张文明
永煤集团股份有限公司顺和煤矿 河南 永城 476600
摘要：煤矿开采长久以来都是劳动密集型产业，还被人们贴上了“傻大黑粗”的标签。在煤矿开采过程中，由于地质条件存在很大的不确定性，事故频发，严重威胁了工人的生命安全。为了改变目前这种情况，煤矿企业开始大力发展智能化开采技术，这也上升到了国家层面。采用煤矿智能化开采技术后，不仅能降低人在煤矿生产中的参与度，还能大幅提高生产效率。现在智能化开采技术还处于起步阶段，很多人还不了解。鉴于此，本文对煤矿智能化开采体系进行分析，以供参考。
关键词：煤矿；智能化开采；无人化开采；三维地质成像
引言
煤矿智能化开采是煤矿机械化和自动化开采的重要延伸，其强调的是实现煤矿的无人化开采。智能化开采的本质就是给机电设备装上一个“大脑”，使机电设备具有思考的能力，将原来由人进行操作的过程改为由电脑的程序控制。因此，要实现煤矿的智能化开采并不是一件容易的事情，不仅要进行智能算法的开发，使其适应井下复杂的生产环境，还要开发相应的设备，例如传感器和微处理器等。
1煤矿智能化定义
“智能化”是指控制对象具有精准敏感的感知能力、准确的判断和决策能力及高效快捷的执行能力，能够根据自身感知到的信息进行自主分析、判断、决策与执行，并具备自主学习及自主优化能力。智能化应具备以下3个特征：a)具备对外界信息的实时感知与实时采集能力；b)具备对感知采集的信息进行分析、判断、自主学习、自主决策的能力；c)具备基于自主判断与决策可以自主执行的能力。
2煤矿智能化开采的重要性
传统的煤矿开采依赖于人力资源，安全事故发生时经常有人员伤亡。统计有关数据发现，2019年上半年，全国煤矿事故死亡人数达到了108人，带来了恶劣的社会影响。虽然很多煤矿的安全措施已经足够完善，但由于煤矿水、瓦斯以及地质情况仍存在很大的不确定性，很难从源头上避免安全事故的发生。随着社会的发展，对煤矿开采的要求也越来越高，其中最重要的是保证工人的生命安全。与此同时，中国煤矿开采的人力资源成本也逐渐上升，煤矿企业迫切需要减员提效。在这种背景下，煤矿的智能化开采应运而生。在煤矿生产过程中，夜班是令工人十分头痛的事情———工人的生物钟颠倒，很难有效适应，导致夜班时发生事故的可能性要大于白班。而采用了煤矿智能化开采技术后，很多煤矿取消了夜班，极大地保证了工人的权益。
3智能化采煤工作面各系统的建设
3.1采煤机智能控制系统
煤矿机的智能采集系统由机器学习和记忆系统组成，机器通过工人早先的操作，形成一个操作记忆循环后，在采集状态稳定时，后续采集的动作会重复执行早先学习的操作步骤，实现无人化、智能化采集。在采集的材料发生变化时，可以远程人为干预操作步骤，调节参数和采集速度，实现智能采集[1-2]。
3.2远程视频监控系统
通过将球机摄像头安装在液压支架上，可以实现在生产期间对各项工作装置状态的实时监控，如采煤机前后滚筒截割、支架以及煤壁等装置。并可以在输送装置上如刮板运输机、破碎装置、皮带装置等位置安装摄像头，对生产运输线进行全面监控。视频监控系统示意图如图1。
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图1视频监控系统示意图
3.3工作面大数据系统（见下页图2）
在生产时可以采集支架压力参数、对采煤机移动路线等数据进行采集和上传，并采用云技术实现对生产状态的实时监控和生产数据在全国任意一台数据设备上的实时访问和查询，保障生产的稳定安全。
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图2工作面大数据系统示意图
4煤矿智能化开采的关键技术分析
4.1视频成像技术
为了能准确地对井下开采情况进行实物监控，还需要对工作面开采过程实现视频成像。通过视频监控技术可以发现智能化开采中存在的问题，还可以在开采过程中遇到突发状况时及时做出决策。传统的视频成像技术很难在井下得到很好的应用，主要是因为井下的光线比较暗而且粉尘较多，摄像头的视线模糊。为此，需要采用一些特制的摄像机。针对井下光线较暗的情况，可以采用先进的CCD感光元件，工业级的感光度在0.1x左右。
4.2水平、直线控制技术
这一技术结合地质勘探来获得煤层的结构信息，并根据结构信息来建立一个三维的工作面模型；根据导航系统来做到采煤设备的实时位置确定。水平控制技术是采煤机在采掘推进时引导采煤机与刮板输送机俯仰控制的管控手段。直线控制技术便是在采煤机倾斜向循环运作时能够确保刮板输送机等设备能够进行移架和推溜等操作，避免液压支架位序混乱及刮板输送机损坏问题。
4.3综采装备核心智能控制技术
要实现综采装备智能控制，必须对现有控制方式进行智能化控制改进，针对液压支架智能推移提出一种新的智能推移控制系统，智能推移控制系统框图如图3所示。在调整支架时，该液压支架智能推移控制系统能够利用传感器实时确定支架实际位移模型，从而确定支架及刮板机在推移动作中的实际位移值；将该数值与系统预设值进行比较，得到实际修正值，从而决定支架接下来的动作及动作值，使整个推移控制过程形成一个闭环控制，使系统在整体控制运行中能够根据实时监测的支架和刮板机实际运行情况，对后续的推移位移值进行实时修正，使支架在推移过程中保持直线性和同步性，实现对支架推移的精确智能控制。
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4.4智能导航技术
通过计算机技术与导航技术的结合，对采掘设备实施实时定位，能够有效改善工作面的地质勘探和空间定位问题，并提高对于设备的智能化控制水平，从而做到安全监控和高精度开采。
4.5矿井机器人技术
为了保障作业安全，用机器人代替人工进行井下作业、日常巡检和应急救援是实现智能化开采的迫切要求。煤矿井下作业机器人属于防爆重载机器人，机器人工作环境极其复杂，这就要求机器人系统不仅要具备基本的感知监控功能，还要具备必须的运移、避障、导航和抗颠覆功能。当前，以智能化综采工作面系统组成的采煤机器人群已在70多个煤矿得以应用，部分装备巡检机器人、固定岗位机器人和危险环境探测机器人初级产品已有使用，图4为煤矿巡检机器人现场应用图。针对井下复杂环境的机器人冲击碰撞问题，可通过研究机器人与环境间接触阻力的变化规律，搭建接触阻力与控制参数之间的作用模型，对不同的接触阻力设置不同的控制参数，实现对机器人的自适应跟踪控制，可以有效解决井下复杂环境下的机器人冲击碰撞问题，保障机器人安全、高效运行。
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图4煤矿巡检机器人现场应用图
结束语
煤炭是中国的主要能源，在未来相当长的一段时间内，煤炭仍继续占据世界能源结构的主导地位。在当前信息化、智能化革命到来之际，煤矿智能化是适应当代信息工业革命发展趋势、保障国家能源供应、促进煤炭工业高质量发展的核心。应用信息技术、智能制造技术和人工智能技术的研究成果，实现煤炭安全、高效、绿色开采和利用，实现煤矿智能化已成为煤炭工业发展的必经之路。围绕智慧煤矿及智能化无人开采的重大技术需求，突破行业共性核心问题，加快智能、安全、高效现代煤炭生产体系建设成为主要目标。
参考文献
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