关于数字化智能采煤提高煤矿安全水平的研究进展

刘志文

（郑煤集团工程技术研究院， 河南 郑州 450000）

0 引言

中国煤炭资源相对丰富，石油资源相对匮乏，天然气资源较低，而且缺乏铀矿。这种能源条件和煤炭开采的技术经济可行性，决定了煤炭资源在长期内仍是中国的主要能源。与此同时，煤矿安全问题日益突出。以往研究表明，在煤矿事故中，矿工不安全行为因素占95%以上。多年来，各种先进的安全管理方法在煤矿的实施提高了我国煤矿的安全水平。然而，与其他主要煤炭生产商相比，煤矿安全事故仍然很高，因为90%的煤炭是在地下开采的。煤矿井下开采受空间狭窄影响，具有有毒有害气体、矿井水、机械、围岩等危险源的存在，危险性较大。

在地下深处，工作条件急剧恶化，包括高地应力、高地温、高岩溶水压和高含气量，这意味着煤矿面临更大的安全风险，矿工的生产效率和安全警惕性会下降，对国家能源安全和煤矿安全构成巨大挑战。目前，世界主要产煤国家正在采用新一代智能技术来提高煤矿的安全水平，中国迫切需要加强管理，以确保安全、高效、环保的煤炭开采。近年来，数字化智能采煤技术在产业界得到广泛应用。煤矿经营者和政府部门希望通过实施数字化智能采煤技术减少煤矿工人数量，提高煤矿安全水平。

知名矿业专家提出了数字化智能采煤的系统框架。“互联网+”、5G、人工智能、物联网、云服务等许多最新技术已被应用于煤矿开采。有研究通过可视化遥控，提出了“无人作业、有人巡逻”的无人采矿生产模式；此外，还有研究讨论了煤炭智能化综合机械化开采的关键技术，包括液压支架自动移动和远程手动控制、采煤机记忆切割和远程手动控制、长壁工作面视频监控、长壁工作面自动集中控制、智能综合供液控制、自动预支护等。

1 数字化智能采煤在中国的发展

具有智能感知、智能学习、智能决策和智能控制功能的数字化智能采煤是智能矿山的核心目标之一。在其他主要的煤炭开采国家，如澳大利亚和美国，研究人员和工程师倾向于使用“自动”一词来描述基于信息和数字技术的先进煤炭开采方法。“智能煤炭开采”一词之所以流行，是因为中国更加重视先进的煤炭开采技术，以保证国家能源安全，同时提高煤矿安全。中国数字化智能采煤的研究和实践始于2010 年左右。从那时起，开发了一系列关键技术，并实施了几个具有代表性的工程实践。

1.1 初始阶段：内存切割和远程视频监控

在“十二五”期间，中国煤炭科技工程集团公司（CCTEG）与多家煤炭企业合作开发了第一代智能煤矿开采技术，即存储切割和远程视频监控。各种传感器探测到的开采情况和矿工发出的指令通过工业以太网环网在长壁工作面和控制中心之间传输。该技术的技术框架如图1 所示，该系统由煤矿指挥中心、巷道监控中心、综合矿山机械三部分组成。煤矿指挥中心是一个集成的可视化控制平台，其功能包括监控数据的输入、机械和采矿动态的显示以及整体控制命令的发送。巷道监控中心在进气道。该中心的功能是监测和控制矿山机械，包括采煤机、动力顶板支架、工作面输送机等的自动化。综合采煤机械相互配合，实现采煤的全流程，包括采煤运输、集尘、顶板支护等作业[1-2]。

图1 可视化远程干预挖掘的CAL 框架

自“十二五”以来，以存储切割和远程视频监控为特点的数字化智能采煤已在黄陵、神东、阳泉等多家矿山企业得到广泛应用。从煤矿安全的角度来看，通过数字化智能采煤的研究和实践，取得了以下两个关键进展：这种先进的采煤方法将矿工从危险的长壁工作面转移到位于进气气道的安全健康控制中心；采煤每班采煤人数从30～50 人大幅减少到5～7 人，为安全开采提供了有力保障。但需要指出的是，上述自动开采方法仅适用于煤层厚度稳定、倾角小、无断层、无垮柱的长壁板[3-4]。

