煤矿智能开采初级阶段问题分析与5G应用关键技术

煤矿智能化是煤炭生产方式和生产力变革的新方向,是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑,当前仍处于煤炭智能化开采的初级阶段。煤炭智能化的发展依赖于数据的高效传输和有效利用,如何解决多感知设备可靠接入、大容量数据高速传输和智能终端低延时控制的问题成为煤炭智能化开采面临的重要基础问题之一。为有效推动煤矿智能化开采的向前发展,分析了煤炭智能开采初级阶段在感知、决策和执行环节面临的短板问题;研究了在设备可靠性、信息传输和位置服务等基本保障技术方面的不足和未来发展方向;指出了工业控制软件在煤炭智能化开采和国家能源安全方面的重要性,提出了工业控制软件要实现自主可控,新技术应用要注重积累和重视基础研究的观点;从顶层设计、多网融合、网络转换、工控安全和应用场景5个方面分析了5G技术在煤炭智能开采应用中的关键问题,并指出5G不是要取代其他网络,而是能使得各种网络融合高效运转,同时提出工控安全将成为5G工业应用中的重要一环;给出了5G平台建设建议:建立微服务架构体系,设计好面向功能的MEC边缘计算模式,规划好针对场景的网络切片,重视5G智能终端研制,做好应用场景算法研究和软件开发。最后提出5G技术研发应用要注重技术生态建设,用好5G这一工具,推动人工智能、大数据、物联网、混合现实等技术在煤矿智能化开采中的落地。     

煤矿巷道智能化掘进感知关键技术

针对目前煤矿巷道掘进工作面智能化应用水平较低导致掘进效率低下、采掘接替紧张的问题,分析了制约巷道掘进工作面实现智能化的关键技术-快速掘进煤炭地质保障技术、智能超前自主感知技术、智能掘进大数据云计算及控制软件技术。论述了煤矿快速掘进理论及技术基础,以煤矿高分辨率三维地震勘探技术、矿井地质透明化技术为支撑,巷道围岩应力及其控制理论为基础,快速掘进设备为保障,形成实现煤矿智能高效掘进的探测、掘进、支护协同作业的基础支撑理论。重点阐述了煤矿巷道掘进工作面的智能超前自主感知技术,包括高分辨地质雷达探测技术、基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿感知技术、基于同步定位与建图(SLAM)原理的掘进工作面环境感知技术、掘进设备运行状态感知技术。形成实现智能化掘进工作面的"掘进机位姿感知、工作面环境感知、设备状态感知"的空间一体化感知体系。在分析煤矿综掘工作面实现智能化快掘自主感知和调控技术的基础上,提出按照"以智能化超前感知为基础,以多源数据计算为中心,以安全智能快速掘进为目标"的原则进行设计和构建煤矿智能快速掘进技术体系。开发基于F5G通讯的多源数据和多源图像传输、存储技术,确保了数据传输的高效、...     

透明工作面的概念、架构与关键技术

为了提升工作面开采的自动化智能化程度,根据工作面开采自动化、智能化的发展趋势,针对一些煤矿企业在自动化智能化工作面建设过程中存在的待采区信息不明、生产过程决策缺乏足够客观数据依据等问题,探讨了基于物联网、虚拟现实等新型技术的透明工作面概念、4层技术架构及其建设意义。在分析煤矿企业自动化智能化开采特殊要求的基础上,提出了透明工作面建设的4层全域模型。从智能应用层、信息层、传输层与感知层4个层次对整个透明工作面的架构进行了设计,并分别对透明工作面建设的全域模型及其建设过程中所需的激光扫描、地质勘探、惯导、工况传感、虚拟现实等关键技术进行了详细描述。最后对透明工作面建设中感知技术瓶颈制约高层智能应用发展的现状与挑战进行了总结,结果表明,基于物联网与虚拟现实技术架构的透明工作面模型,对煤矿企业工作面开采的自动化与智能化建设具有一定的指导意义和参考价值。     

