中国煤矿智能开采科技创新与发展.docx

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中国煤矿智能开采科技创新与发展

中国煤矿智能开采科技创新与发展

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年　ﻩ月

“煤炭自动化智能化采掘技术与装备”专题

中国煤矿智能开采科技创新与发展

王金华ꎬ黄曾华

中国煤炭科工集团有限公司　北京北京天地玛珂电液控制系统有限公司　北京

摘要:

分析了近十年来国内外煤矿智能开采的技术发展过程ꎬ总结出国外智能化开采的技术思路是:

通过地质勘探结合掘进技术方式描绘开采煤层的赋存分布ꎬ通过惯性导航采煤机实现智能开采ꎻ在国内智能开采方面则是提出了“　无人跟机作业ꎬ有人安全值守”　的开采理念ꎬ构建了“以工作面自动控制为主ꎬ监控中心远程干预为辅”的中国煤炭智能开采模式ꎬ并对国内厚煤层和薄煤层的智能开采工业试验和生产进行了技术总结ꎮ　对未来智能开采的技术框架进行了设计ꎬ将智能开采的关键技术分为:

智能探测、智能导航和智能控制个主要部分ꎬ并对煤岩分界、煤矸识别、工作面超前探测技术　创新进行了展望ꎬ指出煤矿智能开采科技创新依赖于开采装备、开采技术和开采理念的不断进步ꎮ关键词:

煤炭开采ꎻ智能开采ꎻ科技创新ꎻ智能探测ꎻ智能导航

中图分类号:

文献标志码:

ﻩ文章编号:

ＩnnoｖaｔｉoｎaｎｄDevｅｌoｐmｅｎｔ　ofIｎtｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｃｏaｌ

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0ﻩ引ﻩ言

近十年来为了实现煤矿安全高效生产　国内开　展的有关煤矿开采科技创新研究工作取得了很大的

成绩　已使得我国煤炭开采水平接近或部分达到了

世界先进水平　但真正实现完全智能开采还局限在薄煤层工作面　对综采技术方面利用陀螺仪对采煤机位置进行三维检测跟踪定位　在原有记忆

收稿日期:

ﻩꎻ责任编辑:

赵　　瑞ＤOＩ

基金项目：

国家高　技　术研究发　展　计划计划资　助项　目　ﻩ北京市科技计划重　大　科技成果转化落地培育资　助项目中国煤炭科工集团重点资助项目

作者简介:

王金华（—）ꎬ男ꎬ河北故城人ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎬ博士ꎬ现任中国煤炭科工集团有限公司董事长ꎮ

引用格式:

王金华　　黄曾华中国煤矿智能开采科技创新与发展　ﻩ煤炭科学技术

年第　期ﻩ煤炭科学技术ﻩ第卷

割煤过载保护自动调高等功能基础上新增加了红

外摄像雷达探测防机械碰撞和煤岩分析检测功能这些技术大部分处在研究阶段　与国际最高水平相比仍有一定差距　而有一些开采技术也是国内外煤炭行业所共同面临的难题ﻩ解决这些问题需要通过　不断的技术创新　研究新技术尤其是光电技术在煤矿开采中的快速应用ﻩ笔者通过分析国外煤矿先进的开采技术对我国未来几年影响煤矿开采的新技　术进行重点研究提出智能开采的关键技术体现在　智能探测智能导航和智能控制方面　对其中较成熟的技术进行了初步试验　对具有应用前景的技术进　行了分析展望目的是争取在国家　十三五　期间赶上和超过世界先进煤矿开采水平以使我国由世界　第一煤炭开采大国变为第一煤炭开采强国

1ﻩ国外智能开采技术现状

进入世纪以来国外煤矿开采　追求　　安全高效　简单　实用可靠经济　的　原则其智能　开采的技术思路是通过钻孔地质勘探和掘进相结合的方式　描绘工作面煤层的赋存分布通过陀螺仪获知采煤机的三维坐标两者结合实现工作面的全自动　化割煤ﻩ该思路可避开煤岩识别难题　以地质条件为载体顶层规划自动化采煤过程

1　１　ﻩ工作面自动化ﻩ系统

年ﻩ月澳大利亚联邦科学与工业研究组织承担了

导航定位软件在无ﻩ信号辅助的情况下行进

定位误差在以内　ﻩ惯性导航定位软件可用于综采工作面的水平控　制和连续采　煤　机自　动制导对于综采工作面水平控制基本原理是首先根据巷道掘进数据和钻孔数据生成工作面三维地质模型　该模型精度能达到ﻩ能准确反映出煤层起伏倾角断层等构造　　可直接用于指导采煤机俯　仰采控制　ﻩ然后利用在采煤过程中记录的顶底板位　置信息对该模型进行不断优化就可以准确预知工　作面的煤层变化情况ﻩﻩ其次　结　合采煤　机精确定　位软件的数　据　ﻩ系　统就能够提前控制采煤机的割顶割底量　从而顺利通过断层等地质变化区段　澳大利亚煤矿使用的水平控制开采技术控制原理如图所示ﻩﻩ连续采煤机自动制导已被澳大利亚确定为煤炭　产业重要的技术　ﻩﻩ基于连续采煤　机自动制导技术开发了　具有应　用　程序控制　和通信　功能　　且包含先进图形用户界面的自动制导系统如图所示表示连续采煤机偏航角有了一定的误差需要在后面的开采中实时校正

澳大利亚煤炭协会研究计划设　立的综采自动化项目开展综采工作面自动化和智　能化技术的研究ﻩ到年该项目通过采用军用　高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法取得了项主要成果即采煤机位置三维精确定位误差

