煤矿智能化开采技术研究现状及展望

通过分析煤矿智能化开采技术研究现状,指出目前我国煤矿智能化开采技术研究大多处于初级阶段,主要以“可视化远程干预型”智能化开采技术路线为主,虽然实现了井下工作面无人、少人作业,但受限于传感器水平与处理系统性能等困境,导致综采装备整体智能化程度不高,且不能智能感知工作面地质条件变化,并通过智能分析决策系统进行装备及工艺的自适应调整。尽管目前国内外科研机构和高等院校正在开展煤岩识别等有关技术难题的研究和探索,但基本都处于理论研究阶段,还未进行真正的实践应用。另外,现有装备未实现故障自诊断及采集数据的大数据分析整合,导致现有智能化开采技术未取得实质性突破。因此,在诸多新技术尚不成熟以及关键性技术难题尚未攻克的前提下,未来的一段时间里,不能完全沿着现有的技术路线进行探索和研究,需要不断开展技术创新。从目前智能化开采技术应用过程存在的关键技术难题出发,重点对地理地质信息系统的透明工作面、工作面复杂环境条件与智能化采煤的耦合应用、高速监控平台和大数据分析处理技术、系统自适应和故障自诊断技术等创新性研究内容进行了展望,同时为进一步提升煤矿智能化开采技术水平,提供一些建议和思路。

基于5G技术的煤矿智能化开采关键技术探索

5G的到来,极大地促进了云计算、大数据和人工智能等技术的深度融合,成为包括煤矿智能化开采在内的各行各业升级转型的关键基础设施,必将推动煤矿智能化开采技术的创新与变革。首先阐述了煤矿智能化开采的发展历程,总结了相关的政策支持和技术发展态势,系统分析了智能化开采技术在应用推广过程中亟待解决8个方面的问题,即:工作面自动找直技术、复杂环境下的高清晰可视化技术、煤炭开采多场动态信息融合的4D透明地质构建技术、煤岩自动识别及智能截割技术、高质量传感器研制与多传感器数据融合技术、采矿工艺智能化技术、煤炭智能化开采的微服务系统平台架构、危险源智能感知与预警技术;并从宏观角度分析凝练了技术方面的制约因素,提出以5G技术为核心汇聚而成的技术生态必将成为解决上述问题的一种有效手段。其次,深入研究了通信技术和煤矿开采技术之间的关系,分析了5G技术在智能化开采中的特点和优势,构建了智能化开采核心技术与5G技术生态关联矩阵,指出5G大带宽、泛在万物互联、低时延高可靠、切片技术等特性和技术在煤矿智能化开采发展中的关键支撑作用,阐述了5G生态在煤矿智能化开采中的重要性,并展望了随着5G技术生态的不断成熟,煤矿智能化开采将探索衍生出的一些高效关键技术和生产管理模式。最后,从多个方面探索了5G技术在智能化开采中的关键应用,包括:系统计算分析管控模式、4D-GIS透明地质和实时推演、工作面自动找直、视频驱动的智能化开采、井下环境感知等。最后针对煤矿智能化开采提出了一种基于5G技术的解决方案以供探讨。

大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术研究

针对黄陵矿区及条件类似工作面大采高智能化开采煤壁控制现状,尤其是在片帮预警、智能控制等方面的难题,考虑智能化开采和综合机械化开采的工艺区别,从工作面设计、工作面设备参数确定、护帮参数优化、传感器方案、控制方案等5个方面,在预防、发展、防护3个阶段进行考虑和设计智能化开采煤壁控制方案。优化了液压支架护帮机构及护帮控制方式,设计了护帮板精准控制工艺,建立了基于片帮影响因素的工作面煤壁片帮预警模型,提出采用视频监控、太赫兹扫描和人员定位技术,结合工作面设备集中控制系统的工作面片帮防护体系,形成了大采高智能化开采煤壁全过程精准控制技术。将片帮控制技术纳入工作面智能化开采控制系统,有效解决了智能化开采煤壁控制难题,支架工由5人操作减少为无人操作,1人巡视,在黄陵矿区二号井顺利实施了大采高智能化开采,工作面年产量达到600万t。

