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煤矿瓦斯智能抽采关键技术研究进展及展望
字号:[    ] 发布时间:2021-08-30 09:49:22 来源:《煤炭科学技术》 发布人:刘一鸣
  为进一步总结、凝练我国矿井瓦斯抽采防治成果,充分发挥科技期刊在服务创新驱动发展战略,发现和培养科技人才,弘扬科学家精神等方面的重要作用。《煤炭科学技术》邀请李树刚教授担任客座主编,林海飞教授担任客座编辑,策划组织2021年第5期“深部煤层瓦斯精准抽采” 专题。
 
  赵旭生副院长撰写题为《煤矿瓦斯智能抽采关键技术研究进展及展望》的论文。该论文分析了关键技术向精准、高效、智能方向发展的趋势,提出了抽采钻孔差异化智能设计和抽采达标多层递进动态评判等解决策略,并给出了谢桥煤矿“三人五台一组”自动钻机集中控制协同作业、霍尔辛赫煤矿抽采管网自动调控、新元煤矿抽采达标在线评判等典型应用案例,为煤矿智能瓦斯抽采技术研究和建设实践提供了有益参考。
 
  个人简介    
 
  赵旭生,男,陕西周至人,研究员,博士生导师,中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯分院副院长,煤炭行业煤矿安全标准化技术委员会瓦斯分会主任委员,重庆市科技创新领军人才、中煤科工集团首席科学家。长期致力于煤矿瓦斯防治及利用技术研究,先后承担国家科技重大专项、国家重点研发(支撑)计划、国家自然科学基金、973项目、科技部社会公益等科研项目近50项,参与制修订国家、行业标准及《煤矿安全规程》《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》《煤矿瓦斯等级鉴定办法》等规章及文件20余项,授权发明专利40余项,获省部级科技奖项20余项,参编著作7部,发表论文60余篇。
 
  论文创新点
 
  针对未来智能化煤矿瓦斯防治的新需求,提出了智能瓦斯抽采的体系框架,并从动态透明瓦斯地质、抽采钻孔智能设计、钻进-增透-封孔机器人、抽采系统智能调控、抽采达标自动评判等5个方面对智能抽采关键技术进行了探讨,为煤矿智能瓦斯抽采技术研究和建设实践提供了有益参考。
 
  摘  要
 
  为了推动智能瓦斯抽采技术发展,提高煤矿安全保障能力,从瓦斯抽采全过程少人化或无人化角度,阐述了智能瓦斯抽采的精准感知、自决策、自执行、自适应、自学习等5个方面特征,提出了包含功能和技术2个维度的智能瓦斯抽采体系结构,功能维度上涵盖瓦斯抽采所有环节,技术维度上包含单机智能、机组智能和集成智能3个层次,体现了智能瓦斯抽采技术的发展迭代过程;设计了智能瓦斯抽采总体架构,由感知控制层、传输层、数据层、应用层等4个层面和信息标准、信息安全等2个体系构成;最后,从动态透明瓦斯地质、抽采钻孔智能设计、打钻-增透-封孔机器人、抽采系统智能调控与诊断、抽采达标自动评判等5个方面对智能瓦斯抽采关键支撑技术进行了探讨,分析了关键技术向精准、高效、智能方向发展的趋势,提出了抽采钻孔差异化智能设计和抽采达标多层递进动态评判等解决策略,并给出了谢桥煤矿“三人五台一组”自动钻机集中控制协同作业、霍尔辛赫煤矿抽采管网自动调控、新元煤矿抽采达标在线评判等典型应用案例,为煤矿智能瓦斯抽采技术研究和建设实践提供了有益参考。
 
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  0 引  言
 
  煤炭是我国的主体能源,支撑着国民经济的持续快速发展,煤炭供给的质量和水平关系着国家能源安全,煤炭工业当前正朝着高质量发展转变。但是,随着浅部煤炭资源的大规模开发,越来越多的矿井进入深部开采阶段,煤层瓦斯含量、地应力等急剧增加,瓦斯涌出量和煤与瓦斯突出危险显著增大,瓦斯灾害威胁加重与安全高效生产之间的矛盾将日益突出。
 
  1 智能瓦斯抽采内涵及特征
 
  1.1 智能瓦斯抽采的内涵
 
  智能矿山的概念在20世纪80年代就已经被提出,但不同时期人们对其有不同的理解和认识,目前普遍认为智能矿山是人工智能和矿山实体的深度融合体,能够自主地响应矿山生产过程中的各种变化和需求,实现安全、高效、绿色、经济的采矿作业。
 
  1.2 智能瓦斯抽采的特征
 
  智能装备的智能化特征主要体现在装备的自主运行能力上,即能够精准地感知外部环境信息和自身运行状态信息,通过感知信息的分析和理解形成准确的判断和优化的决策,对决策给予有效的执行,使其自动适应环境条件变化,并独立完成预定任务。
 
