千米深井三軟煤層智能開采關鍵技術與展望

王國法，龐義輝，任懷偉

(1.天地科技股份有限公司 開采設計事業部，北京 100013；2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

據不完全統計，我國埋深2000m以淺的煤炭資源儲量約為5.9萬億t，其中埋深大于1000m的煤炭資源儲量約占一半以上[1，2]。由于近年來淺部煤炭資源的大規模高強度開發，我國煤礦開采深度正以每年8～12m的速度增加，東部礦區開采深度正以每年20～25m的速度延伸[3，4]，開采深度最大的煤礦(孫村煤礦)已達到1501m。為保障我國經濟快速發展的能源供給需要，煤炭深部開采勢在必行。

隨著煤炭開采深度的增加，深部煤礦工程災害的種類與數量驟增。由于深部煤巖體處于“三高一擾動”的復雜應力環境，導致深部煤炭開采過程中存在煤與瓦斯突出、巖爆、沖擊地壓、突水等重大危險源[5-8]，深部開采面臨的巷道圍巖大變形與高地溫等也威脅著井下作業人員的安全和健康，因此，深部煤炭資源開采必須走智能化、少人化的發展道路，實現“無人則安”。目前，澳大利亞通過研發基于高精度光纖陀螺儀和定位導航算法的LASC技術，實現了采煤機在三維空間位置的精確定位，并基于工作面采煤機自動調高控制技術，實現了綜采工作面的少人化開采[9-11]。美國通過研發智能開采服務中心，實現了綜采設備故障的自動報警、防碰撞、高效截割等[12]。我國黃陵一號煤礦通過采用采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機移架、刮板輸送機智能調速等技術，實現了在工作面巷道監控中心和地面調度中心進行遠程控制采煤，大幅減少了綜采工作面作業人員的數量[13，14]。同煤集團同忻煤礦采用基于振動感知原理的煤矸識別裝置與自動放煤系統，實現了特厚煤層大采高綜放工作面的自動化開采[15，16]。神東集團石圪臺煤礦采用視頻拼接技術，實現了綜采工作面的全景展示，并借助液壓支架防碰撞、采煤機遠程控制等技術，實現了綜采工作面的自動化、少人化開采[17]。轉龍灣煤礦采用基于慣性導航的工作面直線度檢測與控制技術、智能記憶截割控制技術、工作面視頻及遠程智能控制技術等，實現了厚度為3～4m煤層的自動化、少人化開采，單一工作面年產量達到千萬噸水平[18]。

目前，我國已經在煤層埋深較淺、賦存條件較優越的礦井實現了自動化、少人化開采，但相關技術與裝備難以直接應用于深部三軟煤層賦存條件。筆者基于淮南礦區口孜東煤礦千米深井三軟煤層賦存條件，分析了深部煤層實現智能化、少人化開采的主要制約因素，提出了賦存條件較復雜煤層實現智能化、少人化開采的主要技術路徑，探討了我國綜采工作面智能化開采技術的發展方向。

1 深部三軟煤層智能化開采制約因素分析

歷經改革開放四十年的快速發展，我國煤炭開采技術已經從炮采、機械化開采、綜合機械化開采、自動化開采向智能化開采變革，煤炭資源的安全、高效、綠色、智能開發取得了重要進展，已經在煤層賦存條件較簡單的礦區實現了自動化、智能化、少人化開采，但相關技術與裝備難以直接應用于深部復雜煤層賦存條件，主要存在以下制約因素：

1)受制于深部復雜應力環境，三軟煤層工作面極易發生煤壁片幫、頂板漏冒等現象[19，20]，綜采工作面圍巖控制難以實現智能化。由于深部三軟煤層圍巖應力高、強度低、流變特征明顯，煤壁極易發生片幫，并誘發頂板冒漏，采煤機截割過程中需要對煤壁、頂板、液壓支架伸縮梁、護幫板等信息進行全方位實時感知，受制于井下光照環境差、圍巖與液壓支架傳感器缺乏、控制精度與時效性差等，導致現有傳感技術難以實現對井下圍巖環境進行全面實時感知，且受制于煤壁片幫冒頂機理尚不明確，難以對煤壁片幫冒頂進行有效預測與精準控制。

2)煤層仰、俯角及傾斜角度變化導致液壓支架易扎底、刮板輸送機易發生上竄下滑等，工作面直線度控制困難，制約綜采工作面智能化、少人化推進。深部三軟煤層底板松軟、遇水易泥化，當存在一定的俯斜角度時，則液壓支架極易發生扎底，導致綜采工作面推進困難；工作面傾斜角度變化導致刮板輸送機易發生上竄下滑，工作面直線度控制困難，管理難度大，嚴重制約智能化開采技術的應用。目前，基于慣性導航的工作面直線度保持技術尚難以直接應用于傾斜煤層條件，而且缺乏高效的刮板輸送機上竄下滑控制算法，導致傾斜三軟煤層難以實現智能化開采。

