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智慧煤礦與智能化開采關鍵核心技術分析
我國煤炭資源十分豐富,煤炭相關產業也是我國經濟的主要來源,因此煤礦開采的相關技術成為了近幾年來我國研究的主要對象。現階段在我國煤炭的開采過程中仍然存在著一定問題,為了進一步提高煤礦的安全生產,煤炭的開采技術已經朝著現代化方向發展,就此文章分析了智慧煤礦基礎、開采的必要性、開采的核心技術及發展目標。引出建設智慧煤礦發展智能化開采是煤炭工業發展的必然選擇。
        關鍵詞:智慧煤礦;智能化開采;關鍵核心技術
        煤礦的開發與利用直接關系到我國整體經濟的發展走向。世界能源格局及現實的經濟社會需求決定了在未來相當長時間內,煤炭仍將在世界能源結構中占有較大比例,仍將是中國的主體能源,難以被替代,利用科技的進步消除煤炭生產、利用的環境負效應,實現安全高效綠色開采和清潔高效利用是煤炭的發展方向,其傳統產業模式亟待變革。
        一、智慧煤礦基礎
        智慧煤礦是基于現代智慧理念,將物聯網、云計算、大數據、人工智能、自動控制、移動互聯網技術,機器人、智能化裝備等與現代煤礦開發技術深度融合,形成礦井(區)全面感知、實時互聯、分析決策、自主學習、動態預測、協同控制的完整智能系統,實現礦井(區)開拓、采掘、運通、洗選、安全保障、生態保護、生產管理等全過程智能化運行的體系。智慧煤礦的總體目標是形成煤礦完整智慧系統,全面智能運行,科學綠色開發的全產業鏈運行新模式。數字化和信息化是智慧煤礦的基本要求,首先要解決3個基礎理論問題:
        1.數字煤礦多源異構數據的統一表達及信息動態關聯關系;
        2.復雜圍巖環境-開采系統作用機理及設備群全程路徑和姿態智能控制的理論基礎;
        3.礦井設備群的系統健康狀況預測、維護決策機制。目前,針對這些基礎問題正在開展研究(國家自然科學基金重點項目),以形成多源異構數據處理理論方法、復雜系統智能控制基礎理論及系統性維護構成的數字煤礦及智能化開采基礎理論體系,為數字煤礦智能決策、精準控制、可靠性保障提供理論支撐。
        二、智能開采的必要性
        1.煤炭的地位,近年來,在世界能源革命不斷向縱深發展的背景下,雖然清潔能源(包括核能、水力發電、再生能源)在能源消費中比例逐年增加,然而化石能源在能源框架中的主體地位尚未改變,2016年在全球能源結構中,傳統化石能源的占比仍達85.5%。而在我國,2012-2016年煤炭在一次能源結構中一直保持在60%以上,基于富煤、貧油、少氣的資源稟賦,有關專家預測:未來30年內,以煤為主的能源消費框架不會發生根本性轉變。
        2.面臨的挑戰,目前,我國的煤礦以井工開采為主,大量煤礦地質構造復雜,“水、火、瓦斯、煤塵、頂板”五大自然災害時刻威脅著煤礦生命安全。2010年至2014年,我國共發生煤礦事故353起,死亡2137人,隨著對生產工作環境的要求的不斷提高,部分地區的生產煤礦用工荒問題也在倒逼煤礦生產技術的全面提升和變革。
        三、智慧煤礦與智能化開采關鍵核心技術
        1.地下開采裝備精確定位和導航地下開采定位
        為保證煤礦開采、掘進裝備沿著規劃的路徑和方向推進,必須準確測量設備的空間位置和運行軌跡。然而,煤礦井下為完全封閉空間和復雜電磁環境,沒有衛星導航信號輔助,實現定位和導航的難度很大。目前,提出了基于GIS地理信息系統的導航、基于RFID的AOA和TOA算法、捷聯慣導系統、UWB超寬帶定位等多種定位和導航技術,但還存在諸多問題。
亟待突破的核心技術包括:
        (1)低成本、高精度的適用于復雜磁場環境下的捷聯慣性導航技術
        (2)局部定位導航應用場景核心芯片技術
        (3)井下5G高速無線通信技術
        (4)井下高精度定位系統;
