煤矿智能化掘进工作面特征与趋势探讨

煤矿智能化掘进工作面特征与趋势探讨

李伟

平顶山天安煤业股份有限公司十一矿 河南省平顶山市 467002

摘要：当前煤矿开采作业正在朝着智能化方向发展，为了更好地实现智能煤矿建设的预期目标，需要重视对智能化掘进工作面的研究，在充分了解其基本特征的基础上，相关人员要积极探索，将其充分运用到具体的掘进作业中，提高煤矿生产的效率和安全性。本文首先介绍了煤矿智能化掘进工作面的几个基本特征，之后对其发展趋势进行了展望研究，以供参考交流。

关键词：煤矿；智能化掘进工作面；特征；发展趋势

引言

伴随着智能化的浪潮，基于市场需求和保持竞争优势等因素考虑，一些煤矿尝试煤矿智能施工设备应用和煤矿井下智能化掘进工作面全方位建设，但由于没有成熟的经验可以借鉴，对一些煤矿井下专业问题处置思路和智能化掘进工作面标准认识不一，实施效果不理想，整体上还处于起步探索阶段。为此，需要进行相关的理论论证和分析、总结，以利于智能化在煤矿建设施工中的良性应用与健康发展。

1 煤矿智能化掘进工作面的特征

智能化掘进工作面，就是为实现煤矿井下开掘工程安全快速有效施工，装备有可以自适应井下巷道围岩条件，适时调整施工图设计，完全自主或部分自主完成巷道施工掘、支、装、运环节工作及相应的数据收集与存储、发送，并能够自动实现安全生产条件检测、判断与处理能力的智能设备的井下工作场所^[1]。智能化掘进工作面具有以下基本特征：

1.1生产设备网络

在井下掘进工作面，掘进、支护、装砟、运输等主环节工作和通风、供电、供水、供压风、排水、除尘、安全监控等辅助环节工作分别由不同的设备和系统完成，即使最为先进的盾构机和综合掘进机，目前也只是集成了几项功能。在智能掘进过程中，将所有设备及工位统一联网管理，使设备与设备之间、设备与计算机(集控中心)之间、设备与工位人员之间能够联网通讯、紧密关联、无缝连接。如现场技术人员可以在自己的计算机上，根据掘进设备传回的数据，及时调整巷道的设计参数，然后上传至集控中心，经审核同意后再把修改后的程序传至机器设备执行，同时技术人员还可在工位计算机上实时对比与建立档案文件。

1.2生产数据可视化

井下掘进施工现场条件、影响因素繁多且瞬息万变，连续运转的作业线上的生产设备，所产生、采集和处理的数据量远大于日常企业中一般计算机和人工产生的数据，同时，系统正常生产对数据的实时性要求也会更高。智能生产现场，每隔几秒就必须能够收集一次数据并传输到控制中心，利用这些数据应该可以实现很多形式的分析，如岩石硬度、设备工作表面的承载力、主轴运转率、主轴负载率、做功率、零部件状态、设备综合利用率、成巷尺寸、安全参数(风量、瓦斯、CO 浓度等)等^[2]。在生产过程中利用这些大数据，首先，就能分析整个生产流程，了解每个环节是如何执行的，一旦某个流程偏离了标准工艺，还会产生一个报警信号，提示及时处理或自动纠偏；其次，利用大数据技术，还可以对巷道掘进过程建立虚拟模型，仿真并优化生产布局和流程，以便进一步提高工效；再次，在设备运转过程中，利用各种传感器，可及时发现瓦斯、一氧化碳、巷道变形、水文、温度等异常安全信息，根据事先设定的严重程度，提醒停机还是持续工作。

1.3生产文档无纸化

目前生产过程中矿建、机电、、地测、安全等各专业需要大量的纸质文件支持，这些纸质文件大多分散管理，除不便于快速查找、集中共享和实时追踪外，还易丢失、浪费纸张、占用空间等。智能化生产实行无纸化管理后，技术、安全管理人员在现场即可快速查阅、浏览、下载、综合处理所需的生产安全信息，并实时进行归档保存，杜绝了文件、数据丢失和费时流转，有利于实现高效、环保、绿色生产。

