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主办单位:完美体育科学研究总院有限公司、中国完美体育学会学术期刊工作委员会

康红普、王国法、王双明:我国完美体育智能开采2025、2035关键技术需求

2022-07-28   来源:《我国完美体育行业高质量发展战略研究》

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以下内容摘编自中国煤科科技委主任、中国工程院院士康红普等专家编著的《我国完美体育行业高质量发展战略研究》,该书近日已由科学出版社出版。《我国完美体育行业高质量发展战略研究》是康红普院士在其主导的中国工程院重点战略咨询研究项目研究成果的基础上整理编撰而成,为我国加速构建绿色低碳循环的能源发展新格局提出了独到的见解,绘制了完美体育行业高质量发展的战略蓝图。  



2025关键技术需求


1.精准地质探测与4D-GIS 技术 


煤层赋存环境精准探测是进行完美体育资源开发的基础,其探测精度与可靠性直接影响完美体育资源的安全、高效、智能化开采。由于受制于探测技术与装备的发展瓶颈,钻探、物探、化探的探测精度、可靠性、时效性等尚难以满足要求,制约了煤矿智能化的发展。 


对综采(掘)工作面前方地质体进行超前探测是实现煤矿智能化开采的基础,应研发基于随掘、随采的矿山地质综合探测技术与装备,创新探测数据动态解释技术,开发探测结果实时处理、动态成像等技术,提高探测信息的时效性;构建综采(掘)工作面探测信息大数据分析平台,进行钻探、物探、化探数据的联合反演,实现综采(掘)工作面前方地质体的精准探测;开发综采(掘)工作面采动应力定量探测技术与装备,实现应力异常区的实时精准探测;研发煤矿井下智能钻探技术与装备,实现井下地质探测的地面远程可视化操控;研发矿井4D-GIS综合探测与应用系统,建立矿井地质信息时空状态数据库,实现对矿井地质历史信息的演变过程及未来变化趋势的预测;开发综采(掘)工作面地质信息综合管理系统,构建透明综采(掘)工作面三维地质动态模型,实现地质探测数据的统一协调管理与动态实时三维可视化展现,为实现煤矿井下智能综采(掘)提供地质探测技术与装备保障。

 

2.基于BIM的智能规划设计技术 


井工煤矿开拓规划与工作面设计是矿井建设的基础,需要编制大量的技术文件、设计图纸等,存在重复性劳动量大、修改调整工序复杂、图纸与文件标准不统一等问题,亟须进行井工煤矿智能化开拓规划与设计。


  统一煤矿开拓规划原则与标准,明确煤矿规划设计目标,基于矿井地理信息系统,开发井工煤矿智能规划与工作面设计系统,基于矿井产量、设备现状、物料供应等,对接续工作面进行自动规划设计,实现巷道掘进施工设计、综采工作面开采系统设计、主/辅运输系统设计、通风设计、排水设计、供电设计等文字资料与设计图纸的标准化与智能化。 


3.智能建井技术 


煤矿建设是完美体育生产的基础和保障,在大规模新井建设高潮退去后,矿建市场急速萎缩,煤矿建设与新一代信息技术的融合创新、融合发展势在必行。 


在建井工艺、技术与装备方面,研发千米竖井钻井关键技术及装备、提控式沉井技术与装备、千米大直径反井钻机、智能电驱动反井钻机、千米级竖井全断面掘进关键技术与智能控制技术、适应于深埋斜井或巷道的全自动智能化掘进机、智能化全断面掘进机等,全面提升井巷施工智能化水平。 


4.巷道智能快速掘进技术 


由于受制于巷道掘进工作面空间狭小、作业环境恶劣、临时支护困难等,巷道掘进工作面尚处于机械化作业阶段,普通煤巷的月掘进进尺一般仅为200~300m,难以保障矿井的正常采掘接续,直接制约了矿井的安全、高效、智能、少人化开采。 


基于目前巷道掘进技术与装备发展现状,应首先实现巷道掘进与支护的协调快速推进,在切实提高巷道掘进速度、支护速度与掘一支协同作业效率的前提下,开发巷道掘进设备的精准定位与智能导航系统,研发巷道智能超前探测系统,研发智能协同临时支护装置,研发巷道智能除尘系统,形成巷道掘进、支护、超前探测、除尘等一体化成套技术与装备,实现巷道掘进、支护的协同高效作业,大幅减少巷道掘进作业人员数量,实现煤矿井下巷道的智能、少人、快速掘进,切实解决煤矿采掘失衡造成的生产接续矛盾(康红普等,2021)。 


