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工作面災(zāi)害事故常常發(fā)生，施工環(huán)境復(fù)雜多變，容易對人身安全構(gòu)成威脅，“機(jī)械替人”這一概念愈發(fā)凸顯，不僅可以減少人工成本、提高工作效率，還可以減少傷亡事故，從而保證施工的安全。因此，衍生出更多對煤礦智能無人采煤工作面開采關(guān)鍵技術(shù)的研究，并將關(guān)鍵智能化技術(shù)廣泛鋪展開來，促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，滿足更豐富和更深層次的煤炭開采需求。

1智能無人采煤工作面的特點(diǎn)

煤礦智能無人工作面開采技術(shù)的特點(diǎn)是開采范圍大、開采效率高、安全系數(shù)高，這是其區(qū)別于傳統(tǒng)人工開采的優(yōu)勢所在。

1．1開采范圍大開采范圍大分為兩方面:首先是縱向開采范圍大，即開采厚度高;其次是橫向開采范圍廣，可以覆蓋較大的開采橫截面積。處在2000m以下的深層煤層具有空氣稀薄、地質(zhì)與水文條件惡劣的特點(diǎn)，現(xiàn)階段對深巖層的開發(fā)依然持之以恒，智能化設(shè)計(jì)的無人工作機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)對煤礦的開采和研究，將大大降低施工難度和危險(xiǎn)系數(shù)，獲得強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性。地面以下的橫向工作空間受煤壁內(nèi)應(yīng)力與外應(yīng)力的綜合作用，煤壁存在一定的載荷，人員施工時(shí)要更加小心謹(jǐn)慎，導(dǎo)致開采范圍受限，而無人工作面可以更大膽地預(yù)測可施工區(qū)域，對大量的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行歸納整合，進(jìn)而得到更具創(chuàng)新性、突破性的開采方案［1］。

1．2開采效率高對傳統(tǒng)開采技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化是煤礦井下智能化無人工作面的開采關(guān)鍵技術(shù)，即“取其精華，去其糟粕”。簡單來看，智能化無人采煤工作面的關(guān)鍵技術(shù)就是通過科學(xué)技術(shù)手段和信息化網(wǎng)絡(luò)代替手工操作的技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省人力、物力資源，無需聘請和培訓(xùn)大量的專業(yè)施工人員，大大降低人為工作導(dǎo)致的失誤，工作效率可以在原有基礎(chǔ)上得到較大程度提高，該技術(shù)涵蓋專業(yè)信息搜集技術(shù)、分析技術(shù)、高精度定位導(dǎo)航技術(shù)、重大安全事故預(yù)警和監(jiān)測技術(shù)等，可以進(jìn)一步降低施工危險(xiǎn)系數(shù)，將安全事故的發(fā)生率和經(jīng)濟(jì)損失降到更低，不僅可以提高煤炭開采效率，還可以促進(jìn)煤炭產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級，打破原有的貿(mào)易壁壘，沖撞出新的火花，使煤礦具備更大的開拓性和更強(qiáng)的競爭力。

1．3安全系數(shù)高通過上文闡述可知，工作面開采技術(shù)的智能化、信息化、無人化都可以降低勞動(dòng)力的使用量，大大減少開采人員傷亡，對安全防護(hù)的意義重大。工作人員可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，無需進(jìn)入高危環(huán)境，使煤炭開采工作得以順利安全地完成。在安全生產(chǎn)上，要以科學(xué)的采礦思想為指導(dǎo)，不能單純地追求高效率，完善采煤工作面開采關(guān)鍵技術(shù)的內(nèi)在理念和特點(diǎn)，使其形成標(biāo)志性的安全生產(chǎn)組織模式，構(gòu)建完善的工作體系［2］。

