前言
中国矿产资源面临的资源短缺,供应乏力的严峻形势,已经成为发展工业的瓶颈,这种状况继续发展下去,势必对国民经济的可持续发展产生深刻影响。煤炭行业的发展受到国家高度重视,“863”计划已在矿产资源高效勘查与开发利用技术领域重点提出发展地下无人采矿技术,但目前采矿行业中仍存在很多问题。
1)煤炭产量高,死亡率高
21世纪，中国成为世界上第一产煤大国，全国产煤从2000年的9.9亿t到2006年的23.3亿t,而伴随高产量的是煤炭行业的高死亡率。2006年,全国小煤矿的百万吨死亡率为5.56人,地方重点煤矿为2.81人,国有大型煤矿为0.96人。百万吨死亡率是美国的近100倍,俄罗斯的近10倍,印度的近12倍。
2)煤炭需求量大,资源浪费严重
全国煤炭需求预测为:2010年25亿～27亿t,2020年30亿～32亿t,占能源需求量的60%以上;而全国煤矿的平均资源回收率为30%～35%,资源富集地区的小型矿井资源回收率只有10%～15%,薄煤层储量占中国煤炭储量约20%,而产量仅占约8%,煤炭企业存在着严重的“采厚弃薄”、“吃肥丢瘦”现象。
3)重大灾害事故频繁
工作面瓦斯突出、瓦斯煤尘爆炸与顶板事故是矿井的重大灾害,工作面发生重大事故频率高。
4)开采技术发展迅速,总体水平落后
2005年,全国高产高效矿井有197处,采掘机械化程度达到75%,开采技术发展迅速,基本达到世界领先水平。而煤矿总体生产技术水平低、装备差、效率低,特别是乡镇煤矿,基本上是非机械化开采,非机械化采煤占60%。为解决上述问题,改善煤炭现状,维持煤矿资源的可持续发展,基于无人工作面开采技术特征,本文提出现阶段需要加大对无人工作面先进采煤技术的研究力度,提高综合开发矿产资源水平。
1 国内外研究现状
实现少人、无人的自动化采矿是当前国际采矿界研究的热点。美国和澳大利亚的煤炭企业在这方面走在前面,20世纪80年代以来,他们在工作面采用了计算机(技术)、大功率电牵引采煤机、电液控制的液压支架和具有软启动功能刮板输送机,实现了工作面三机的自动化及井下环境安全信息实时监测。90年代开始,加拿大、芬兰、瑞典分别制定了矿山自动化方案,20世纪90年代初,加拿大国际镍公司(Inco)开始研究遥控采矿技术;1992年,芬兰采矿工业宣布智能采矿技术方案;瑞典制定向矿山自动化进军的“GrounteckNIk 2000战略计划”。由于地质条件的复杂以及多种因素的影响,中国无人自动化采矿发展相对落后,国内科研单位也相继开展了采矿机器人(MR)、矿山地理信息系(MGIS)、三维地学模拟(3DGM)、矿山虚拟现实(MVR)、矿山GPS定位等方面的技术开发与应用研究,在煤矿中的应用取得了一定的成效。2000年9月,北京开采所与北京煤机厂、德国DBT公司等厂家合作为铁法煤业集团小青煤矿装备了国内第一个薄煤层自动化无人工作面。2004年7月,山东新汶矿业集团公司从国外引进螺旋钻机采煤新工艺,工人在工作面以外的地点操作机电设备,可完成破煤、装煤、运煤等各工序,实现了无人工作面。2005年5月,大同煤矿集团从德国DBT公司引进了一套自动化刨煤机,实现了国内首个薄煤层刨煤机综采无人工作面。2007年3月,中国首个具有自主知识产权的自动化、信息化采煤工作面在山东兖矿集团东滩煤矿正式投产,标志着中国煤炭行业高产、高效矿井建设进入新阶段。高产高效开采技术的迅速发展、综采自动化工作面安全高效综合配套技术的发展,以及大功率电牵引采煤机、液压支架和刮板输送机自动控制和工况检测与故障诊断技术的实现,使工作面自动化程度迅速提高,在地质条件较好的地方(神东地区),工作面基本实现少人、无人开采。
