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智能化开采处于什么阶段

原创: 张学亮 绿色能源世界

目前,国内智能化开采发展日新月异,标准、政策逐步完善落地,采矿机器人提上日程,截止2018年底,有145个综采工作面已经实施了智能化开采。

对于智能化开采的表述,中国煤炭科工集团及其下属的北京天地玛珂电液控制系统有限公司一般将其称为“智能化无人开采”或“无人化开采”,一些国外公司将其表述为“高级自动化”。

对于智能化开采处于什么阶段,从几个点出发,进行初步探讨。


 

路线与阶段

 

2008年,方新秋等发表《煤矿无人工作面开采技术研究》,基于科学采矿理念,分析煤矿开采现状,研究存在的问题,提出高度自动化与传统综采工艺相结合的无人工作面的概念和系统模型,构建了无人工作面的技术框架,分析了需要解决的关键技术,包括采煤机自动调高、采煤机自主定位与导航系统、煤岩界面自动识别、井上/井下双向通讯、采煤工艺智能化、工作面组件式软件和模型及数据库技术,指出了应用状况。

2014年9月,北京天地玛珂电液控制系统有限公司的张良等发表《煤矿综采工作面无人化开采的内涵与实现》,针对目前煤矿井下综采工作面无人化开采的概念、可行性及实现方式等存在争议的现状,提出了综采工作面无人化开采的内涵,并阐明了工作面无人化与工作面智能化、自动化等内在联系与区别;分析了影响无人化开采的技术因素和非技术因素,并提出了无人化开采需经历遥控型无人开采和智能型无人化开采2步走的技术路线

中国能源报2017年11月对中国煤炭科工集团北京天地玛珂电液控制系统有限公司董事长张良作了题为《煤矿智能化无人开采引领美好未来》的专访,张良指出,我国煤炭智能化无人开采技术2010年起分别经历了可视化远程干预(1.0时代)和工作面自动找直(2.0时代)两个技术阶段目前正处于向透明工作面(3.0时代)研究过程中,最终将进入透明矿井(4.0时代)的技术阶段,实现煤炭无人化安全高效开采的目标。

智能化无人开采技术3.0时代在2016年开始准备的国家重点研发计划“煤矿智能开采技术研究与装备研发”中提出,按照“产学研用”模式,由天地科技股份公司牵头,联合神华神东煤炭公司、陕煤化黄陵矿业公司、兖矿集团、阳煤集团等国内相关领域实力强大的19个单位开展基于煤矿“透明工作面”的智能开采技术研究与装备的研制,计划到2020年实现“透明采煤”,即:在常规地质勘探成果基础上,以地质雷达、电磁波CT等精细工程物探成果和巷道激光扫描数据构建初始地质模型,以煤岩识别等数据实时修正形成动态地质模型,融合设备位置姿态和环境状态等实时数据形成动态透明工作面。

智能化无人开采技术3.0时代是针对煤矿井下围岩状态感知及生产装备控制难题,主要研究基于透明工作面的高精度三维地理模型构建、智能开采控制和超前巷道智能化协同支护等技术,研制支撑智能化安全生产的地理信息系统和设备定位装置、综采成套装备智能控制系统、智能化超前支护等装备。

2019年4月,中国煤炭科工集团北京天地玛珂电液控制系统有限公司总经理兼总工程师李首滨发表了题为《煤炭智能化无人开采的现状与展望》的文章,介绍了国外煤炭智能化无人开采技术发展现状和国内煤炭智能化无人开采技术进展,阐述了智能化无人开采的目标、技术模式与关键技术路径,提出了一种基于智能自适应开采技术模式的层次控制模型,并介绍了相关的关键技术。结合我国在煤炭智能化无人开采领域的实践探索经验,对煤炭智能化无人开采技术进行了展望。分析表明,我国目前正处于综采自动化结合远程可视化干预的智能化无人开采阶段,未来会朝智能自适应开采模式逐步发展演变,以最终实现真正的工作面智能化无人开采。

提出了一种智能自适应开采技术模式下的控制模型,这种控制模型仍然以综采成套装备为执行系统,通过大量工况传感器感知综采装备的工作状态,以激光扫描、可见光/热红外视频、瓦斯传感器、随采物探等多种传感手段,辅以钻孔、地质勘探以及掘进数据形成对工作面所处地质环境状态的感知;将大量的传感数据汇集存储到统一的数据仓库中,通过多源信息融合与三维物理仿真的手段在计算机空间内为工作面建立三维物理模型,使机器认知并理解工作面环境与装备的实际状态;在此基础上,应用机器视觉、三维物理计算等智能化方法有针对性地对煤岩识别、工作面找直、“上窜下滑”测量等关键问题进行智能化分析;在分析结果之上,通过人工智能机器学习的方法自主决策制定采煤机截割模板与液压支架全程自适应跟机计划;最后,通过系统集成控制技术,将控制指令下发给各综采装备控制系统,监控生产开采过程,形成“感知-分析-决策-控制”闭环。


