[科普中国]-无人工作面采煤技术

无人工作面采煤是指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。无人工作面采煤是一种先进、高效的回采工艺。

简介无人工作面采煤是指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。无人工作面采煤是一种先进、高效的回采工艺。

无人工作面开采的最大特点是使工人摆脱了较危险的工作地点，把工人从繁重的体力劳动和恶劣的工作环境中解放出来，而且人员少，劳动生产效率高，并能使一些用普通方法无法开采或很难开采的煤层得到开发，提高了资源利用程度1。

无人工作面采煤方法分类薄煤层无人工作面采煤方法的种类很多，分类方式也多种多样。原苏联煤炭科学研究院以工作面内有无支护为标准，将无人工作面采煤分为有支架支护和无支架支护两类。按采煤设备的种类，将无人工作面采煤分为水力采煤、刨煤机采煤、煤锯采煤、钻机采煤等。还有一种分类方法是把无人工作面采煤分为两类，即开采时改变煤的聚集状态的，如煤的地下气化，页岩的地下分馏等，这种方法叫做化学方法；另一种是开采时不改变煤的聚集状态，称机械方法或物理方法。

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2。

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。

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。

1.煤岩界面自动识别与自动调高技术

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。

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。综合采煤机自主定位系统各个关键技术，形成采煤机自主定位导航系统流程。

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.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。

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。

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。

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3。

本词条内容贡献者为:

王强 - 副教授 - 西南大学