2 无人工作面的概念及其特征
国外给无人采矿下的定义是:利用目前最先进的技术包括地下通讯、定位、工艺设计、监视和控制系统操纵采矿设备与采矿系统,其采矿工艺包括自动凿岩、自动装药与爆破自动装岩、自动转运、自动卸岩和自动支护等,其技术基础是高速地下通讯系统和高精度地下定位、定向系统(要求达到mm级)。国内早期学者对无人工作面采煤技术下的定义是工人不出现在回采工作面内,而是在回采工作面以外的地点操作和控制机电设备,完成工作面内的破煤、装煤、运煤、支护和处理采空区等各项工序。不同国家、不同时代以及不同地质条件下,无人自动化工作面有自身的特征和内涵,国外主要研究金属矿山和露天采矿,国内早期研究主要是为解决薄煤层的开采,随着采矿科技水平的提高,针对中国矿井地质条件的复杂性,以综合利用煤炭资源和科学采矿为原则,提出现代无人工作面的定义为:在工作面安全专家系统的保护下,通过有线或无线方式远程控制关键生产设备,监测其工况,利用割煤设备(刨煤机或采煤机)的自主定位与自动导航技术、煤岩自动识别技术、液压支架电液控制技术、刮板输送机自动推移技术、工作面自动监控监测技术、井下高速双向通讯技术和计算机集中控制技术等自动完成割煤、移架、移刮板输送机、放煤和顶板支护等生产流程,动态优化作业程序,实现工作面生产过程自动化、采煤工艺智能化、工作面管理信息化以及操作的无人化,仅当设备出现故障时,维修人员才会到达工作面,从而确保高产、高效和安全生产。现代无人工作面的定义是建立在高度发展的科学技术和特殊应用背景之上,有其自身特征。
1)开采范围广
包括薄、中厚、厚及特厚煤层,可实现薄煤层刨煤机无人自动化采煤、中厚或厚煤层一次采全高无人自动化和特厚煤层无人放顶煤开采。
2)作为解放层
利用无人工作面开采高瓦斯煤层实现瓦斯的预先释放,降低瓦斯的浓度,保证生产安全。
3)传统工艺和自动化技术的结合
以传统的采煤工艺为原则,利用现代科学技术去丰富和改进传统的开采水平、管理模式、组织结构和采矿工艺。
4)科学采矿技术
无人工作面是在先进、完善的顶板监控监测系统、安全专家系统、灾害预测预警系统等下进行,以科学采矿思想为原则,实现资源的合理化配置,基本实现零死亡。
5)高度自动化、信息化、高产、高效
整个生产过程采用先进的自动化技术和大功率的设备,自动化水平高、生产能力大、效率高。
3 无人工作面系统模型
无人工作面是一个复杂的系统工程,它是不同领域技术的交叉和综合,要实现无人工作面需要投入大量的人力、物力和财力,就目前采煤工作面开采技术现状来看,它包括很多子系统,按其功能流和数据流可将其分解为:三机自动控制系统,三机工况检测与诊断系统,防尘、防水、防震和防爆系统、工作面灾害预测预报系统,“采煤-环境”安全专家系统,采煤工艺智能系统、数字化显示与更新系统,采矿模拟系统和决策仿真系统。
3.1 三机自动控制系统
