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。     

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。     

智能开采工作面随采地震监测系统研究

煤矿智能化开采的示范和推广要求工作面在设计和回采阶段对煤层赋存特征进行高精度探测。针对工作面内部的煤层顶底板赋存形态、构造形态及采动地质演化等智能开采地质保障问题,设计一种用于回采工作面地质信息动态探测、监测的随采地震监测方案。系统集成采煤机地震数据采集、多源数据分析融合、三维地质建模及随采数据与采掘设备交互反馈等功能;实现回采前建立工作面静态三维地质模型,回采过程中利用随采地震结果和综采设备监测数据动态修改初始静态三维模型。本方案统筹利用工作面智能开采的地质成果,可以为智能开采工作面规划、运行与决策提供技术支持。     

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。     

透明工作面智能化开采大数据分析决策方法及系统研究

为更好地实现工作面开采过程的智能分析与决策,构建了透明工作面模型,通过应用大数据融合技术、模型数字化技术、分析决策技术和机器学习技术,建立了一套可预测、预判、预控的透明工作面智能开采大数据分析决策平台.搭建了硬件环境和集群环境,规范了虚拟化集群的存储量指标,设计了大数据智能分析决策平台首页界面、地质数据界面、采煤机...     

王坡煤业透明工作面数字孪生系统应用研究

针对智能化建设对新技术的迫切需求,在分析数字孪生技术的起源、概念及其在煤炭行业应用现状的基础上,阐述了数字孪生系统架构和关键技术,设计了透明化综放工作面数字孪生系统的功能架构,基于Unity3D开发了王坡煤业透明化工作面数字孪生系统。工程实践结果表明,基于实际采掘数据驱动实现综放工作面与虚拟综放工作面之间同步映射的思路在技术上是可行的,能为智能化、透明化矿井建设提供参考。     

透明工作面多属性动态建模技术

为满足煤矿智能化开采对高精度地质模型的需求,提出透明工作面多属性动态建模方法,探讨了工作面综合探测多源异构数据特征、多属性数据融合算法、动态可视化建模技术,并进行实例应用。利用综合探测技术对工作面进行逐级综合探测,可在不同阶段获得多属性、多维度和多精度的多源异构探测数据,按照数据产生的阶段和频度,将多源异构探测数据划分为静态、动态和实时数据;通过数据配准实现多源异构探测数据量纲和尺度统一;通过交叉验证实现多源异构探测数据相互验证和补充;通过井震、震电和多参数联合反演,实现煤层厚度、地层波速、电阻率及其他属性参数预测;利用局部搜索、内插和网格化等动态可视化建模技术,实现模型的局部快速更新;采用局部渲染和CUDA实时绘制技术,实现模型高效渲染和实时呈现。结果表明:多属性融合能够将多源异构探测数据统一到同一地质空间中,交叉验证可提高探测数据解释精度,联合反演可实现多源异构探测数据多属性融合,提高探测数据空间分辨率并丰富属性信息;动态可视化建模以静态数据和工作面精细探测动态数据构建的初始工作面地质模型为基础,融合回采过程中获取的动态探测数据和实时数据,可实现回采工作面前方煤层顶底板和构造等信息...     

透明工作面采煤机规划调高策略研究

基于透明工作面地质模型,提取规划截割曲线,制定采煤机调高策略是煤矿智能开采的核心;其中研究采煤机如何利用截割曲线实现高效截割是打通地质模型与综采设备智能联动的关键;采煤机通过控制摇臂进行规划截割,摇臂的控制是通过调节油缸的高度决定的,如何将透明地质模型的采高、俯仰角、倾伏角等参数转化为调节采煤机油缸高度的参数是实现透明工作面规划截割的关键。分析了基于透明地质模型的截割曲线规划原理,建立了透明工作面自动调高模型,分析了截割曲线与油缸调节高度之间的映射关系,并在此基础上进行了采煤机规划调高的工程应用,验证以地质模型指导采煤机规划调高的可行性。研究结果表明：基于透明地质得到的截割曲线能够指导采煤机实现高效采煤;从截割曲线计算得到的采高、卧底和坡度等关键参数可控制采煤机油缸的自动调高;在构建采煤机自动调高模型和分析相关影响因素的基础上,通过提高模型精度可达到精准控制油缸高度的目的,为实现透明工作面智能开采提供了坚实的技术支撑。     