智能化建井理论技术研究与工程实践

基于煤矿建井阶段的智能化发展需求,提出了“智能化建井,建智能矿井”的定义与科学内涵,阐述了智能化建井在煤矿智能化建设中的重要作用;分析了西部地区建井面临地质条件复杂、基础理论研究薄弱、智能化建井装备研发滞后及工程技术突破难等问题;构建了由感知层、传输层、边缘层、平台层和执行与应用层组成的智能化建井系统总体架构,研发了由斜井掘进控制、竖井钻进控制及综合保障系统构成的智能化建井协同控制系统;总结了煤矿智能化建井通过基础理论研究、工艺设计、智能装备研制、控制系统研发、现场工程示范的一体化研究思路,解决煤矿建井过程中全断面机械破岩效率低、掘进复杂地层难、地下水防治及井筒稳定性与支护困难的技术难题。通过延长石油集团可可盖煤矿的智能化建井工程实践,形成了斜井敞开式全断面智能掘进工法,实现了斜井掘进“探-掘-支-锚-运”一体化作业;形成了竖井“一钻完井”智能化钻井工法,实现了竖井钻进“井下无人施工”本质安全作业,打造了行业智能化建井的工程与技术示范,形成了煤矿智能化建井的“延长模式”。最后结合煤矿智能化发展趋势,提出煤炭行业建井应共同遵循的原则与目标、当前工作和发展方向,并号召全行业聚焦智能化建井技术领域,推动煤矿建设向安全高效绿色智能方向发展。

煤矿智能化重构人与煤空间关系研究

人与煤的空间关系是煤炭安全高效生产的重要因素,研究煤矿智能化技术对于人与煤空间秩序的重构过程将为煤炭行业高质量发展提供核心技术支撑。本文系统论述了人与煤空间关系的演进历程与研究进展,论证提出了在煤矿工业化生产中利用空间融合可以突破传统二元空间结构制约的观点,据此建立了煤矿智能化人-物理-信息(HPC)空间之间虚实互动的三元空间形态;进一步阐述了煤矿智能化可改变煤矿生产要素的物理空间位置和生产相对运动状态,将重构新生产力三要素、一体化的智能生产管理模式、矿工的社会价值发展空间,从而支持构建万物互联的煤矿生产工业场景并实现人由煤中向人在煤外的重大转变;剖析了智能化采煤、智能化建井案例,揭示了煤矿智能化建设对于变革人与煤空间关系的实践价值。研究建议,以煤矿智能化HPC空间理论为基础,以人的解放及全面发展为核心目标,建立新一代技术与现代煤矿相融合的发展模式,以安全高效、智能绿色发展推动煤炭行业整体升级。

黄陵矿业公司智能化开采核心技术及其应用实践

2014年以来,从解决黄陵矿区薄煤层煤炭资源长期呆滞和薄煤层开采难度大、安全环境差、用人多等难题开始,黄陵矿业公司不断开展智能化开采技术研究与实践,先后完成了较薄煤层、中厚煤层和厚煤层智能化开采,并取得良好的应用效果。介绍了黄陵矿业公司煤炭智能化开采实施背景,分析了黄陵矿业公司煤炭智能化开采技术应用现状,总结了"可视化远程干预型"智能化开采核心技术和应用实践过程中的创新探索,指出煤炭智能化开采技术未来发展的重点和趋势,如装备免维护研究、系统稳定性研究等。

