Замена угля породой и нулевой выброс породы являются одной из ключевых целей строительства «зеленых» шахт в Китае. Команда профессоров Ян Кана и Чжан Цяна из Китайского горно-технологического университета опубликовала знаковое исследование в международном академическом журнале «Applied Sciences», в котором впервые систематически предложена новая модель добычи угля с твердой закладкой, основанная на полностью замкнутой интеллектуальной архитектуре «восприятие-принятие решений-исполнение». Данная работа, направленная на решение таких проблем традиционной технологии твердой закладки, как низкая эффективность, высокая трудоемкость и большие затраты, развертывает шесть ключевых подсистем по всей цепочке от поверхности до забоя, успешно реализуя замкнутый цикл интеллектуальной сортировки на подземной отсадочной машине (содержание угля в породе после отсадки <4%) и интеллектуальной закладки в забое. Это позволило удвоить месячную добычу забоя и повысить эффективность закладки на 50%, что знаменует собой переход Китая от «догоняющего» к «лидирующему» положению в области «зеленой» интеллектуальной закладки на угольных шахтах мира.

Двойная дилемма «зеленой» интеллектуальной закладки

Технология добычи угля с твердой закладкой демонстрирует значительные преимущества в утилизации твердых отходов, отработке угля под зданиями, сооружениями и водными объектами («три под») и контроле динамических катастроф. Однако широкомасштабное внедрение этой технологии долгое время сдерживалось тремя основными барьерами: низкой эффективностью, высокими удельными производственными затратами и высокой трудоемкостью. Традиционная технология твердой закладки страдает от низкой степени автономности и недостаточной способности к адаптивному регулированию, что приводит к низкому уровню интеллектуализации и серьезно ограничивает ее эффективность и масштабы применения. В то же время традиционная закладка породой также не может удовлетворить двойные требования к качеству и эффективности закладки, предъявляемые интеллектуальными забоями, что требует системной интеллектуальной модернизации для технологического прорыва.

Четыре интеллектуальные подсистемы для точной декомпозиции всей цепочки закладки

Исследовательская группа, используя комбинацию обзора литературы, теоретического анализа и полевых измерений, впервые предложила интеллектуальную архитектуру, основанную на всей цепочке «поверхность — загрузка — подземная сортировка — забой», создала замкнутую энергосберегающую архитектуру управления с ядром «восприятие-принятие решений-исполнение» и оснастила ее шестью ключевыми подсистемами. Технологические прорывы в четырех ключевых интеллектуальных подсистемах составляют основную инновационную опору данного исследования.

1. Интеллектуальная система предварительной обработки породы на поверхности: контроль у источника, цифровизация процесса

Традиционный этап подготовки закладочного материала на поверхности долгое время характеризовался низкой степенью автоматизации, сильным запылением и большим вмешательством человека. Исследовательская группа самостоятельно разработала интеллектуальную систему предварительной обработки породы на поверхности, которая интегрирует четыре функции: автоматическую мойку транспортных средств, интеллектуальное пылеподавление распылением в перегрузочных пунктах, динамическое дозирование в процессе транспортировки и адаптивное регулирование системы подачи. Эта система не только обеспечивает полную цифровизацию и прозрачность источника материала, но и устраняет пылевое загрязнение у источника, создавая прочный «первый барьер» для стабильной работы подземных процессов.

2. Интеллектуальная система сортировки на подземной отсадочной машине: содержание угля в породе <4%, ключ к «безотходной» шахте

Сортировка породы непосредственно в шахте является ключевым звеном «зеленой» закладки. Исследовательская группа успешно разработала интеллектуальную систему сортировки на подземной отсадочной машине, где частота отсадки может регулироваться интеллектуально, толщина постели может измеряться и контролироваться интеллектуально, а расход воздуха может дозироваться интеллектуально. Эта ключевая подсистема достигла двух революционных эффектов. Во-первых, революционное повышение точности сортировки: система стабильно удерживает содержание угля в породе после отсадки ниже 4%, что соответствует международно признанному передовому уровню подземной сортировки породы, эффективно предотвращая потери угольных ресурсов. Во-вторых, замыкание цикла «шахтного круговорота»: в сочетании с функциями сигнализации о заполнении бункера и регулировки уровня материала в системе вертикальной подачи породы с поверхности в шахту, достигается ключевая цель «зеленой» добычи — порода не выдается на поверхность, тем самым устраняя долгосрочный экологический ущерб от породных отвалов на поверхности.