  2 智能瓦斯抽采体系框架
 
  2.1 智能瓦斯抽采体系结构
 
  智能瓦斯抽采技术体系结构如图1所示,包含功能和技术2个维度。
 
  1)功能维度。
 
  2)技术维度。
 
 
  2.2 智能瓦斯抽采总体架构
 
  从统筹性、先进性、开放性、适用性等角度综合考虑,设计智能瓦斯抽采的整体架构如图2所示,总体概括为“4层面+2体系”,其中“4层面”包括感知控制层、传输层、数据层、应用层;“2体系”分别为信息标准体系和信息安全体系。各部分既相对独立,又彼此关联、相互依托,形成有机的整体。
 
 
  3.1 动态透明瓦斯地质
 
  煤层赋存、煤体结构、瓦斯赋存、地质构造等瓦斯地质条件的透明化是瓦斯精准抽采的前提和基础。但是,目前的煤矿地质探测技术和煤层瓦斯参数测定技术还存在诸多技术瓶颈,在精准性、可靠性、时效性等方面难以满足智能瓦斯抽采需求。而且,地质建模软件对多元地质信息的集成处理能力不强,地质模型精度偏低,对瓦斯抽采的支撑作用不好。
 
  3.2 抽采钻孔智能设计
 
  抽采钻孔设计是钻孔施工的主要依据,钻孔设计的科学性和合理性直接影响钻孔施工难度和工程量大小,以及后期抽采效能的发挥。抽采钻孔设计必须从多方面因素综合考虑,是受煤层瓦斯地质条件、钻孔施工作业环境、钻机钻具性能等多种因素限制,需要平衡瓦斯抽采达标、钻孔施工难度、钻孔工程量大小等多方面需求,使钻孔布置方案总体达到优化状态的复杂决策过程。
 
  3.3 打钻-增透-封孔一体化机器人
 
  煤矿机器人是煤矿智能化系统的重要组成部分,其使命是代替人完成危险、繁重、枯燥的煤矿井下工作,减少井下作业人员数量,提高作业效率和质量。但是,煤矿井下环境较为特殊,空间狭小、地形复杂、光照不足,受瓦斯、粉尘、潮湿、淋水、落石等多种因素威胁,且大功率设备多,电磁干扰严重,这对煤矿机器人的尺寸、行走、防护、通信、供电等性能提出了严峻挑战,煤矿机器人整体处于起步阶段,还没有用于打钻、封孔等作业场景的智能机器人。
 
  3.4 抽采系统智能调控与诊断
 
  3.4.1 抽采系统智能调控
 
  3.4.2 抽采系统智能诊断
 
  3.5 瓦斯抽采达标自动评判
 
  瓦斯抽采达标评判是煤矿瓦斯抽采的重要环节,目的是准确评估瓦斯抽采效果是否达到了有效预防瓦斯灾害所需要的水平。现阶段受抽采监测数据可靠性不高影响,煤矿现场主要依赖实测煤层残余瓦斯含量或压力进行抽采达标评判,存在手段单一、以点带面的问题,评价结果精细度不够、准确性不高,容易造成安全隐患。
 
  4 结语
 
  在智能煤矿建设背景下,瓦斯抽采作为煤矿瓦斯灾害的治本之策,智能瓦斯抽采将成为解决深部开采瓦斯灾害防治难题,提升煤矿安全生产水平的技术关键,是智能煤矿的重要组成部分。目前我国煤矿瓦斯抽采技术装备的智能化水平还十分低下,整体处于起步阶段,急需将现代信息技术融入煤矿瓦斯抽采领域,逐步实现瓦斯抽采的信息化、自动化、智能化。面向煤矿瓦斯抽采钻孔设计、钻孔施工、煤层增透、钻孔封孔、抽采系统调控与维护、抽采达标评判等应用场景,充分采用矿山物联网、大数据、云计算、煤矿5G、人工智能等技术,突破动态透明瓦斯地质、钻孔智能设计、打钻-封孔-接抽一体化机器人、抽采管网自主调控与故障诊断、抽采达标智能评判等关键技术,形成具有精准感知、自主学习、自主决策、自主控制、自动适应能力的自动化、智能化装备及系统,实现瓦斯抽采全过程的少人化甚至无人化作业,是智能瓦斯抽采的发展方向。
 
  引用格式
 
  赵旭生,马国龙.煤矿瓦斯智能抽采关键技术研究进展及展望[J].煤炭科学技术,2021,49(5):27-34.
 
  ZHAO Xusheng,MA Guolong.Research progress and prospect of key technology of intelligent gas drainage in coal mine[J].Coal Science and Technology,2021,49(5):27-34.
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