智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析

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　　摘 要 我国煤炭行业最近几年发展非常迅速。为解决煤炭开采面临的突出问题，找到煤炭开采未来发展方向和急需突破的关键核心技术，文章分析了国内外能源结构及煤炭的现状，指出利用科技进步实现安全高效绿色开采和清洁高效利用是煤炭的发展方向，建设智慧煤矿发展智能化开采是煤炭工业发展的必然选择。
　　关键词 智慧煤矿；智能化开采；关键核心技术
　　引言
　　煤矿的开发与利用直接关系到我国整体经济的发展走向。世界能源格局及现实的经济社会需求决定了在未来相当长时间内，煤炭仍将在世界能源结构中占有较大比例，仍将是中国的主体能源，难以被替代，利用科技的进步消除煤炭生产、利用的环境负效应，实现安全高效绿色开采和清洁高效利用是煤炭的发展方向，其传统产业模式亟待变革。
　　1 智能开采的必要性
　　①煤炭的地位，近年來，在世界能源革命不断向纵深发展的背景下，虽然清洁能源（包括核能、水力发电、再生能源）在能源消费中比例逐年增加，然而化石能源在能源框架中的主体地位尚未改变，2016年在全球能源结构中，传统化石能源的占比仍达85.5%。而在我国，2012-2016年煤炭在一次能源结构中一直保持在60%以上，基于富煤、贫油、少气的资源禀赋，有关专家预测：未来30年内，以煤为主的能源消费框架不会发生根本性转变。②面临的挑战，目前，我国的煤矿以井工开采为主，大量煤矿地质构造复杂，“水、火、瓦斯、煤尘、顶板”五大自然灾害时刻威胁着煤矿生命安全。2010年至2014年，我国共发生煤矿事故353起，死亡2137人，随着对生产工作环境的要求的不断提高，部分地区的生产煤矿用工荒问题也在倒逼煤矿生产技术的全面提升和变革[1]。
　　2 智慧煤矿与智能化开采关键核心技术
　　2.1 地下开采装备精确定位和导航
　　地下开采定位导航模型，为保证煤矿开采、掘进装备沿着规划的路径和方向推进，必须准确测量设备的空间位置和运行轨迹。然而，煤矿井下为完全封闭空间和复杂电磁环境，没有卫星导航信号辅助，实现定位和导航的难度很大。目前，提出了基于GIS地理信息系统的导航、基于RFID的AOA和TOA算法、捷联惯导系统、UWB超宽带定位等多种定位和导航技术，但还存在诸多问题。亟待突破的核心技术包括：①低成本、高精度的适用于复杂磁场环境下的捷联惯性导航技术；②局部定位导航应用场景核心芯片技术；③井下5G高速无线通信技术；④井下高精度定位系统；⑤基于精确定位导航的井下避障技术；⑥掘进机精确制导技术；⑦辅助运输车辆无人驾驶系统。
　　2.2 开采智能探测
　　①煤岩分界。采用太赫兹技术利用单天线进行多普勒雷达脉冲的发送和接收，信号通过煤岩层时会减弱，并且遇到煤岩界面会发生反射。反射波的速度相位滞后或从发射波到反射波被接收的时间间隙，除与发射波频率、煤和顶板岩性等可测知的因素有关外，还与电磁波在顶底煤中穿越路程即顶底煤厚度有关。②煤矸放落自动识别。煤矸放落自动识别一直是综采工作面的技术难题，通过时域光谱技术探测是一种可行的技术方法。时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的电场，通过傅里叶变换获得被测物质的光谱信息，通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定，适用于煤炭矿物质的实时成分分析。③超前探测。超前探测系统无须预先求取煤岩物理特性，适用范围更广，具有可靠的精度，在多数顶板条件下能够运行良好。但是也存在其固有的问题：在具有波散射性质的煤层表现不好，探测范围小，发射器功率偏低，深入煤层的深度范围有限，需要未来功率更大的信号源支持来克服信号在煤层内的衰减。
　　2.3 工作面设备故障自动化处理难题
　　实现煤炭开采的连续、可靠、自动运行是智能化开采的核心要求，而工作面设备故障的及时发现和自动化处理是保障其连续可靠运行的核心技术。以往多是针对某一单一设备的故障开展的离线处理研究，对工作面设备系统级的复合故障和自动化处理方法缺乏研究，严重制约了智能化开采的发展。亟待攻克的核心技术包括：①数据驱动的开采系统健康状态评价方法；②开采系统衰退行为与变工况下的剩余寿命预测；③融合生产调度和维护行为的开采系统双层机会维修预知决策模型[2]。
　　2.4 控制逻辑对采场环境的适应性
　　近年来煤岩识别技术未获得有效突破，自动化工作面仍以采煤机记忆截割、支架自动跟机为主要自动化手段。在复杂地质条件下记忆截割需频繁示教，影响效率，因此研发适应复杂地质条件下的采煤机自动识别和调整采高控制技术是采煤机自动化的关键。
　　3 智慧煤矿与智能化开采发展对策
　　①数据的获取和利用。两个重点：一是研发工作面煤层地质条件高精度探测技术和装备，构造工作面煤层地质数字模型；二是研发低成本、高可靠性的井下设备精确定位和导航系统。②智能决策。研究高效的机器学习算法使综采系统装备拥有自主学习能力，提高智能化水平与开采效率。③技术装备研发。攻克井下特殊条件下的装备关键元部件、设备群网络化协同控制技术，研制井下复杂作业机器人和远程智能诊断及服务中心。a.加快完善煤炭资源管理与产能布局，将煤炭的安全高效绿色开采作为我国煤炭资源开发的基本产业政策，淘汰落后开采方法与产能装备。b.改革传统煤矿的运行和生产组织模式，推行智慧煤矿和智能化开采系统一体化解决方案、系统维护云端服务、智能采掘专业化队伍、市场化服务，解决煤矿人才、管理运行水平不平衡问题[3]。
　　4 结束语
　　智慧煤矿建设是煤炭工业技术革命、产业转型升级的战略方向和目标，智能化开采是智慧煤矿的核心技术。必须牢牢抓住新一代信息技术带来的发展机遇，将数字矿山建设与煤炭安全高效开发和清洁利用技术创新、管理改革相结合，利用信息化、数字化、物联网、人工智能、大数据等新技术提升和改造传统采矿业，不断开创安全、高效、绿色和可持续的智慧煤矿发展新模式。
　　参考文献
　　[1] 王国法，张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望[J].中国矿业大学学报，2018，47（3）：459-467.
　　[2] 谢和平，王金华，王国法，等.煤炭革命新理念与煤炭科技发展构想[J].煤炭学报，2018，43（5）：1187-1197.
　　[3] 雷毅.我国井工煤矿智能化开发技术现状及发展[J].煤矿开采，2017，22（2）：1-4.
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