煤矿无人工作面开采技术分析

况华义

摘 要：煤矿开采中有很多区域属于无人工作面，需要操作人员操控系统进行开采，以提高煤矿开采效率与安全系数。这项工作具有涉及面广、工序复杂、专业技术要求高等特点。本文主要分析了煤矿无人工作面开采技术，旨在为提升煤矿无人工作面开采效率与质量，提供一定参考。

关键词：煤矿开采；无人工作面；开采技术

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.11.066

煤炭开采属于“高危行业”，终年不见天日的矿井，既黑暗潮湿，也存在水、火、煤尘、瓦斯、顶板等自然灾害，对煤矿工人的生命安全带来了严重威胁。在复杂的地质环境条件下，只有实现无人化开采，才能使煤矿工人从恶劣的工作环境中解放出来。无人化开采技术是指在工作面安全系统支持下，借助无线或有线方式，远程控制井下工作面的生产设备，从而实现煤矿开采。该技术是世界煤炭开采技术发展的主流方向，有效契合了当前我国煤炭行业安全、高效生产的迫切需求。现在，我国在此技术研究方面，已走在世界前列。煤矿无人工作面开采技术现已被广泛应用到煤矿开采实践中，并取得了一定的效果。该系统主体框架主要包含采煤机自主定位导航系统、采煤机自动调整系统、煤岩自动识别系统及井下高速双向通讯系统等，在运行过程中，各分项系统相互配合，高效合作，实现了工作面生产自动化、无人化，可以较好地完成煤矿开采施工，实现煤矿安全生产，并提高煤矿开采效率。

1 煤矿无人工作面开采技术特点分析

第一，能较好地适用各种煤层开采。煤层有薄、中厚、厚及特厚之分，无人工作面开采技术可以适用于任何一种煤层，应用范围非常广泛。例如，开采薄煤层时，可利用无人自动化刨煤机进行开采；开采中厚和厚煤层时，可利用一次采全高无人化进行开采；开采特厚煤层时，可利用无人放顶煤進行开采。

第二，安全指数高。煤矿无人工作面开采技术通过控制关键生产设备，实现了工作面生产作业流程的自动化、无人化，具有开采安全性高的显著特点，可以最大程度地降低煤炭开采事故。

第三，开采技术水平先进。该项技术汲取了传统开采技术的优点，弥补了其不足，同时，还融汇了国际上先进的工业生产技术，可以完成高瓦斯煤层瓦斯的预先释放，利用自动控制技术以及新型开采设备，还能实现智能化煤矿开采，减少了人力采矿中出现的各种问题，使得煤矿开采效率得到极大提高，开采方式得到极大创新。

第四，实现了科学采矿。煤矿无人工作面开采技术可实时监控煤矿开采工作，提前预警灾害与事故，基本能实现科学采矿，将煤矿开采安全事故降至最低甚至是零，能有效保障煤矿工人的人身安全和企业生产效益。

2 煤矿无人工作面开采技术及其应用

（1）煤岩自动识别技术。井下煤层和围岩条件十分复杂，采用传统技术，难以准确、可靠地判断煤岩分界。煤岩自动识别技术借助识别系统进行煤岩自动识，该系统中包括了很多子系统，例如，振动频谱传感系统、记忆程序控制系统、天然γ射线、超声波、雷达探测等，目前已有20余种煤岩分界传感机理和系统。在具体工作中，这些系统会对煤岩的特征信息进行识别和记录，并通过分析，显示出哪些是所需要开采的煤层，哪些是岩石层。此外，该系统还能借助声学及光学或雷达等原理技术，来提高识别效果的可靠性和精准度。记忆智能程控煤岩分界识别及控制系统应用范围最广，是目前国外机型采用最多的技术。雷达探测技术的应用前景也非常可观。

（2）采煤机自主定位技术。高速地下通讯系统和高精度地下定位、定向系统是无人工作面技术的基础，在地下定位技术研究方面，国内外尚处于空白。采煤机自主定位技术是一大突破，采煤机自主定位技术借助相关的定位系统，对煤层寻找以及开挖位置进行定位，在煤矿开采中具有至关重要的作用。

