煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术要点研究

煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术要点研究

邵健

山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司

摘要：随着煤矿行业的智能化发展，煤矿智能无人采煤工作面开采技术已成为提升生产效率、保障生产安全的关键。本文围绕煤矿智能无人采煤工作面的关键技术要点展开研究，分析了当前技术的现状、优势及面临的挑战，并提出了相应的解决方案，以期为焦煤有限公司等煤矿企业的智能化升级提供理论支持与实践指导。

关键词：煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术要点

引言：

在煤炭资源日益紧张、安全生产要求不断提高的背景下，煤矿智能无人采煤工作面开采技术应运而生。该技术通过综合运用自动化、智能化设备与控制系统，实现了采煤作业的无人化、高效化和安全化，对推动煤矿行业的可持续发展具有重要意义。

一、煤矿采煤工作面智能无人开采技术概述

（一）技术背景

随着科技的进步和煤矿安全生产要求的提高，传统的人工采煤方式已难以满足现代煤矿生产的需求。智能无人采煤工作面技术作为煤矿智能化转型的重要方向，通过集成传感器、自动化控制、远程通信等先进技术，实现了采煤作业的全面智能化。

（二）系统组成

煤矿智能无人采煤工作面系统主要包括集中式工作面控制系统、设备姿态监测系统、视频监控系统、通讯网络平台等多个子系统[1]。这些子系统通过工业以太网与无线覆盖网络实现互联，共同完成对采煤工作面的智能化操作管理。

二、煤矿采煤工作面智能无人开采关键技术要点分析

（一）综合机械化采煤技术

在焦煤有限公司的采煤专业中，智能无人采煤工作面的实现依赖于高度发展的综合机械化采煤技术，以提升采煤作业的机械化、自动化水平，通过智能化手段实现对复杂开采环境的精准应对。

1.滚筒式采煤机的智能化应用

①设备选型与配置。滚筒式采煤机作为核心设备，需选用具备高度智能化和自适应能力的型号。例如，采用电牵引技术的采煤机，其牵引能力强，能够降低采煤过程中的阻力，并有效制止下滑问题。采煤机需配备精确的传感器系统，包括位置传感器、倾角传感器等，以实现对采煤机运动状态的实时监测和精准控制。

②智能控制模式。通过配置先进的控制系统，滚筒式采煤机能够实现远程操控和自主导航。在无人工作面中，技术人员在地面调度室通过远程操作台，根据采煤工艺要求和煤层条件，设定采煤机的割煤路径和参数。采煤机在接收到指令后，能够自动调整滚筒高度、速度等参数，完成割煤作业。采煤机还具备自动调焦、卧底、加速和减速等功能，以适应煤层厚度的变化，确保割煤的连续性和高效性。

③数据支撑与实时反馈。在采煤过程中，采煤机的传感器系统会实时收集并传输割煤深度、滚筒转速、电机电流等关键数据。这些数据通过井下高速工业以太网传输至地面调度室，为技术人员提供实时的生产监控和数据分析支持。技术人员根据数据反馈，可以及时调整采煤机的工作状态，优化割煤参数，确保采煤作业的顺利进行。

2.液压支架的智能化控制

①电液控制系统。液压支架作为采煤工作面的重要支护设备，需配备先进的电液控制系统。该系统通过配置压力、行程等传感器，实现对液压支架姿态的实时监测和智能控制。根据采煤机的位置和割煤进度，液压支架能够自动调整支护高度和姿态，确保工作面的稳定性和安全性。

②智能感知与自适应控制。液压支架的电液控制系统还具备智能感知和自适应控制功能。例如，通过倾角传感器监测支架的倾斜角度，通过接近传感器感知护帮板的收回状态，通过高度传感器测量工作面的采高。根据这些感知数据，控制系统能够自动调整支架的支护力度和姿态，以适应煤层条件的变化。

③远程控制与记忆截割。在无人工作面中，液压支架的远程控制功能尤为重要。技术人员在地面调度室通过远程操作台，可以实现对液压支架的远程操控和监控。系统还能够记录并学习示范刀的工作参数和姿态参数，形成记忆截割模板。在自动截割过程中，系统会根据记忆模板不断修正误差，实现液压支架的精准控制。

3.刮板输送机的智能化运行

①自动推移与协同作业。刮板输送机作为采煤工作面的主要运输设备，需具备自动推移和协同作业的能力。在无人工作面中，刮板输送机能够根据采煤机的割煤进度和液压支架的支护状态，自动调整推移速度和位置。刮板输送机与采煤机和液压支架之间需实现紧密地协同作业，确保煤炭的连续、高效运输。

