采煤工作面是矿井中的主要工作场所， 在开采煤炭的过程中易面临顶板、瓦斯以及火灾等突发情况，对人们的生命财产安全构成了严重威胁。 综采工艺促进了采煤效率的大幅度提升，在一定程度上提升了煤矿开采的安全性，同时也促进了机械化与智能化发展，但就目前而言，采煤工作面仍然具备较高的危险性， 加强对无人采煤工作面开采关键技术的研究与创新至关重要。
1 采煤工作面常见灾害
1.1 顶板灾害
一直以来， 顶板灾害长期威胁着我国煤矿开采活动的安全，随着相关理论与技术的完善与更新，包括巷道支护技术、工作面支护技术以及矿山压力与岩层控制理论、支护理论，大范围的冒顶情况得到了有效控制， 但局部冒顶状况仍难以完全避免。 就目前而言， 采煤工作面是局部冒顶状况多发的位置，尤其是超前支护段、支架前探梁以及工作面 端部等区段在煤矿开采过程中， 顶板大面积来压和冲击地压带来的破坏是巨大的， 前者可以借助高压注水以及松动爆破等顶板软化技术加以控制，但是对于后者的治理尚未找到有效措施，只能通过一定的手段加以预防。
1.2 瓦斯灾害
瓦斯灾害主要有两种表现形式， 即煤与瓦斯突出以及瓦斯爆炸。 前者多发于掘进巷道，尤其在石门揭媒时发生该事故的概率更高;后者则是威胁采煤工作面生产活动安全性的主要问题。 在使用采煤机进行割煤的过程中，瓦斯从所吸附的煤层中游离出来，不断积累至一定量后则会引发瓦斯爆炸等重大事故，虽然现阶段已在采煤工作面采用了多种技术与设备进行瓦斯爆炸的预防与控制，但对于采煤工作面的危险性仍然存在。
1.3 矿井水灾
综合矿井水灾而言， 老空水与煤层底板承压水的危害程度最强，分别对掘进巷道与采煤构成了严重威胁，如果未对煤层底板进行科学合理的处理， 则会导致底板承压水淹没工作面，给人们的生命财产安全带来不可估量的损失。
1.4 矿井火灾
煤的自燃、 电气设备故障以及人类生存活动都是引发矿井火灾的重要因素， 其中， 煤的自燃引发的火灾影响范围最大，对于多发火灾的煤层而言，需要做好严格的防护措施，避免对工作面以及整个矿井造成不良影响。
1.5 粉尘灾害
粉尘灾害通是威胁采煤工作人员的人身安全的关键 问题，一方面会引起煤层爆炸，另一方面，长期置身于未加防护的粉尘环境中极易染上尘肺病。 而切断煤尘的积累途径是防止煤层爆炸的最佳措施， 虽然负压降尘以及气幕隔尘等新技术不断应用于粉尘灾害的防治，但是为了切实预防尘肺病，仍然需要做好个体防护工作。
1.6 地热灾害
在部分地区的深部矿井中， 地热灾害也是影响采煤工作人员身体健康的一项重要因素， 使得工作人员容易出现体力下降以及精神恍惚等状况， 为工程施工埋下了极大的安全隐患，对现代化煤矿的安全高效生产造成了严重不良影响。
2 无人工作面开采技术体系
2.1 体系介绍
智能无人采煤工作面开采体系的示意图，为了加强对中国煤矿工作面自动化的研究， 需要立足于无人工作面的相关理论，从以下关键技术的创新发展出发，促进适合我国国情的无人工作面的良好发展。
2.2.1 煤岩界面自动识别与调高技术
现阶段，基于煤岩分界传感系统与相关机理，记忆控制系统、振动频谱传感系统、无线电波、噪声、雷达探测以及红紫外线等有着广泛的应用，但是井下煤层与围岩条件普遍较复杂，导致媒岩分界的准确性与可靠性难以得到保障， 且在实际情况中的成功率较低，在此情况下，研发与应用合适的煤岩分界识别传感器至关重要，同时，为了有效实现采煤机滚筒的自动调高，需要提高传感器的工作效率以及分辨率。 现阶段，传感器与计算机控制的结合是主要的发展方向，尤其适用于大功率自动化采煤机中，尤其是具备一定分辨率的煤岩传感器，二者共同组成了煤岩分界传感装置与识别系统。 在实际生产活动中，记忆智能程控煤岩分界识别与控制系统的应用最为广泛，适用于国内外多种机型，同时，雷达探测技术有着广阔的发展空间。
2.2.2 采煤机自主定位系统
对于无人工作面而言，确保地下通讯系统的高效性，地下定位与定向系统的精确性至关重要，但就目前而言，我国在该领域的研究尚不成熟，首台采矿机器人的定位功能存在诸多纰漏。 结合 GIS 技术的无人采矿定位技术在国内外皆未取得较大突破，因此，为了进一步促进无人工作面的发展，需要加大对于含自主定位系统的采煤机的研发力度，主要从以下方面入手：
(1)采煤机动力学模型
在实际生产活动中， 采煤机需要在环境恶劣以及地形复杂的情况下作业，采煤路线与煤岩性质等会发生连续变化，从而干扰了采煤机的正常运动状态与轨迹，在此情况下，对采煤机的位置、 速度以及加速度等运动参数进行实时精确地掌握存在一定的难度。 为了有效克服上述问题，满足自主定位采煤机的需求，首先需要建立合理的动力学模型，其次，需要确定采取不同采煤工艺时的实际运动状态， 最后再结合外界影响因素对采煤机运动进行分析， 上述内容也是实现与完善自主定位系统的关键技术。
(2)航位推算系统误差补偿模型
对于航位推算系统而言，为了保障系统的精度，需要避免或者减少惯性传感器产生的误差， 该误差主要取决于矿井中的工作环境，而仅通过改进仪表的机构设计与制造工艺，进行误差控制是远远不够的， 且在技术与经济等方面会面临较大的难题，因此需要借助最优估计理论与方法，对移动目标的位置进行科学预估，以克服传感器随机性误差带来的不良影响，切实保障航位推算系统的可靠性与精确性。
(3)矿井电子地图导航数据库与匹配算法采煤机在预定轨道上运动是准确进行地图匹配基本前提，将采煤机运动路线的数学特征与数据库进行对比，可以得到采煤机的位置与运动轨迹，并可以校正传感器误差，完成地图匹配。 同时，系统及时将监测得到的信息反馈给数据库，后者借助矿井电子地图可以获取采煤机的具体位置， 从地面监测主机中也可以实时获取所需监测结果， 即可以实时反映采煤机的运动情况， 如图 2 所示为多项关键技术所形成的采煤机自主定位导航系统的流程示意图。
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