面向智能开采的地质模型构建技术研究与应用

煤矿智能化开采是未来行业的发展方向,构建工作面的透明地质模型则是基础。当前精细化物探技术精度不高,采用定向钻、人工测量等方法花费大量人力物力,构建的透明工作面煤层空间位置还不够准确,尚无法满足智能开采对基础工作面地质信息的需求。为此,提出利用三维地震数据解释成果融合槽波勘探、钻孔地质雷达、定向钻、生产及钻探揭露的地质信息进行多源数据融合再解释的地质模型构建技术。该技术在中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司锦界煤矿得到成功应用,将工作面三维地质模型的精度从“10米级”“米级”提升到“亚米级”。基于此项技术,锦界煤矿综采工作面实现了智能截割,大力推进了工作面无人化、少人化的目标。     

综采工作面智能化开采路径及关键技术

智能化开采是煤矿开采技术演进的必由之路,目前我国总体处于智能化开采的初级阶段,智能化开采理论体系尚需不断完善。通过分析我国不同煤矿开采阶段在生产信息获取、处理及控制技术等方面的技术特点,发现信息感知、分析和控制技术是煤矿开采方式进步的本质原因;基于智能化开采的基本要素,明确综采工作面智能化开采的内涵是以"互联互通"的智能化成套综采装备为载体,以物联网技术、人工智能技术、大数据技术、云计算技术、通信技术等现代技术与煤矿生产技术的深度融合为基础,通过智能信息感知、智能信息分析决策、智能控制与反馈,实现具有人工智能特征的工作面自动化采煤技术。提出综采工作面智能化开采的技术路径包含生产物理场景智能感知与矿山大数据储存,矿山大数据关联分析与智能决策,智能化生产装备精准协同控制等3个方面内容。结合目前我国智能化开采发展阶段和发展方向,提出了综采工作面智能化开采亟须突破的关键技术:开采全生命周期地质精准探测与建模技术;工作面生产场景精准感知技术;建立通信协议标准化的信息传输系统;复杂生产环境下的智能决策技术;智能化综采装备系统可靠性增强技术。结合工程实践介绍了基于人-装备-环境多源信息数据的特厚煤层智能化综放开采模式的初步应用。     

基于透明地质大数据智能精准开采技术研究

透明工作面是目前智能化开采的重要研究方向,是实现无人化开采的重要途径。针对记忆割煤应用效果较差、传感器精度低、大数据融合应用率低、无法根据工作面地质条件变化进行自主感知、决策和调整等问题,开展了基于透明地质大数据智能精准开采的研究与实践应用。通过钻探、巷道测量和槽波勘探等物探手段来构建较精准的透明工作面三维模型,提前规划截割模板,再联合应用惯性导航技术、雷达定位技术和大数据分析决策技术,来不断修正截割模板,最后通过井下精准控制中心来完成对采煤机和液压支架的精准控制。该技术将当前基于记忆截割的"智能开采1.0"阶段升级为基于透明地质规划截割的"智能开采3.0"阶段,实现由传统的记忆割煤向三维空间感知和自动截割的技术跨越,具有很强的适应性和实用性。     

综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用

"十三五"期间,我国煤矿开采开始进入了智能化模式,但处于智能开采的初级阶段。首先,对国内外智能开采技术进展进行了分析,重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次,按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术,建立了智能感知技术体系,攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术,解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题;以物联网推动了围岩透明感知技术,基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量,具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力,高精度三维动态地质模型的动态修正技术;将机器人技术引入到综采工作面感知体系中,通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知;通过对传统VR的建模技术升级,建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术,建立了智能控制技术体系,研究了远程监督型控制技术和自主控制技术,利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别,实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制,开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺;通过对5G通信系统的协议改进,实现了工作面移动传输上行带宽超过300 Mbps和传输延时小于20 ms的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用,进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题:深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。     