综采工作面智能开采技术研究及工程应用

综采智能化工作面开采作为煤矿开采中较为常用的方法,可保证所开采煤矿质量免受破坏,所以综采工作面智能开采技术应用较为广泛.在社会主义现代化新时期,随着市场经济快速发展,如果沿袭使用老旧煤矿开采技术将会制约煤矿开采效率.因此,应对综采工作面智能开采技术及实际应用进行深入探索,为煤矿企业发展奠定坚实基础.     

中薄煤层智能开采技术及其装备

针对我国薄煤层产量逐年增长和开采技术相对滞后的现状,提出了透明化自适应型中厚偏薄煤层智能开采模式。以神东矿区为例,对当前的中厚偏薄煤层智能化开采技术进行了总结,介绍了中厚偏薄煤层智能开采情况,由此提出厚度1.0～1.7 m的煤层称为中薄煤层的分类概念,以适应煤矿智能化开采和优先发展的需要。首先,在综合处理多源异构信息的基础上,将三维初始地质模型、激光扫描动态数字化工作面、顶底煤厚度探测结果以及煤机姿身数字化,实时提交给智能开采系统进行超前规划,生成动态透明四维地质模型。随后,根据实时生成的动态四维地质模型,获取每个截割位置的顶、底板高度数据,结合煤机姿态参数和采煤机的绝对位置坐标,及工作面平直度要求,对未来几个割煤循环的采煤机调高策略进行提前规划,形成基于动态透明工作面智能化割煤技术。提出了"十二工步"割煤工艺,建立采煤机电缆拖拽系统。最终,以动态四维地质模型构建、采煤机智能化割煤、工作面自动调直、机器人巡检、采煤机电缆拖拽、液压支架自动跟机以及智能协同联控等技术为依托,建立了具备综采工作面全面感知、设备远程集控、协同联动、自动控制、多维数据融合、隐患自动辨识、流程数据驱动、智能辅助决...     

综采工作面智能化开采现状及发展展望

简述了国内外综采工作面自动化、智能化开采技术发展历程及现状,重点介绍了综采工作面智能化开采的发展规划及目前的关键技术。总结了郑煤机承担的付村6 m超大采高厚煤层和贵州众一薄煤层2个综采智能化示范项目的研发情况及关键技术。结合实施现状展望了综采工作面智能化还需突破的关键技术和重点发展方向。     

基于地质大数据工作面智能精准开采关键技术研究

针对当前综采工作面智能化开采系统存在自主适应工作面地质变化条件能力差、无法根据工作面生产条件变化实现精准调控生产工序过程等问题,设计一种基于工作面地质与环境的精准控制模型的综放工作面智能化开采系统,并对其系统架构和关键技术进行阐述和研究分析,该系统能够利用大数据智能分析决策平台实现工作面“三机一架”设备的姿态感知、协同作业及精准控制,最终实现综采工作面智能化安全高效开采的目的。通过在耿村煤矿13200综放工作面得成功应用,结果表明,该智能化开采系统给矿井带来巨大的经济效益和社会效益,同时为综放工作面智能化开采系统的建立提供了技术思路,具有极大的推广应用价值。     

