煤矿综采工作面无人化开采技术探析

仇磊

摘 要：综采工作面无人化是保证煤矿安全及效率提升最有效的途径，无人化无论从技术储备还是实际需求出发都需要建立在少人化模式的充分发展基础之上，少人化模式的常态化应用是目前中国煤矿自动化发展的重点，无人模式是发展方向。本文进一步分析了煤矿综采工作面无人化开采技术，以供同仁参考借鉴。

关键词：煤矿；综采工作；无人化；开采技术

1 无人工作面开采的优势及限制条件

1.1 无人工作面技术及其优势

由于采煤工作面易出现顶板、瓦斯、水、火、地热等众多灾害，使得工作人员的生命安全受到严重威胁。无人工作面开采技术指的是采煤工作的破煤、装煤、运煤、支护、采空区的处理等工序完全实现智能无人化，人仅需在离工作面一定距离的巷道（或硐室） 内进行远程控制即可。无人工作面开采技术，使得在煤炭的生产过程中，采煤工作面现场没有人员的出现，避免了任何安全事故的发生。这在我国乃至世界的井工开采技术中有着里程碑式的意义。

1.2 无人工作面开采技术的限制条件

制约无人工作面开采技术发展的最重要因素为煤层的赋存条件。我国的大部分煤矿地质条件极其复杂，断层、褶皱、陷落柱、火成岩入侵等地质构造层出不穷，给采煤自动化、智能化带来严峻的挑战。目前，我国仅在神东、陕煤、平煤、永煤等煤层赋存均匀、无地质构造的几个采煤工作面实现了远距离的控制。因此，无人工作面开采技术仍然需要进行进一步大量的研究与探索。

2 传统煤矿开采技术中的常见问题

2.1 严重破坏土地资源

现阶段，采用传统开采技术开采的煤炭产量仍然占有相当大的比例，即使是国家重点煤矿的开采也多以长臂式开采等传统开采方法为主。这种传统的开采方法会产生极大范围的地表植物的破坏，并且能够引起地表塌陷。地表的塌陷不仅会造成水土流失和土地荒漠化，还有可能诱发滑坡、泥石流等自然灾害，对地表植被及土地资源造成难以恢复的破坏。与此同时，因开采而形成的采空区还会对地表建筑物产生非常大的影响。因为地下被采空之后，地下的岩层、土层会发生流动、崩塌的现象，大大降低了建筑物的安全性。

2.2 严重破坏水资源

但在煤炭的实际开采过程中，经常会出现因开采而引起的漏斗式降落，地下水的水流速度会加快，地下水位也会明显下降，这种情况的存在破坏了水资源自身的生态平衡。众所周知，我国的淡水资源极为紧缺，煤炭开采所造成的水资源的污染和破坏问题势必会加重我国的淡水资源供应压力，不利于经济社会的可持续发展。

2.3 瓦斯处理系统不完善，安全性差

安全是企业生产经营顺利进行的重要保障，尤其在煤矿开采过程中尤为重要。但受传统煤矿开采技术的限制，部分煤矿企业片面的追求经济效益，不重视企业的安全问题。而因为安全工作落实不到位而出现的安全事故在煤矿开采企业中频繁发生。在煤炭的开采过程中涉及到非常多的技术，其中，瓦斯处理系统是煤炭开采過程中不可小觑的一项技术。因为瓦斯处理系统不仅会在使用过程中对环境造成较大的污染，而且因为瓦斯属于易燃物，存在较大的安全隐患，所以，瓦斯处理系统的完善与否具有非常重要的意义。如果瓦斯处理系统不完善就有可能引发灾害或事故的发生，影响到企业的安全生产。