3. Интеллектуальная система твердой закладки в забое: удвоение месячной добычи, повышение эффективности на 50%

Команда создала полностью замкнутую интеллектуальную архитектуру управления закладочным забоем, основанную на сопряжении ПЛК-управления и ПИД-алгоритма. Данные производственной практики показывают, что эта система удваивает месячную добычу забоя, повышает эффективность закладки на 50% и одновременно сокращает численность персонала в смене на 8-10 человек. Этот значительный эффект в первую очередь обусловлен автоматической организацией процессов добычи и закладки, интеллектуальной идентификацией состояния заклинивания уплотнительного механизма, а также оперативным восприятием параметров закладки и оптимизацией решений, что значительно сокращает соотношение времени закладки и времени очистных работ, успешно разрешая фундаментальное противоречие традиционной закладки — «дисбаланс добычи и закладки».

4. Система мониторинга эффективности интеллектуальной закладки и горного давления: управляемое горное давление, нулевая осадка поверхности

Конечная цель интеллектуальной закладки — эффективный контроль сдвижения горных пород и оседания земной поверхности. Интегрированная в систему интеллектуальная платформа мониторинга эффективности закладки и сеть обратной связи по горному давлению, благодаря мониторингу несущей способности закладочного массива и активности кровли в реальном времени, обеспечивают точный контроль горного давления в забое и точный прогноз деформации поверхности. Производственная практика показывает, что взвешенный коэффициент горного давления в забое составляет всего 1,12, а оседание поверхности точно контролируется в пределах, допустимых национальными стандартами защиты зданий и сооружений первой категории. Это принципиально решает отраслевую проблему традиционной закладки, когда «проект закладки основан на опыте, а оседание поверхности неконтролируемо».

Переосмысление глобальной логики «зеленой» интеллектуальной добычи в угольной промышленности

Значение прорыва данного исследования выходит далеко за рамки повышения эффективности отдельного забоя или отдельной шахты; оно коренным образом изменит будущий облик угольной промышленности в трех стратегических измерениях.

Во-первых, создание промышленной парадигмы «замкнутой экосистемы» для угледобычи. Данная технология, благодаря интеллектуальной сортировке породы непосредственно в шахте и ее закладке на месте, формирует полную замкнутую систему «замена угля породой, нулевой выброс породы», что знаменует собой переход угледобычи от простого процесса потребления ресурсов к циклической промышленности по утилизации отходов и замещению ресурсов. Эта модель окончательно решает экологическую проблему складирования породы на поверхности, десятилетиями困扰ющую сотни крупных шахт Китая.

Во-вторых, преодоление технологических барьеров для крупномасштабной безопасной отработки угля под объектами «трех категорий». Значительные объемы высококачественных угольных ресурсов на востоке Китая долгое время были законсервированы под зданиями, водными объектами и железными дорогами. Данная технология, благодаря интеллектуальной точной закладке и контролю кровли, позволяет удерживать оседание поверхности ниже предельных норм, предоставляя строго проверенный на практике комплексный план для экономичной, безопасной и «зеленой» разработки огромных запасов угля под объектами «трех категорий», что является важным технологическим резервом для обеспечения энергетической безопасности страны.

В-третьих, определение «китайского стандарта» для интеллектуальных «зеленых» шахт мира. Данная работа уже сформировала интеллектуальную стандартную архитектуру, охватывающую всю цепочку «предварительная обработка на поверхности — подземная сортировка — закладка в забое — мониторинг горного давления», и систематизировала конфигурации и ключевые технологические рамки шести ключевых подсистем для различных режимов закладки. Китай уже совершил ключевой переход от «механизации» к «интеллектуализации» в этой области, предложив тиражируемое и воспроизводимое «китайское решение» для устойчивой трансформации мировой угольной промышленности.

Модульность и воспроизводимость данной технологии означают ее высокий потенциал адаптации к угольным шахтам с различными производственными и геологическими условиями. Исследовательская группа отмечает, что с углубленной интеграцией передовых технологий, таких как распознавание изображений и машинное обучение, в процессы закладки (например, визуальное прогнозирование объема породы и интеллектуальный контроль коэффициента заполнения), а также с реализацией способности интеллектуальных закладочных крепей к полностью автономному выполнению всех операций, закладочная добыча угля вступит в новую фазу «полностью безлюдных, полностью самоадаптирующихся» интеллектуальных шахт, обеспечивая ключевую стратегическую технологическую поддержку для «зеленой» низкоуглеродной трансформации угольной промышленности в рамках достижения целей углеродной нейтральности.