1.4生产过程透明化

基于智能设备或智能作业线的智能化掘进工作面，在 MES(制造执行系统)统筹下，整个生产施工工艺也必然能够实现仿真优化、数字化管控、状态信息实时监测和自适应控制，体现出智能管控的特征，更好的实现精准生产和落实设计意图，同时使生产过程透明化^[3]。

1.5生产现场无(少)人化

针对井下巷道掘进施工现场，智能化掘进工作面的数控中心、智能作业系统及坐标自控单元等应该可以进行自动化调度，掘、支、装、运等环节实现自动转换，达到无人值守的全自动生产化模式；即使掘进生产过程中遇到了问题，一旦解决，也可以立即恢复自动化生产。整个施工过程无需人工或极少量人工参与。

2 煤矿智能化掘进工作面的发展趋势

2.1革新巷道支护理念，支护形式适用于智能化施工

目前煤矿巷道主流的支护形式为锚、网、索、喷、注等两种或几种形式的组合，突出特点就是同一地点无法实现平行作业，不适宜综合智能掘进设备一次成巷的特征。为此，巷道支护理念也要实时创新，考虑随着 TBM 的推广应用，管片支护、一次初成巷技术也应该可用于煤矿井下巷道，如果有必要，可在过后空间、时间具备时予以支护补强；支护形式改进后，相应的工程造价也必须予以调整。巷道支护形式的改变是智能化工作的重要基础之一。

2.2智能化单一设备的广泛运用

随着智能化设备的成熟完善，不具备系统集成化施工工作面的个别环节或掘进工序完全可以用智能设备代替，进而彻底淘汰传统的钻爆法施工技术。如用机器人掘进、机器人钻车凿岩、机械手安装锚杆或金属支架、机械手喷浆、智能绞车、智能水泵、智能风机、智能巡查机器人、智能安管系统等，这都可以减少大量的人工投入，减少井下施工安全风险^[4]。

2.3从单一智能设备应用向专业智能化系统应用发展

如何实现单一智能设备的信息化联网驱动，进而形成巷道掘进过程中某个生产或辅助系统的一体智能化，是一定时期内煤矿井下智能化应用的主要发展方向。对巷道掘进来说，目前安全监测自控系统使用较为成熟，在此基础上，可以结合生产实际条件，对掘、运、排系统实现智能化，对运、支、固系统实现智能化，对供水、排水系统实现智能化，对通风、洒水、除尘系统实现智能化等，如此通过对一个专业系统的智能化，达到局部智能化作业的目的。当然，由单台智能化设备组成的系统，要想发挥好系统功效，每台设备之间的通讯必须畅通、快捷、及时，为此，云计算和 5G 技术的入井也势在必行^[5]。

2.4从专业智能化系统向综合智能掘进系统应用发展

装备具有自主适应功能的综合智能化掘进设备(单元)、实现井下巷道工作面自主作业、一次成巷是目前井工开采掘进作业追求的终极目标。实现这一目标，巷道施工就可以达到无人化或极少人化，从而节约大量人工成本，规避安全风险，实现绿色施工。目前看，实现这一目标的有效途径之一，就是对盾构机不断进行智能化改造升级，使之能够适应煤矿井下环境，应用于井下煤、岩石巷道施工，甚至适用于大断面竖井施工。这方面已有案例，但都没能实现全工序一次成巷，与整体智能化掘进要求目标仍有较大差距。

结语

总之，在煤矿开采和掘进生产智能化大潮中，如何正确选择，既确保不脱离矿井实际，又能推进煤矿智能化工作、达到安全高效绿色目标至关重要，应该加强这方面的研究。

参考文献：

[1]刘树龙.煤矿巷道掘进技术现状及未来发展趋势[J]. 煤炭科学技术，2019(5)：71-72.

[2]曹静.煤矿智能化开采技术创新及展望[J].山西能源学院学报，2020(3)：13-15.

[3]张元峰.辉煌时代——中国煤炭工业发展成就透视[J].煤炭企业管理，2019(11)：1-6.

[4]谭铁牛.煤矿巷道掘进技术现状及未来发展趋势[J].机械管理开发，2019(4)：139.

[5]付国宝.智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向[J].矿业安全与环保，2019(2)：89.