智能化综采技术发展及应用现状分析

为了顺利完成矿井“机械化换人、自动化减人”的目标，完善安全科技保障能力，针对目前的智能化综采技术中的问题，在简述国内外自动化、智能化综采技术发展过程基础上，结合铁法能源公司小青矿中厚煤层智能化无人综采技术的成功实践经验，研究了小青矿智能采煤工作面的三大核心技术与四项关键技术，分析了当前小青矿中厚煤层智能化无人综采技术应用中存在的问题，有针对性地提出未来智能综合采矿技术的研究重点和创新发展方向。分析认为，目前智能化开采已经在向智能化开采3.0阶段过渡，在管理理念、投入、研发队伍建设等方面仍需下大力气。随着各种先进技术的逐步推广应用，对智能采矿下一阶段目标的实现进行了展望。     

煤炭智能化无人开采的现状与展望

介绍了国外煤炭智能化无人开采技术发展现状和国内煤炭智能化无人开采技术进展,阐述了智能化无人开采的目标、技术模式与关键技术路径,提出了一种基于智能自适应开采技术模式的层次控制模型,并介绍了相关的关键技术。结合我国在煤炭智能化无人开采领域的实践探索经验,对煤炭智能化无人开采技术进行了展望。分析表明,我国目前正处于综采自动化结合远程可视化干预的智能化无人开采阶段,未来会朝智能自适应开采模式逐步发展演变,以最终实现真正的工作面智能化无人开采。     

中国煤矿智能开采科技创新与发展

分析了近十年来国内外煤矿智能开采的技术发展过程,总结出国外智能化开采的技术思路是:通过地质勘探结合掘进技术方式描绘开采煤层的赋存分布,通过惯性导航采煤机实现智能开采;在国内智能开采方面则是提出了"无人跟机作业,有人安全值守"的开采理念,构建了"以工作面自动控制为主,监控中心远程干预为辅"的中国煤炭智能开采模式,并对国内厚煤层和薄煤层的智能开采工业试验和生产进行了技术总结。对未来智能开采的技术框架进行了设计,将智能开采的关键技术分为:智能探测、智能导航和智能控制3个主要部分,并对煤岩分界、煤矸识别、工作面超前探测技术创新进行了展望,指出煤矿智能开采科技创新依赖于开采装备、开采技术和开采理念的不断进步。     

煤炭精准开采地质保障与透明地质云计算技术

煤炭精准开采的目标是以最少的人力实现煤炭资源的低损失、高产出、无事故、少破坏的全程智能化开采,除了开采工艺、采矿装备、传感感知、物联网、自动化和信息技术外,实现煤炭精准开采的技术关键就是基于四维空间的地质保障和透明地质的云计算技术。全面地论述了煤炭精准开采地质保障的技术内涵和目的,其核心是利用先进的装备和软件实现煤炭开采前、开采中和开采后全矿井地质体和隐蔽属性的精准化、可视化和透明化,并能够对地质灾害和危险源超前预知和防治,从地质层面确保精准开采工作的顺利进行。关于地质保障技术,阐述了地质体几何计算、地质灾害预测预报2个科学问题,凝练了构造地质、煤层地质、地质力学、地质扰动、瓦斯地质、水文地质、透明地质7项云计算技术,同时描述了这些科学问题和关键技术的研究进展。为了发挥地质保障技术在煤炭精准开采中的核心作用,首先,对构造地质精准建模、煤层煤质智能预测、开采扰动破坏分析、瓦斯参数反演和瓦斯灾害预报、水文地质分析和水害预警以及综合地质属性透明化处理等比较困难的科学问题和关键技术给出了解题思路。其次,论述了地质保障软件系统及其应用的云计算架构、主要功能以及在煤炭精准开采中的应用方式,并通过部分应用案例说明了这些技术方案的可行性。最后,指出只要在三轴绝对地应力传感器、宽频段微震传感器、宽量程风速传感器、富水区超前探测、煤层自然发火状态监测和在线水质化验等技术上取得进一步突破,就能为煤炭精准开采提供比较完整的地质保障。     

