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智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析

我国煤炭资源十分丰富,煤炭相关产业也是我国经济的主要来源,因此煤矿开采的相关技术成为了近几年来我国研究的主要对象。现阶段在我国煤炭的开采过程中仍然存在着一定问题,为了进一步提高煤矿的安全生产,煤炭的开采技术已经朝着现代化方向发展,就此文章分析了智慧煤矿基础、开采的必要性、开采的核心技术及发展目标。引出建设智慧煤矿发展智能化开采是煤炭工业发展的必然选择。

    

煤矿的开发与利用直接关系到我国整体经济的发展走向。世界能源格局及现实的经济社会需求决定了在未来相当长时间内,煤炭仍将在世界能源结构中占有较大比例,仍将是中国的主体能源,难以被替代,利用科技的进步消除煤炭生产、利用的环境负效应,实现安全高效绿色开采和清洁高效利用是煤炭的发展方向,其传统产业模式亟待变革。

决胜21点 一、智慧煤矿基础

决胜21点智慧煤矿是基于现代智慧理念,将物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网技术,机器人、智能化装备等与现代煤矿开发技术深度融合,形成矿井(区)全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的完整智能系统,实现矿井(区)开拓、采掘、运通、洗选、安全保障、生态保护、生产管理等全过程智能化运行的体系。智慧煤矿的总体目标是形成煤矿完整智慧系统,全面智能运行,科学绿色开发的全产业链运行新模式。数字化和信息化是智慧煤矿的基本要求,首先要解决3个基础理论问题:

1.数字煤矿多源异构数据的统一表达及信息动态关联关系;

决胜21点2.复杂围岩环境-开采系统作用机理及设备群全程路径和姿态智能控制的理论基础;

决胜21点3.矿井设备群的系统健康状况预测、维护决策机制。目前,针对这些基础问题正在开展研究(国家自然科学基金重点项目),以形成多源异构数据处理理论方法、复杂系统智能控制基础理论及系统性维护构成的数字煤矿及智能化开采基础理论体系,为数字煤矿智能决策、精准控制、可靠性保障提供理论支撑。

二、智能开采的必要性

1.煤炭的地位,近年来,在世界能源革命不断向纵深发展的背景下,虽然清洁能源(包括核能、水力发电、再生能源)在能源消费中比例逐年增加,然而化石能源在能源框架中的主体地位尚未改变,2016年在全球能源结构中,传统化石能源的占比仍达85.5%。而在我国,2012-2016年煤炭在一次能源结构中一直保持在60%以上,基于富煤、贫油、少气的资源禀赋,有关专家预测:未来30年内,以煤为主的能源消费框架不会发生根本性转变。

决胜21点2.面临的挑战,目前,我国的煤矿以井工开采为主,大量煤矿地质构造复杂,“水、火、瓦斯、煤尘、顶板”五大自然灾害时刻威胁着煤矿生命安全。2010年至2014年,我国共发生煤矿事故353起,死亡2137人,随着对生产工作环境的要求的不断提高,部分地区的生产煤矿用工荒问题也在倒逼煤矿生产技术的全面提升和变革。

三、智慧煤矿与智能化开采关键核心技术

1.地下开采装备精确定位和导航地下开采定位

为保证煤矿开采、掘进装备沿着规划的路径和方向推进,必须准确测量设备的空间位置和运行轨迹。然而,煤矿井下为完全封闭空间和复杂电磁环境,没有卫星导航信号辅助,实现定位和导航的难度很大。目前,提出了基于GIS地理信息系统的导航、基于RFID的AOA和TOA算法、捷联惯导系统、UWB超宽带定位等多种定位和导航技术,但还存在诸多问题。

决胜21点 (1)低成本、高精度的适用于复杂磁场环境下的捷联惯性导航技术

 (2)局部定位导航应用场景核心芯片技术

决胜21点 (3)井下5G高速无线通信技术

 (4)井下高精度定位系统;