黄陵矿业公司智能化开采技术未来发展探究

目前,煤炭行业智能化开采技术已广泛应用于大采高、中厚煤层、薄煤层及放顶煤工作面,全国已经建成145个智能化采煤工作面。但现有智能化开采技术大多是以“采煤机记忆割煤、液压支架自动跟机、监控中心远程干预”为技术路径,装备及控制系统整体智能化程度不高,且现有智能化开采技术基本以经验决策型为主,并不能针对复杂的采场环境进行智能决策控制,因此,智能化开采技术升级迫在眉睫。通过充分总结黄陵矿业公司智能化开采技术应用现状以及目前存在的技术难题,科学分析目前行业内智能化开采新技术探索应用情况,努力探寻出一条适合黄陵矿业公司智能化开采技术发展的新道路。

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、采煤机规划界面、电液控规划界面和采煤工艺界面,同时概述了数据融合技术、模型数字化技术、分析决策技术、机器学习技术和设备故障自诊断技术等智能开采大数据分析决策系统关键技术。智能开采大数据分析决策平台主要包括数据运营中心、数据融合系统、算法集群系统、决策交互系统、验证评价系统等内容,平台实现了对综采工作面不同设备的多种通信协议数据的统一、转换、关联、分类和存储,同时基于开采工艺、综采自动化控制技术、惯性导航技术和雷达测距技术来不断对透明地质模型修正更新,分析得出综采设备精准控制决策信息。通过工业性试验,对地质数据进行收集和分析,建立了透明工作面三级智能开采模型,构建了透明工作面智能开采大数据分析决策系统总体设计架构,实现了利用大数据分析决策技术对截割模型进行实时修正,实现了智能精准开采。

大采高工作面智能化综采关键技术研究

为了解决大采高综采工作面用人多、劳动强度大等问题,针对陕西陕煤黄陵矿业有限公司二号煤矿实际情况,分析了大采高工作面智能化综采存在的片帮精准控制难、底软拉架难及装备可靠性、感知精准度、协同性差等技术难题;选用可视化远程干预型技术路线来实现大采高综采工作面智能常态化开采;重点研究了高效采煤工艺、防片帮控制技术、底软智能控制技术和顶板破碎智能控制技术。通过采煤工艺革新,三角煤截割效率提高了30%;在煤壁发生片帮的不同阶段采用不同的控制手段,实现了护帮板精准控制;通过液压支架多次降架模拟人工操作的方式完成底板软弱条件下的智能化处理,解决了架前堆煤问题;通过液压支架超前拉架的方式完成工作面顶板破碎条件下的智能化处理,确保顶板破碎区域可以智能开采。二号煤矿实践表明,采用智能化综采技术后,实现了以工作面设备智能运行为主、现场干预控制为辅的智能化生产模式,以及井下7人作业、地面2人监控的"7+2"作业模式,达到了减员提效的目的。

不同煤层地质条件下智能化无人综采技术

为进一步提升煤矿智能化开采技术装备水平,引领行业智能化开采技术科学发展,实现煤炭行业在新时代下的升级转型,结合陕煤集团黄陵矿业公司智能化无人开采成功实践经验,重点研究了复杂地质条件下薄煤层、中厚煤层和厚煤层智能化开采实践技术,得到了中厚及较薄煤层智能化无人综采的关键技术是液压支架全工作面跟机自动化与远程人工干预技术、采煤机全工作面记忆截割与远程人工干预技术、综采自动化集中控制技术、工作面视频监控技术、智能化集成供液控制技术和超前支护自动控制技术;厚煤层智能化无人综采的关键技术是大采高工作面防片帮智能控制技术、大采高工作面底软智能控制技术、大采高工作面高清晰视频监控技术和大采高工作面环境安全保障技术;得出了煤矿智能化无人开采支撑体系建设分为科技创新、信息化标准、安全保障技术、企业精细化管理和员工素质提升工程五大体系;提出了通过提高整体技术创新性与适应性和提高装备的可靠性与适应性方面的攻关研究,是不断推动煤炭智能化无人开采技术向智能开采高级阶段迈进的努力途径。最后,分析了目前国内外智能化无人开采技术应用现状及推广制约因素,并结合人工智能及新一代工业革命发展方向对煤炭智能开采技术进行了展望。

