等下進行，以科學採礦思想為原則，實現資源的合理化配置，基本實現零死亡。

5) 高度自動化、信息化、高產、高效

整個生產過程採用先進的自動化技術和大功率的設備，自動化水平高、生產能力大、效率高。

無人工作面的技術框架及關鍵技術

根據無人工作面的系統模型，分析要實現無人工作面各個子系統所需要的技術支撐，包括採煤機自主定位與自動導航技術、採煤機自動調高技術、煤岩自動識別技術、液壓支架電液控制技術、刮板輸送機自動推移技術、三機工況檢測和故障診斷技術、井下高速雙向通訊技術、組件式礦山軟體與模型技術，資料庫技術以及井下多感測器技術。

研究中國煤礦工作面自動化水平，基於無人工作面的概念、特徵、系統模型及技術體系的分析，要實現符合中國國情的無人工作面，需要對現代先進技術進行集成創新，完成以下關鍵技術。

1.煤岩界面自動識別與自動調高技術

已有了20餘種煤岩分界感測機理和系統，諸如記憶程式控制系統，振動頻譜感測系統，天然γ射線、測力截齒、同位素、噪聲、紅外線、紫外線、超音波、無線電波、雷達探測等，由於井下煤層和圍岩條件十分複雜，難以準確、可靠地判斷煤岩分界，都未成功地套用於實際，因此研製出工作可靠、有一定解析度的煤岩分界識別感測器，是實現採煤機滾筒自動調高的關鍵。近年來總的發展趨勢是將具有一定解析度的煤岩感測器結合計算機控制，組成煤岩分界感測裝置及煤岩分界識別系統，尤其是國內研製大功率自動化採煤機時，應優先考慮採用這類組合形式。加大力度進一步研究組合式調高技術方法，其中記憶智慧型程控煤岩分界識別及控制系統在實際中套用最多，也是國外機型採用最多的技術，而雷達探測技術是最有套用前景的技術。

2.採煤機自主定位系統

無人工作面的技術基礎是高速地下通訊系統和高精度地下定位、定向系統，中國這方面的研究尚處於空白，中國研製成功的首台採礦機器人（MR）也未很好地解決地下定位問題，而與GIS 技術相結合的無人採礦定位技術更是在國內外處於空白階段，研究具有自主定位系統的採煤機是實現無人工作面的突破，其包含以下5 個方面。

1) 採煤機動力學模型

採煤機工作環境複雜、惡劣，採煤路線、煤岩性質的連續變化，對採煤機的運動造成各種擾動，改變了採煤機的運動狀態，準確確定某一時刻採煤機的速度、加速度、以及位置等運動狀態參數將比較複雜。建立自主定位採煤機所需要的動力學模型，確定採煤機在不同採煤工藝下的運動狀態，模擬各種外界因素對採煤機運動的影響程度，為自主定位系統的實現提供基礎性關鍵技術。

2) 移動目標的位置與速度精確計算

必須研究有效的求解方法，解決計算精度、計算量、計算時間及坐標轉換的問題。

3) 航位推算系統誤差補償模型

慣性感測器的誤差是影響航位推算系統精度的主要因素，慣性感測器產生的誤差跟所在的工作環境有密切的關係，必須研究解決在礦井地下特定環境中產生誤差問題。單純依靠儀表的結構設計與製造工藝來減少感測器的誤差，常會受到技術上與經濟上的制約，必須採用先進的最優估計理論與方法，進行移動目標位置的最優估計，減少感測器的隨機誤差對位置狀態的影響，從而減少誤差積累，提高航位推算（DR）系統的定位精度。

4) 航位推算系統環境適應性問題

煤礦井下工作環境惡劣，要使航位推算系統能在井下正常工作，必須解決它的防爆、防水、防塵、防震動等關鍵技術問題。

5) 礦井電子地圖導航資料庫的建立與地圖匹配（MM）算法的研究

利用高精度電子地圖的軟體平台和GIS 二次開發技術形成無人工作面採煤機定位系統的軟體平台。地圖匹配的前提是採煤機運動在軌道上，而與採煤機有關的軌道數據已知，將已知的採煤機運動路線的數學特徵與地圖資料庫中的軌道特徵相比較，從而確定採煤機的運動位置和運動軌跡，並校正感測器的誤差，實現地圖匹配。系統將監測信息存儲進資料庫，利用礦井電子地圖，在計算機顯示其所在位置，在地面監測主機上實時、直觀地顯示監測結果，隨時可以匯報採煤機行進狀態。綜合採煤機自主定位系統各個關鍵技術，形成採煤機自主定位導航系統流程。

3.井下- 井上雙向高速通訊技術

在礦井通信方面，如何快速、準確、完整、清晰、實時地採集與傳輸井下各類環境指標、設備工況、作業參數和調度指令等數據，並進行井上- 井下雙向傳輸，尤其是實現信息由井上到井下反饋，是有待改進的技術問題。

4.採礦工藝智慧型化技術

在工藝智慧型化方面，實現採礦設備整體與整個作業流程中的自動控制、協調、適應、保護、調整和修復，甚至再生，研究和設計無人工作面的新的作業過程及其作業模式。

5.工作面組件式軟體與模型

工作面災害智慧型預測預報系統、“採煤- 環境”安全專家分析系統、無人採礦的模擬與決策系統的仿真、三機自動控制系統以及工況檢測與診斷技術，均以各類套用軟體與相關模型為工具，必須針對不同套用和需求，研究建立相應的模型，開發多品種、多型號、多功能和組件式軟體。

6.多感測器技術

無人智慧型化採煤工作面採集各種信息需要大量的感測器，多感測器的配合使用、準確信息採集以及多感測器融合處理技術等都需要進一步的研究。

7.無人工作面資料庫技術

根據資料庫的相關理論，結合煤礦無人工作面的生產情況，建立起相應的資料庫，實現對數據的增加、刪減、修改、查詢、報表列印等功能，同時為可視化技術提供三維數據，從而實現工作面信息的拓撲空間查詢、分析與套用及許多採礦安全問題的模擬、分析與預測。無人工作面資料庫技術所涉及到的數據信息量巨大，不僅包括地質數據和工程數據，還有這些數據經過處理生成的中間數據等。儘快攻克3D 實體拓撲描述、表達、組織與動態維護以及資料庫大量信息的維護成為資料庫技術需要解決的難題。