回采工作面煤层三维建模技术及其在智能开采中的应用

提出了回采工作面地质模型的3层构建框架,阐述了回采工作面煤层模型的构建过程;采用综合动态解释技术对地质、钻探、物探数据进行数据融合;采用多级多属性三维动态地质模型构建技术建立回采工作面煤层模型,根据采煤机截割参数和煤层三维地质模型生成采煤机截割曲线供采煤机进行割煤作业。在试验工作面进行了应用,对巷道测量、切眼测量、钻孔伽玛、钻孔雷达探测、槽波探测数据进行综合解释,构建了工作面的三维地质模型,依据采煤机截割参数生成截割曲线并通过集控系统下发给采煤机,指导采煤机基于煤层模型进行割煤工作。     

综采工作面智能开采关键技术实践

目前国内智能化开采技术与装备迎来了重要的历史发展机遇期,国内已累计建成200多个以"可视化远程干预智能化开采技术"为主的自动化工作面。通过分析智能开采应用现状,指出由于煤矿工作面开采条件的多样性与复杂性,智能开采发展必然是分阶段、逐步实现,同时智能开采常态化应用受限于综采装备与控制元件等基础可靠性的提高及从业人员素质与能力的提高,因此智能开采发展与应用是一个长期的过程;基于现阶段国内自动化工作面的技术应用现状,从系统感知技术能力与特征的角度将智能开采发展阶段划分为4个阶段,并指出现阶段国内总体应用水平还处于智能开采的初级阶段,部分矿井正在试验第2、第3阶段的关键技术,距离智能开采技术的理想目标还有很长的路要走。同时围绕智能开采第2阶段的关键技术,重点阐述了基于装备主体结构件机械模型的液压支架与采煤机姿态感知技术,基于自主导航系统的刮板输送机弯曲度检测技术,采煤机行走轨迹,开采刀识别以及工作面自动校直等技术原理与实践情况。通过工业性实践验证了液压支架与采煤机姿态感知技术以及工作面矫直方法等理论的工程可行性,为工作面的液压支架防倾斜,防咬架,快速移架,截割面的开采规划与采煤机滚筒姿态调整,采煤机干涉预警以及刮板输送机直线度调整等功能的具体实施提供了技术支撑。     

仰斜开采孤岛工作面煤壁注浆加固研究

分析了仰斜开采孤岛工作面煤壁片帮的机理,在此基础上制定了防治方案,其次通过钻孔窥视及超声检测技术对所实施的方案进行了检测,肯定了浆液对煤壁加固的效果,但同时发现此注浆方案对煤壁的加固范围不能满足单个日进度,从而又提出了注浆优化方案,补充了原方案的不足.研究结果表明,煤炭开采中首先选择避开孤岛面和大倾角仰斜开采,否则需采用合理有效的注浆加固方案.     

综采工作面弧形开采研究与应用

弧形开采实质上是扇形开采的一种特殊情况,但弧形开采有比纯扇形开采更多的优点,采用弧形开采可减少资源的浪费,提高煤炭的回采率。论文通过对打通一矿S1817综采工作面弧形采开采的设计介绍,说明了在中厚煤层中采用弧形开采的方法及技巧。     

基于TGIS的数字孪生智能综采工作面研究

为了在煤矿智能化综采工作面远程控制过程中实时、准确、直观地掌握工作面信息,消除监控死角,提出了基于时态地理信息系统(TGIS)的数字孪生智能综采工作面构建方法,实现与真实工作面之间的工作仿真、分析预测和实时交互。阐述了基于TGIS的数字孪生智能综采工作面构建技术体系,从数化、互动、先知、先决和共智5个方面说明了基于TGIS的数字孪生智能综采工作面成熟度模型的生长发育过程,并简要介绍了数字孪生智能综采工作面的建设路线,以国家能源集团宁夏煤业有限责任公司金凤煤矿数字孪生智能综采工作面为例介绍了数字孪生智能综采工作面的构建方法,对智能工作面、透明化工作面建设具有积极意义。     

综采工作面旋转开采技术研究

在分析综采工作面旋转开采现状的基础上,对旋转开采技术进行了研究。结合大明煤矿开采实践,分析了综采面旋转开采工艺,解决了旋转开采实践中的关键技术,取得了显著的技术经济效果。     

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。