2煤礦智能無人采煤工作面的常見災(zāi)害

2．1頂板災(zāi)害頂板災(zāi)害的發(fā)生率較高，是開采工作的重大安全隱患，對作業(yè)人員的生命安全造成了很大威脅。巷道支護(hù)技術(shù)與工作面支護(hù)技術(shù)為大范圍冒頂、局部冒頂提供了較大支撐，雖然對大范圍冒頂、局部冒頂?shù)挠绊懽饔么嬖诓顒e，但都要進(jìn)行提前預(yù)防和管控。局部冒頂?shù)慕鉀Q措施更復(fù)雜，該問題發(fā)生在超前支護(hù)段、支架前探梁、工作面端等位置。一般使用頂板軟化技術(shù)管控頂板大面積來壓，沖擊地壓也是較大的威脅因素，必須對其做好預(yù)防與監(jiān)測工作，避免因局部頂板和大范圍頂板問題而造成不可挽回的損失。

2．2瓦斯災(zāi)害井下瓦斯存量大，常見的瓦斯危害為煤與瓦斯突出、瓦斯爆炸。煤與瓦斯突出主要發(fā)生在掘進(jìn)巷道、石門揭煤，該危害比普通作業(yè)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)更高;瓦斯爆炸作為井下作業(yè)中的常見危害，每年的傷亡人數(shù)居高不下，主要原因是割煤時(shí)瓦斯從煤炭中游離出來，進(jìn)入礦井空氣中，當(dāng)瓦斯含量高于界限值(或在環(huán)境條件綜合作用下)時(shí)會增加爆炸的可能性［3］。

2．3礦井火災(zāi)礦井火災(zāi)發(fā)生的原因如下:煤礦溫度過高，自燃引起火災(zāi);用電設(shè)備使用不當(dāng)導(dǎo)致溫度過高、短路等，進(jìn)而引起火災(zāi);瓦斯爆炸引起礦井火災(zāi);作業(yè)人員的行為規(guī)范不達(dá)標(biāo)引起礦井災(zāi)害。發(fā)生礦井火災(zāi)既有潛在因素，又有顯性因素，可以通過準(zhǔn)確的監(jiān)測和預(yù)防減少災(zāi)禍發(fā)生。

2．4礦井水災(zāi)地表水滲透和地下水堆積等造成煤層底板承壓水，如果底板未做好防護(hù)措施，將會直接淹沒采煤工作面，發(fā)生大面積水災(zāi)，老空水也是危險(xiǎn)系數(shù)最高的災(zāi)害因素。在實(shí)際開采過程中，只要一項(xiàng)防護(hù)保障措施沒做好，就會帶來“滅頂之災(zāi)”，給煤礦產(chǎn)業(yè)或公司造成不可挽回的損失，情況嚴(yán)重的甚至?xí)斐缮鐣Z動(dòng)和影響［4］。

2．5粉塵災(zāi)害當(dāng)今時(shí)代是工業(yè)化的時(shí)代，大量的工業(yè)廢氣和工業(yè)垃圾排到大氣中，導(dǎo)致空氣品質(zhì)受到極大影響，甚至有相當(dāng)一部分室內(nèi)工作人員患有“病態(tài)建筑綜合征”。可想而知，對井下作業(yè)人員來說，大量吸入由割煤造成的大量粉塵(還包括使用機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的顆粒物等)，大大增加患“塵肺病”的概率，會對身體健康造成極大威脅。其次，大量煤炭顆粒物聚集于空氣中，當(dāng)其含量超標(biāo)時(shí)，爆炸概率大大增加，對作業(yè)人員的生命安全造成危害。上述主要災(zāi)害造成的傷亡人數(shù)隨時(shí)間的變化曲線見圖1(2000～2018年)。

3智能無人采煤工作面開采關(guān)鍵技術(shù)

礦井工作面無人化、智能化的特點(diǎn)越來越突出，“機(jī)械替人”理念的運(yùn)用更加廣泛，技術(shù)人員要付出更大的努力進(jìn)行井下無人技術(shù)的設(shè)計(jì)與研究。本節(jié)作為本文的主題，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行較為詳細(xì)的闡述和討論，無人智能化模式的井下采礦主要應(yīng)用以下技術(shù)。

