煤矿智能化开采技术发展现状及展望

景少波

(陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

近年来，随着社会各界人士对能源结构和能源安全的关注度与重视度的不断提高，加之我国煤矿工业生产技术逐步完善，产业经济不断进步，社会对煤炭产业节能环保工作的关注度不断提高，在煤炭资源智能化开采和煤矿产业发展过程中，逐步提出降低煤矿资源能源占比、提高清洁能源使用效率。现阶段煤炭资源仍为我国主体能源之一，是我国能源产业结构的重要组成[1]。传统的煤炭开采技术很难满足现阶段煤炭产业智能化应用的基本需要。在此背景下，对煤矿智能开采技术研究现状及未来展望的分析探讨，具备重要理论意义与现实价值。

1 煤矿智能化概述

煤矿智能化是我国煤矿工业生产的全新形式，也是我国煤矿工业可持续性健康发展和稳步发展的基础支撑[2]。煤矿智能化主要是将计算机网络技术、传感技术、自动化技术以及其他各项技术融为一体，形成更加标准、更加完善、更加一体、更加健全的覆盖煤矿产业链全过程的全面感知体系，形成煤炭资源开采的全数据传输通道，是为煤炭资源开采的数据传输、应用分析等提供数据支撑的服务平台[3]。煤矿智能化将大数据信息技术、物联网技术、人工智能技术、计算机网络技术等多项先进的科学技术融为一体，使煤炭资源的开采过程更加自动化、智能化和科学化，实现煤炭资源开采过程的全过程管控与全流程控制，使煤炭资源的开采效率能够得到大幅度的提升，也把发生安全事故的可能性降到最低，保证煤炭资源开采的安全性，为煤炭资源开采企业提供更有力的安全保障，也为煤矿生产企业提升经济效益和市场竞争力提供支持。

另一方面，煤矿智能化体系的发展符合现阶段我国环境保护的基本策略要求，能够实现煤炭资源开采企业由传统模式下的粗放型管理向绿色环保管理的工作模式的转变[4-5]。在此过程中，煤矿智能化能根据煤矿资源开采不同阶段的实际生产现状，结合煤炭资源开采初期、开采中期和开采末期的不同特征形成管理平台，利用不同的管理功能形成不同的结构服务，包括煤炭资源开采过程中的综合管理服务模块、煤矿井下定位导航服务模块、煤矿采掘运输信息传输和管理模块、井下空间视频监控模块、井下空间三维景象模拟模块以及井下空间危险系数感知示警模块、智能化无人操作系统管理模块等诸多方面的联合运营，实现各模块之间的相互连接和功能之间的相互依托，为顺利开展各项工作提供强有力的支撑，煤矿智能化平台架构示意图，如图1所示。

图1 煤矿智能化平台架构示意Fig.1 Architecture of coal mine intelligent platform

2 煤矿智能化开采技术发展现状

2.1 精准定位系统技术

在煤矿智能化开采过程中，精确定位系统技术是提升智能化程度的重要手段。为了能够按照预期生产计划推进各项工艺流程，实现煤炭资源的安全生产和高效开采，必须做好准确的煤炭资源的定位工作[6]。在整个煤矿资源的开采过程中，由于开采现场环境较为复杂，井下空间较为狭窄，地上地下空间的电磁信号连接和接收性能相对较差，在该类特殊的环境条件下，实现地面空间和井下空间数据的精确定位与导航的难度大幅度提升，因此，发展精确定位系统技术尤其必要，在融合GIS信息定位的基础上，利用GPS卫星定位技术、遥感定位技术等多项先进的科学技术，结合复杂磁场环境空间的导航技术、局部定位的芯片导航技术、井下空间高速无线通信技术甚至是煤矿井下空间高精度定位技术等诸多技术，各技术强强联合，保证定位系统得到的最终数值更加精确科学，以此顺利开展煤矿资源开采的各项工作，保证煤矿企业提高经济效益[7]。

2.2 现场环境检测技术

众所周知，在煤矿资源开采过程中，煤矿实际开采过程和开采现场环境较复杂，不同煤层间的地质参数、压力参数信息等各有不同，所采取的煤炭资源开采技术也就随之不同。而同一平面空间或三维立体空间很可能含有原油天然气或者铁矿、铜矿等资源，也在一定程度上提升了煤矿资源开采的困难程度[8]。此外，煤矿资源开采还伴随着一定的环境潮湿性，给顺利开展煤矿资源开采工作造成了一定阻碍，很容易导致在煤矿井下空间缺氧环境条件下发生安全事故，严重者直接造成井下空间区域内工人的人身安全受到威胁。

因此，在煤矿智能化的开采过程中，通过对煤矿现场环境的监测，利用对周边地质参数、空气参数以及震动探测参数等的检测，快速甄别煤矿开采空间可能存在的异常信息或危险点数据，并将该类已被识别的数据参数快速上传到总调度中心，通过调度中心通知井下空间工作人员的方式，提升煤矿资源开采现场的安全管理水平，为快速提高煤矿资源开采系统安全管控能力和及时制定紧急防范措施提供参考。同时，在煤矿资源的现场环境检测技术的发展过程中，应注重现场环境检测技术不同功能之间的相互联系和相互承接，保证煤矿开采现场不同环境监测技术的具体监测结果能相互印证，确保煤矿开采现场数据信息被更周全获取，以此保证该项技术应用的准确性，促使该项技术能在更复杂的煤矿资源开采环境中得到更有效的应用。

