无人工作面智能化开采.docx

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无人工作面智能化开采

Preparedon24November2020

无人工作面智能化开采

薄煤层综采现状及对其发展展望研究

摘要：

近年来，随着社会经济的快速发展，我国煤炭开采技术水平也有了显着的提高，这对国民经济的发展具有非常重大的意义。

就目前我国煤炭开采情况来看，薄煤层开采对实现煤炭工业的可持续发展具有至关重要的作用。

虽然薄煤层开采技术有了一定程度的提高、机械化采煤技术也有了一定程度的进步，但仍存在着一些问题。

文章从综采配套设备和自动化远程控制两个方面对薄煤层开采技术进行了深入研究，提出了薄煤层自动化开采的工作模式，开发了既能满足一定生产能力，又能适应复杂生产环境的无人自动化、远程控制开采的开采体系及其工艺。

通过对智能控制、网络传输、视频监测和远程通讯等关键技术的应用研究，建立起了薄煤层数字化无人工作面监控系统，基本实现了薄煤层综采工作面的无人化远程控制。

关键词：

薄煤层，综采，自动化，远程控制

Abstract：

Inrecentyears,withtherapiddevelopmentofsocialeconomy,China'scoalminingtechnologyhasalsobeensignificantlyimproved,whichisofgreatsignificancetothedevelopmentofthenationaleconomy.OnthecurrentsituationofcoalmininginChina,thincoalseamminingplaysanimportantroleinrealizingthesustainabledevelopmentofcoalindustry.Althoughthethincoalseamminingtechnologyhasacertaindegreeofimprovement,mechanicalminingtechnologyhasacertaindegreeofprogress,buttherearestillsomeproblems.Inthispaper,thethinseamminingtechnologyisstudieddeeplyfromtwoaspectsoffullymechanizedminingequipmentandautomaticremotecontrol.Thepaperputsforwardtheworkingmodeofautomaticminingofthincoalseam,anddevelopsthesystemandtechnologyofunmannedautomationandremotecontrolmining,whichcannotonlymeettheproductioncapacity,butalsocanadapttothecomplexproductionenvironment.Throughtheapplicationresearchofintelligentcontrol,networktransmission,videomonitoringandremotecommunicationandotherkeytechnologies,themonitoringsystemofthedigitalunmannedworkingfaceofthincoalseamisestablished,andtheunmannedremotecontrolofthefullymechanizedcoalminingfaceisrealized.

KeyWords:

thinseam,fullymechanized,automation,remotecontrol

1薄煤层研究背景

薄煤层开采一直是困扰我国煤炭行业的技术难题，特别是极薄煤层综采技术的实现尤为困难。

数据表明全国以下的薄煤层约占煤炭储量的19%，而开采比例只有7%。

国内多数矿井采用普采或高档普采生产工艺，存在生产效率低、经济效益差、人员与设备安全性低等问题。

另外，对一些薄、厚煤层并存的煤矿，由于薄煤层开采速度缓慢，使其下部的中厚煤层长期得不到及时开采，以至影响工作面的正常接替，而有的就只能被迫丢失一些薄煤层资源;随着大批煤矿中、厚煤层的资源开采，薄煤层的开采己提上日程。

尽管部分矿井开展了薄煤层综采机械化研究，但受地质条件、开采方式等诸多因素的影响，一直未能顺利开展与推广。

开采装备技术的落后造成大量薄煤层储量被弃采，资源被浪费。

《2006-2020国家中长期科学和技术发展规划纲要》优先提出：

重点研究开发煤炭高效开采技术及配套装备；《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》指出：

无人工作面智能化采煤技术；《煤炭工业发展“十二五”规划》明确提出：

开展技术攻关支持煤矿无人工作面开采技术研究与示范工程建设；国务院《关于促进煤炭工业健康发展的若干意见》规定（国发[2005]18号）：

鼓励采用先进技术，开采难采煤层和极薄煤层。

因此，研究采煤装备自动化和远程监控技术，提高煤矿井下自动化装备水平，实现煤矿综采工作面自动化、无人或少人化开采，提高煤炭资源开采效率、减少煤矿井下重大人员伤亡，对保障煤矿安全、促进煤炭资源可持续发展具有重要的现实和战略意义。