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矿建设构想,力求为我国智能煤矿建设提供一种新探索。

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。

大采高智能化综采装备关键技术研究

为了保障智能化综采装备安全高效运行和智能化综采技术常态化应用,以陕西黄陵二号煤矿有限公司大采高综采工作面为例,针对采煤机、液压支架、视频系统等智能化综采装备,重点研究了采煤机精准调高传感器及其保护装置、机械和液压系统可靠性、CAN总线通信隔离、远程启停控制、外喷雾装置,液压支架压力及行程传感器、推溜控制,视频系统高性能广角摄像仪和多角度调节安装架等关键技术,从而不断提升大采高智能化综采装备的可靠性和监控精准度。

煤矿井下采空区涌水井下处理复用技术实践

针对黄陵一号煤矿井下采空区涌水为高矿化度矿井水,水中含盐量高、硬度高,排水至地面处理费用较高,且存在环保风险等问题。为了最大程度节约水资源,充分利用井下采空区涌水,根据黄陵一号煤矿井下实际生产用水情况,采用了混凝分离工艺+RO反渗透工艺结合,在井下利用闲置巷道,建立了井下采空区涌水处理复用系统。采空区涌水经过处理后,可达到饮用水标准,同时采用恒压供水装置将清水接入井下供水系统,将处理后的清水作为井下供水系统的补充水源,不仅有效节约了水资源、减少了矿井水的排放量、降低了对矿区周边环境的污染,同时还节省了将采空区涌水排至地面再处理的费用。

黄陵矿区瓦斯“精准抽采”技术管理体系建设的探索与实践

黄陵矿区属煤油气共生矿区,煤炭开采过程中,受到煤层瓦斯和围岩油型气的双重威胁。矿区瓦斯防治经过了纯通风、移动泵抽采、固定泵站抽采等阶段,从模仿学习、分析总结、实验室建设等方面逐渐发展形成了矿区特有的包括瓦斯地质条件精细描述、精准设计、精准施工、抽采达标到后评价保障在内的瓦斯"精准抽采"技术管理体系。矿区瓦斯治理由"治得住"向"治得准、治得省"迈进,区内矿井连续多年实现了瓦斯"零"超限和安全"零"目标。

安全仿真模拟课程线上线下随时切换教学模式探索与实践

近年来,随着信息化技术的不断发展,国家对于理工科人才的培养提出了更高的要求。安全工程是为保障我国能源安全、稳定而开设的一门重要学科。针对安全工程专业安全仿真模拟课程现存的理论知识抽象难理解、实操环境难构建、学生学习积极性较差等问题,探索出一种线上线下随时切换教学模式。该教学模式以“学校中控平台+笔记本电脑+iPad (或安卓平板)+扩展屏”为核心教学设备,既能够根据教学环境的改变随时切换教学模式,也能在理论讲解的同时兼顾实践环节的训练,促使学生在学习过程中培养自主思考及问题探索的能力。实践结果表明,线上线下随时切换教学模式对提高课程教学质量、培养学生团队意识及创新能力具有重要的作用,学生整体成绩和对教学的满意度都有显著的提高。该教学模式的提出对推动信息化时代下的教学改革具有重要的参考价值。

