為進一步總結、凝練我國礦井瓦斯抽采防治成果,充分發揮科技期刊在服務創新驅動發展戰略,發現和培養科技人才,弘揚科學家精神等方面的重要作用。《煤炭科學技術》邀請李樹剛教授擔任客座主編,林海飛教授擔任客座編輯,策劃組織2021年第5期“深部煤層瓦斯精準抽采” 專題。

 
  趙旭生副院長撰寫題為《煤礦瓦斯智能抽采關鍵技術研究進展及展望》的論文。該論文分析了關鍵技術向精準、高效、智能方向發展的趨勢,提出了抽采鉆孔差異化智能設計和抽采達標多層遞進動態評判等解決策略,并給出了謝橋煤礦“三人五臺一組”自動鉆機集中控制協同作業、霍爾辛赫煤礦抽采管網自動調控、新元煤礦抽采達標在線評判等典型應用案例,為煤礦智能瓦斯抽采技術研究和建設實踐提供了有益參考。
 
  個人簡介    
 
  趙旭生,男,陜西周至人,研究員,博士生導師,中煤科工集團重慶研究院有限公司瓦斯分院副院長,煤炭行業煤礦安全標準化技術委員會瓦斯分會主任委員,重慶市科技創新領軍人才、中煤科工集團首席科學家。長期致力于煤礦瓦斯防治及利用技術研究,先后承擔國家科技重大專項、國家重點研發(支撐)計劃、國家自然科學基金、973項目、科技部社會公益等科研項目近50項,參與制修訂國家、行業標準及《煤礦安全規程》《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》《煤礦瓦斯等級鑒定辦法》等規章及文件20余項,授權發明專利40余項,獲省部級科技獎項20余項,參編著作7部,發表論文60余篇。
 
  論文創新點
 
  針對未來智能化煤礦瓦斯防治的新需求,提出了智能瓦斯抽采的體系框架,并從動態透明瓦斯地質、抽采鉆孔智能設計、鉆進-增透-封孔機器人、抽采系統智能調控、抽采達標自動評判等5個方面對智能抽采關鍵技術進行了探討,為煤礦智能瓦斯抽采技術研究和建設實踐提供了有益參考。
 
  摘  要
 
  為了推動智能瓦斯抽采技術發展,提高煤礦安全保障能力,從瓦斯抽采全過程少人化或無人化角度,闡述了智能瓦斯抽采的精準感知、自決策、自執行、自適應、自學習等5個方面特征,提出了包含功能和技術2個維度的智能瓦斯抽采體系結構,功能維度上涵蓋瓦斯抽采所有環節,技術維度上包含單機智能、機組智能和集成智能3個層次,體現了智能瓦斯抽采技術的發展迭代過程;設計了智能瓦斯抽采總體架構,由感知控制層、傳輸層、數據層、應用層等4個層面和信息標準、信息安全等2個體系構成;最后,從動態透明瓦斯地質、抽采鉆孔智能設計、打鉆-增透-封孔機器人、抽采系統智能調控與診斷、抽采達標自動評判等5個方面對智能瓦斯抽采關鍵支撐技術進行了探討,分析了關鍵技術向精準、高效、智能方向發展的趨勢,提出了抽采鉆孔差異化智能設計和抽采達標多層遞進動態評判等解決策略,并給出了謝橋煤礦“三人五臺一組”自動鉆機集中控制協同作業、霍爾辛赫煤礦抽采管網自動調控、新元煤礦抽采達標在線評判等典型應用案例,為煤礦智能瓦斯抽采技術研究和建設實踐提供了有益參考。
 
圖片
  0 引  言
 
  煤炭是我國的主體能源,支撐著國民經濟的持續快速發展,煤炭供給的質量和水平關系著國家能源安全,煤炭工業當前正朝著高質量發展轉變。但是,隨著淺部煤炭資源的大規模開發,越來越多的礦井進入深部開采階段,煤層瓦斯含量、地應力等急劇增加,瓦斯涌出量和煤與瓦斯突出危險顯著增大,瓦斯災害威脅加重與安全高效生產之間的矛盾將日益突出。
 
  1 智能瓦斯抽采內涵及特征
 
  1.1 智能瓦斯抽采的內涵
 
  智能礦山的概念在20世紀80年代就已經被提出,但不同時期人們對其有不同的理解和認識,目前普遍認為智能礦山是人工智能和礦山實體的深度融合體,能夠自主地響應礦山生產過程中的各種變化和需求,實現安全、高效、綠色、經濟的采礦作業。
 
  1.2 智能瓦斯抽采的特征
 
  智能裝備的智能化特征主要體現在裝備的自主運行能力上,即能夠精準地感知外部環境信息和自身運行狀態信息,通過感知信息的分析和理解形成準確的判斷和優化的決策,對決策給予有效的執行,使其自動適應環境條件變化,并獨立完成預定任務。
 
