煤礦自動化技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展

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1引言

目前，煤炭在我國能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)中占比70%以上（孫繼平，煤礦自動化與信息化技術(shù)回顧與展望：工礦自動化，2010年6期），且是一種廉價、供應(yīng)可靠、可潔凈利用的能源，與石油、天然氣相比儲產(chǎn)比最大，而核電、水電、風(fēng)電等能源規(guī)模又無法與其相比，因此，煤炭仍將是我國的主要能源。隨著工業(yè)革命的持續(xù)發(fā)展，世界發(fā)展的主要方向是信息化、自動化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化，這就要求各行各業(yè)必須緊跟時代潮流，才能進一步提高生產(chǎn)力，滿足人類自身的發(fā)展。在煤礦開采業(yè)，必須加大自動化生產(chǎn)力度，推動煤礦自動化生產(chǎn)，以盡可能在市場各環(huán)節(jié)實現(xiàn)監(jiān)控自動化、綜合管理指揮網(wǎng)絡(luò)化，從而安全、高效的開展煤礦營運工作。

2礦山自動化概況

礦井自動化系統(tǒng)泛指使采礦生產(chǎn)過程實現(xiàn)自動的檢測、控制、調(diào)節(jié)和保護的措施或方法，對提高勞動生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量控制、提高生產(chǎn)安全有重要作用。其生產(chǎn)過程復(fù)雜、場所分散、移動頻繁決定了礦井自動化的特點。礦井提升分主井和副井提升。主井提升任務(wù)單一，易于實現(xiàn)全自動化。提升機自動控制要求提升容器嚴(yán)格按照規(guī)定的速度運行，實現(xiàn)在規(guī)定的位置準(zhǔn)確停車，其速度根據(jù)提升機和容器的任務(wù)、形式和井口裝備條件等因素來確定。其關(guān)鍵技術(shù)是控制減速階段的速度，一般通過形成調(diào)節(jié)器實現(xiàn)。提升容器的自動裝卸載主要依靠設(shè)備的可靠性來保障，目前我國多采用定容斗的裝載設(shè)備。副井提升任務(wù)繁重，負載變化大，一般采用遙控操作來實現(xiàn)半自動化，如司機在井口操作或上下井人員在罐籠內(nèi)通過按鈕控制。生產(chǎn)過程綜合自動化是把多個生產(chǎn)環(huán)節(jié)和多臺機械作為一個整體實現(xiàn)自動化，主要包括：采煤工作自動化、掘進工作自動化、井下監(jiān)測自動化、地面生產(chǎn)系統(tǒng)自動化等。這其中采煤工作自動化是實現(xiàn)礦井現(xiàn)代化的關(guān)鍵，長臂采煤綜合機械化的實現(xiàn)為工作面自動化的實現(xiàn)創(chuàng)造了條件，但目前要想全部實現(xiàn)閉環(huán)控制，尚有困難。采煤工作面自動化需要實現(xiàn)的主要技術(shù)包括：采煤機的牽引控制和功率的自動調(diào)節(jié)，根據(jù)井下煤層的實際情況，自動調(diào)節(jié)電動機使之恒功率運行；自移式液壓支架的檢測和控制，難點在于控制對象多，每個對象的狀態(tài)信息和控制指令多以及在井下惡劣的條件下如何傳輸大量的控制信息；采煤機位置校正，根據(jù)煤層厚度的變化，自動調(diào)整采煤機搖臂的高度，最大限度的出煤并降低含矸率。全礦井自動化是對礦井進行總體綜合控制，以實現(xiàn)整個礦井的最佳運行。從各生產(chǎn)過程采集的環(huán)境參數(shù)、生產(chǎn)參數(shù)等大量信息經(jīng)過計算機處理分析，及時做出決策，直接向相關(guān)的生產(chǎn)系統(tǒng)或控制人員發(fā)送指令，從而實現(xiàn)整個礦井的自動化。礦井復(fù)雜的生產(chǎn)條件和技術(shù)方面的限制決定了現(xiàn)階段全礦井自動化難以實現(xiàn)，應(yīng)用遙控技術(shù)的采礦機器人的出現(xiàn)可能改變這一現(xiàn)狀。