3)深部三軟煤層巷道變形量大，綜采工作面兩端頭及超前段支護困難，極大地限制了綜采裝備群的智能協調推進。受制于深部圍巖復雜的高地應力環境及流變特性，工作面巷道變形量大，需要頻繁的進行巷道起底、擴幫等，工人勞動強度大，傳統的超前支護技術與裝備適應性差，難以對巷道超前支護區域的變形進行有效控制，綜采工作面超前支護段難以實現智能化支護與推進。

另外，受制于井下作業空間光照差、粉塵大、溫度高、空間狹小等，圖像識別、視頻云臺等技術難以在井下有效應用，且由于綜采裝備群精準定位與智能導航、煤巖識別等技術均處于技術發展瓶頸期，導致深部三軟煤層綜采裝備群難以實現智能協調推進，工作面人員勞動強度大、作業環境差、安全風險高。

基于現有綜采工作面自動化、智能化、少人化開采技術發展現狀，筆者及科研團隊進行了深部三軟煤層綜采工作面智能化開采關鍵技術攻關，提出了深部三軟煤層綜采工作面實現智能化、少人化開采的液壓支架與圍巖自適應智能控制技術、采煤機精準定位與智能調高技術、刮板輸送機智能調斜工藝與技術、智能高效超前支護技術、綜采裝備群智能協同控制技術等相關技術路徑與其發展方向。

2 液壓支架與圍巖自適應智能控制技術

液壓支架是綜采工作面進行圍巖控制及實現綜采裝備群智能協調推進的核心設備，液壓支架對圍巖控制的可靠性、支護姿態的合理性、設備推移的準確性及綜合控制的協調性直接決定綜采工作面的智能化控制效果。針對深部三軟煤層極易發生煤壁片幫、漏頂等問題，筆者提出了液壓支架對圍巖的智能自適應控制方法，如圖1所示。

圖1 液壓支架智能自適應控制邏輯示意圖

采用三維CT探測與微震監測相結合的方法對工作面前方煤巖體的三向應力狀態、斷裂結構進行實時監測與反演，構建煤壁與圍巖破斷的力學模型，得出工作面煤壁與圍巖失穩判據；采用壓力傳感器、傾角傳感器等對液壓支架的支護姿態與受力狀態進行實時監測，構建液壓支架動態承載力學模型，得出液壓支架對圍巖的動態承載力學特性；基于液壓支架與圍巖耦合作用原理及上述監測結果，構建深部三軟煤層液壓支架與圍壓耦合力學模型，得出液壓支架對圍巖的智能自適應支護參數與控制策略；通過在液壓支架護幫板安裝聲波探測裝置，對煤壁片幫與頂煤冒漏現象進行實時監測，當煤壁發生片幫時，則智能調整護幫板、伸縮梁的動作速度、時間與位移。

基于上述監測參數與理論模型，開發深部三軟煤層綜采工作面圍巖控制算法，搭建液壓支架與圍巖自適應智能控制平臺，針對不同圍巖狀況進行分類分析及實施控制策略。同時，筆者提出了綜采工作面負壓除塵策略，可有效降低工作面采煤機截割過程中產生的煤塵對視線與環境的影響，輔助采用圖像識別技術對采煤機截割過程中的煤壁片幫與頂板漏冒進行識別，為液壓支架對圍巖的智能自適應控制提供判斷依據。基于上述監測數據處理結果，將綜采工作面實時監測數據通過視頻圖像識別與三維可視化系統進行實時展示。

3 采煤機精準定位與智能調高技術

目前，綜采工作面采煤機定位主要采用兩種技術途徑：一種是通過紅外傳感器來感知采煤機與液壓支架的相對位置，從而確定采煤機在工作面的相對位置；另一種是通過采煤機行走輪與刮板輸送機銷排的嚙合關系，判斷采煤機在工作面的位置[21]。澳大利亞聯邦科學院基于高精度慣性導航技術開發的LASC裝置實現了對采煤機三向姿態與位置的實時監測和控制，這一系統已在我國應用。國產慣性導航裝置正在試驗中。

針對煤層厚度變化帶來的采煤機截割高度智能調整問題，國內外學者持續致力于煤巖界面識別技術攻關，提出了基于放射性探測、振動監測、電磁監測、紅外探測、圖像識別、電參量監測等煤巖界面識別技術與裝備，但煤巖識別的技術瓶頸始終未能有效突破，國內外尚未有井下高效、精準煤巖識別技術的成功應用案例。

