無人工作面智能化開采

1、薄煤層綜采現(xiàn)狀及對其發(fā)展展望研究摘要：近年來，隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國煤炭開采技術(shù)水平也有了顯著的提高，這對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有非常重大的意義。就目前我國煤炭開采情況來看，薄煤層開采對實現(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、機械化采煤技術(shù)也有了一定程度的進步，但仍存在著一些問題。文章從綜采配套設(shè)備和自動化遠程控制兩個方面對薄煤層開采技術(shù)進行了深入研究，提出了薄煤層自動化開采的工作模式，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)境的無人自動化、遠程控制開采的開采體系及其工藝。通過對智能控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸、視頻監(jiān)測和遠程通訊等關(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)，基本實現(xiàn)了薄煤層綜采工作面的無人化遠程控制。關(guān)鍵詞：薄煤層，綜采，自動化，遠程控制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)的實現(xiàn)尤為困難。數(shù)據(jù)表明全國1.3m以下的薄煤層約占煤炭儲量的19%,而開采比例只有7%。國內(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)濟效益差、人員與設(shè)備安全性低等問題。另外，對一些薄、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期得不到及時開采，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量被棄采，資源被浪費。2006-2020國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要優(yōu)先提出：重點研究開發(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)；國務(wù)院關(guān)于促進煤炭工業(yè)健康發(fā)展的若干意見規(guī)定（國發(fā)200518號）：鼓勵采用先進技術(shù)，開采難采煤層和極薄煤層。因此，研究采煤裝備自動化和遠程監(jiān)控技術(shù)，提高煤礦井下自動化裝備水平，實現(xiàn)煤礦綜采工作面自動化、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，對保障煤礦安全、促進煤炭資源可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實和戰(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。以峰峰集團為例，開采歷史達到100多年，資源極度匱乏，而薄煤層儲量達到1.26億噸，其中極薄煤層儲量約0.5億噸，且多為稀缺煤種，其工業(yè)應(yīng)用價值極高，如果放棄薄煤層的開采，將對國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，目的是實現(xiàn)極薄煤層綜采局廣局效。當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煤炭行業(yè)的技術(shù)難題，國內(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)水平相對較低。如峰峰集團薄煤層儲量達到1.26億噸，其中0.9m-1.3m薄煤層儲量7000萬噸以上，均為稀缺煤種（主要是主

10、焦煤和肥焦煤），開采價值高。同時，薄煤層作為具有瓦斯突出危險的煤層的解放層，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、材料強度及機械結(jié)構(gòu)、設(shè)備配套尺寸限制等因素的限制，薄煤層機械化開采遠遠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，促進了薄煤層裝備研發(fā)制造和機械化開采快速發(fā)展。我國薄煤層的開采開始20世紀50年代，主要使用炮采工藝；60年代開始使用深截煤機掏槽，爆破落煤；70年代研制出多種類

11、型的薄煤層刨煤機；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了螺旋鉆采煤機，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，薄煤層實際開采過程中，經(jīng)常會遭受其所處環(huán)境和空間的限制，開采機械設(shè)備的安裝和操作難度比較大；同時也是由于薄煤層開采空間的限制，工作人員的活動范圍非常有限，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度非?？?，相關(guān)機械設(shè)備的運轉(zhuǎn)周期也會因此變短，頻繁的設(shè)備調(diào)動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)量投資相對較大。但薄

12、煤層煤礦開采并非沒有益處，其開采優(yōu)勢主要表現(xiàn)為：工作面的頂板位移較小且容易控制、薄煤層的開采不會造成大面積的地面塌陷以及薄煤層的開采不會對鄰近煤層產(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、煤礦拋灑浪費也比較嚴重。薄煤層所處的地理環(huán)境復(fù)雜多變，這將對薄煤層的產(chǎn)量造成嚴重的影響。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，薄煤層煤礦的開采量只相當于中、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：刨煤機應(yīng)用過程中存在的主要問題有：我國的刨煤機產(chǎn)品尚處于成長階段，有許多關(guān)鍵技術(shù)尚待攻關(guān)；機頭機尾體積和重量大，端頭支護困難。巷道變形嚴重時，會造成機頭機尾被壓死；機頭機尾處往往頂板較為破碎