工作面的三机主要包括:采煤机、液压支架和刮板输送机,实现三机自动控制是实现无人工作面的基础。采煤机是无人工作面设备的核心部件,实现无人工作面的关键技术就是研究适合中国煤层条件的采煤机自动控制系统。采煤机的自动控制系统包括自主定位与自动导航系统及自动调高系统,采煤机高速、精确自主定位导航技术是实现采煤机自动控制系统的关键。液压支架电液控制系统是目前最先进的支架控制方式,集机械、液压、电子、计算机和通信网络等技术于一身,可实现拉架、推溜、打护帮板、收护帮板以及架间喷雾等随机联动自动化,以及自动控制液压支架动作,实现支架本架控制、邻架控制、隔架控制、运行状态和工作面矿压监测的远程控制等。新型智能化刮板输送机在各性能方面取得了很大的发展,代表了当今世界刮板输送机的最高水平,实现了自动推移控制,同时向大型化、智能化、高可靠性及元部件标准化方向发展。
3.2 三机工况检测与故障诊断系统
三机工况自动检测与故障诊断系统为实现三机在工作面安全运行提供可靠保障,采煤机智能化检测技术已经达到较高水平,大柳塔矿、东滩矿和寺河矿引进的DBT、久益等公司的新型电牵引采煤机具有建立在微处理机基础上的智能监控、监测和保护系统,在采煤机上安装有电压、电流、绝缘、牵引力、方向、位置、流量、压力、温度、湿度、速度、摇臂倾角及机身倾斜等传感器,可以检测169个采煤机的参数,实现交互式人机对话、远近控制、无线电随机遥控、数据采集存储及传输工况监测及状态显示、故障诊断及预警等多种功能。液压支架90%以上的故障是液压系统泄漏,目前中国液压系统泄漏故障自动检测及其诊断技术发展比较成熟。刮板输送机的故障诊断和工况监测技术可以连续监测输送机各种部件的运行状态,进行故障诊断和报警,同时为解决刮板输送机的启动问题、功率平衡问题、过载保护和悬链问题,国内外公司研制出各种可控驱动装置和自动调链装置,采用CST可控驱动装置、ACTS自动调链装置及工况监测系统,使其向智能化自动化方向发展,从而实现了功率大、事故率小、效率高和安全运行。
3.3 灾害预测预报系统
工作面灾害自动预测预报系统通过各种传感器对井下煤层厚度及其变化、顶底板岩层组合及其空间分布,构造(断层、褶曲),矿井水文地质及瓦斯地质、煤层中的地质异常体(岩浆岩侵入体、岩溶陷落柱和煤层冲刷),煤层夹矸、地应力、地温、工作面顶板状态、瓦斯爆炸、地热害以及由它们诱发地震、突水、煤与瓦斯突出等进行监测;将监测信息传送至控制中心,利用预测评价软件系统和地质信息处理系统,为保证工作面的生产效率提供地质数据和分析判断,从而避免因地质条件的复杂性和无序变化造成井下工作面事故的发生,保护井下各种传感器和精密设备安全。综采工作面的综合检测系统的发展为无人自动预测预报系统奠定了基础,数字防爆横波地震仪、数字防爆坑道无线电波透视仪、数字防爆直流电法仪、防爆瑞利波仪、钻孔防爆直流电法仪、钻孔防爆测斜仪、便携式智能化地震仪、地质雷达和煤与瓦斯突出自动定位仪等矿井物探仪器为探测采煤工作面前方地质构造提供了条件。
3.4 “采煤-环境”安全专家系统
“采煤-环境”专家可靠系统模型为无人工作面提供了可靠的安全系统保障,保证无人工作面的高产、高效和可靠性。它能判断机电设备和周围环境的状态,快速采集各种数据并进行分析、诊断以及预测,从而保证设备能自动工作在最优的状况下。综合分析无人工作面可靠性系统的影响因素,包括环境因素和机械设备因素,它们分别组成了环境系统和机械系统。环境系统包括静态和动态因素,井下温度、顶板淋水、顶板松软、底板松软、断层、瓦斯、煤层厚度、倾角等是静态地质因素,但在采煤过程中随机出现,具有动态特征;顶板状态随着采煤速度、采高以及支架状态的变化是动态变化,而顶板的初次来压、周期来压以及工作面前方应力分布又具有一定的规律,具有静态特征。机械系统可靠性影响因素主要包括三机自动化配套和采煤工艺系统可靠性,自动化程度高、功率大,效率高是无人工作面最大的特征,因此三机配套不仅包括几何尺寸配套、性能配套、生产能力配套和寿命配套,还有自动化程度的配套;采煤工艺系统基本为一串联系统,系统中每一个工艺环节发生故障都将造成采煤机的停止采煤,工作面设备和环境系统的相互交叉形成了“三机-围岩”系统。