1.2 当前阶段：透明地质导航

鉴于上述第一代数字化智能采煤的适应性不足，煤炭运营商和学术界正在积极尝试在“十三五”和“十四五”期间将记忆采煤升级为基于透明地质导航的计划采煤。透明地质导航的总体思路由三部分组成：

第一部分是基于巷道启示、钻孔测井、地震调查等多源地质数据，构建高精度煤层模型。该模型在三维空间中定位未开采的煤层边界。此外，利用上述资料还可以对异常地质条件进行预测。

第二部分建立指导煤炭开采的大数据分析/决策平台。该平台的主要任务包括三方面：修正基于煤层模型的抽采剖面、煤层界面和开采过程中煤层跟踪测量结果；基于煤层模型和开采调度，生成切割模型；基于历史生产数据和人工智能，实现机械精确控制、故障自诊断和生产决策。

第三部分基于惯性导航系统、三维激光扫描仪、雷达等各种高精度传感器，采集煤矿机械的状态参数。控制命令和机械工作状态通过工业以太网在长壁工作面和控制中心之间传输，然后自动采煤机械协调工作。

目前，许多煤炭企业正在与研究机构合作，对该技术进行优化。他们希望提高数字化智能采煤的适应性和可靠性。

1.3 未来任务：无人采矿

煤矿开采的目标是无工人开采。几位中国煤矿专家提出了不同的顶级技术框架。Yuan 等人提出了一种新的未来开采模式，精准采煤，即通过智能、智能控制、物联网、云计算、大数据等，对煤矿灾害预警控制、环境保护、智能自动化、地质、交通等多种开采要素进行精准操作。王等人提出了更为具体的顶层技术框架，由地下定位导航系统、地下视频和三维虚拟现实远程控制平台、综合机械化矿机操作系统、矿机群协同指挥平台等组成。

2 与数字化智能采煤相匹配的重大灾害智能防控方案

为促进数字化智能采煤的发展，提出了长壁板尺度主要危害的先进防治方案，特别是智能瓦斯抽采、智能煤与瓦斯突出/岩爆防治、引水裂隙带实时监测等，这些程序是数字化智能采煤的重要补充。

2.1 智能抽气

瓦斯是容易诱发重大灾害的来源之一，主要有瓦斯爆炸、火灾、煤与瓦斯突出、中毒和窒息等。在长壁板尺度上，主要采用预抽法抽采控制煤层瓦斯。瓦斯抽放钻孔施工工艺多种多样，主要有沿煤层平行钻孔和扇形钻孔，下钻孔和上钻孔跨煤层。工作气泵在气体排气管中形成负压，然后气体从高压煤层逸出到负压管道中，这一提取过程一般持续1～2 年，之后才开始采煤，该技术应用效果良好，已成为煤矿强制作业。

由于瓦斯抽放系统的复杂性，系统的整体运行状况容易受到抽水负荷和局部运行状况变化的影响。此外，周等人总结了瓦斯抽放系统存在的主要问题，即没有根据气体压力变化动态优化负压控制，导致气体浓度低的区域出现高负压；瓦斯抽放管理严重依赖人工巡视，井下塌陷、管道泄漏等故障不易发现；气泵不能根据负载自适应增减工作功率，造成大量电能浪费；本地管网阻力较大；所监测的瓦斯抽放参数的类型和数量有限，此外，手工测试占主导地位。

上述问题往往会降低瓦斯抽采效率，限制瓦斯资源的利用，以及发生管道瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等灾害。因此，周等人提出了智能精准抽气的概念，旨在确保系统安全、高效、低能耗运行。基于管网优化算法，对包括管网和气泵工作功率在内的瓦斯抽放策略进行动态优化，监测数据包括负压、气体流量和浓度，以及阀门开度数据。