矿用防爆辅运车辆自动驾驶线控转向系统研究

针对《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中提及的 2025 年大型煤矿要基本实现智能化,井下重点岗位机器人作业,实现智能无人化辅助运输的指导意见,结合智能控制技术、路感信息形成及反馈技术、多传感器信息融合技术,开发了一套煤矿辅运车辆自动驾驶线控转向系统。详细分析了基于转角偏差 PI 控制技术线控转向系统的组成和实现方法,以目标转角和实际转角的偏差为信号,通过 PI 闭环控制技术精确控制转向轮偏转方向和角度,使得系统输出能够平稳、精准、快速地跟随指令目标转角,进而实现车辆自动驾驶精准转向控制。 通过搭建辅运车辆自动驾驶线控转向平台进行了模拟试验,试验结果表明:基于转角偏差 PI 闭环控制技术的线控转向系统响应快速,转向误差约 2°,超调较小,能够实现辅运车辆自动驾驶转向精准控制和自动纠偏,为实现互联网+科学开采的未来少人(无人)采矿提供了技术路径。     

煤炭精准开采地质保障技术的发展现状及展望

我国绿色煤炭资源量有限,实施煤炭精准智能开采是未来绿色采矿的必由之路,其中地质保障技术体系是重要的基础。从煤炭开采基础地质及其勘探、综合地球物理探测、地质钻探和矿井地质信息技术平台等方面,系统地分析了我国矿井地质保障技术体系的现状,提出了煤炭精准智能开采模式下矿井地质保障技术的发展趋势和方向。通过大数据、云计算、互联网等技术平台,采用地质调查、钻探、物探、化探、GIS等多种地学参数信息,构筑基于天空、地面、井孔、地下、采煤工作面、长钻孔等全空间、全方位地质动态模型的保障技术体系,为煤炭精准智能开采提供所需的透明地质条件;研发三维和四维地球物理精细探测新方法、新技术,研制震、电、磁、核、声、光等物理参数主、被动源综合探测与成像智能化仪器设备,实现对开采地质条件的精准判识;发展由探测到监测,以及与掘进机械、采煤机械等一体化的监控预报识别体系,对影响开采的多灾源地质因素进行智能预测及监控,不断建设和完善煤炭资源综合开发保障技术体系;结合移动智能终端APP,逐步完成煤炭资源开发过程中井下图、景、物、人、设备等人机共享共管,实现高度信息化和智慧化,切实保障矿井安全高效生产;通过进一步加强高素质复合型地质专业技术人才培养,开展大尺度模拟实验和技术攻关,做到创新发展和技术引领,着力推进煤炭资源开发利用的新发展。     

论科学采矿

针对我国煤炭产业现状与产业特点,提出了科学采矿的理念,全面阐述了科学采矿的内涵以及实现科学采矿对煤炭成本与价格及国民经济的影响.科学采矿是指实现既能最大限度地高效采出煤炭资源而又保证安全和保护环境的开采技术,科学采矿主要包括机械化高效开采、绿色开采、安全开采及提高资源回采率等方面.为了使煤炭开采业健康发展必须实现科学采矿.要实现科学采矿,必然要求实行煤炭完全成本化,即煤炭成本应包括生产成本、安全成本、环境成本、资源成本、发展成本等方面.煤炭完全成本化将对煤炭价格与市场及国民经济产生重大影响.     

论科学采矿

针对我国煤炭产业现状与产业特点,提出了科学采矿的理念,全面阐述了科学采矿的内涵以及实现科学采矿对煤炭成本与价格及国民经济的影响.科学采矿是指实现既能最大限度地高效采出煤炭资源而又保证安全和保护环境的开采技术,科学采矿主要包括机械化高效开采、绿色开采、安全开采及提高资源回采率等方面.为了使煤炭开采业健康发展必须实现科学采矿.要实现科学采矿,必然要求实行煤炭完全成本化,即煤炭成本应包括生产成本、安全成本、环境成本、资源成本、发展成本等方面.煤炭完全成本化将对煤炭价格与市场及国民经济产生重大影响.     