1）采煤机动力学模型，从实际情况来看，采煤机工作环境复杂、恶劣，加上采煤路线、煤岩性质也会存在连续变化，这都会对采煤机的运动产生扰动，增加了准确确定某一时刻采煤机的位置、速度、加速度等的难度。因此，要根据采煤环境及采煤机工作实际，建立采煤机自主定位动力学模型，以次来分析外界因素对采煤机运动的影响程度，确保地下自主定位实现。

2）精确计算设计数据。建构模型和进行分析研究，都需要设计数据准确可靠，在计算过程中，要充分考量计算时间、坐标转换等因素，以提高计算精度，为系统优化设计提供参考。

3）构建航位推算系统误差补偿模型。在各种误差中，惯性传感器的误差对于航位推算系统精度的影响最大。因为惯性传感器误差是因环境因素导致的，会降低采煤机的定位准确性。在建模的过程中，如果仅依靠仪表的结构设计与制造工艺，是难以降低传感器误差的，必须要采用当前先进的最优估计理论与方法，来对移动目标位置进行最优估计，这样才能有效减少随机误差积累，提高航位推算（DR）系统的定位精度。

4）提高航位推算系统环境适应性。由于煤矿矿井的地下工作环境非常恶劣，经常会遇到灰尘杂质、水体渗漏以及瓦斯爆炸等问题。要使航位推算系统能在井下正常工作，就要利用技术手段，来解决防爆、防水、防尘、防震动等关键技术问题。

5）矿井导航系统的研究。借助高精度电子地图的软件平台和GIS二次开发技术，来搭建无人工作面采煤机定位系统软件平台。在已获取与采煤机有关的轨道数据的基础上，实现矿井内部各种构造的电子地图匹配。通过比较采煤机运动路线的数学特征与地图数据库中的轨道特征，来准确定位采煤机的运动轨迹与位置，并将其位置在终端进行实时、直观地显示。

（3）井下-井上双向高速通讯技术。操作人员在井上操作系统进行作业的过程中，需要不断地接收井下开采系统传来的信号。如何快速、准确、完整、清晰、实时地进行通信传输，以及时获取井下各类环境指标、设备工况、调度指令及作业参数等，是非常重要的问题。利用双向高速通讯技术，可以实现信息由井上到井下实时传输和反馈。而且，该技术的信息传递速度非常快速，在煤矿无人工作面信息传输中，起到了举足轻重的作用。

（4）采矿工艺智能化技术。该种技术可以对煤矿开采过程与作业工序进行实时监控，同时，还能监测井下设备运行工况，及时发现存在的问题，方便维护人员有针对性地进行解决。采矿工艺智能化技术实现了采矿设备整体与整个作业流程中的自动控制、协调、适应、保护、调整和修复，甚至是再生，并能根据煤矿采煤具体实际，研究和设计无人工作面的新作业流程与模式。

（5）工作面组件式软件与模型技术。各类应用软件与相关模型是煤矿无人工作面开采技术各个系统运行、检测等的基础工具与支持，利用其可提高煤矿环境的安全系数。在具体实践中，应当根据不同应用和需求，来有的放矢地建立模型，研发多品种、多型号、多功能和组件式软件。

（6）多传感器技术。煤矿无人工作面开采系统在运行中，需要采集大量的数据信息，例如，设备运行信息、定位信息等，这些信息必须要准确、可靠、完整，系统才能进行正确分析，并正确执行指令。多传感器的配合使用，可以促进这一目标顺利实现。

（7）无人工作面数据库技术。煤矿无人工作面开采系统会产生大量的数据信息及中间数据等，必须要建立起相应的数据库，以实现数据信息的增删、修改、查询、报表打印等，为可视化技术应用提供三维数据。需要尽快攻克3D实体拓扑描述、表达、组织与动态维护等难题，以实现工作面信息的拓扑空间查询、分析与应用，以及采矿安全问题的模拟、分析与预测。

3 结语

综上所述，煤矿无人工作面开采技术优势明显，为保证其开采工作效果，提高其应用效果，在具体实践中，必须要针对其关键技术进行研究，以进一步提高煤炭资源回收率和开采效率，确保煤矿开采安全，尽快实现“数字矿山”。

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