工作面矫直系统误差　　　　　和工作面水平控制　设计了工作面自动化　系统并首次在澳　大利亚的　　矿试验成功　　　　　年对　　系　统进行了优化　增加了采煤机自动控制　煤流负荷平　衡　巷道集中　监控等　在商业　应　用方面　研究组同久益艾可夫等采煤机供应商签署了协议　将这项技术集成　到　对应的采煤机上实　现快速　商用

系统包含惯性导航系统和工作面自动控制算法　项核心技术

系统将基于光纤陀螺的惯性导航设备　安装在采煤机机身电控箱内通过运行嵌入式导航定位软件实现采煤机三维位置的精确定位该惯性

ﻮ

图澳大利亚煤矿使用的水平控制开采技术控制原理

图连续采煤机出现偏差的导航

工作面自动控制模型和算法　基于该算法设计了工作面矫直系统　其包含高精度舵性导航仪和矫直数据分析系统ﻩ项核心技术通过对舵性导　航仪记录的采煤机空间位置进行分析确定当前工作面的直线度　计算出每台液压支架的推移量给液　压支架电控系统发出执行信息　对工作面直线度进行动态调整ﻩ惯性导航仪输出路信号一路给支

王金华等中国煤矿智能开采科技创新与发展ﻩ年第　　期

架　控制支架的推移量另一路给采煤机　　用于控制

采煤机的割顶割底量自年惯性导航仪开始商业化应用以来　澳大利亚　　以上的综采工作面使用了工作面矫直系统

１2　智能开采服务中心

智能开采服务中心作为一种增值产品服务　在澳大利亚布里斯班的　　矿业公司总部设置总调度室　对所管辖矿井进行实时监控目前只有莫兰巴北矿上线

根据出现的报警故障信息　及时发邮件或电话通知矿井进行调整ﻩ同时　每日　周月和季度向矿井提交运行分析报告指导矿井提高运行管理水平　合理安排设备检修ﻩ分析报告包括每日的触发响应　动作计划通知每周的智能服务回顾每月的井下精　益运行回顾　每季度的生产表现回顾ﻩ智能开采服务中心的应用可以实现停机时间少早期监测和设备损坏最小化　可提高生产力　降低生产成本

13　布尔加（　）井工矿智能开采技术

布尔加　ﻩ井　工　矿　属　于澳大利　亚嘉能可矿业开采公司属高瓦斯矿井年

产量　万ﻩ年计划产量　ﻩ万ﻩ单井单面属于ﻩ　层面第个工作面　工作面长度走　向长度ﻩ工作面采高　设计产量

全套开采　装备　包括ﻩﻩ采煤机　液压支架控制系统台ﻩ和　刮

板输送机电动机ﻩ台　泵站　泵站压力　的　台ﻩ的ﻩ台

采煤机智能控制系统为　ﻩ工作面自动化系　统为

每星期进行ﻩ次检修分别是星期二的和星期五　的ﻩ其他时间安排生

产　实行三八制　早班　　　　　　中班

夜班　　　次日　　每生产班人员　人　分为正副　班　长人　电工　　人　机械工人　　操作工　　人和维护主管工程师人

采煤机从刮板输送机机尾到机头时　采煤机司　机控制顶滚筒底滚筒随动割煤ﻩ而从机头到机尾时采煤机根据上一刀信息自动记忆割煤重载速度支架采用　自动拉架　人工干预方式

顶板破碎　人工超前拉架　　立柱安装　个　压　力　传感器一用一备工作面矫直系统在割煤过程中实时记录采煤机三维位置横向和纵向倾角　采煤机每截割　刀时矫直系统根据记录的信息控制每台支

ﻮ架的推移量调节工作面的直线度

系统的应用使矿井煤炭产量提高了减少工人暴露在高危工作环境的时间　提高矿

井安全水平同时减小了煤炭产量波动达到了均衡生产　提高了矿井生产质量管理水平

２　国内智能开采技术现状

21ﻩ智能开采控制系统

根据国内　已　经实现的智能化开采煤　矿控制模式　可以总结出智能开采控制系统结构如图　所示

2　2ﻩ远程干预无人化采煤工艺

国内智能　化开采　实现工　作　面内无人即以工作面自动控制　为　主监　控中心远程干预为辅　　的工作面智能化生产模式实现无人跟机作业有人安全值守的开采　理念设计了人工干预下模糊控制多工序的采煤工艺所实现的开采系统智能化功能　如下系统具有多方位多层次的感知能力　可实现综采工作面信息交互的高速网络平台和通道　工作面生产系统协同集中控制采煤机智能化快速记忆截割自动运行　智能化煤流平衡控制采煤机与运输系统状态及运能的自适应配合　液压支架智能跟机　移架支架远程序列化自动控制刮板输送机链条张力监测与智能化刮板输送机尾伸缩自动控制智能　化软启动各种设备自动协调运行针对复杂多变的　煤层条件及设备工况变化调整自身及设备之间的配合运行参数

2３ﻩ矿井虚拟现实技术

综采工作面利用虚拟现实技术创造出一个三维的采矿现实环境模拟采矿作业过程及工艺设备的运行操作人员可与虚拟现实系统进行人机交互　在任意时刻穿　越任何空　间进入系统模　拟的任何区　域　　系统能　识　别　物体　输入和　处理各种信　息　控制物体运动模拟自然规律确定空间状态　其主要特点是创造了与现实开　采情况极为接近　的三维　环境通过计算机显示采矿作业情况　获得生产系统运行状况平面图不同的设备动态显示图和设备运行具体参数包括运行的时间产量设备间的距离等动态信息通过对不同型号设备不同开采参数下的生产系统进行