 

困难与挑战

 

在《煤矿综采工作面无人化开采的内涵与实现》一文中,明确提到了相关影响因素。

(1)环境因素。

环境因素是影响煤矿综采工作面无人化开采的关键因素之一,工作面的顶底板条件、矿压、采高、倾角、俯仰角度、瓦斯等都会对开采起到很大影响。

(2)设备因素。

综采工作面无人化开采对设备的要求较高,对设备的可靠性、稳定性及自动化水平都有很高要求,如采煤机应具备在线检测、故障自诊断及全工作面记忆截割功能,液压支架电液控制系统应具备围岩自适应及全工作面跟机自动化功能。同时,综采工作面无人化开采需要有更可靠的手段获知工作面的设备运转情况,这就对设备的通信方式、视频系统效果、监控延迟性等技术都提出较高要求。

(3)技术因素。

煤矿井下自动化、智能化技术水平仍较低,相比工人实际操作水平有较大差距。因此,模拟人的感官和大脑运作,是实现智能型无人化开采的关键因素。一些智能化关键技术,如煤岩分界、煤岩识别技术、工作面直线度控制技术、采煤机随动截割等技术目前还处于研究阶段,导致部分较为复杂条件的工作面无法实现无人化开采。

(4)观念因素。

人的观念成为影响综采工作面无人化开采是否能成功的关键因素。认为无人化根本不可能实现,无人化无法提高甚至有时会减少产量,无人化技术对于工人的技术水平要求高等观念,严重影响了对于无人化开采的探索。

(5)管理因素。

煤矿综采工作面无人化开采方式也必然带来煤矿的组织结构、管理模式的转变,传统的支架工、采煤机司机都将有角色的转变,从现场操作工变为远程控制工和现场巡检工,而传统的煤矿管理模式也必须进行相应的改变。

以上因素中,以技术因素为最关键,《煤炭智能化无人开采的现状与展望》文中提到了后续发展的四大关键技术,分别为:①三维激光扫描技术;②惯性导航结合无线定位的复合导航定位技术;③UWB地质雷达等随采物探装备技术;④机器人技术。

国家能源技术革命创新行动计划指出:2030年重点煤矿区基本实现工作面无人化。上述技术能否在未来十余年时间内实现突破并顺利应用,是实现2030规划任务的关键。


 

发展建议

 

《煤矿综采工作面无人化开采的内涵与实现》文中,提到了实现思路。

(1)从简单地质条件到复杂地质条件逐步展开

煤矿井下综采工作面地质环境复杂多变,影响了综采工作面无人化开采的发展。应在较为简单的地质条件下实现无人化,再通过不断的技术提升,使得无人化开采技术不断进步,逐渐适应较为复杂的地质条件。

(2)从远程遥控型无人化开采到智能型无人化开采

①遥控型无人化开采采用拟人手段,将人的视觉、听觉延伸到工作面,将工人从工作面解放到监控中心,实现在监控中心对设备的远程操控,达到工作面无人化开采的目的。遥控型无人化开采是在当前煤矿自动化、智能化技术水平较低,关键设备如采煤机还不能自适应自主割煤、液压支架还不能自适应围岩的情况下,当地质条件发生变化或个别设备异常时就需要人工干预调整。

②智能型无人化开采是指突破综采工作面恶劣环境下信息安全传输、煤岩识别、工作面直线度控制、综采设备姿态定位、安全感知、视频监控、远程控制等多种关键技术,形成一套集检测、控制、视频、音频、通信于一体的综采工作面智能控制体系,确保综采设备连续、协调、高效、安全运行,实现工作面生产过程智能化、管理信息化、操作无人化。

在中国能源报所作的《煤矿智能化无人开采引领美好未来》的专访中,张良对实现2030目标需要解决的问题进行了简要阐述。

首先,从认识层面来看,要引导改变有些人存在智能化无人开采技术普遍推广会导致煤矿工人失业的误解,其实通过应用智能化无人开采技术,解放出来的工人可以转到设备维护、技术维护等工作岗位。另外,智能化无人开采技术的应用是解决采煤工人招工难的唯一出路。其次,从国家政策层面来看,国家应给予指导政策,就像推广新能源汽车一样,支持智能化无人开采新技术推广应用,给予应用智能化无人开采新技术的煤矿一定补贴,通过示范应用产生的成效,引导煤矿进行技术装备升级换代。

《煤炭智能化无人开采的现状与展望》文章结尾提到,目前距离真正实现智能化、无人化、常态化,仍须在管理观念、投入力度、研发团队建设等多方面下大工夫。

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