融合5G技术生态的智能煤矿总体架构及核心场景

5G技术的到来,强化和深度融合了物联网、大数据、人工智能等技术,已经形成了较为成熟的5G技术生态,有力推动了包括煤炭企业在内的各个行业的转型升级和智能化发展。通过分析移动通信技术与煤矿建设的关系,明确了5G技术在煤矿生产中所具有的重要作用,揭示了5G技术生态是智能煤矿建设的重要推动力;详析分析了当前制约煤矿智能化的井下高效通信、装备智能化、决策智能化等方面的主要问题,并且从5G技术生态的角度探讨了解决当前问题的技术手段;研究了智能煤矿的内涵,提出了智能煤矿的定义,明确了智能煤矿必须具备时空一体、万物互联、数据融合、全息感知、业务联动、智能决策六大特征;揭示了智能煤矿基础设施所需要的5G技术生态、混合云和GIM技术等3个技术要素,提出顶层设计中所涉及的云边端思维模式、微服务架构和基于一张图的智能态势分析与决策等3个设计理念,从而完成了对智能煤矿建设总体架构的构建。同时,对智能煤矿建设中包括智能探测、智能掘进、智能开采、智能通风、智能洗选和智能调度在内6个典型应用场景所需的研究重点和方向进行了阐述。最后,以延长石油矿业巴拉素煤矿为实例,在兼顾实际开采条件和发展愿景条件下实践了笔者提出的智能...     

煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术

随着国家大力推进工业化与信息化融合,煤炭智能精准开采已经成为行业大趋势,众多煤炭企业和科研院所开展了一系列试验研究和工业示范工程。然而,地质条件的适应性不足已经成为制约煤炭智能精准开采的技术瓶颈,迫切需要构建高精度、透明化的工作面三维地质模型。以黄陵煤矿某智能化工作面为例,分析了智能精准开采对地质透明化的时空需求,一方面要确保工作面前方未采区域一定范围内地质条件的"透明化",另一方面要在采煤机完成一次截割的时间内完成透明化工作面三维地质模型的动态更新。统筹分析工作面地质探测技术现状和智能开采的集控水平,提出了构建透明工作面三维地质模型的总体思路:按照不同的地质、采掘阶段,将回采工作面地质模型分为4个层级,即黑箱模型、灰箱模型、白箱模型和透明模型。在工作面设计阶段,基于地面钻探与采区三维地震资料,可以构建工作面的"黑箱模型",其精度处于"十米级";在工作面掘进阶段,开展三维地震资料地质动态解释,可以构建工作面的"灰箱模型",其精度处于"十米级～米级";在工作面采前阶段,综合利用槽波、坑透等工作面地质勘探技术,可以构建工作面的"白箱模型",其精度能够达到"米级～亚米级";在工作面回采阶段,动态融入回采揭露的地质信息,并进行随采地震动态监测,可以构建起工作面前方50 m的工作面"透明模型",其精度达到"亚米级"。为此,亟需研发一批关键技术与装备,主要包括三维地震资料地质动态解释技术、煤矿井下孔中物探技术与装备、回采工作面随采地震监测技术、工作面监测数据地质信息提取和多源异构地质信息动态融合技术等,逐级构建智能开采工作面的地质模型,渐次实现工作面的三维地质透明化,为煤炭智能精准开采提供地质保障。     