目前，薄煤层开采主要采用的生产装备与工艺技术落后、适应性差，产量小、效率低、效益差、安全生产状况存在隐患，特别是峰峰集团的一些高瓦斯矿井，小于厚度的薄煤层地质条件复杂，断层多、煤层厚度变化大，急需解决保护层开采难题，为煤与瓦斯突出的主采厚煤层安全开采提供保障。

以峰峰集团为例，开采历史达到100多年，资源极度匮乏，而薄煤层储量达到亿吨，其中极薄煤层储量约亿吨，且多为稀缺煤种，其工业应用价值极高，如果放弃薄煤层的开采，将对国家资源造成无法挽回的损失。

为解决资源回收和提高企业效益，针对煤层开采问题，于2008年初提出了“极薄煤综采自动化配套设备及生产工艺的研究与应用”课题，目的是实现极薄煤层综采高产高效。

当前薄煤层开采还面临着诸多问题，尤其是空间过于狭小，环境恶劣，使得综采设备和操作人员的安全等。

工作面环境如图，图所示。

图薄煤层工作面空间狭小图薄煤层环境恶劣

2国内外薄煤层开采技术现状

概况

薄煤层开采一直是困扰我国煤炭行业的技术难题，国内许多煤矿仍采用炮采或高档普采生产工艺，开采装备技术落后，产量低、效益、适应性及可靠性差，开采技术水平相对较低。

如峰峰集团薄煤层储量达到亿吨，其中薄煤层储量7000万吨以上，均为稀缺煤种（主要是主焦煤和肥焦煤），开采价值高。

同时，薄煤层作为具有瓦斯突出危险的煤层的解放层，其开采后的空间可作为开采层的瓦斯等有害气体的释放空间，为主采煤层开采提供可靠的安全保障。

随着厚及中厚煤层资源的减少和一些矿井煤层开采解放层的要求，我国急需加大薄煤层的开采力度。

由于受到工作面空间狭小、地质条件变化敏感、材料强度及机械结构、设备配套尺寸限制等因素的限制，薄煤层机械化开采远远落后于中厚及厚煤层水平。

近些年来厚及中厚煤层安全高效开采技术有了很大提高，促进了薄煤层装备研发制造和机械化开采快速发展。

我国薄煤层的开采开始20世纪50年代，主要使用炮采工艺；60年代开始使用深截煤机掏槽，爆破落煤；70年代研制出多种类型的薄煤层刨煤机；90年代开始，天府、徐州、新汶等矿务局，先后从俄罗斯和乌克兰引进了螺旋钻采煤机，应用在一些传统采煤工艺不能开采的薄与极薄煤层的开采。

开采过程中存在的问题：

第一，薄煤层实际开采过程中，经常会遭受其所处环境和空间的限制，开采机械设备的安装和操作难度比较大；同时也是由于薄煤层开采空间的限制，工作人员的活动范围非常有限，瓦斯等有害气体的排放变得更加困难，因此很容易引发安全事故。