針對采煤機精準定位與智能調高問題，筆者及團隊提出了基于地質信息模型和隨采隨探動態修正的采煤機采高智能調控，如圖2所示。

圖2 采煤機智能截割技術策略示意圖

基于采區勘探鉆孔數據構建礦井整體地質信息預測模型，結合工作面運輸巷、回風巷掘進過程中對煤層的實際揭露情況，對整體地質信息預測模型進行修正，并在掘進過程中進行煤巖體信息的精準物探與鉆探，采用差值算法構建工作面前方煤巖體分界曲面的三維精準坐標；基于高精度慣性導航等技術對采煤機的姿態及三維空間坐標進行精準定位，將采煤機的空間位置坐標與三維空間地質信息預測模型的坐標進行統一，根據修正模型的煤巖分界曲面三維空間坐標信息，對采煤機的截割高度進行精準控制，實現采煤機的精準定位與智能調高控制。

目前，受制于鉆探、物探等探測技術的精度、可靠性等因素，以及采煤機三維姿態與空間定位技術尚存在一定的累計誤差，在一定程度限制了采煤機精準定位與智能調高技術在深井三軟煤層的應用，后續仍需要在地質探測及采煤機精準定位與智能導航技術方向進行突破。

4 刮板輸送機智能調斜工藝與技術

針對深部三軟煤層賦存條件，當工作面存在俯仰角與傾斜角度時，刮板輸送機易出現飄溜、啃底與上竄下滑等問題，如圖3所示，工程現場主要采用調整刮板輸送機推移順序、采煤機下滾筒臥底量等進行刮板輸送機的控制與調整。

圖3 刮板輸送機飄溜及直線度控制圖

目前，綜采工作面刮板輸送機智能調斜尚處于起步階段，文獻[22]對刮板輸送機智能調斜技術進行了探索，提出了刮板輸送機上竄下滑的自動控制策略，但并沒有解決工作面存在俯仰角度時的調斜控制難題。筆者認為綜采工作面刮板輸送機智能調斜主要以提前預防為主，通過對刮板輸送機三向姿態進行智能實時監測，實現對刮板輸送機上竄、下滑的提前預防；當出現極端情況導致刮板輸送機發生上竄、下滑時，則需要調整綜采設備群的推進時序；針對刮板輸送機啃底、飄溜等問題，目前主要缺乏刮板輸送機調控機構，上述二者的控制邏輯均不難實現，但控制的精準性與有效性則主要受監測參數與控制機構的限制。

5 智能高效超前支護技術

目前，綜采工作面超前支護主要采用兩種支護形式：一種為采用單體液壓支柱進行支護，這種支護形式存在支護強度低、勞動強度大、支護效率低等問題；另外一種則采用超前液壓支架，目前已經在西部條件優越礦區實現了超前液壓支架的遠程遙控操作，提高了超前支護的自動化水平，但傳統超前液壓支架存在對頂板反復支撐破壞、對巷道變形適應性差等問題，難以適用于深部大變形條件。

針對深部三軟煤層大變形巷道超前支護難題，筆者及團隊曾提出了“主動高效支護與非等強支護”的支護理念，通過創新研發具有雙列多節式結構的巷道超前支護液壓支架，在兗礦集團東灘煤礦實現了深部大變形巷道的有效支護，但巷道超前支護的自動化控制尚處于起步階段。

針對淮南礦區千米深井綜采工作面超前支護難題，筆者及科研團隊設計研發了單元式超前液壓支架及吊裝機構，如圖4所示，利用單元式超前支架實現對巷道超前段的強力支護，利用單軌吊、吊裝機進行單元式超前液壓支架的快速搬移。

圖4 單元式智能超前支護系統圖

針對深部三軟煤層巷道變形量大、巷道底板條件差等問題，筆者及科研團隊提出了單元式智能自適應超前液壓支架支護方案，通過對超前液壓支架支護結構進行創新設計，提高超前液壓支架對巷道頂底板變形的適應性，并配套研發了超前液壓支架智能作業平臺，提高了超前液壓支架對未硬化巷道底板條件的適應性，實現千米深井綜采工作面超前支護區域的智能自適應支護及支護設備的快速、自動搬運。

6 綜采裝備群智能協同控制技術

目前，綜采工作面自動控制系統已經在液壓支架自動跟機移架、采煤機記憶截割、運輸系統煤流平衡、遠程遙控、一鍵啟停等多項關鍵技術取得突破，基本實現了簡單地質條件下單機設備的自動化及綜采設備群的聯動控制，但綜采裝備群之間的數據挖掘與融合共享、位姿關聯關系、智能協同控制等尚未取得實質性突破。