3 煤矿综采工作面无人化开采关键技术

3.1 煤岩自动识别技术

煤岩自动识别系统是煤矿无人开采工作面技术的重要组成部分，也是其关键技术之一，煤岩自动识别技术应用较早，早在20世纪90年代煤岩自动识别技术已经应用于煤矿开采工作中，因此煤岩自动识别技术在系统设备和识别技术方面均已达到一个较高的水平。煤岩自动识别技术利用红外线、紫外线、超声波、雷达探测的方式，深入较深的煤层。煤岩自动识别技术包括记忆程序控制系统及震动频谱传感系统，记忆程序控制系统是煤岩自动识别系统的核心部分，负责识别煤岩的分界；而震动频谱传感系统主要适用于围岩较为复杂的地区，能够通过传感器将地下煤岩的情况以频谱的方式呈现，从而作为煤矿无人面开采的依据。由于技术的限制，煤岩自动识别技术在围岩复杂的地区的应用效果会大打折扣，因此煤岩自动识别技术的研究方向，应该集中于提升煤岩传感器的分辨率和计算机控制系统稳定性两方面，从而使煤岩自动识别技术在煤矿无人面开采工作中发挥更大的作用。

3.2 采煤机自主定位系统

作为人工作面技术的发展前提，研究地下高速通讯系统和高精度地下定位、定向系统对自主定位采煤机的开发具有重要的现实意义，开发出适合中国矿山实际情况的定位系统能够大幅度提高我国无人面开采技术水平，其设计优化主要包含以下几个方面：

（1）采煤机动力模型。采煤机的工作环境复杂多变，众多因素都能干扰采煤机的运行，进而影响采煤机的工作状态。因此，在动力模型的设计过程中，合理确定采煤机的即时速度、加速度以及位置等运动状态参数就成为了重要的考量要素。在进行这些工作之前需要首先建立自主定位采煤机动力学模型，模拟外界干扰下的采煤机运动特征，确定其准确的运动状态。

（2）设计数据的精确计算。在建立动力模型之后，针对模型的分析需要大量的数据进行支持，因而在设计实验过程中需要更为高效的数据处理办法，有效地解决计算精度、计算量、计算时间及坐标转换等问题。

（3）航位推算误差补偿模型。工作环境会影响采煤机惯性传感器准确度，进而影响航位推算系统精度，所以针对设备在矿井地下特定环境中的误差补偿进行研究显得尤为重要。受技术与经济上制约，单纯依靠仪表结构设计与制造工艺来减少传感器的误差，其实际效果是十分有限的，所以在补偿模型的建立过程中，需要使用最优估计方法对移动目标位置测算，减少惯性传感器准确度对位置状态的影响，降低累计误差，提高航位推算系统精度。

（4）航位推算系统工作性能。煤矿井下工作环境恶劣多变，要保证航位推算系统的工作性能，就要针对设备的防爆性、防水性、防尘性、防震性等做出优化设计，提高系统的工作可靠性。

（5）矿井导航系统研究。现阶段，无人面开采导航系统的主要功能是通过高精度电子地图和采煤机定位系统实现的。其中，地图匹配需要采煤机运动处于预定轨道，在轨道数据已知的条件下，通过比较采煤机实际运动路线与地图数据库中的轨道相符程度来确定其运动位置和运动轨迹，从而实现传感器误差的校正，保证采煤机处于正确路线。

3.3 多传感器技术

在煤矿无人工作面开采技术的应用中，为了能更高效地对煤矿进行开采，采煤机需要得到更多信息，多传感器技术在这个过程中扮演着重要角色，将矿井下信息进行收集，并将分析结果对无人工作面开采系统进行反馈，确保系统能做出正确判断。

3.4 井下—井上双向高速通讯技术

井下—井上双向高速通讯技术能帮助矿井工作人员更好地了解井下采煤机的情况，通过工作人员对采煤机在井下的环境、设备状态等数据的分析，对其进行适当调整，该技术的快速、准确、完整等特点为井下煤矿开采工作的顺利进行提供了保障，当矿井下出现问题时，工作人员可通过该技术对问题进行充分了解，并制定相关解决方案，使煤矿开采工作更高效。

4 结束语

针对煤矿无人工作面开采技术的研究，需要对无人工作面的概念、特征、系统模型及技术体系的分析，对中国煤矿工作面自动化水平进行深入的理解， 对现代先进技术进行集成创新，发展出符合中国国情的无人工作面开采技术。

参考文献：

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