 (5)基于精确定位导航的井下避障技术

 (6)掘进机精确制导技术;

决胜21点 (7)辅助运输车辆无人驾驶系统。

 2.开采智能探测

(1)煤岩分界

  采用太赫兹技术利用单天线进行多普勒雷达脉冲的发送和接收,信号通过煤岩层时会减弱,并且遇到煤岩界面会发生反射。反射波的速度相位滞后或从发射波到反射波被接收的时间间隙,除与发射波频率、煤和顶板岩性等可测知的因素有关外,还与电磁波在顶底煤中穿越路程即顶底煤厚度有关。

(2)煤矸放落自动识别

  煤矸放落自动识别一直是综采工作面的技术难题,通过时域光谱技术探测是一种可行的技术方法。时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的电场,通过傅里叶变换获得被测物质的光谱信息,通过特征频率对物质结构、物性进行分析和鉴定,适用于煤炭矿物质的实时成分分析。

(3)超前探测

 超前探测系统无须预先求取煤岩物理特性,适用范围更广,具有可靠的精度,在多数顶板条件下能够运行良好。但是也存在其固有的问题:在具有波散射性质的煤层表现不好,探测范围小,发射器功率偏低,深入煤层的深度范围有限,需要未来功率更大的信号源支持来克服信号在煤层内的衰减。

决胜21点 四、慧煤矿与智能化开采发展目标

 作为煤炭产业转型升级和技术革命的战略目标,智慧煤矿和智能化开采核心技术的研发已成为采矿行业升级发展的强大推动力。然而,建设智慧煤矿不是简单技术改造就能建成的,其中包含的系列关键技术需要进行不断的探索和攻关,并借助新一代信息技术带来的发展机遇,借助第4次工业革命和新技术发展的成果,与煤炭开发技术深度融合,开创绿色、安全、高效的煤矿发展新模式。智慧煤矿的总体目标是形成煤矿完整智慧系统,全面智能运行,科学绿色开发的全产业链运行新模式。智能化开采是煤炭综合机械化、自动化开采技术的新发展,其总目标是实现无人化开采,智慧煤矿与智能化开采技术的发展尚处于起步阶段,必然经历一个不断发展的过程,要经历从初级智能化到高级智能化的过程,其分阶段目标如下:

(1)近期目标:到2020年,在目前煤矿信息化、数字化和智能化开采技术成果基础上,通过推广应初和技术升级,建设100个示范煤矿,初步构建智慧煤矿系统框架,实现采掘运主要环节单个系统、单项技术的智能化决策和自动化运行,实现工作面内无人操作、有人巡视,远程监控的自动化生产。

(2)中期目标:到2025年,攻克一批智慧煤矿与智能化开采的短板技术,提高煤矿智能化水平,全部大型煤矿全面实现智能化开采,构建起多信息融合的智慧煤矿系统,实现采掘运通多个系统的智能化决策和自动化协同运行,井下主要岗位作业、安控与应急救援的机器人替代,工作面无人化作业。

决胜21点(3)远期目标,到2035年,全面突破和完善智慧煤矿与智能化开采的关键技术,全面实现煤矿的智能化和现代化,构建起煤矿及矿区多产业链、多系统集成的智慧煤矿系统,全面实现生产和管理信息的数字化,全部主要生产环节的智能决策和自动化运行,达到全矿井一线作业、安控和应急救援的机器人化,无人化作业。

 结束语

 智慧煤矿建设是煤炭工业技术革命、产业转型升级的战略方向和目标,智能化开采是智慧煤矿的核心技术。本文作者针对智慧煤矿平台进行了简要介绍,对智能化开采的核心技术进行了详细分析,希望能够给业界人士带来一定的参考价值,在未来让智能化开采技术更好的应用在煤矿行业,让我国的煤矿开采真正实现智能化、绿色化、环保化。


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