13、，移溜支設(shè)不牢固致推移困難，機頭機尾推移時間過長，制約了生產(chǎn)能力；機頭機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，同時也是造成機頭尾推移困難的原因；遇工作面地質(zhì)構(gòu)造時，輔助工序繁雜，人員作業(yè)困難、勞動強度大，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、澳大利亞、德國、英國等國家發(fā)展尤為迅速，日產(chǎn)超過萬研究目標及研究內(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，推動了采煤機綜合機械化的發(fā)展進入了一個新的時期。德國和英國的綜采技術(shù)及綜采設(shè)備位于世界前沿，

14、由于受其國內(nèi)煤層賦存條件的限制，具高產(chǎn)高效工作面數(shù)量不如美國和澳大利亞，而最著名的、生產(chǎn)采煤機械的公司主要集中在德國和英國。國外具有影響力的采煤機械制造公司，比如美國久益(JOY)公司、德國艾可夫(EICKHOFF)公司、英國Long-Airdox公司、日本三井三池及波蘭KOMAG采礦機械化研究中心等，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為主，但對薄煤層采煤機研制不多。究其主要原因，是因為在這些國家進行煤炭開采，需要較高的人工費用，以自動化程度較高的刨煤機為主進行薄煤層的開采。若使用滾筒采煤機對薄煤層進行開采則難以實現(xiàn)自動化，需要支付數(shù)額較大的工人工資，導(dǎo)致經(jīng)濟效益相對降低和成本增加

15、。3研究目標及技術(shù)路線3.1 研究目標(1)薄煤層工作面綜采設(shè)備的自動化研制具有自動化和智能化控制功能的工作面采煤機、液壓支架和刮板輸送機,使其自動完成割煤、裝煤、移架、移刮板輸送機和頂板支護等生產(chǎn)工藝流程，減輕工人勞動強度，保證礦井安全高效開采。(2)生產(chǎn)現(xiàn)場的無人化建立工作面集中監(jiān)控平臺，集通訊網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)視和遠程操作控制于一體，通過自動協(xié)調(diào)匹配或人工遠程干預(yù)方式，在工作面現(xiàn)場無人值守條件下實現(xiàn)“采、掘、運”生產(chǎn)工藝流程。綜采自動化技術(shù)的研究成果已經(jīng)在國內(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。越是開采條件危險艱苦，越應(yīng)該使用綜采自動化技術(shù)。特別是資源枯竭的老礦井，能夠最大限度地提高煤炭儲量利用率、回收不可再生的煤炭資源，延長礦井的服務(wù)年限。3.2 研究內(nèi)容(1)研究、試驗解決采高下限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、裝載和自動化技術(shù)；(2)研究、試驗開采0.9-1.3m薄煤自動化綜采工作面三機關(guān)鍵設(shè)備及配套的功能、結(jié)構(gòu)、強度、生產(chǎn)能力等；對回采工藝系統(tǒng)研究，確定極薄煤綜采生產(chǎn)工藝；(3)薄煤層綜采自動化遠程控制系統(tǒng)研究，分別展開對成套設(shè)備的可視化、智能截割、遠程監(jiān)控等內(nèi)容的研究。3.3 技術(shù)路線薄煤層綜采自動化技術(shù)研究是實現(xiàn)

17、綜采工作面自動控制，完成綜采工作面自動化、信息化、少人無人化目標的關(guān)鍵技術(shù)研究。技術(shù)路線按照“充分收集并分析國內(nèi)外已有的成果和資料一現(xiàn)場調(diào)研并提出問題的解決方法一進行充分的理論分析和模擬分析一利用有限元驗證理論分析的正確性”的流程完成。圖3.1技術(shù)路線4研究的意義實現(xiàn)煤炭的安全、高效、高回收率開采是國家重要的產(chǎn)業(yè)政策和目標，煤礦綜采工作面自動化控制技術(shù)及裝備的應(yīng)用是實現(xiàn)煤炭安全、高效、高回收率開采的重要保障、是國家經(jīng)濟發(fā)展所需煤炭供應(yīng)的先決條件、是煤炭行業(yè)先進生產(chǎn)力的重要體現(xiàn)。國家863計劃項目“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)和遠距離控制裝置的煤巖巷道懸臂式掘進機、采煤機，從而更加直觀、便捷、高質(zhì)量地滿足我國煤礦井下采掘裝備遠距離遙控和安全作業(yè)的需要。綜采工作面自動化控制技術(shù)水平的高低成為體現(xiàn)煤礦現(xiàn)代化水平和煤機裝備是否先進的重要指標。因此，研究與應(yīng)用采煤裝備自動化和遠程監(jiān)控核心技術(shù)，可以提高煤礦井下自動化裝備水平，實現(xiàn)煤礦薄煤層綜采工作面自動化、無人或少人開采，提高薄煤層煤炭資源開采效率和保護層開采力度，解決有煤與瓦斯突出危險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)濟效益，延長礦井壽命。為保障煤礦安全、促進煤炭資源開發(fā)的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實和戰(zhàn)略意義。5未來展望薄煤開