智能化采煤系统架构及关键技术研究

针对我国当前推广应用的可视化远程干预智能化采煤模式进行了分析,介绍、总结了基于视频监控的远程干预综采智能化、以巡检机器人辅助的工作面智能化,以及基于惯性导航技术的综采智能导航等3个方向的技术发展情况,提出了当前可视化远程干预智能化采煤所面对的"看、动、想、稳"4个方面实际问题。分析了复杂开采条件下智能化采煤所面对的自适应技术和综采机器人技术2项技术难题,归纳出开采空间多元信息采集及交叉融合、智能化采煤决策基础理论、综采装备群智能化协作3个科学难题。围绕技术、科学难题,提出了智能化开采系统需要具备的4个基本要素,分别为:煤炭开采空间感知能力、智能分析及决策能力、自动执行能力、可靠及稳健运维能力,设计了以"感知、决策、执行、运维"为4个维度的智能化采煤系统架构。研究了关键技术待突破方向,包括开采地质环境增强感知技术、智能开采工艺分析决策技术、开采装备智能化技术、煤矿智能巡检机器人技术、开采系统智能运维技术、辅助生产环节智能化技术、综采智能服务等方面。最后,以国能集团神东榆家梁煤矿智能化采煤示范工程项目为例,开展了基于"透明工作面"的数字化采煤应用,初步实现了智能化自主采煤。     

神东矿区煤层智能开采技术探索与实践

神东煤炭集团在探索自动化开采的十余年历程中,逐步形成了以记忆割煤、跟机拉架、自动找直、视频拼接与监控、远程干预和数据集成通信技术为核心的煤炭智能开采模式。通过在锦界煤矿31114自动化工作面的现场实践证明,自动化工作面可减员15人,工效提升17.54%,年节约人工成本210万元。面向未来,神东煤炭集团将研发以透明工作面构建、采煤工作面智能调高为核心的无人开采技术,推动智能开采技术的新的变革。     

智能化采煤工作面关键技术及应用

煤矿智能化建设是当前煤矿行业发展的主要方向,采煤工作面的智能化是煤矿智能化中的重点和难点。对采煤工作面智能化的研究现状进行了梳理,总结了采煤工作面智能化建设中的技术瓶颈,分别对环境与设备状态精准感知技术、采煤空间三维地质信息建模方法、采煤机高精度惯性导航定位技术、多源信息融合感知与智能交互技术、采煤设备系统协同控制技术、采煤智能化软件平台技术进行了分析。以淄矿集团的智能化工作面系统建设为基础,介绍了采煤装备状态感知、工作面系统协调集中控制、采煤工作面设备故障诊断和智能化采煤系统安全保障等相关技术的应用效果。     

麻地梁煤矿智能化装备应用与生产管理变革的思考

随着互联网技术、5G、智能装备等高新技术的快速发展，以智能感知、智能决策和智能控制为代表的的智能化开采越来越成为煤炭安全高效开采的发展方向。本文首先从检修班、生产班、设备库存、生产管理等方面对传统煤矿装备及生产管理现状进行阐述，分析现有煤矿装备及管理模式存在的问题。然后，以内蒙古智能煤炭有限责任公司麻地梁煤矿智慧矿山智能化工作面建设为工程背景，从智能化装备的组建、功能、库存管理、生产管理、运行优势和成功实践等角度介绍智能化装备的应用与生产管理，构建了以煤矿大数据库为基础的管理体系，提出了 “管设备，就是管生产、管安全”的新的管理理念。该体系的建立及理念的提出，可为突破传统生产管理模式、进行新型智能化煤矿建设提供借鉴和参考。     

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。     

5G技术在煤矿智能化建设的应用

在全国大力推行世界一流示范矿井建设的背景下,煤矿智能化程度是最重要的一项考评指标。但因当前煤炭行业技术、人才、装备及不同井田的采场条件变化等因素制约,导致智能矿山建设诸多关键性技术不能得以应用与推广。煤矿智能化和第5代移动通信技术系统（5G）都处于发展阶段,随着5G技术在煤矿智能化建设中的应用,权威专家对5G技术在煤矿中的实用价值进行深入分析。分析在中国煤炭发展趋势的4个阶段,强调现阶段煤炭发展遭遇的分歧和发展方位;明确提出5G颠覆式创新煤矿智能化建设,剖析5G有别于过去通信技术,5G技术对煤矿智能化的实用价值;注重煤矿智能化建设的关键以及5G技术当中的作用;明确指出5G煤矿智能化的普遍主要用途。本文归纳总结了5G技术所属的快速发展环节,煤矿行业融合5G技术的现实意义,以及推动煤矿5G技术发展趋势对于煤矿智能化的重要性。     

