煤礦綜采工作面智能化開采

（西山煤電（集團）有限責任公司 山西 030053）

煤礦是中國的主要能源，保證安全高效的開采有著十分重要的意義。隨著自動化開采的普及，我國煤礦開采技術實現了由炮采向綜采的轉化，逐步進入了智能化開采階段，相關概念逐漸清晰，相關標準規范也在逐步完善。近年來，我國相繼發布一些相關規劃，設定了我國煤礦智能化開采的目標，為我國煤礦智能化開采指明了發展方向。以往煤巖界面識別被認為是綜采面進行無人化開采的必要條件，但是經過國內外的研究和實踐表明，雖然從理論上存在可能性但是由于其物理特性的多樣性和復雜性使得煤巖界面識別并不能達到預期的效果。因此需要繼續探索綜采工作面自適應無人開采技術，但是目前在智能化開采的關鍵技術上還存在一些問題，例如綜采技術方面，在原有記憶割煤、過載保護等基礎功能上新增加的紅外攝像、雷達探測防機械碰撞等功能大都還處在研究階段，相關技術還有待突破。

1.煤礦智能化開采階段劃分及相關技術

(1)智能化開采階段劃分

智能化開采是自動化開采的高級階段，通過設備智能學習實現自動化開采，在開采過程中減少了人工的參與，使得開采的效率和安全性都得到了大幅提高。中國的煤礦開采從最初的炮采到半機械化的普采再到現如今完全機械化的綜采，正在向著智能化開采發展，但是我國的智能化開采還處在初級階段。煤礦智能化發展是一個長期的階段，利用技術特征進行階段劃分可以將煤礦智能化發展劃分為四個階段。

①智能開采1.0階段。智能化開采的第一階段是對工作面情況進行感知，包括開采設備的推進速度、所在位置等數據。在這一階段初步形成以開采系統自動控制為主，人工干預為輔的模式。②智能開采2.0階段。在第二階段，智能開采系統需要對開采設備的姿態、圍巖部分的信息進行感知，并且需要基于感知到的信息來實現對工作面直線度和關鍵開采設備姿態的控制，這一階段僅僅適用于地質環境較好的工作面。③智能開采3.0階段。在第三階段，需要在前一階段的基礎上增加對于工作面地質圍巖和地理信息的感知，要求在這一階段初步形成工作面的信息透明化，并且需要在透明化的基礎上實現截割方向的規劃開采，以便于適應地質條件更復雜的工作面。④智能開采4.0階段。該階段是智能化開采的最后階段，也是理想目標。這一階段在工作面信息感知上更加全面，在工作面開采設備的控制上人工干預的更少，最后實現回采工作面中開采裝備能夠自主調節和控制，完成整個采煤過程以及設備的移動，在整個過程中不需要人工的干預。

目前國內只有少部分智能化礦井正在試驗智能化開采的第二、第三階段的部分關鍵技術，距離智能化開采第四階段的目標還有很長的距離。

(2)現階段關鍵技術

①基于姿態數據的液壓支架控制技術。液壓支架是綜采工作面的關鍵設備，但為了適應工作面圍巖的變化，液壓支架的頂梁也會出現相應的俯、仰狀態，因此液壓支架的姿態數據在防傾倒、防碰撞等業務中顯得十分重要。通過在液壓支架的底座、連桿、頂梁和護幫位置安裝姿態傳感器收集液壓支架的姿態信息傳遞給姿態控制器，可以保證工作面液壓支架的正常姿態，實現支架對于頂板的有效支撐、避免支架頂梁錯茬咬架。通過對液壓支架姿態的監控可以對其動作進行檢測和控制，保證液壓支架與圍巖特性相匹配。

②基于姿態數據的采煤機記憶截割。采煤機是綜采工作面的落煤設備，目前采煤機的記憶截割功能主要分為：記憶學習、記憶截割、記憶中斷、記憶修改四個階段。采煤機在割煤過程中可以通過分析、記憶自身運行參數，并按照工藝段將這些數據進行保存，根據記憶數據可以實現自動割煤，當遇到異常情況可以切換至手動割煤。當工作面發生變化時，將調整后的采煤機滾筒高度或者牽引數據記錄下來可以覆蓋原先的記憶數據繼續截割。未來智能化開采，采煤機則會基于工作面的地質數據、慣性導航和三維掃描等應用進行工作面態勢感知，然后根據工作面透明化模型進行數字化采煤。