“煤炭精准开采背景下的矿井地质保障”专辑特邀主编致读者

<正>我国浅部煤炭资源逐渐枯竭,许多煤矿已进入深部开采阶段,高瓦斯、高地应力、高地温等恶劣条件下多种灾害相互耦合,防治愈加困难。要想从根本上破解煤炭安全高效开采难题,需要走安全、少人(无人)、智能的精准开采之路。2010年笔者提出无人采煤新概念,随后又提出"煤炭精准开采"科学构想。目前,煤炭精准开采是未来     

煤及共伴生资源精准开采科学问题与对策

面临新一轮以大数据、云计算、人工智能、物联网、区域链、互联网为代表的信息技术革命,及煤、铀、油气相继走向智能化无人开采的发展趋势,深度融合现代信息技术、资源开采理论技术助推煤及共伴生资源无人(少人)开采,保障国家能源及战略需求,成为新时代能源资源开发模式变革的导向,基于此率先提出煤及共伴生资源精准开采的科学构想。煤及共伴生资源精准开采是以创新地球空间物理科学、多相多场耦合理论及智能管控系统为核心保障,互联网+现场监测、物理/数值模拟、基础实验的“三位一体”科研手段为支撑,实现煤及共伴生资源禀赋、原生/扰动地质灾害、开采装备工况全息实时展现,资源开发规划、矿井运行管理及退役矿井生态修复方案的智能弹性决策,潜在致灾因素的智能深度感知、精准圈定及高效解危,突发灾害的损伤体自主修复、管控系统韧性恢复、装备自适应调整的能源资源科学开发模式。煤及共伴生资源精准开采可有效破解资源开发面临的勘探监测、协同开发、灾害防控及环境负外部性等重大难题,为未来煤及共伴生资源开发提供了新思路。本文凝练了煤及共伴生资源精准开发的5个关键科学问题和7个主要研究方向,为实现新时代资源安全高效绿色开发提出了阶段性规划。     

煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展

新一轮能源变革正在孕育,互联网+及智能化发展势头强劲,在总结我国煤矿典型动力灾害预防存在主要问题及思考煤矿监控预警如何面对新一轮科技创新的基础上,提出了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警新理念与关键技术。煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警是在煤炭精准开采的理念指导下,基于多相多场耦合灾变孕育演化机理,利用灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术、多源海量前兆信息提取挖掘方法,能够实现煤矿典型动力灾害前兆信息深度感知、风险精准判识及监控预警的新模式新方法。该模式能够实现煤矿监控预警由传统的经验型、定性型向精准型、定量型转变,全面提升我国煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警能力。凝练了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警的4个关键科学问题和8个主要研究方向,围绕基础理论研究、关键技术开发和预警平台搭建,重点阐述了12个方面的研究进展,为实现冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时精准预警提供了技术路径。     

智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析

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,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。提出了智慧煤矿的内涵和3个基础理论问题及研究方向:① 数字煤矿多源异构数据的统一表达及信息动态关联关系;② 复杂围岩环境-开采系统作用机理及设备群全程路径和姿态智能控制的理论基础;③ 矿井设备群的系统健康状况预测、维护决策机制。提出了建设智慧煤矿MOS多系统综合管理、井下机器人群协同智慧和馈电管理、井下精确定位导航和5G通信管理、地质及矿井采掘运通信息动态管理、视频增强及实时数据驱动三维场景再现远程干预、环境及危险源感知与安全预警系统管理、智能化无人工作面系统管理和全矿井设备和设施健康管理八大智能系统管理操作平台的构想,分析了各平台的功能、特征和关键核心问题,提出了相应的建设路径和方法;分析了智慧煤矿的构成和建设目标,提出了智能化开采的八大核心技术短板和亟待攻破的关键技术,提出了技术层面从数据获取利用、智能决策和装备研发3个主要方向进行突破,管理层面从科学产能布局、专业化运行服务和建立新规范规程体系等促进发展的措施,指出了智慧煤矿和智能化开采技术发展的目标和实现路径。     

基于自动化信息化融合的智慧矿山建设研

采煤技术及采煤装备正在向高产高效、安全可靠、减人增效的趋势发展,煤矿企业生产已经由粗放型、分散型、人工型生产的模式逐步转变为集约化、大型化、自动化和无人化的方向发展。分析了前期综合自动化系统建设情况,基于此,采用自动化信息化融合技术,研究了万兆工业以太环网平台、基于GIS的“一张图”安全生产智能管控平台、智能化采煤工作面、矿井车辆运输大数据分析及科学调配系统、主煤流节能智能控制系统等。研究应用表明,该技术提高了矿井的综合自动化水平,取消了采煤工作面两巷超前支护支架,实现各固定岗位的无人值守。研究为类似矿井智能化建设提供了技术支持。     