2.2 智能煤与瓦斯突出与岩爆防治

冲击地压是深部开采中常见的动力地质灾害，极易造成重大的破坏和人员伤亡，目前岩爆机理尚不清楚。陈等人介绍了三种典型的冲击地压防治技术，基于岩爆诱发假说，提出了新的岩爆防治方案。监测模块是一个随矿地震观测系统，实时接收采煤机工作和裂隙岩体引起的微震信号。数据处理模块的功能：对裂隙岩体诱发的微震信号进行识别和处理，可以准确识别微震事件的位置、原始时间和强度；对采煤机工作时产生的微震信号进行识别和处理，被动地震干涉测量CT 可以实现高分辨率的速度实时反演，基于速度与地应力的正相关关系，建立长壁板内部地应力分布模型。

根据岩石力学理论和岩爆诱发假设，岩石破坏和地应力集中是岩爆倾向的可靠指标，早期预警模块首先基于微地震定位和地应力反演识别潜在的岩爆区域。然后，安排救援钻井计划，包括救援区域、钻井路径等。智能司钻在收到救援钻井计划后，将执行这些指令：重复监测、数据处理和预警模块，以测试救援效果。当检测结果显示无岩爆危险时，系统通过监测、数据处理、预警等模块进行循环。否则，系统将通过预警和控制模块进行循环，直到风险减弱。

2.3 引水裂隙带实时监测

采煤引起的初始地应力场扰动在煤层顶板上诱发了大量的裂隙带。这些断裂带有扩大的趋势，断层也有活跃的趋势。裂隙带一旦延伸到隐伏的含水、导水构造，就会发生矿井水害。为此，提出了基于微震和电阻率监测的长壁板引水裂隙带实时监测方法。电阻率监测示意图如图2 左侧所示，置于煤层顶板或底板的电极反复发射或接收电脉冲，监测变电站记录电极之间的电阻率，然后通过计算机层析成像确定煤层顶板和底板电阻率的分布。低阻区是由于煤矿水电阻率低而形成的引水裂隙带，微震监测示意图如图2 右侧所示。地震检波器放置在煤层/岩层或地面上，实时接收岩体开裂引起的地震波，通过数据处理，可以实现微震事件原始时间、空间坐标和能量的反演。

图2 长壁板微震电阻率监测系统拓扑图

结合矿山水文地质条件和监测，可以准确分析开采过程中煤层底板或顶板突水的危险性。一旦出现突水风险，应立即停止数字化智能采矿作业，同时，为了保证数字化智能采煤的安全，必须实施排水或停机。

3 数字化智能采煤对安全的积极影响评价

3.1 采煤队人员编制优化

采煤班组劳动强度最高，工作条件最差。因此，智能长壁采煤工作面采煤班次人员的减少是一个关注的焦点。长壁工作面巡视员通过进气道中的远程控制平台巡逻综合采矿机械，一旦出现异常情况，检查员会发出紧急停机命令。地面或地下集中控制中心的控制器通过视频监控和其他监控数据远程控制采煤机和顶板支架。每条巷道布置2 名前杆操作工。工人们还协助调整自动屋顶支架的移动，安全和材料回收。与传统长壁工作面相比，智能长壁工作面矿工人数大大减少，工作环境大大改善，劳动强度大大降低。

3.2 煤矿安全水平提高分析

随着数字化智能采煤技术的持续快速发展，煤炭产量不断增加，但煤炭行业工人数量却不断下降，大大提高了煤矿安全水平。未来，中国将继续推进供给侧改革，关闭或重组利润和安全水平较低的中小型煤矿。同时，大力推进数字化智能采矿技术在大中型矿山的推广，旨在减少煤矿从业人员的数量，特别是危险岗位的数量。可以预见，随着数字化智能采煤技术的发展，中国煤矿的安全水平将不断提高。

4 结语

最新的科技，特别是人工智能、5G 和机器人技术，给煤矿行业带来了一场革命。数字化智能采矿有望通过传统煤矿开采和更广泛的人工智能相结合，缓解或解决煤矿安全和健康问题，确保能源安全。政府出台了一系列与数字化智能采煤相关的政策文件，有力地推动了数字化智能采煤的发展，无作业开采是保证煤矿本质安全的最终解决方案。