3我國礦井自動化建設(shè)的現(xiàn)狀

我國的煤礦自動化技術(shù)在20世紀(jì)末得到迅速發(fā)展，在煤礦開采的每一個環(huán)節(jié)中都有自動化技術(shù)的應(yīng)用，但相比歐美一些發(fā)達國家，我國的煤礦自動化技術(shù)還是比較落后的。煤礦采煤機已經(jīng)由先前一直采用液壓、直流牽引發(fā)展到了采用電牽引采煤機，組合電機使用率較低的情況大有改觀（徐宏亮，論煤礦自動化的現(xiàn)狀與發(fā)展研究：科技探索，2013年21期）；我國的井工輸送裝備的主要技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)與世界先進水平持平甚至略有超越（劉慶華，張林，煤礦井下工作面運輸裝備的現(xiàn)狀及發(fā)展前景：中國煤炭，2013年10期），但行業(yè)整體跨度大，中小企業(yè)相比國外落后很多；美國是使用刨煤機最普遍的國家，由于受到開采條件和成本等條件的限制，刨煤機并沒有在我們國家得到推廣使用；掘錨機組代表了高效掘進設(shè)備的最高技術(shù)水平（栗魯平，煤礦巷道高效掘進技術(shù)及設(shè)備的研究現(xiàn)狀：科技資訊，2011年10期），國外采煤國家已廣泛使用掘錨支一體化的綜掘機，而國產(chǎn)掘錨機組仍為空白；綜采放頂煤開采方法適用于地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜和煤層厚度較大的采煤工作面，我國的綜采放頂煤開采技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。煤炭行業(yè)的特殊性導(dǎo)致他易發(fā)生瓦斯爆炸、火災(zāi)、突水等事故，國內(nèi)很多廠商可以生產(chǎn)一些監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)品，比如AL、KJ系列，但相比國外的監(jiān)控技術(shù)，這些產(chǎn)品傳感器質(zhì)量較差、軟件跟不上節(jié)奏、可靠性低，沒有專家診斷系統(tǒng)。總的來說，我國的自動化發(fā)展總結(jié)為以下幾點：

1.發(fā)展不平衡且缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)（檀靜，我國煤礦自動化建設(shè)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究：企業(yè)家天地，2013年7期）。由于煤礦開采生產(chǎn)環(huán)境惡劣，因此煤礦自動化程度遠遠落后于其他行業(yè)，并且表現(xiàn)出了發(fā)展不平衡的特點，國有煤礦和重點煤礦建設(shè)程度遠優(yōu)于地方小煤礦。在已建成的系統(tǒng)中，由于缺乏統(tǒng)一的規(guī)劃和標(biāo)準(zhǔn)，雖然有越來越多的自動化供應(yīng)商進入行業(yè)，有生產(chǎn)和研究硬件設(shè)備的，有做系統(tǒng)集成管理的，也有做煤礦信息管理軟件的，但大多數(shù)設(shè)備和系統(tǒng)都是在獨立的情況下運行的，不能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自由和信息共享，還有相對孤立的信息和自動化孤島現(xiàn)象（王天福，賀勝寬，探究煤礦自動化發(fā)展方向：中國石油和化工標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量，2012年11期），這樣就極大的限制了這些信息發(fā)揮的能力。