③建立智能化巡檢系統。通過建立輔助巡檢平臺并且利用巡檢機器人進行工作面巡檢職責，巡檢機器人作為搭載平臺可以裝載三維激光掃描設備、慣性導航設備等裝置。

2.智能化開采存在的問題

通過分析國內外智能化開采現狀以及應用情況，可以總結出目前智能化開采存在的一些問題：

（1）井下開采環境惡劣，煤塵和水霧濃度大會影響攝像機的清晰度，尤其在逆風開采時很難分辨出煤巖界面和采煤機滾筒上沿與液壓支架頂梁之間的關系，因此在實際開采中仍然通過人工現場干預。

（2）基于液壓支架姿態進行自動化姿態調整并未達到理想效果，僅僅在開采環境較好的工作面進行階段性的應用。其中最主要的問題在于液壓支架的自動化程序和設置參數的靜態化與單一化并不能適應復雜多變的開采環境，因此目前還不能作為主流的生產模式長期運行。

（3）采煤機的記憶截割技術目前仍然需要采煤機司機的現場試教，當煤層賦存發生變化時，采煤機并不能自主的進行調整還需要人工在現場進行重新試教，因此目前只適應于條件較好而且簡單的工作面，并不能在工作面煤層賦存變化的工作面使用。

（4）目前不能自動進行工作面找直，仍然需要人工每隔一段時間重新進行找直，否則可能出現刮板輸送機或者煤壁不平的情況，達不到的“三平一直”的工程質量要求。

（5）目前井下工作面信息感知系統的魯棒性有待提高，包括傳感器、控制系統、執行系統等都需要進一步提升在惡劣環境下的可靠性。另外由于智能化開采中自動化系統目前還并未形成行業標準，因此接入的控制系統良莠不齊，使得自動化系統的整體可靠性和控制機構的實時性不能很好的保障，并不能達到預期的效果。

（6）井下工作面環境惡劣、情況復雜，因此需要針對可能出現的情況進行智能決策。通過實現開采設備的通信接口、協議的互通互聯建立起統一的通信平臺，以實現決策平臺的智能化。在井下遇到相應的情況之后，智能決策平臺可以通過專家庫系統調用相應的解決辦法，通過開采設備的自我調整達到重新工作的目的。

（7）智能化開采的觀念以及管理模式都需要提高。在智能化開采的過程中需要明確發展趨勢，即：自動化開采時基礎、智能化是核心部分、無人化開采是最終的目標。

3.智能化開采技術發展展望

智能化自適應開采技術的系統模型如圖1所示，整個系統自下而上分為了四個部分，最底層的執行層、感知層、控制層以及最頂層的分析決策層。其中執行層包括了采煤機、液壓支架、刮板運輸機、轉載機、帶式運輸機、泵站等一系列綜采裝備；感知層包括裝備感知以及環境感知，裝備感知主要是檢測綜采設備的壓力、行程、傾角、電流等運行參數，環境感知層包括激光掃描、可見光視頻、紅外線視頻、瓦斯、鉆孔、地質勘探、掘進數據等環境參數；控制層為綜采控制系統包括支架電液控制系統、采煤機控制系統、“三機”控制系統、集成供液控制系統、供電控制系統等；分析決策層包括了由綜采裝備的工況數據建立的數據倉庫、包括多信息融合的綜采工作面三維物理仿真、工作面找直、煤巖識別、上竄下滑測量等功能組成的智能分析應用以及可以實現采煤機截割模板和支架全程自適應跟機的智能決策應用。工作原理為：執行層的裝備通過大量傳感器感知自身的工作狀態，通過激光掃描、可見光相機、火災標志性氣體傳感器以及相關地質數據進行工作面地質環境的感知，通過將傳感器獲得的大量數據構建成數據倉庫，并且利用三維可視化技術建立工作面的三維模型，在此基礎上進行工作面找直。最后將智能決策下發給綜采控制系統進行控制，實現感知、分析、決策、控制的閉環操作。

圖1 智能自適應無人開采控制模型

4.結語

（1）煤礦的智能化開采不是一朝一夕的，而是分階段逐步實現的。對煤礦智能化開采的四個階段進行了簡要敘述，總結了每個階段的典型特征以及技術概要。（2）提出了智能化開采的幾點制約因素，包括：井下自動化開采系統的穩定性以及可靠性較差；井下智能化開采設備的自適應能力不足，只能適應情況簡單而且情況較好的工作面；智能化開采的思想、管理模式有待提高。并且對未來智能化開采的發展前景進行了展望。（3）目前智能化開采正在朝著第三階段過渡，但是仍然需要在管理觀念、經費投入以及研發團隊的建設等方面下功夫。