19、采通過綜采自動化的技術(shù)手段，實現(xiàn)無人化和高產(chǎn)高效生產(chǎn)是發(fā)展方向，通過創(chuàng)新，不斷提高對開采條件的適應(yīng)性，提高開采的經(jīng)濟效益，提高開采人員安全性和舒適度，提高薄煤層儲量的開采比例，最大程度的減少資源的浪費。薄煤層裝備配套性能方面：采煤機在目前的基礎(chǔ)上進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)。采煤機采取外牽引、懸臂或爬底板方式，機身多電機布置機電一體制造，小輪轂滾筒設(shè)計搖臂裝煤結(jié)構(gòu)和通道。研究柔軟型強力自拖電纜，配合拖纜板，實現(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、即時遠程控制。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、煤巖的識別、工作面推進直線度的控制、綜采設(shè)備的姿態(tài)定位、安全感知、可視的遠程控制等多種技術(shù)，形成一套集測、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、安全運行，實現(xiàn)工作面生產(chǎn)過程智能化。把現(xiàn)場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)控中心對綜采設(shè)備的遠程監(jiān)視操控，實現(xiàn)工作面無人化的開采。采煤機智能化方面：在原有記憶割煤、過載保護、自動調(diào)高等功能的基礎(chǔ)上，增加視頻虛擬增強功能、雷達探測防機械碰撞功能和（layerdetectionsystem痔技術(shù)。我們進行的試驗證明紅外攝像功能提高工作面采煤地點周圍低

21、照度、高粉塵工況下視頻辨別的能力；利用雷達探測技術(shù)感知周圍的障礙物實現(xiàn)防止機械碰撞；煤層分層檢測技術(shù)用以檢測煤巖的賦存分布狀況，通過智能系統(tǒng)記錄并處理，實現(xiàn)采煤機智能化自動割煤。液壓支架智能化方面：目前支架的自動化功能包括單機自動化、成組自動化、跟機自動化、智能調(diào)斜、支架姿態(tài)監(jiān)測、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中自動找直、超寬帶定位技術(shù)等。根據(jù)采煤機在工作面的運行情況描述出刮板運輸機的彎曲情況，傳輸給支架電液控制系統(tǒng)，自動控制液壓支架推移系統(tǒng)，將刮板運輸機的彎曲控制在一定程度內(nèi)并保證工作面連續(xù)推進；超寬帶定位技術(shù)可以在工作面建立空間三維坐標，將設(shè)備、人員等重要標志物進行定位，從而將整個工作面的情況在計算機中體現(xiàn)出來并加以控制。工作面三維虛擬現(xiàn)實：建立高仿真度虛擬工作面生產(chǎn)現(xiàn)場情況，通過傳感器等外部設(shè)備采集的實時數(shù)據(jù)來驅(qū)動畫面中的虛擬設(shè)備模擬動作，實現(xiàn)三維可視效果，實時反映綜采工作面的工作情況，可產(chǎn)生身臨實境之感。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)場解放出來，真正實現(xiàn)煤礦“無人化”的開采和工人有尊嚴的工作生活。參考文獻1毛德兵，藍航，徐剛我國薄煤層綜合機械化開采技術(shù)現(xiàn)狀及其新進展J.煤炭開采，2011(3):11-142喬紅兵，吳淼，胡登高薄煤層開