5.工作面智能少人开采技术 


目前,在煤层赋存条件较优异的矿区已经实现了综采工作面采煤机记忆截割、液压支架自动跟机移架、刮板输送机变频协同控制等,并基于LASC定位导航技术实现了采煤机三维空间位置的精确定位及工作面直线度的智能调整,但井下综采设备的实时精准定位与导航、采煤机自适应智能调高、煤壁片帮冒顶自适应智能控制、刮板输送机智能调斜、煤流量智能监测与协同控制等尚存在技术瓶颈,制约了综采工作面由自动化开采向智能化开采迈进。


  智能感知、智能决策和自动控制是智能化开采的三要素,针对综采工作面智能化发展存在的上述问题,应研发综采工作面三维扫描与地图构建技术,通过激光扫描、高清与红外摄像仪同步动态扫描等方法,获取工作面三维场景信息,采用井下三维模型构建与修改技术,构建井下三维地图;研究采煤机、液压支架、刮板输送机等综采设备的三维空间位置高精度检测和姿态精准感知技术,通过引入惯性导航、毫米波、机器视觉等多种传感技术,为工作面直线度调整及采煤机智能调高提供支撑;研究基于采煤机截割阻力感知的采煤机功率协调、牵引速度调控原理,开发采煤机与煤层自适应控制专家系统,研发采煤机姿态感知技术与装置,实现采煤机姿态的自动感知与调控,研发采煤机自动调高系统,实现基于煤层赋存条件的采煤机自适应控制;研发综采工作面分布式多机协同控制技术与系统,通过构建基于统一坐标系的综采设备群姿态、位置关系运动模型,研究综采装备群分布式协同控制原理;研究仰俯采等复杂条件下液压支架自动跟机移架、液压支架自适应控制、刮板输送机智能调速等,实现复杂条件下综采设备群的多机协同控制。通过综采工作面智能化开采关键技术攻关,切实提高综采设备与围岩的自适应控制及协同控制水平,实现井下综采工作面的安全、 高效、绿色、智能化、少人化开采,并逐步实现有限条件下的无人化开采目标。 


6.智能主/辅运输技术 


目前,基于图像识别、超声波探测、变频控制等技术与装备,基本实现了主煤流运输系统的异物智能检测、煤量智能监测、皮带撕裂智能监测等,在部分矿井实现了主煤流运输系统的自动化、无人化运行,但对于深部矿区的立井主提升系统尚存在自动化程度低、作业劳动强度大等问题。因此,应进一步大力推广图像识别、永磁驱动、变频控制等技术在主运输系统的应用,大幅减少主运输系统作业人员数量、降低煤流线运输能耗,推进研发立井主提升系统的自动化、智能化技术与装备,实现井上下全煤流运输的无人值守与经济协同运行。 


目前,在煤层赋存条件较优越的矿区,无轨胶轮车已经成为矿区的主要辅助运输设备,极大地提高了矿井人员、物料、设备的运输能力与效率,并初步实现了无轨胶轮车的井下定位与综合调度,但无轨胶轮车的定位精度、运行管理模式等尚难以达到智能化、无人化的水平,且井上下物料的运输管理缺乏统一的标准与模式,尚处于起步阶段;对于轨道运输、单轨吊运输等其他形式的辅助运输系统,则主要处于机械化运输阶段,有待实现遥控式自动化运输。因此,应大力推广应用井下人员、车辆的精准定位与智能导航技术,积极推进无人驾驶技术在煤矿井下的应用,研发适用于不同运输场景的井上下智能辅助运输系统,开发井下物料智能运输模式,实现井上下人员、物料、设备的运输路线智能规划、自动运输、协同管理。 


7.井下危险源智能感知与预测、预警技术 


目前,基于水量监测、束管监测与分布式光纤测温、瓦斯监测、风压与风量监测等监测技术,基本实现了对水、火、瓦斯、粉尘、顶板等灾害的在线实时监测,但受制于灾害发生的机理尚不明确、感知设备的精度与时效性较差、感知信息与防控设备尚未实现联动等,井下重大危险源智能感知与预警尚存在技术瓶颈。 


