煤矿智能地质保障系统研究进展与展望

煤矿智能地质保障系统研究进展与展望

王波

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郜宗刚（山东隆源矿业工程有限公司神木分公司）

摘要：改革开放以来，国家科技水平持续提高，当前，煤矿智能化开采是国家在新一轮科技革命背景下的战略选择，是确保煤矿安全、高效生产的必然途径。我国的煤矿地质保障从为资源勘查、高产高效的矿井建设向为矿井的安全高效提供服务，在各个阶段，从地质勘查工作、地理信息系统到隐蔽致灾因子探测，都有着自己独特的特色。针对煤矿智能化开采中地质环境探测精度低、地质信息动态监测难度大、智能化开采地质依据不一致等3大难点问题，提出了解决该问题的新思路。基于已有的研究成果，本项目以“高精度集成探测”、“集成智能在线监测”、“工作面地质透明”三项核心技术为核心，以“综合精准感知”、“动态融合”、“同步映射”与“双元”反馈为核心，构建“地质保障”的“数字化”“三维可视化”。本项目面向新一轮能源技术革命与产业变革，面向新形势下煤矿安全生产的新需求，提出“云平台”与“技术标准体系”相结合的研究思路，建立“云平台”与“技术标准”相结合的技术体系，为实现煤矿的安全、高效、绿色开采提供科学依据。

关键词：智能开采；地质保障；透明矿井；综合探测；智能监测

引言

20世纪90年代，我国多个学者相继提出了智能化开采的概念，并相继提出了智能化采煤的发展思路和关键技术，以达到机械化采煤的目的。在此基础上，提出了一种新的无人工作面概念，并对其进行了研究。要通过“自动化、智能化、无人”采煤技术的革新，才能达到科学采煤的目的，为建设现代化的煤矿产业技术系统奠定基础；远程遥控式无人采煤与智能化无人采煤两个阶段技术路线；本文对智能采矿1.0、2.0、3.0、4.0四个阶段进行了分析、归纳和总结，并对各个阶段作了简单的说明；研究并讨论了透明工作面的概念、技术体系结构和关键技术；智能采煤是煤矿综合机械化的重要组成部分。

1智能化采煤工作面

将工作面采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、可伸缩带式输送机和电液动力装置等多种先进技术相结合，形成一套集自主感知、自主决策和自主控制为一体的智能化采煤工作面。

综采工作面的智能化主要由工作面设备、监控中心、地面监测中心三部分组成。工作面装备包括采煤机，液压支架，刮板输送机，乳化液泵站，组合开关，移动变电站，带式输送机，工作面语音通信系统，电液控制系统，采煤机智能控制系统，刮板输送机智能控制系统，智能供液系统，工作面视频系统，矿井监测中心主要是将自动控制系统的有关设备集中布置在矿井下，形成“地下中控室”。通过监控中心的显示屏，操作员可以看到现场的状况，并通过语音通讯实现调度和联络，并通过控制台对现场的相关设备进行遥控。地面监控中心是一个由视频监控、远程控制、安全监测等系统组成的，它是一种能够对地面进行实时监测、大数据分析、系统优化和智能化远程干预的系统。

2煤矿智能开采地质保障技术

2.1一体化智能在线监测

煤与瓦斯突出、冲击地压、突水、断裂（陷落柱）等矿井动力灾害是制约矿井智能化生产的一大隐患，需要通过各种技术手段实时监控各种致灾因子，同时获得工作面内部的环境状况，以达到对矿井灾害的预警，降低煤矿生产中的灾害。

微地震监测技术可以实时、连续地监测岩体的破坏情况，并可对岩体的破坏过程进行实时监测。利用微地震监测技术，对采场顶板和底板的损伤状态进行实时监控，并揭示其孕育、发展直至最终失稳的全过程。

利用电性监测技术能够对开采期间煤层顶板、底板的视电阻率变化进行实时、在线的监测，并与微地震监测成果相结合，进行围岩损伤程度、导水程度等方面的分析。本项目以掘进工作面前方100-300 m范围内的地质构造为研究对象，以掘进工作面前方100-300 m范围内的地质构造为研究对象，以多源震理论和干涉理论为基础，采用随掘超前探测三维成像技术，开展时频域分析、相关干涉分析和随掘地震成像技术研究，实现对掘进工作面100-300 m范围内的地质构造的动态智能探测。矿井智能化开采是一项系统工程，采用“边挖边钻”的智能探勘技术，为实现智能化开采和智能掘进提供了高精度“地质导航”。

矿井智能化透明矿井建设和灾害精确预警对高精度监测数据提出了更高的要求，不仅要提高多参数监测技术，而且要提高监测材料和技术水平。FBG是一种对温度、应力、应变、加速度等物理量具有很高的灵敏度的敏感特性。利用该系统可以对井下的温度、水压、应力、应变等物性参数进行实时监控，从而为灾害的发生和发展提供基本的参数。

本项目拟在前期研究基础上，利用高精度3D激光雷达（3D Lidar Radar)，利用具有较强抗干扰能力、高密度点云数据的高精度3D Lidar (3D Lidar Radar)，实现对矿井地下环境的三维成像、同时定位与地图构建。通过3D Lidar扫描技术，可以构建出一个虚拟的开采场景，并将其映射到虚拟环境中，从而达到对开采过程的真实再现。本项目的研究成果将为煤矿生产中的多物理场多参数集成、多参数集成、实时在线监控，为煤矿生产的安全、高效、智能化提供重要的理论与数据支持。

2.2液压支架跟机自动化技术

液压支架随动自动化技术，就是在采煤机完成切煤作业之后，依据工作面顶板压力、倾角、液压支架姿态等信息，以采煤机的位置作为参考，采用电液控制技术，自动、及时地将液压支架、刮板输送机移动到指定的位置，从而达到支架适时支护的目的。综采工作面液压支架自动跟踪控制是确保工作面生产连续性，实现安全高效生产的重要手段。

当前，在综采面已形成“三机一泵”（采煤机，液压支架，刮板输送机，乳化液泵站）的自动化生产体系，其核心是液压支架的自动跟踪工艺。通过将红外发送器安装到采煤机上，并将其传输数字信号，并将红外接收器安装到各个液压支架上，通过接收到采煤机红外发射装置传来的数字化信息，判断出采煤机的位置及方位，使液压支架、刮板输送机跟随采煤机实现自动化操作。

但其在智能化工作面中的应用仍存在局限性，其主要原因在于：液压支架的随动式自动化操作方式单一，在面对复杂多变的工作面工况时，其适应性不强，且缺少对外界环境的适应性，需现场操作人员进行调整，智能化程度不高。由于液压支架缺少与采煤机、刮板输送机和乳化液泵站的联动控制，致使乳化液泵站供油不畅，从而引起液压支架的动作迟缓。

结束语

通过本项目的研究，建立一套可操作性强、可靠性高的煤矿地质保障技术标准，有助于提升煤矿安全生产的科学性、全面性、系统性和预见性，为实现智能化矿井的智能化，推动我国煤矿产业的转型升级奠定坚实的理论基础。

参考文献

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[3]李首滨．智能化开采研究进展与发展趋势[J].煤矿科学技术，2019，47（10）：102-110．