②实时监控与故障预警。刮板输送机的智能化运行还体现在实时监控和故障预警方面。通过配置传感器和监控系统，技术人员可以实时了解刮板输送机的运行状态和参数变化。一旦出现故障或异常情况，系统会立即发出预警信号，并自动调整运行参数或启动备用设备，确保采煤作业的连续性和安全性。

（二）采煤机定位技术

在煤矿智能无人采煤工作面的开采过程中，采煤机定位技术的运用与操作构成了整个自动化生产体系的核心环节，其精准性与实时性直接关系到开采效率与安全。

1.高精度传感器集成

①惯导装置（INS）部署。在采煤机关键部位（如机体中心或驱动轮轴）安装高精度惯性导航系统（INS），该系统集成了陀螺仪、加速度计等传感器，能够连续、实时地测量采煤机的角速度、线加速度等动态参数，进而解算出采煤机的位置、速度和姿态信息。通过采用多传感器融合算法，提高定位精度至厘米级。

②轴编码器应用。在采煤机的驱动轴上安装高分辨率轴编码器，直接测量驱动轮的旋转角度和速度，结合轮径信息，可精确计算出采煤机在水平方向上的移动距离。轴编码器的高精度（如每转脉冲数达数百万）确保了位移计算的准确性。

2.GIS技术与三维建模融合

①地质环境三维建模。利用地理信息系统（GIS）技术，结合煤矿地质勘探数据、煤层厚度图、巷道布置图等，构建煤矿地下空间的三维数字模型[2]。该模型不仅包含地层的几何形态，还融合了岩石力学参数、煤层倾角等物理信息，为采煤机提供精确的导航基准。

②实时位置映射。将采煤机实时位置信息（由惯导装置和轴编码器提供）与三维地质模型进行动态映射，实现采煤机在虚拟环境中的精准定位。通过可视化界面，操作人员可直观监控采煤机的运行轨迹，及时发现并调整偏离预设路径的情况。

3.智能路径规划与避障

①自主路径规划。基于GIS三维模型，结合采煤工艺要求和煤层条件，系统可自动生成最优开采路径，并动态调整以适应地质变化。采用先进的路径规划算法（如A算法、RRT算法等），确保采煤机在复杂环境中高效、安全地作业。

②实时避障策略。集成激光雷达、超声波传感器等多源感知设备，实时监测采煤机周围的障碍物（如支架、煤壁凸起等），并通过智能算法快速计算避障路径。当检测到潜在碰撞风险时，系统自动触发减速、转向或停机等避障动作，确保安全生产。

（三）智能监控系统

智能监控系统是保障无人采煤工作面安全高效运行的重要手段。该系统通过布置在采煤工作面的各类传感器和摄像头，实时监测工作面的环境参数、设备状态及作业情况，并通过数据分析预警潜在的安全隐患[3]。如，在采煤工作面全方位部署高精度传感器，包括但不限于甲烷浓度传感器、温度传感器、压力传感器、振动传感器及位移传感器等。这些传感器按一定密度和角度布置，确保对工作面环境参数（如瓦斯浓度、温度、湿度）、设备状态（如设备运行温度、振动情况）及作业情况（如煤壁推进速度、设备位置）的全面覆盖和实时监测。

此外，智能监控系统还能实现远程操控和故障诊断功能，提高应急响应速度和处理能力。技术人员在地面监控中心通过专用软件或触摸屏界面，可以实现对采煤机、液压支架及刮板输送机等设备的远程启动、停止、调整参数等操作。系统内置故障诊断专家系统，能够根据传感器数据和摄像头图像自动分析设备故障类型和原因，并给出相应的处理建议或维修方案。

结束语：

综上所述，煤矿智能无人采煤工作面开采技术作为煤矿行业智能化转型的重要方向，具有广阔的应用前景和发展空间。然而，在实际推广应用过程中仍面临诸多挑战和问题。通过加强技术研发、优化工艺设计、完善人才体系等措施，不断推动煤矿智能无人采煤技术的创新与发展，将为我国煤矿行业的可持续发展注入新的动力。

参考文献：

[1]刘子港. 探析煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术[J]. 中国石油和化工标准与质量,2021,41(17):187-188.

[2]吕敏达. 煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术分析[J]. 内蒙古煤炭经济,2022(23):26-28.

[3]胡海峰. 煤矿智能无人采煤工作面开采关键技术[J]. 当代化工研究,2023(3):104-106.

邵健，1983年10月01日，男，汉族，大专，助理工程师，山西乡宁焦煤集团申南凹焦煤有限公司，042100，13835723503