        (5)基于精確定位導航的井下避障技術
        (6)掘進機精確制導技術;
        (7)輔助運輸車輛無人駕駛系統。
        2.開采智能探測
        (1)煤巖分界
        采用太赫茲技術利用單天線進行多普勒雷達脈沖的發送和接收,信號通過煤巖層時會減弱,并且遇到煤巖界面會發生反射。反射波的速度相位滯后或從發射波到反射波被接收的時間間隙,除與發射波頻率、煤和頂板巖性等可測知的因素有關外,還與電磁波在頂底煤中穿越路程即頂底煤厚度有關。
        (2)煤矸放落自動識別
        煤矸放落自動識別一直是綜采工作面的技術難題,通過時域光譜技術探測是一種可行的技術方法。時域光譜技術的基本原理是利用飛秒脈沖產生并探測時間分辨的電場,通過傅里葉變換獲得被測物質的光譜信息,通過特征頻率對物質結構、物性進行分析和鑒定,適用于煤炭礦物質的實時成分分析。
        (3)超前探測
        超前探測系統無須預先求取煤巖物理特性,適用范圍更廣,具有可靠的精度,在多數頂板條件下能夠運行良好。但是也存在其固有的問題:在具有波散射性質的煤層表現不好,探測范圍小,發射器功率偏低,深入煤層的深度范圍有限,需要未來功率更大的信號源支持來克服信號在煤層內的衰減。
        四、慧煤礦與智能化開采發展目標
        作為煤炭產業轉型升級和技術革命的戰略目標,智慧煤礦和智能化開采核心技術的研發已成為采礦行業升級發展的強大推動力。然而,建設智慧煤礦不是簡單技術改造就能建成的,其中包含的系列關鍵技術需要進行不斷的探索和攻關,并借助新一代信息技術帶來的發展機遇,借助第4次工業革命和新技術發展的成果,與煤炭開發技術深度融合,開創綠色、安全、高效的煤礦發展新模式。智慧煤礦的總體目標是形成煤礦完整智慧系統,全面智能運行,科學綠色開發的全產業鏈運行新模式。智能化開采是煤炭綜合機械化、自動化開采技術的新發展,其總目標是實現無人化開采,智慧煤礦與智能化開采技術的發展尚處于起步階段,必然經歷一個不斷發展的過程,要經歷從初級智能化到高級智能化的過程,其分階段目標如下:
        (1)近期目標:到2020年,在目前煤礦信息化、數字化和智能化開采技術成果基礎上,通過推廣應初和技術升級,建設100個示范煤礦,初步構建智慧煤礦系統框架,實現采掘運主要環節單個系統、單項技術的智能化決策和自動化運行,實現工作面內無人操作、有人巡視,遠程監控的自動化生產。
        (2)中期目標:到2025年,攻克一批智慧煤礦與智能化開采的短板技術,提高煤礦智能化水平,全部大型煤礦全面實現智能化開采,構建起多信息融合的智慧煤礦系統,實現采掘運通多個系統的智能化決策和自動化協同運行,井下主要崗位作業、安控與應急救援的機器人替代,工作面無人化作業。
        (3)遠期目標,到2035年,全面突破和完善智慧煤礦與智能化開采的關鍵技術,全面實現煤礦的智能化和現代化,構建起煤礦及礦區多產業鏈、多系統集成的智慧煤礦系統,全面實現生產和管理信息的數字化,全部主要生產環節的智能決策和自動化運行,達到全礦井一線作業、安控和應急救援的機器人化,無人化作業。
        結束語
        智慧煤礦建設是煤炭工業技術革命、產業轉型升級的戰略方向和目標,智能化開采是智慧煤礦的核心技術。本文作者針對智慧煤礦平臺進行了簡要介紹,對智能化開采的核心技術進行了詳細分析,希望能夠給業界人士帶來一定的參考價值,在未來讓智能化開采技術更好的應用在煤礦行業,讓我國的煤礦開采真正實現智能化、綠色化、環保化。
        參考文獻:
        [1]王國法,張德生.煤炭智能化綜采技術創新實踐與發展展望[J].中國礦業大學學報,2018,47(3):459-467.


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