特殊煤层盾构式“三位一体”开采方式的研究

针对松软/薄等特殊煤层在钻孔、采掘及支护过程中出现施工难度大等问题,提出盾构式开采方式的理念,形成智能化(无人化)、精准化、流态化“三位一体”的综合开发方式。通过理论辩证和分析,建立了在保压条件下进行智能化监控检测、无人化盾构掘进以及流态化管道输运的开采系统,分析了盾构开采全过程中煤与瓦斯的变化情况,以及对施工过程中产生的影响。研究结果表明:当采用盾构式开采方式时,减少了对煤层的钻孔施工量,解决了采掘、支护困难等问题,减小因本煤层瓦斯进入巷道引起的通风压力,避免了开采过程中的人员伤亡。研究结论对今后特殊煤层的智能化、无人化、流态化开采具有重要的指导意义。     

特厚煤层智能化综放开采理论与关键技术架构

综放开采方法是我国特厚煤层矿区实现高产高效的主要技术途径,智能化综放开采是未来综放开采技术发展的重要方向。在分析千万吨级特厚煤层智能化综放开采技术和问题的基础上,围绕安全、高效、智能这一主题,综合考虑特厚煤层顶煤体和上覆岩层的相互作用,以掌握特厚顶煤冒放理论,实现综放工作面放煤智能化,降低含矸率、提高顶煤采出率为主导,提出要解决的关键科学问题和技术构想。针对综放开采存在的煤矸智能识别、智能放煤控制、“采-支-放-运”系统智能协调等主要难题,凝练出特厚煤层智能综放开采大尺度顶煤体破碎与冒放机理,特厚煤层智能化采放协调控制机理与方法,特厚煤层智能综放开采群组放煤过程控制原理三大科学问题。攻克特厚煤层群组协同智能放煤工艺决策技术,特厚煤层顶煤厚度与放煤量实时监测技术,冲击振动和高光谱融合的煤矸识别技术,多模式融合的智能化放煤装备及控制技术,综放工作面“采-支-放-运”系统智能协调控制技术五项关键技术。突破特厚煤层智能化综放开采技术与装备瓶颈,研发煤矸识别装置、开发智能放煤控制系统及软件,解决采放协调、煤矸识别、群组放煤等难题,创建年产1 500万t智能化综放开采示范工程。最终实现特厚煤层智能化综放开采,为我国特厚煤层的安全、高效开发提供可靠的技术支撑。     

煤矿粉尘防控与职业安全健康科学构想

人民健康已成为国家优先发展战略,以煤工尘肺为主的职业安全健康问题严重制约“健康中国”发展。从煤矿粉尘现状、基础研究、关键技术装备、政策标准等方面系统总结分析煤矿粉尘防控与职业安全健康面临挑战,在此基础上,提出煤矿粉尘防控与职业安全健康科学构想。该构想基于理工医多学科交叉融合,以大数据、云技术、人工智能和物联网等高新信息技术为支撑,创新“四位一体”科学研究方法,以煤矿无害作业、职业病精准治疗和职业安全健康智能预警等为核心,最终实现煤矿从业人员职业生命全周期职业安全健康。本文凝练了煤矿粉尘防控与职业安全健康6个主要关键科学问题,围绕煤矿粉尘产尘机理与高浓度粉尘分源高效防控理论、煤工尘肺多维度多层次生命信息流的发病机理、煤矿无尘化开采及粉尘精准防控技术与装备、煤工尘肺智能判识与精准诊疗技术装备、煤矿粉尘与职业安全健康智能预警等方面提出了5个主要研究方向。我国应加强理工医交叉融合协同创新与科研平台建设,深入开展基础研究工作,研发适合我国煤矿生产实际的成套技术与装备,重视示范工程建设和成果转化,加大政策支持力度和标准体系完善,构建煤矿粉尘防控及职业安全健康长效机制,实现煤矿无尘化作业和职业病少(零)发病,以煤矿职业安全健康助力健康中国发展。