3.5 采煤工艺智能化系统
综采高产高效工作面自动化程度不断提高,工作面生产过程基本实现了自动化操作,自动化生产系统中,主要设备为采煤机、液压支架和刮板输送机,三种设备是相互独立,依照一定的原则分开控制,基本上实现了自动化、高效和安全生产,这些为无人工作面采煤工艺自动化奠定了基础。随着内置式多功能微处理机、智能控制采煤机和综采工作面自动综合监测系统的发展,增加了采煤机动态控制与故障处理能力,根据地质条件的变化,改变煤机的运行状态参数(截割速度、滚筒位置、破碎机位置),无人工作面采煤工艺智能化实现成为可能。例如当顶板不好时,支架受力状态发生变化,将会自动调整移架的方式、移架速度、采煤机割煤速度和截深等;刮板输送机过载时,采煤机将会改变割煤速度、深度来调整生产能力,放煤口根据放煤方式、放煤布局以及放煤时间自动控制放煤总量。无人工作面采煤工艺的自动化调整系统使工作面整体系统工作在最佳状态,保证工作面和谐、安全、可靠的生产。当顶、底板状态,煤层厚度变化,以及刮板输送机承载状态变化时。
3.6 采矿模拟系统
无人工作面采矿模拟系统利用虚拟现实技术创造出一个三维的采矿现实环境,模拟采矿作业过程以及工艺设备的运行,操作人员可以与该系统进行人机交互,在任意时刻穿越任何空间进入系统模拟的任何区域。该系统能识别物体、输入和处理各种信息、控制物体运动、模拟自然规律、确定空间状态,其主要特点是创造一个与现实开采情况极为接近的三维环境,通过计算机显示采矿作业情况,获得生产系统运行状况平面图、不同的设备动态显示图和设备运行具体参数,包括运行的时间、产量、设备间的距离等动态信息,通过对不同型号设备、不同开采参数下的生产系统进行动态模拟,从而达到优化和评价生产系统的目的。
3.7 决策仿真系统
无人工作面的决策仿真系统是一个智能型的多层次结构,通过系统的中心控制将地质信息、设备信息数据库、各种控制与监测系统、软件系统以及模型有机地结合起来,完成开采工艺与设备的优化决策,同时根据操作人员参与活动所产生动态、直观的反应和操作,使计算机模拟、设计的优化和决策系统具有逻辑思维、直观形象思维甚至创造思维能力能随时根据工作面生产状况信息的改变做出迅速反应,寻找最佳解决办法。
4 无人工作面的技术框架及关键技术
根据无人工作面的系统模型,分析要实现无人工作面各个子系统所需要的技术支撑,包括采煤机自主定位与自动导航技术、采煤机自动调高技术、煤岩自动识别技术、液压支架电液控制技术、刮板输送机自动推移技术、三机工况检测和故障诊断技术、井下高速双向通讯技术、组件式矿山软件与模型技术,数据库技术以及井下多传感器技术,其技术框架如图5所示。研究中国煤矿工作面自动化水平,基于无人工作面的概念、特征、系统模型及技术体系的分析,要实现符合中国国情的无人工作面,需要对现代先进技术进行集成创新,完成以下关键技术。
4.1 煤岩界面自动识别与自动调高技术
