煤礦自動化技術的現狀與發展

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1引言

目前，煤炭在我國能源生產結構中占比70%以上（孫繼平，煤礦自動化與信息化技術回顧與展望：工礦自動化，2010年6期），且是一種廉價、供應可靠、可潔凈利用的能源，與石油、天然氣相比儲產比最大，而核電、水電、風電等能源規模又無法與其相比，因此，煤炭仍將是我國的主要能源。隨著工業革命的持續發展，世界發展的主要方向是信息化、自動化、智能化和網絡化，這就要求各行各業必須緊跟時代潮流，才能進一步提高生產力，滿足人類自身的發展。在煤礦開采業，必須加大自動化生產力度，推動煤礦自動化生產，以盡可能在市場各環節實現監控自動化、綜合管理指揮網絡化，從而安全、高效的開展煤礦營運工作。

2礦山自動化概況

礦井自動化系統泛指使采礦生產過程實現自動的檢測、控制、調節和保護的措施或方法，對提高勞動生產率、改善產品質量控制、提高生產安全有重要作用。其生產過程復雜、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。主井提升任務單一，易于實現全自動化。提升機自動控制要求提升容器嚴格按照規定的速度運行，實現在規定的位置準確停車，其速度根據提升機和容器的任務、形式和井口裝備條件等因素來確定。其關鍵技術是控制減速階段的速度，一般通過形成調節器實現。提升容器的自動裝卸載主要依靠設備的可靠性來保障，目前我國多采用定容斗的裝載設備。副井提升任務繁重，負載變化大，一般采用遙控操作來實現半自動化，如司機在井口操作或上下井人員在罐籠內通過按鈕控制。生產過程綜合自動化是把多個生產環節和多臺機械作為一個整體實現自動化，主要包括：采煤工作自動化、掘進工作自動化、井下監測自動化、地面生產系統自動化等。這其中采煤工作自動化是實現礦井現代化的關鍵，長臂采煤綜合機械化的實現為工作面自動化的實現創造了條件，但目前要想全部實現閉環控制，尚有困難。采煤工作面自動化需要實現的主要技術包括：采煤機的牽引控制和功率的自動調節，根據井下煤層的實際情況，自動調節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，根據煤層厚度的變化，自動調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，以實現整個礦井的最佳運行。從各生產過程采集的環境參數、生產參數等大量信息經過計算機處理分析，及時做出決策，直接向相關的生產系統或控制人員發送指令，從而實現整個礦井的自動化。礦井復雜的生產條件和技術方面的限制決定了現階段全礦井自動化難以實現，應用遙控技術的采礦機器人的出現可能改變這一現狀。

3我國礦井自動化建設的現狀

我國的煤礦自動化技術在20世紀末得到迅速發展，在煤礦開采的每一個環節中都有自動化技術的應用，但相比歐美一些發達國家，我國的煤礦自動化技術還是比較落后的。煤礦采煤機已經由先前一直采用液壓、直流牽引發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，論煤礦自動化的現狀與發展研究：科技探索，2013年21期）；我國的井工輸送裝備的主要技術指標已經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狀及發展前景：中國煤炭，2013年10期），但行業整體跨度大，中小企業相比國外落后很多；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備的最高技術水平（栗魯平，煤礦巷道高效掘進技術及設備的研究現狀：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，而國產掘錨機組仍為空白；綜采放頂煤開采方法適用于地質結構復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處于國際領先水平。煤炭行業的特殊性導致他易發生瓦斯爆炸、火災、突水等事故，國內很多廠商可以生產一些監控系統產品，比如AL、KJ系列，但相比國外的監控技術，這些產品傳感器質量較差、軟件跟不上節奏、可靠性低，沒有專家診斷系統。總的來說，我國的自動化發展總結為以下幾點：

1.發展不平衡且缺乏統一的標準（檀靜，我國煤礦自動化建設的現狀及發展趨勢研究：企業家天地，2013年7期）。由于煤礦開采生產環境惡劣，因此煤礦自動化程度遠遠落后于其他行業，并且表現出了發展不平衡的特點，國有煤礦和重點煤礦建設程度遠優于地方小煤礦。在已建成的系統中，由于缺乏統一的規劃和標準，雖然有越來越多的自動化供應商進入行業，有生產和研究硬件設備的，有做系統集成管理的，也有做煤礦信息管理軟件的，但大多數設備和系統都是在獨立的情況下運行的，不能實現網絡自由和信息共享，還有相對孤立的信息和自動化孤島現象（王天福，賀勝寬，探究煤礦自動化發展方向：中國石油和化工標準與質量，2012年11期），這樣就極大的限制了這些信息發揮的能力。

2.一些關鍵技術亟待解決。先進的傳感器種類少、穩定性不佳、使用壽命相對較短、維護工作量較大造成的安全監測自動化系統可靠性不高；井下復雜的巷道工作環境，一些突發的情況造成的信號數據出現的偏差甚至丟失現象；工作面由于條件惡劣、光纜易斷，所以難以大規模投入使用，造成工作面設備使用成本比較高，因此，礦用光纜在惡劣條件下的使用和修復問題要求我們要加快開發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，煤礦企業在信息化的投入不斷加大，但大多投入了硬件設備上，建立了局域網，采購了大型服務器架構網絡，但卻忽視了最重要的信息數據開發。由硬件采集到的數據不能為現行生產、研究提供有用的信息和實際的依據。目前，我國尚沒有一個煤礦全面、完整的實現全礦井綜合自動化，所有系統共用一個網絡平臺。近幾年物聯網技術和云技術的出現給煤礦自動化建設提供了一個良好的技術平臺，一些自動化建設過程中遇到的技術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高度集成的現場信息

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

4.2煤礦瓦斯、突水、火災等重大災害預警技術

現有的安全監控系統具有瓦斯等實時監控、超量報警等功能，部分系統具有瓦斯、火災、突水等重大災害的預警功能，但這些功能往往是根據監測值的歷史數據走向預警的，預警準確率非常低。因此，迫切需要進一步研究重大災害預警技術，提高預警準確率。

4.3應急救援和精確定位技術

煤礦井下事故具有突發性，當井下災害發生后，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已經相當成熟，但是更能滿足災后救援需求的井下人員精確定位技術還處于起步階段；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無法在井下應用，適用于井下的生命探測技術等亟待解決。

4.4煤礦數據的高效利用

煤礦控制中心建立起了企業級的數據倉庫，高效利用這些數據，對設備進行監控分析，對各類生產過程中產生的數據進行綜合分析，即使調整實時生產中的各環節，實現對各類設備和資源的合理配置和優化配置，利用最少的成本創造最大的效益。