第二，由于薄煤层所赋存的煤矿厚度比较低，因此薄煤层的开采进度非常快，相关机械设备的运转周期也会因此变短，频繁的设备调动使薄煤层的开采工作变得异常紧张。

第三，与中、厚煤层相比，薄煤层的产量投资相对较大。

但薄煤层煤矿开采并非没有益处，其开采优势主要表现为：

工作面的顶板位移较小且容易控制、薄煤层的开采不会造成大面积的地面塌陷以及薄煤层的开采不会对邻近煤层产生太大的影响。

第四，较之于厚煤层和中煤层而言，薄煤层煤矿的产量比较低、煤矿抛洒浪费也比较严重。

薄煤层所处的地理环境复杂多变，这将对薄煤层的产量造成严重的影响。

据统计数据显示，薄煤层煤矿的开采量只相当于中、厚煤层开采量的三分之一。

设备应用过程中还存在问题：

刨煤机应用过程中存在的主要问题有：

我国的刨煤机产品尚处于成长阶段，有许多关键技术尚待攻关；机头机尾体积和重量大，端头支护困难。

巷道变形严重时，会造成机头机尾被压死；机头机尾处往往顶板较为破碎，移溜支设不牢固致推移困难，机头机尾推移时间过长，制约了生产能力；机头机尾处装煤效果差形成大量堆煤，人工清理易发生安全事故，同时也是造成机头尾推移困难的原因；遇工作面地质构造时，辅助工序繁杂，人员作业困难、劳动强度大，生产效率低；刨头的连接螺栓易变形，电控部分防尘、防水性能对工作环境要求苛刻，集控箱事故率高。

世界各主要产煤国家都在积极开发和研制适应各种煤层条件的、高产高效的综采设备，其美国、澳大利亚、德国、英国等国家发展尤为迅速，日产超过万研究目标及研究内容吨的工作面数量逐年增加，而且产量记录不断刷新，推动了采煤机综合机械化的发展进入了一个新的时期。

德国和英国的综采技术及综采设备位于世界前沿，由于受其国内煤层赋存条件的限制，其高产高效工作面数量不如美国和澳大利亚，而最着名的、生产采煤机械的公司主要集中在德国和英国。

国外具有影响力的采煤机械制造公司，比如美国久益（JOY）公司、德国艾可夫（EICKHOFF）公司、英国Long－Airdox公司、日本三井三池及波兰KOMAG采矿机械化研究中心等，都以生产和研发适合于中厚煤层开采的大功率采煤机为主，但对薄煤层采煤机研制不多。

究其主要原因，是因为在这些国家进行煤炭开采，需要较高的人工费用，以自动化程度较高的刨煤机为主进行薄煤层的开采。

若使用滚筒采煤机对薄煤层进行开采则难以实现自动化，需要支付数额较大的工人工资，导致经济效益相对降低和成本增加。

3研究目标及技术路线

研究目标

（1）薄煤层工作面综采设备的自动化

研制具有自动化和智能化控制功能的工作面采煤机、液压支架和刮板输送机，使其自动完成割煤、装煤、移架、移刮板输送机和顶板支护等生产工艺流程，减轻工人劳动强度，保证矿井安全高效开采。

（2）生产现场的无人化

建立工作面集中监控平台，集通讯网络、视频监视和远程操作控制于一体，通过自动协调匹配或人工远程干预方式，在工作面现场无人值守条件下实现“采、掘、运”生产工艺流程。

综采自动化技术的研究成果已经在国内一些条件较好的大型、特大型矿井使用，取得良好效果。

如何在地质条件复杂、工作环境恶劣的薄煤层开采中开发应用综采自动化技术，是近些年来煤炭行业科研人员的努力方向和追求目标。

越是开采条件危险艰苦，越应该使用综采自动化技术。

特别是资源枯竭的老矿井，能够最大限度地提高煤炭储量利用率、回收不可再生的煤炭资源，延长矿井的服务年限。

研究内容

（1）研究、试验解决采高下限的极薄煤层综采设备与回采工艺，极薄煤层综采煤岩切割、装载和自动化技术；

（2）研究、试验开采薄煤自动化综采工作面三机关键设备及配套的功能、结构、强度、生产能力等；对回采工艺系统研究，确定极薄煤综采生产工艺；

（3）薄煤层综采自动化远程控制系统研究，分别展开对成套设备的可视化、智能截割、远程监控等内容的研究。

技术路线

薄煤层综采自动化技术研究是实现综采工作面自动控制，完成综采工作面自动化、信息化、少人无人化目标的关键技术研究。

技术路线按照“充分收集并分析国内外已有的成果和资料→现场调研并提出问题的解决方法→进行充分的理论分析和模拟分析→利用有限元验证理论分析的正确性”的流程完成。

图技术路线

4研究的意义

实现煤炭的安全、高效、高回收率开采是国家重要的产业政策和目标，煤矿综采工作面自动化控制技术及装备的应用是实现煤炭安全、高效、高回收率开采的重要保障、是国家经济发展所需煤炭供应的先决条件、是煤炭行业先进生产力的重要体现。