目前已有了20余种煤岩分界传感机理和系统,诸如记忆程序控制系统,振动频谱传感系统,天然γ射线、测力截齿、同位素、噪声、红外线、紫外线、超声波、无线电波、雷达探测等,由于井下煤层和围岩条件十分复杂,难以准确、可靠地判断煤岩分界,都未成功地应用于实际,因此研制出工作可靠、有一定分辨率的煤岩分界识别传感器,是实现采煤机滚筒自动调高的关键。近年来总的发展趋势是将具有一定分辨率的煤岩传感器结合计算机控制,组成煤岩分界传感装置及煤岩分界识别系统,尤其是国内研制大功率自动化采煤机时,应优先考虑采用这类组合形式。加大力度进一步研究组合式调高技术方法,其中记忆智能程控煤岩分界识别及控制系统在实际中应用最多,也是目前国外机型采用最多的技术,而雷达探测技术是最有应用前景的技术。
4.2 采煤机自主定位系统
无人工作面的技术基础是高速地下通讯系统和高精度地下定位、定向系统,中国目前这方面的研究尚处于空白,中国研制成功的首台采矿机器人(MR)也未很好地解决地下定位问题,而与GIS技术相结合的无人采矿定位技术更是在国内外处于空白阶段,研究具有自主定位系统的采煤机是实现无人工作面的突破,其包含以下5个方面。
1)采煤机动力学模型
采煤机工作环境复杂、恶劣,采煤路线、煤岩性质的连续变化,对采煤机的运动造成各种扰动,改变了采煤机的运动状态,准确确定某一时刻采煤机的速度、加速度、以及位置等运动状态参数将比较复杂。建立自主定位采煤机所需要的动力学模型,确定采煤机在不同采煤工艺下的运动状态,模拟各种外界因素对采煤机运动的影响程度,为自主定位系统的实现提供基础性关键技术。
2)移动目标的位置与速度精确计算
必须研究有效的求解方法,解决计算精度、计算量、计算时间及坐标转换的问题。
3)航位推算系统误差补偿模型
惯性传感器的误差是影响航位推算系统精度的主要因素,惯性传感器产生的误差跟所在的工作环境有密切的关系,必须研究解决在矿井地下特定环境中产生误差问题。单纯依靠仪表的结构设计与制造工艺来减少传感器的误差,常会受到技术上与经济上的制约,必须采用先进的最优估计理论与方法,进行移动目标位置的最优估计,减少传感器的随机误差对位置状态的影响,从而减少误差积累,提高航位推算(DR)系统的定位精度。
4)航位推算系统环境适应性问题
煤矿井下工作环境恶劣,要使航位推算系统能在井下正常工作,必须解决它的防爆、防水、防尘、防震动等关键技术问题。
5)矿井电子地图导航数据库的建立与地图匹配(MM)算法的研究
利用高精度电子地图的软件平台和GIS二次开发技术形成无人工作面采煤机定位系统的软件平台。地图匹配的前提是采煤机运动在轨道上,而与采煤机有关的轨道数据已知,将已知的采煤机运动路线的数学特征与地图数据库中的轨道特征相比较,从而确定采煤机的运动位置和运动轨迹并校正传感器的误差,实现地图匹配。系统将监测信息存储进数据库,利用矿井电子地图,在计算机显示其所在位置,在地面监测主机上实时、直观地显示监测结果,随时可以汇报采煤机行进状态。
4.3井下-井上双向高速通讯技术
在矿井通信方面,如何快速、准确、完整、清晰、实时地采集与传输井下各类环境指标、设备工况、作业参数和调度指令等数据,并进行井上-井下双向传输,尤其是实现信息由井上到井下反馈,是有待改进的技术问题。
4.4 采矿工艺智能化技术
在工艺智能化方面,实现采矿设备整体与整个作业流程中的自动控制、协调、适应、保护、调整和修复,甚至再生,研究和设计无人工作面的新的作业过程及其作业模式。
4.5 工作面组件式软件与模型