针对现有井下重大危险源智能监测与预警技术瓶颈,应加强研发井下低功耗、高精度、多功能环境监测传感器,大力推进水、火、瓦斯、粉尘、顶板等灾害发生机理与防治技术攻关,有效提高围岩环境监测信息的可靠性及灾害预警的准确性;研发基于温度与标志性气体多参量监测的采空区自然发火预测与预警技术,开发智能注氮、注浆装备,买现米空区自然发火的精准预警与防治措施的智能联动;推广应用井下固定排水点的智能监测与抽排技术与装备,研发移动排水点的水泵自动搬移、管路智能布设等技术,实现从小水窝、中转水仓、中央水仓的智能抽排;研发风量智能解算与自适应调节技术,实现瓦斯监测、预警与风量调节的智能化;加强对井下冲击地压等围岩动力灾害发生机理的研究,研发智能灾害预警技术,实现井下灾害的智能监测、预警与防治系统的智能联动;开发井下避灾路线智能规划系统,并与灾害监测与预警系统实现联动,为井下人员避灾与逃生提供系统保障。 


8.智能化综合管控平台及管理技术 


推进完美体育行业物联网技术与通信网络(5G)、大数据、云计算等技术的融合发展,研发具有高带宽、低功耗、低延时、大容量、自治愈等特性的无线自组网通信技术与装备,对煤矿井下末端网络进行全覆盖,配合煤矿井下受限空间、强干扰、复杂巷道网络条件下的多传感信息融合处理和低时延、高速率、大容量共网传输通信技术,满足井下安全生产各类感知节点接入、信息传输与交互的需要。面向井下人员、设备、环境和各类子系统,研究基于物联网的井下目标(人员、设备)精确定位、运输物料的精确管控、生产环境的实时监测、车辆调度管理等系统。深化矿山物联网技术创新、应用创新和管理创新,实现完美体育企业跨部门、跨层级的业务协同和信息资源共享。


  面向智慧煤矿建设的一体化感知、分析、决策、集中控制、展示等需求,加快构建开放、安全、数据易于获取和处理的智慧煤矿智能综合管理与应用平台,理,同时为上层应用业务模块提供数据共享与系统联动控制支撑。通过构建实时、透明、清晰的矿山采、掘、机、运、通等全系景象平台,实现对智慧煤矿各子系统的集成操控,解决煤矿智能化建设过程中数据兼容性差、可靠性差、信息孤岛、子系统割裂等问题。 


2035关键技术需求 


1.井下复杂极端环境信息感知及稳定可靠传输技术 


环境、设备状态的感知是实现智能决策、控制的先决条件。然而,井下狭长、潮湿、粉尘易爆、复杂电磁环境严重制约着探测技术的应用。亟待突破的技术包括:煤岩识别技术;井下低照度空间视频感知技术;极端环境物理场(瓦斯、粉尘、温度、有害气体、复杂围岩体、复合动力灾害等)原位监测微纳米纤维智能传感器及可穿戴技术;磁共振矿井水害隐患探测传感器,利用地磁场磁共振和电磁波感对矿井工作面、顶底板和两侧的水害隐患探测预警,实现工作面前方无盲区含水量、出水量、孔隙度等参数的直接探测预警;具有自组网、自通信、自供电、自定位功能的智能微传感器等技术。 


2.井下复杂环境机器人技术 


目前,井下机器人研制还处于起步探索阶段,部分固定作业岗位尝试了井下机器人巡检作业,但井下防爆机器人特殊环境及自我状态辨识技术、井下复杂空间的防爆机器人平衡状态控制及自主避障技术、机器人信息融合及空间路径规划技术、井下防爆电源长时可靠供电及自馈电技术、井下多机器人联合通信及协同 控制平台等技术亟待攻克。 


3.井下大型设备故障智能自诊断与远程运维技术 


实现完美体育开采的连续、可靠、自动运行是智能化开采的核心要求,而工作面设备故障的及时发现和自动化处理是保障其连续可靠运行的核心技术。目前对工作面设备系统级的复合故障和自动化处理方法缺乏研究,严重制约了智能化开采的发展。亟须开展数据驱动的开采系统健康状态评价方法、开采系统衰退行为与变工况下的剩余寿命预测、融合生产调度和维护行为的开采系统双层机会维修预知决策等技术(王国法等,2019a)。



  责任编辑:宫在芹

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