2.一些關(guān)鍵技術(shù)亟待解決。先進的傳感器種類少、穩(wěn)定性不佳、使用壽命相對較短、維護工作量較大造成的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)可靠性不高；井下復(fù)雜的巷道工作環(huán)境，一些突發(fā)的情況造成的信號數(shù)據(jù)出現(xiàn)的偏差甚至丟失現(xiàn)象；工作面由于條件惡劣、光纜易斷，所以難以大規(guī)模投入使用，造成工作面設(shè)備使用成本比較高，因此，礦用光纜在惡劣條件下的使用和修復(fù)問題要求我們要加快開發(fā)高強度的快速安裝式礦用光纜；自動化程度低造成的工作面刮板運輸能力小、過煤量低、計算機控制能力較弱等缺點。

3.重硬件投資，輕軟件投資。近幾年，煤礦企業(yè)在信息化的投入不斷加大，但大多投入了硬件設(shè)備上，建立了局域網(wǎng)，采購了大型服務(wù)器架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，但卻忽視了最重要的信息數(shù)據(jù)開發(fā)。由硬件采集到的數(shù)據(jù)不能為現(xiàn)行生產(chǎn)、研究提供有用的信息和實際的依據(jù)。目前，我國尚沒有一個煤礦全面、完整的實現(xiàn)全礦井綜合自動化，所有系統(tǒng)共用一個網(wǎng)絡(luò)平臺。近幾年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云技術(shù)的出現(xiàn)給煤礦自動化建設(shè)提供了一個良好的技術(shù)平臺，一些自動化建設(shè)過程中遇到的技術(shù)難題有望得到徹底解決。

4未來煤礦自動化重點研究方向

4.1高度集成的現(xiàn)場信息

煤礦井下工作環(huán)境惡劣，地質(zhì)條件復(fù)雜多樣，不可預(yù)測的情況時有發(fā)生，簡單的自動化控制已經(jīng)無法滿足煤礦作業(yè)的要求。高度集成的現(xiàn)場信息是在設(shè)備自動化的基礎(chǔ)上，通過傳感器對現(xiàn)場信息進行采集，實現(xiàn)無人工作面地面遠程控制（朱濤，煤礦自動化發(fā)展中存在的問題及對策分析：電子世界，2013年10期）。要實現(xiàn)這一想法，不僅需要全面的接入井下監(jiān)測控制子系統(tǒng)，同時更高精度的先進傳感器、傳感器的無盲區(qū)布置和本安無線通信及本安光纖通信這些關(guān)鍵技術(shù)也是關(guān)鍵技術(shù)。

4.2煤礦瓦斯、突水、火災(zāi)等重大災(zāi)害預(yù)警技術(shù)

現(xiàn)有的安全監(jiān)控系統(tǒng)具有瓦斯等實時監(jiān)控、超量報警等功能，部分系統(tǒng)具有瓦斯、火災(zāi)、突水等重大災(zāi)害的預(yù)警功能，但這些功能往往是根據(jù)監(jiān)測值的歷史數(shù)據(jù)走向預(yù)警的，預(yù)警準(zhǔn)確率非常低。因此，迫切需要進一步研究重大災(zāi)害預(yù)警技術(shù)，提高預(yù)警準(zhǔn)確率。

4.3應(yīng)急救援和精確定位技術(shù)

煤礦井下事故具有突發(fā)性，當(dāng)井下災(zāi)害發(fā)生后，及時采取處理措施可以有效的減少人員的傷亡情況。雖然目前人員定位技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，但是更能滿足災(zāi)后救援需求的井下人員精確定位技術(shù)還處于起步階段；另外由于煤礦井下防爆，無線傳輸干擾大等條件限制，地面一些成熟的技術(shù)無法在井下應(yīng)用，適用于井下的生命探測技術(shù)等亟待解決。

4.4煤礦數(shù)據(jù)的高效利用

煤礦控制中心建立起了企業(yè)級的數(shù)據(jù)倉庫，高效利用這些數(shù)據(jù)，對設(shè)備進行監(jiān)控分析，對各類生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進行綜合分析，即使調(diào)整實時生產(chǎn)中的各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對各類設(shè)備和資源的合理配置和優(yōu)化配置，利用最少的成本創(chuàng)造最大的效益。