国家863计划项目“煤矿井下采掘装备遥控关键技术”，是以突破采煤过程和掘进过程中遥控设备的关键技术为核心，开发具备可视化遥控技术和远距离控制装置的煤岩巷道悬臂式掘进机、采煤机，从而更加直观、便捷、高质量地满足我国煤矿井下采掘装备远距离遥控和安全作业的需要。

综采工作面自动化控制技术水平的高低成为体现煤矿现代化水平和煤机装备是否先进的重要指标。

因此，研究与应用采煤装备自动化和远程监控核心技术，可以提高煤矿井下自动化装备水平，实现煤矿薄煤层综采工作面自动化、无人或少人开采，提高薄煤层煤炭资源开采效率和保护层开采力度，解决有煤与瓦斯突出危险的主采厚煤层的消突问题，避免煤矿井下重大人员伤亡事故的发生，取得一定的经济效益，延长矿井寿命。

为保障煤矿安全、促进煤炭资源开发的可持续发展具有重要的现实和战略意义。

5未来展望

薄煤开采通过综采自动化的技术手段，实现无人化和高产高效生产是发展方向，通过创新，不断提高对开采条件的适应性，提高开采的经济效益，提高开采人员安全性和舒适度，提高薄煤层储量的开采比例，最大程度的减少资源的浪费。

薄煤层装备配套性能方面：

采煤机在目前的基础上进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，新技术，研究新结构。

采煤机采取外牵引、悬臂或爬底板方式，机身多电机布置机电一体制造，小轮毂滚筒设计摇臂装煤结构和通道。

研究柔软型强力自拖电缆，配合拖缆板，实现电缆自拖曳；研究超导散热系统，代替冷却水，去掉水管拖曳；无尾可靠通讯传输、即时远程控制。

综采工作面智能化方面：

依靠自主创新，突破煤矿井下恶劣复杂条件信息的安全传输、煤岩的识别、工作面推进直线度的控制、综采设备的姿态定位、安全感知、可视的远程控制等多种技术，形成一套集测、控，视、音、传一体化的综

采工作面智能控制系统，确保综采设备连续、协调、高效、安全运行，实现工作

面生产过程智能化。

把现场工作人员所需的视觉、听觉等各种信息由工作面提取至监控中心，工作人员在监控中心对综采设备的远程监视操控，实现工作面无人化的开采。

采煤机智能化方面：

在原有记忆割煤、过载保护、自动调高等功能的基础上，增加视频虚拟增强功能、雷达探测防机械碰撞功能和（layerdetectionsystem）等技术。

我们进行的试验证明红外摄像功能提高工作面采煤地点周围低照度、高粉尘工况下视频辨别的能力；利用雷达探测技术感知周围的障碍物实现防止机械碰撞；煤层分层检测技术用以检测煤岩的赋存分布状况，通过智能系统记录并处理，实现采煤机智能化自动割煤。

液压支架智能化方面：

目前支架的自动化功能包括单机自动化、成组自动化、跟机自动化、智能调斜、支架姿态监测、高压快速卸载等功能。

未来主要的发展方向包括工作面推进中自动找直、超宽带定位技术等。

根据采煤机在工作面的运行情况描述出刮板运输机的弯曲情况，传输给支架电液控制系统，自动控制液压支架推移系统，将刮板运输机的弯曲控制在一定程度内并保证工作面连续推进；超宽带定位技术可以在工作面建立空间三维坐标，将设备、人员等重要标志物进行定位，从而将整个工作面的情况在计算机中体现出来并加以控制。

工作面三维虚拟现实：

建立高仿真度虚拟工作面生产现场情况，通过传感器等外部设备采集的实时数据来驱动画面中的虚拟设备模拟动作，实现三维可视效果，实时反映综采工作面的工作情况，可产生身临实境之感。

通过技术的发展，工人将从工作条件恶劣的薄煤工作面现场解放出来，真正实现煤矿“无人化”的开采和工人有尊严的工作生活。

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