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打造智能化开采地质保障的升级版

更新时间:2020-03-26

  八部委联合下发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》(以下简称《指导意见》),明确了我国煤矿智能化发展的三个阶段目标,提出了煤矿智能化对地质保障技术的要求。

煤矿智能化开采凝聚了煤炭工业高质量发展的行业共识,不但成为煤炭工业转型升级的发展趋势,还为今后煤炭地质保障系统的创新发展指明了方向。

地质工作在煤炭工业  健康快速发展中占基础地位

煤炭地质工作是一项基础性很强的工作。它横跨了煤田勘探、井田划分、矿井设计、开拓掘进、安全回采、煤炭利用乃至矿井关闭等煤炭开发的不同阶段,贯穿于煤炭工业的全生命周期,是实现煤炭资源安全高效开采的基础和前提。煤炭地质工作是一项技术性很强的工作,面对看不见、摸不着、变化多端的煤层赋存条件,地质人员依靠有限的手段开展探测,利用片段的信息进行解释推断,其技术难度可想而知。

另外,煤炭地质工作与煤矿安全生产密不可分。据不完全统计,煤矿开采过程中发生的水、火、瓦斯、煤尘、顶板等事故,无一不与地质条件密切相关。由于采区地质条件不清,致使工作面无法正常推进、接续失调以至蒙受重大经济损失的事件,更是不胜枚举。

因此,在“九五”期间,煤矿地质保障系统作为煤矿安全高效开采的关键技术之一,被列入高产高效矿井建设的五大保障体系。地质工作在我国煤炭工业健康快速发展中占有不可或缺的基础地位。

煤炭地质保障系统将迈向以精准探测、智能探测为特点的新阶段

伴随着我国煤炭工业的技术进步,煤炭地质保障系统的整体架构、研究内容、保障目标、配套技术等逐渐发展成熟,其内涵与外延不断丰富和完善,迄今为止历经了四个阶段。

第一阶段:煤炭资源开发地质保障。改革开放后,我国完成了第三次全国煤田预测与评价,埋深2000米以浅的煤炭资源总量5.57万亿吨、保有资源量超过1万亿吨。这是煤矿地质保障技术的萌芽阶段。

第二阶段:“双高矿井”建设地质保障。“九五”期间,煤炭工业开始创建以高产高效为主要特征的“双高矿井”,随着大型综采配套设备的投入使用,迫切需要超前查明煤矿采区的构造、水文等开采地质条件,传统的地质保障技术开始从煤田地质勘探进入矿井设计领域。这是煤矿地质保障技术的初级阶段。

第三阶段:煤矿安全高效生产地质保障。进入21世纪以来,为有效减少煤矿瓦斯、水害等事故,煤矿地质保障工作从地面到井下,全方位开展煤矿隐蔽致灾地质因素的探查与治理,煤矿地质保障工作进入生产阶段,地质保障技术向煤矿地质保障系统发展。

第四阶段:煤矿智能化绿色开采地质保障。从2014年陕煤集团黄陵矿业一号煤矿41101工作面首次实现智能化开采以来,少人化、无人化、智能化开采以及智慧矿井等先进生产理念深入人心,煤炭绿色开采、智能精准开采、透明工作面、透明矿井等对煤矿地质保障系统提出了新的更高的要求。随着《指导意见》的逐步落实,煤炭地质保障系统必将迈向以精准探测、智能探测为特点的新的历史发展阶段。

亟待开发煤矿采掘工作面   地质透明化技术与装备

改革开放以来,煤炭地质保障技术与装备得到了快速的发展,构建了以煤为主、多种资源协同勘查的综合勘查理论体系,形成了以三维地震与瞬变电磁、矿井电法、槽波地震等为特色的系列化地球物理探测技术与装备,研发了煤层底板高承压奥灰岩溶水害隐患地面区域超前治理的新技术,不断创造并刷新煤矿井下顺煤层超长定向钻进孔深世界纪录,并在煤矿重特大水害事故抢险救援中屡建奇功。然而,煤矿智能化开采面临急需解决的问题,煤炭地质保障系统尚处于起步阶段。

以“记忆截割为主,人工干预为辅”“无人跟机作业,有人安全巡视”为特征,我国煤矿已有200多个工作面相继实现了智能化开采。山西、山东、陕西、河南等煤炭大省相继出台了全面实现煤矿企业智能化开采的实施指导意见和激励政策。简单地质条件下,薄煤层、中厚煤层和厚煤层的智能化开采技术在一些煤矿取得了初步成功。

但是,我们应该清醒地看到,我国煤矿智能化开采技术才刚刚起步,尚处于初级阶段,采煤工作面地质条件探查精度偏低、智能化开采对于地质条件适应性不足等,成为影响今后煤矿智能化开采技术推广应用的技术瓶颈。煤矿智能化开采中,远程无人化操控“三机”的定位精度已经达到“厘米级”、下达指令的传输时间达到“毫秒级”,这就要求地质保障技术能够为智能化开采提供一份及时、精准的电子地图。这是现有地质保障技术与装备水平所难以企及的。因此,亟待开发煤矿采掘工作面地质透明化技术与装备。

加快推进智能化开采   三维地质透明化

中国煤炭科工集团首席科学家王国法认为,智慧煤矿和智能化开采是一个复杂的巨系统,精准地质信息系统及随掘随采探测技术与装备,应作为当前的五大重点研发方向之一。如果把智能化开采比拟为无人驾驶汽车,随掘随采探测技术与装备就如同无人驾驶汽车上提前安装的视频记录、雷达测距等智能传感器和智能解释软件;精准地质信息系统就是提供给采煤机的一张高清“电子地质地图”。

从2011年起,中国煤科西安研究院开始并持续开展智能探测技术与装备的自主研发。

在智能开采工作面地质透明化方面,我们已经完成了煤矿智能化采煤工作面随采地震探测技术与装备的工业性试验,实现了对回采工作面内部静态地质异常体的高精度智能探测,开展了煤矿开采动力地质灾害的微震、视电阻率动态监测预警,初步实现了智能工作面三维地质透明化,以及透明工作面三维动态地质模型与“三机协同信息互馈”。在智能掘进工作面的地质透明化方面,我们依托国家科技重点研发计划项目的支持,将定向钻探与钻孔物探技术融为一体,实现了煤矿井下掘进工作面前方“腔状”二维空间地质透明化,正在开展基于煤矿井下掘进机震源的智能探测现场试验。

未来的智慧矿山是煤矿智能化开采技术发展的最高形式,它将融合物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、机器人化装备等,形成自主感知、万物互联、自学习、自决策、自控制的高度智能系统。这一切,都建立在透明矿井的基础之上,煤炭地质保障系统不仅要在精准探测技术上实现颠覆性创新和跨越式发展,还要实现数据、信息、知识三层架构下的全息透明,并与物联网、大数据、云计算、人工智能等现代信息技术深度融合。基于物联网、云计算、边缘计算等技术,我们将大幅提升矿井地质信息监测水平,以端边云融合模式,构建透明矿井综合感知指标体系,实现人—机—环的协同管理。

中国煤科西安研究院组建了透明矿井技术开发与应用研究所,并创建了深圳研发中心,将借助大数据、人工智能、机器人等国内外的最新成果,实现信息技术、传感器技术、先进制造技术与煤炭地质保障技术的加速融合,打造智能开采时代煤炭地质保障技术的升级版。

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