3．1準(zhǔn)確定位導(dǎo)航技術(shù)礦井內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、電磁干擾因素較多且處于高密閉空間，GPS(地理信息系統(tǒng))系統(tǒng)通過定位和導(dǎo)航，可以進(jìn)行方向規(guī)劃和路徑設(shè)計(jì)，對運(yùn)動(dòng)方向和路線進(jìn)行合理的測量和統(tǒng)計(jì)，保證定位導(dǎo)航的準(zhǔn)確無誤。然而，技術(shù)目前在礦井的應(yīng)用未達(dá)到百分百精確，在實(shí)際操作過程中必然要注意相關(guān)要點(diǎn)。①高精度的定位技術(shù)，該技術(shù)起到支撐作用;②慣性導(dǎo)航技術(shù)，該技術(shù)可以適應(yīng)煤礦開發(fā)時(shí)的高密度空間和復(fù)雜的磁場活動(dòng);③場景芯片技術(shù)，該技術(shù)的主要用途是對局部空間和位置進(jìn)行精準(zhǔn)定位導(dǎo)航，保證每個(gè)位置空間內(nèi)都有衛(wèi)星系統(tǒng)的支撐;④無線通信技術(shù)，此技術(shù)主要應(yīng)對各種突發(fā)事故，提高開采過程的安全穩(wěn)定性。通過對全息數(shù)字化三維地質(zhì)模型的研發(fā)與構(gòu)建，可以對煤炭開采時(shí)的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤測試，實(shí)時(shí)獲得作業(yè)面的環(huán)境、水溫和氣候條件，從而獲得三維空間的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)［5］。

3．2信息傳輸技術(shù)信息傳輸時(shí)要保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，煤礦環(huán)境的數(shù)據(jù)信息會受到周圍強(qiáng)磁場、地質(zhì)條件和水文條件等綜合因素影響，不利于信息的精準(zhǔn)探測。現(xiàn)階段，常采取三維激光掃描技術(shù)，既可以適應(yīng)深層煤礦的物理環(huán)境，又可以對密閉環(huán)境的視頻影像進(jìn)行監(jiān)測控制，可以充分體現(xiàn)在地下開采中的優(yōu)勢。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，必須保證地下人員與技術(shù)人員的雙向傳輸，加強(qiáng)雙方的溝通和交流并使之達(dá)成共識。涉及的其他相關(guān)技術(shù)還包括煤巖識別技術(shù)(包括雷達(dá)探測、光譜探測、紅外圖像采集等)、智能傳感器應(yīng)用、磁共振技術(shù)、光纖網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

3．3綜采可視化技術(shù)綜采可視化技術(shù)涉及網(wǎng)絡(luò)傳輸和信息通信技術(shù)的使用，煤礦開采周期長、過程復(fù)雜，涉及較多信息，單純靠智能化采集技術(shù)可能無法及時(shí)進(jìn)行信息搜集和捕捉，導(dǎo)致錯(cuò)失大量可分析數(shù)據(jù)，影響得出數(shù)值規(guī)律，綜采可視化技術(shù)通過監(jiān)測實(shí)地?cái)?shù)據(jù)，對大規(guī)模數(shù)據(jù)和局部數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和捕捉，對實(shí)際環(huán)境進(jìn)行可視化觀測和記錄，利用此方法還能衍生出更多的抗干擾技術(shù)。要把智能化開采技術(shù)落到實(shí)處，就需要掌握以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn):①數(shù)據(jù)信息的搜索和采集，該步驟作為獲取信息的第一步，捕獲的信息必須全面且真實(shí)可靠，這是后續(xù)總結(jié)規(guī)律的基礎(chǔ);②可通過視頻識別信息并將之傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理后臺，利用數(shù)據(jù)末端對數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，這是綜采可視化技術(shù)運(yùn)用的集中環(huán)節(jié);③采用自主識別、信息智能化匹配和推送技術(shù)，大大節(jié)約人力資源和物力資源;④采用大量的信息整合技術(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納和區(qū)域化劃分，不同的數(shù)據(jù)對應(yīng)不同的場景，進(jìn)而得到規(guī)律性結(jié)論［6］。