  2 智能瓦斯抽采體系框架
 
  2.1 智能瓦斯抽采體系結構
 
  智能瓦斯抽采技術體系結構如圖1所示,包含功能和技術2個維度。
 
  1)功能維度。
 
  2)技術維度。
 
 
  2.2 智能瓦斯抽采總體架構
 
  從統籌性、先進性、開放性、適用性等角度綜合考慮,設計智能瓦斯抽采的整體架構如圖2所示,總體概括為“4層面+2體系”,其中“4層面”包括感知控制層、傳輸層、數據層、應用層;“2體系”分別為信息標準體系和信息安全體系。各部分既相對獨立,又彼此關聯、相互依托,形成有機的整體。
 
 
  3.1 動態透明瓦斯地質
 
  煤層賦存、煤體結構、瓦斯賦存、地質構造等瓦斯地質條件的透明化是瓦斯精準抽采的前提和基礎。但是,目前的煤礦地質探測技術和煤層瓦斯參數測定技術還存在諸多技術瓶頸,在精準性、可靠性、時效性等方面難以滿足智能瓦斯抽采需求。而且,地質建模軟件對多元地質信息的集成處理能力不強,地質模型精度偏低,對瓦斯抽采的支撐作用不好。
 
  3.2 抽采鉆孔智能設計
 
  抽采鉆孔設計是鉆孔施工的主要依據,鉆孔設計的科學性和合理性直接影響鉆孔施工難度和工程量大小,以及后期抽采效能的發揮。抽采鉆孔設計必須從多方面因素綜合考慮,是受煤層瓦斯地質條件、鉆孔施工作業環境、鉆機鉆具性能等多種因素限制,需要平衡瓦斯抽采達標、鉆孔施工難度、鉆孔工程量大小等多方面需求,使鉆孔布置方案總體達到優化狀態的復雜決策過程。
 
  3.3 打鉆-增透-封孔一體化機器人
 
  煤礦機器人是煤礦智能化系統的重要組成部分,其使命是代替人完成危險、繁重、枯燥的煤礦井下工作,減少井下作業人員數量,提高作業效率和質量。但是,煤礦井下環境較為特殊,空間狹小、地形復雜、光照不足,受瓦斯、粉塵、潮濕、淋水、落石等多種因素威脅,且大功率設備多,電磁干擾嚴重,這對煤礦機器人的尺寸、行走、防護、通信、供電等性能提出了嚴峻挑戰,煤礦機器人整體處于起步階段,還沒有用于打鉆、封孔等作業場景的智能機器人。
 
  3.4 抽采系統智能調控與診斷
 
  3.4.1 抽采系統智能調控
 
  3.4.2 抽采系統智能診斷
 
  3.5 瓦斯抽采達標自動評判
 
  瓦斯抽采達標評判是煤礦瓦斯抽采的重要環節,目的是準確評估瓦斯抽采效果是否達到了有效預防瓦斯災害所需要的水平。現階段受抽采監測數據可靠性不高影響,煤礦現場主要依賴實測煤層殘余瓦斯含量或壓力進行抽采達標評判,存在手段單一、以點帶面的問題,評價結果精細度不夠、準確性不高,容易造成安全隱患。
 
  4 結語
 
  在智能煤礦建設背景下,瓦斯抽采作為煤礦瓦斯災害的治本之策,智能瓦斯抽采將成為解決深部開采瓦斯災害防治難題,提升煤礦安全生產水平的技術關鍵,是智能煤礦的重要組成部分。目前我國煤礦瓦斯抽采技術裝備的智能化水平還十分低下,整體處于起步階段,急需將現代信息技術融入煤礦瓦斯抽采領域,逐步實現瓦斯抽采的信息化、自動化、智能化。面向煤礦瓦斯抽采鉆孔設計、鉆孔施工、煤層增透、鉆孔封孔、抽采系統調控與維護、抽采達標評判等應用場景,充分采用礦山物聯網、大數據、云計算、煤礦5G、人工智能等技術,突破動態透明瓦斯地質、鉆孔智能設計、打鉆-封孔-接抽一體化機器人、抽采管網自主調控與故障診斷、抽采達標智能評判等關鍵技術,形成具有精準感知、自主學習、自主決策、自主控制、自動適應能力的自動化、智能化裝備及系統,實現瓦斯抽采全過程的少人化甚至無人化作業,是智能瓦斯抽采的發展方向。
 
  引用格式
 
  趙旭生,馬國龍.煤礦瓦斯智能抽采關鍵技術研究進展及展望[J].煤炭科學技術,2021,49(5):27-34.