針對深部復雜圍巖條件，筆者及團隊分析了超長工作面不同分區圍巖的破斷特征與失效機理，開發了基于支架與圍巖耦合關系的液壓支架智能自適應控制算法，提高液壓支架對深部圍巖的適應性。通過分析深部圍巖破斷的主要影響因素，初步提出了千米深井綜采工作面圍巖失穩預警準則，提高了綜采裝備群對深部圍巖的適應性。

針對綜采裝備群協同控制與快速推進難題，筆者及團隊提出了綜采裝備群智能協同控制策略，如圖5所示。首先對綜采裝備群的時空坐標系進行統一，通過建立綜采裝備群的運動學與動力學模型得出各設備之間的位姿關聯關系；其次在單機設備自動化的基礎上進行綜采設備群的精準定位與智能導航，確定各設備間的空間位置關系；對綜采裝備群的海量監測信息進行多源異構融合分析與挖掘，實現綜采裝備群信息的實時共享與互聯互通；開發綜采裝備群協同控制算法及專家系統，構建工作面不同區域、不同圍巖條件變化、不同生產工況調整的綜采裝備群協同控制模型，實現工作面開采工藝、推進工序的智能化；基于壓力、瓦斯、粉塵等因素對開采工藝、裝備控制及系統行為方式的影響，建立綜采裝備群智能協同推進模型，實現綜采裝備群支護強度、截割高度、牽引速度等的協同動作。

圖5 綜采裝備群協同控制圖

7 展 望

智能化是繼工業化、自動化、信息化之后科技革命領域的一次新突破，以物聯網、大數據、機器人及人工智能等技術為驅動力的第四次工業革命將極大地提高生產力，為適應第四次工業革命與科技創新發展的趨勢，煤炭產業必須由機械化、自動化向智能化、無人化轉型升級。雖然我國已經成功在陜蒙等煤層賦存條件好的大型煤炭基地實現了自動化、少人化開采，但相關技術成果尚難以直接應用于深部復雜煤層條件的礦區，千米深井三軟煤層綜采工作面實現智能化開采仍需要在以下幾個方面進行重點攻關與持續創新突破。

1)進行深部圍巖穩定性控制機理、技術與裝備的創新與實踐。制約深部煤層實現智能化開采的核心難題是深部高地應力圍巖變形破壞機理尚不十分清晰，圍巖穩定性控制技術與裝備尚缺乏突破，亟需對深部圍巖穩定性控制機理進行突破，從而為工作面、巷道圍巖控制設備提供智能控制模型與算法支撐。

2)研發復雜條件工作面環境信息綜合感知技術與裝備。研發低功耗、高精度、高可靠、集成化、微型化智能傳感器，增加復雜煤層條件工作面環境信息的采集種類與密度，形成綜采工作面全息泛化的高精度智能感知場，為智能開采技術與裝備的應用提供基礎感知信息保障。

3)研發液壓支架智能自適應控制機構，提高對復雜圍巖條件的適應性。現有液壓支架對深部圍巖的控制主要是以被動支護為主，圍巖發生大變形破壞等異常工況時，液壓支架不具備高效支護機構，液壓支架的自調節能力有限，亟需研發液壓支架與圍巖的智能自適應控制機構，提高液壓支架對圍巖的智能自適應控制能力。

4)研發采場地質信息、應力信息等綜合信息高精度探測技術與裝備，實現復雜煤層條件的精準探測。工作面前方圍巖地質信息的精準探測是實現采煤機智能調高的基礎，現有鉆探、物探技術的探測精度低、勞動強度大，難以滿足構建透明工作面的要求，且地質信息探測僅僅是采場信息探測的一個方面，需要研發采場地質信息探測、應力信息探測、位移信息探測等綜合探測技術與裝備。

5)研發復雜煤層條件刮板輸送機智能調斜工藝算法與機構。現有綜采工作面刮板輸送機調斜工藝算法僅僅實現了對刮板輸送機上竄下滑的時序控制，對刮板輸送機飄溜、啃底等尚缺乏控制機構，且刮板輸送機上竄下滑的時序控制算法需要綜采工作面設備群的綜合協調控制系統進行配合，需要將調斜控制算法與設備群綜合協調推進算法進行有效融合，實現綜采設備群的智能協調推進。

6)煤流及兩巷輔助作業智能化系統。針對深部三軟煤層巷道變形量大、輔助作業工作量大、勞動強度大等問題，研究底鼓等復雜路面條件螺旋推進和調控技術，開發全方位移動模塊化作業平臺；集成研發“擴巷—挖裝—輸送—錨護”一體的巷修系統基本功能模塊；研究開發幫錨桿回收、管路安撤等特殊功能機械作業手；研究機械手臂調節定位技術，解決通用機具搭載集成問題；研究電液比例技術，開發狀態監控與全向視頻系統，實現對多功能平臺的遠程控制。