3．4無人值守工作面集控系統(tǒng)礦井工作面無人化、智能化的特點(diǎn)越來越突出，“機(jī)械替人”的轉(zhuǎn)變越來越可行，機(jī)器人的使用可以大大減少人員傷亡事故。但事物具有兩面性，有利便有弊。當(dāng)工作面中存在不穩(wěn)定因素或設(shè)備故障時(shí)，機(jī)器人可能無法準(zhǔn)確評估和解決，會給施工增加難度。對于井下無人技術(shù)，技術(shù)人員需要付出更大的努力進(jìn)行研究。在使用機(jī)器人進(jìn)行井下采礦時(shí)，需要加強(qiáng)以下技術(shù)的應(yīng)用:①防爆機(jī)器人設(shè)計(jì)時(shí)必須具備一定的防爆識別和控制功能，能夠檢測并避開危險(xiǎn);②機(jī)器人能對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行整合分析，得出數(shù)據(jù)規(guī)律，進(jìn)而做出科學(xué)合理的判斷;③煤礦井下電力供應(yīng)充足，以防機(jī)器人在正常作業(yè)中突然斷電，無法得到能量的供應(yīng)。關(guān)鍵技術(shù)的使用流程如圖2所示。

4某公司智能化開采技術(shù)

來自陜北地區(qū)的某煤礦實(shí)施的智能化開采方案對煤礦行業(yè)開采活動(dòng)具有很大的借鑒意義。該礦煤炭資源豐富，薄煤層煤炭資源在所有煤炭資源中的占比較大，需要投入大量的勞動(dòng)力，應(yīng)用強(qiáng)大的跟機(jī)作業(yè)機(jī)制及更大的安全保障措施。2019年，該公司一號煤礦進(jìn)入薄煤層生產(chǎn)區(qū)域。2020年，為了使煤炭開采工作更加高效，一號煤礦順利實(shí)施了地面遠(yuǎn)程操控系統(tǒng)的智能化無人開采技術(shù)，為國內(nèi)的無人開采技術(shù)寫下了濃墨重彩的一筆，為后續(xù)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和生產(chǎn)方式的變革提供了強(qiáng)有力的借鑒。該方案主要應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、視頻技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、監(jiān)控一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)化操作。在后續(xù)的探索中，可以在此公司設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合本文探討的各種新型關(guān)鍵技術(shù)，對智能無人化工作面采礦體系進(jìn)行升級優(yōu)化，配合完善的管理機(jī)制，得到科學(xué)優(yōu)化升級后的方案。

5小結(jié)

大量的模型構(gòu)建和實(shí)踐經(jīng)歷表明，煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展亟須發(fā)生根本性轉(zhuǎn)變，存在的不足需要花費(fèi)較長時(shí)間發(fā)現(xiàn)和彌補(bǔ)。加強(qiáng)智能化無人采煤工作面關(guān)鍵技術(shù)的研究與使用，是破除固有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)最直接的手段，不僅可以使采煤工作更加安全環(huán)保，還可以解決企業(yè)面臨的諸多難題，為社會的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn):

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［4］張偉．煤礦智能無人值守采煤工作面開采關(guān)鍵技術(shù)研究［J］．建材與裝飾，2019(22):249－250．

［5］宮平，文秀龍，趙鵬飛．煤礦智能無人采煤工作面開采關(guān)鍵技術(shù)分析［J］．南方農(nóng)機(jī)，2019，50(08):160．

［6］王成祥，張玉良．讓井下無人采煤成為引領(lǐng)未來煤炭發(fā)展新坐標(biāo)———陜煤黃陵礦業(yè)公司實(shí)施智能化開采的調(diào)查與思考［J］．陜西煤炭，2016，35(05):1－6+14．

作者:呂敏達(dá) 單位:陜西能源涼水井礦業(yè)有限責(zé)任公司