基于Apriori算法的煤矿双重预防信息系统

现有煤矿信息系统功能较为单一,大多还停留在简单数理统计与信息上报功能阶段,且多数系统将风险管控与事故隐患排查分割成2个不同体系进行管理,未将二者进行整合,较难实现闭合式管理,导致管理过程中出现较多漏洞;同时,系统在煤矿日常安全生产过程中所采集的大量数据也未能得到有效利用,较难发现隐含在数据当中的深层规律及数据间的关联规则,导致数据的大量浪费。针对以上问题,设计了一种基于Apriori算法的煤矿双重预防信息系统,详细介绍了系统架构和系统功能的实现。该系统以Apriori算法与煤矿双重预防机制基本理论为基础,对事故隐患和风险管控进行整合,在实现二者闭合式管理的同时,利用Apriori算法对事故隐患数据进行深度分析,挖掘其潜在的关联规则,并通过对潜在的关联规则分析制定相关的日常防范措施,实现对事故风险源的辨识、管控和隐患排查治理。应用结果表明:该系统实现了对事故隐患和风险管控的全生命周期管理,通过深度分析得到了事故隐患的发生规律,实现了对煤矿事故的预防、预警、预控,提高了煤矿安全生产管理水平。

煤炭开发工程“五化协同”模式研究

矿业工程是人类获取能源与原料的重要手段,随着新一代信息化技术与传统采矿技术的深入融合,传统矿业工程管理技术难以适应煤炭资源高效开发与利用的需求。由此,提出了基于融合赋能管理思想的“五化协同”工程管理方法,阐述了包含绿色化、智能化、集成化、专业化、精细化的“五化”主要内容,分析了“五化”协同建设的多目标、协同、开放、伺服、自组织等特性,构建了以价值最优化为整体目标,以“五化”协同融合为核心的全生命周期工程构架体系。在指导煤矿智能化建设实践中,取得了智能化开采与智能化建井工程的安全高效建设。为矿业工程决策、建设与管理提供了一条科学的可借鉴、可复制的工程管理模式,以引领我国煤矿智能化建设与管理新方向,践行工程与经济、工程与技术、工程与管理及人与自然和谐统一的工程哲学思想,对于工程建设与管理具有重要意义。

基于地质模型及设备感知的采煤机自适应截割方法

复杂地质条件下的煤炭安全、高效开采面临诸多难题,其中采煤机滚筒自适应截割是解决这些问题的关键技术,现有的以记忆割煤为主的自动化开采已无法满足煤炭智能化开采要求。本文提出一种基于地质模型及设备感知的采煤机自适应截割方法,该方法利用现有的钻探、物探以及巷道写实数据,并通过回采中揭露的地质信息和隐式迭代插值算法对初始静态地质模型进行动态更新,建立综采工作面动态地质模型。开采过程中,运用综采设备的惯性导航技术、雷达定位技术等多传感器感知技术和大数据分析决策技术,来不断修正开采模型,并根据修正后的开采模型规划采煤机截割轨迹,指导采煤机自动调高。通过煤矿井下实验证明,采用本文提出的自适应截割方法,能够满足复杂地质条件下采煤机滚筒自动调高的控制要求,对复杂地质条件下的煤炭安全、高效开采具有重要意义。

基于通风等效面积的矿井通风难易程度分析方法

针对目前矿井通风难易程度评价中常用的等积孔不能有效反映通风难易程度细节、通风阻力测定不能很好地衡量复杂通风系统并联影响的问题,提出了一种基于通风等效面积的矿井通风难易程度精细化分析方法。该方法根据获取的巷道通风信息对通风系统进行网络解算,得到系统中各节点风压,并以各节点风压大小为依据对通风系统进行分段;每个分段中的巷道均为并联,按等积孔的特性,先计算各巷道的等积孔,综合获得各分段的等效面积,由此得到各节点对应的通风等效面积;为直观、清晰地表达通风系统各段的通风难易程度,用图形化的方式表示通风等效面积,包括风压-等效面积图、节点-等效面积图、风压-等效能耗图和节点-等效能耗图;根据通风等效面积图,对矿井通风难易程度进行通风“瓶颈”、阻力分布及通风能耗等精细化分析。实例验证结果表明,该方法能有效分辨出通风系统中的阻力较大区域、局部阻力位置及通风“瓶颈”位置,可服务于矿井通风的分析和优化。