5G是煤矿智能化的关键

煤矿智能化和第5代移动通信系统(5G)都处于发展初级阶段,随着5G技术在煤矿智能化建设中逐步展开应用,专家学者对5G技术在煤矿中的应用价值展开讨论。分析了我国煤炭发展的4个阶段,指出了目前煤炭发展面临的矛盾和发展方向;提出了5G赋能煤矿智能化建设,分析了5G不同于以往通信技术,5G技术对煤矿智能化的价值;指出了煤矿智能化建设的关键以及5G技术在其中的作用;提出了5G+煤矿智能化的典型应用场景。总结了5G技术所处的发展时期,煤矿行业融合5G技术的意义,推动煤矿5G技术发展对于煤矿智能化的重要性。     

煤矿5G智能化应用实践关键技术研究

基于山西新元煤矿5G技术智能化应用背景，通过剖析当前煤矿智能化对于4G与WiFi通信技术各项性能的发展需求，提出了煤矿5G智能化应用场景及设计内容；从智能化建设顶层设计体系出发，搭建矿用5G网络、部署组织架构，研究提出适用于井下精准协调控制、综采工作面设备智能监测与集中控制、系统运行状态回传和井下透明可视化巡检的技术方案，以实现井上井下协同作业、综采工作面智能化和机器人智能巡检。研究成果在新元煤矿31004和3411工作面进行应用，应用结果表明，技术方案的实施显著提高了煤矿经济效益，有助于推动实现煤矿井下少(无)人化作业。     

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。     

综采工作面智能化开采系统关键技术

简要回顾煤矿智能无人开采发展历程,在分析综采工作面智能化开采需求的基础上,提出了综采工作面智能化开采系统架构,包括精准煤层三维地质模型及其动态调整、智能化开采控制、智能化无人巡检装置和智能化协同集控等4个部分,提出了综采工作面智能化开采模式。分析了综采工作面初始三维地质模型、三维激光扫描技术,确定综采工作面三维地质数字化模型动态调整步骤,形成动态调整的综采工作面三维数字化地质模型,实现综采工作面的有限透明。指出综采工作面智能化开采三项关键技术:采煤机智能化割煤技术、液压支架自适应控制技术和综采工作面直线度控制技术。在神东榆家梁煤矿43101综采工作面进行技术应用,动态调整的综采工作面三维数字化地质模型精度为0.2 m,日割煤可达15刀;采煤机和支架自动化率95%以上,人工干预率20%左右;综采队全员工效125.69 t/工,较之前提高95.98%;工作面无直接操作人员,仅有1人巡视。研究成果可为煤矿智能无人开采提供借鉴。     

张家峁智能化煤矿巨系统关键技术研发与应用

为进一步加强传统采矿工程与新一代信息技术的不断深入融合发展，构建安全、智能、绿色、高效的煤矿，以张家峁煤矿为例介绍了智慧煤矿巨系统关键技术装备研发与示范矿井建设。以智慧煤矿总体规划及综合管理操作平台设计、智能化无人生产系统、智能化巷道掘进系统、环境感知及辅助系统、智能场区建设等为主线，进行张家峁智慧煤矿巨系统的建设。通过对煤矿5G移动通信技术，透明矿山三维管控平台关键技术，煤矿生产危险源分析预测技术，矿山采掘接续一张图集成技术，智能化无人工作面协同控制技术，环境感知及一通三防智能化技术等关键技术的应用解决了信息孤岛，提升了智能化采掘能力，提高了数据驱动决策，实现了矿区全域多源数据深度融合，生产效能、安全态势与业务流程协同优化的多维场景平衡综合分析决策，形成矿区智能化管理、高效协同运行新体系。