工作面灾害智能预测预报系统、“采煤-环境”安全专家分析系统、无人采矿的模拟与决策系统的仿真、三机自动控制系统以及工况检测与诊断技术,均以各类应用软件与相关模型为工具,必须针对不同应用和需求,研究建立相应的模型,开发多品种、多型号、多功能和组件式软件。
4.6 多传感器技术
无人智能化采煤工作面采集各种信息需要大量的传感器,多传感器的配合使用、准确信息采集以及多传感器融合处理技术等都需要进一步的研究。
4.7 无人工作面数据库技术
根据数据库的相关理论,结合煤矿无人工作面的生产情况,建立起相应的数据库,实现对数据的增加、删减、修改、查询、报表打印等功能,同时为可视化技术提供三维数据,从而实现工作面信息的拓扑空间查询、分析与应用及许多采矿安全问题的模拟、分析与预测。无人工作面数据库技术所涉及到的数据信息量巨大,不仅包括地质数据和工程数据,还有这些数据经过处理生成的中间数据等。尽快攻克3D实体拓扑描述、表达、组织与动态维护以及数据库大量信息的维护成为数据库技术需要解决的难题。
5 应用示范
在西方一些国家,如英国和澳大利亚,已进行过自动化采煤,自动化采煤对煤层要求较高,只适用于煤层较为平缓、顶板比较稳定、采高比较固定的区域。2000年9月,德国DBT公司与国内科研单位及煤机厂家合作,中国第一套综合自动化薄煤层无人工作面在铁法小青煤矿诞生。全自动化开采设备中,刨煤机是一种浅截式采煤机械,系统设备由滑行刨煤机、刮板输送机、液压推进装置和电控设备4部分,以及刨煤机及GH9-34VE/4.7滑行刨,PE2.30/732刨头运行轨道系统,液压支架PM4电液控制系统,配套国产ZY-6400/09/200掩护支架、SZZ-764/160转载机组成。其主要特点是:截深浅,一般为100～200 mm;速度快,牵引速度为1.8～2.2 m/s;采高范围大,0.9～2.2 m;可调性好,在运输机采空侧设置调斜千斤顶,顶板暴露面积小,易于控制,煤层厚度平均为1.3 m,倾角为5°～8°,赋存稳定,工作面长度为150～200 m,连续推进长度为905 m。2001年1月试产,平均日产3 712 t,最高日产6 480 t,平均月产11.18万t,最高月产14.2万t,年产150万t水平。2003年8月,山西焦煤集团马兰矿也投产了一套全自动刨煤机系统,实现薄煤层无人工作面开采,煤层厚度为0.8～1.4 m,工作面长度200 m,截止2003年10月8日,累计生产原煤66 817 t,最高日产为6 280 t。神府东胜煤田地质结构简单,煤层厚、稳定,开采条件十分优越,神东煤炭公司2004年进行了自动化工作面的初步试验,在此基础上,2005年经过半年多的调试,先后建成了榆家梁煤矿45204半截深自动化工作面、哈拉沟煤矿02203半截深自动化工作面和补连塔煤矿31306大采高双向全截深自动化工作面,单个工作面月产量均达90万t以上。
6 结论
基于科学采矿思路,本文研究了现代煤矿的无人工作面开采技术,得出结论如下：
1)研究中国煤矿开采存在问题,基于综采工作面自动化状况,提出发展无人工作面开采技术是解决煤炭行业的安全生产及可持续发展的重要途径。
2)分析了国内外无人采矿技术,提出现代煤矿无人工作面的定义,构建了要实现无人工作面所需要的系统模型和技术框架,研究了各个子系统的发展现状以及实现无人工作面要突破的关键技术,重点介绍了采煤机自主定位系统的主要内容。
3)初步建立了无人工作面的技术开发体系,为发展中国现代煤矿无人工作面提供了研究思路和理论框架,为今后无人开采设备开发以及实现“数字矿山”奠定了基础。