2.3 数据分析技术

数据分析技术是煤矿智能化开采技术中的重要内容，由于数据分析技术是煤矿智能化系统和煤矿智能化平台运行的基础支撑，不论是在煤矿智能化的实际操作平台或技术平台构建过程中，还是在煤矿智能化系统的软件运行和分析过程中，数据分析的重要性都不可忽视。在数据分析技术应用于煤矿资源开采过程中，由于绝大部分数据信息采用传感器设备收集和获取，为更周全地得到煤矿资源开采现场的参数，保证对煤矿开采过程的正常推进，往往利用诸多传感设备对井下空间的任意结构进行数据收集，大体量的数据信息的分析和隐藏信息的挖掘也是数据分析技术存在的根本。

通过对大体量数据信息的挖掘，能够形成规律性的历史文件，探知煤矿资源开采过程中的具体规律，并将该规律运用到后续的煤矿资源开采过程中，提升煤矿资源开采效率，同时构建煤矿智能化数据库系统，完善煤矿智能开采生产模式[9]。此外，数据分析技术能在煤矿开采过程中为不同阶段的工作人员开展不同性质工作提供相对便利和相对准确的解决措施，使基层生产员工可能存在的问题能通过数据库系统的简单反馈得到解决，保证顺利推进资源开采各阶段的工作。

2.4 视频监控技术

视频监控技术在煤矿智能化开采过程中是应重视的又一重要技术类别。在我国煤矿工业的全产业链发展过程中，尽管其得到了诸多监控设备和监控技术的支持，但由于煤矿产业开采的保密性需要以及其他因素的影响，部分煤矿开采过程仍旧出现了一定问题，影响了对煤矿资源的开采效率和管理水平的快速提升，通过视频监控技术，能够在煤矿指挥中心和调度中心实时观测井下空间的具体内容，通过视频监控系统对井下空间的煤层倾斜度、煤层构造形式以及煤层倾斜角度的变化进行全过程动态监控，时刻分析开采技术对煤层倾斜角度变化的影响，找寻一定的规律反馈后创新优化煤矿开采技术，为煤矿井下空间安全事故发生前的预警工作以及紧急措施方案的制定提供可能，降低安全事故发生的可能性，也能在发生煤炭安全事故时为采取紧急避险措施和缩小不良影响提供支持。

此外，利用视频监控技术，能更深入地了解煤矿智能化开采现场的具体情况，通过传感器获取的数据信息进行实时对比分析，具体情况具体分析，采用人工干预方式解决煤矿资源开采存在的问题，保证煤矿资源开采各项工作开展的科学性与有效性，最大化提升煤矿资源开采生产效率，为煤矿企业获取经济效益和培育市场竞争力奠定更扎实的基础。

3 煤矿智能化开采技术的发展展望

就未来一定时期内煤矿智能化开采技术的发展而言，煤矿智能化开采技术主要向智能装备技术、智能导航技术、智能机器人技术、三无开采技术、智能掘进技术等方向发展[10]。就智能装备技术而言，由于煤矿资源开采环境特殊，必须进一步推进井下空间高速率的无线网络通信技术的进一步发展，推进煤矿资源快速高效甄别技术的应用，推进煤矿资源自动化技术的研究，进一步提高煤矿井下空间网络体系的构建水平，不断增加井下网络空间的信息传输速度，优化煤矿智能装备的整体性能，保证煤矿开采智能装备的实用性和科学性。就智能导航技术而言，在煤矿资源的井下开采过程中，应不断加强计算机网络技术和导航技术的强强联合，通过对煤炭资源采掘技术的实时定位，不断增强煤矿开采工作面的管理能力，不断提高煤炭资源三维空间的定位水平，提高对煤炭资源设备的智能化管控力度，最大限度在煤炭资源开采过程中做到对设备的安全监管和高精度的空间定位。就智能机器人技术而言，在煤炭资源的开采过程中，工作面的运营与维护管理是煤炭资源开采不可避免的重要内容。现代低碳环境理念下，对煤炭资源开采工作面的维护管理的重要性进一步凸显[11-12]。通过智能机器人的远程控制，能够为煤炭资源工作面的维护管理起到辅助作用，利用性能相匹配的传感设备和智能机器人的改装处理，能够在煤炭资源开采过程中实现对工作面的智能化控制和智能化监管，从而顺利开采煤矿资源，智能机器人开采示意图，如图2所示。

图2 智能机器人开采示意Fig.2 Mining of intelligent robot

4 结语

总而言之，煤矿智能化发展是不断提高煤矿机械化水平和自动化能力的大环境下的重要延伸，是煤矿产业升级和结构优化的重要内容。强调煤矿资源开采过程中的科学管控与高效管理，能够通过对设备的各项先进技术的应用，使煤矿开采过程呈现更科学的工作流程和更高效的管理格局，适应当代社会产业发展需要。