保德煤礦智能綜放工作面建設關鍵技術研究

鄔喜倉， 張學亮， 阮進林， 王志強

（1. 國家能源集團神東煤炭集團有限責任公司 保德煤礦，山西 忻州 036600；2. 煤炭工業規劃設計研究院有限公司，北京 100120；3. 北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

0 引言

我國煤炭產量中約有44%是來自3.5 m 以上的厚煤層，除大采高綜采外，綜放開采是我國厚煤層開采的主要方法。近年來，煤炭開采智能化水平不斷提升，依托智能綜放工作面建設，實現安全高效智能綜放開采是當前煤炭行業亟需解決的問題[1-5]。

我國綜放開采先后經歷了綜合機械化、自動化和智能化等發展階段，目前處于智能化初級階段，正在由單機自動化、系統集成化向單機智能化、系統智能化方向發展[6-7]。智能綜放工作面建設是實現智能綜放開采的必要途徑，對于全新設計的智能綜放工作面，可以進行一步到位的系統裝備配置，進而完成智能綜放工作面建設目標；現有的綜放工作面可以借鑒煤礦智能開采技術與裝備，采取技術升級改造等措施，達到智能綜放工作面建設要求，進而實現智能綜放開采的目的。

目前，國內外專家學者已對智能綜放工作面建設及相關技術進行了廣泛研究，并取得豐碩的成果。在智能采煤（含綜放）工作面概念模式方面，葛世榮[8]基于時間維度梳理了智能化采礦概念，提出智采工作面定義——一個在不同程度上無需人工干預而獨立完成采煤作業的生產系統，指出智采工作面的基礎是智能機器，其特征是自主感控，功能是獨立作業，目的是無人化開采。王國法等[9]給出了智能化采煤工作面的定義，建立了智能化工作面指標體系數學模型，提出了智能化工作面分類、分級評價指標體系與評價方法，將智能化采煤工作面分為高級、中級、初級3 個級別。王國法等[10]針對不同煤層賦存條件，提出了薄及中厚煤層智能化無人開采模式、大采高工作面智能耦合人機協同高效綜采模式、綜放工作面智能化操控與人工干預輔助放煤模式、復雜條件機械化+智能化開采模式等4 種煤礦智能化開采模式，分析了放頂煤工作面與一次采全高工作面智能化開采模式的差異，提出了基于時序控制放煤、自動記憶放煤、煤矸識別放煤等智能化放煤控制邏輯與工藝流程。在智能綜放工作面開采理論與技術方面，于斌等[11]對特厚煤層智能化綜放開采理論與關鍵技術架構進行了探討，指出智能化綜放開采是未來綜放開采技術發展的重要方向，提出了要解決的關鍵科學問題和技術構想。張守祥等[12]針對智能綜放開采控制問題，按照放煤過程“放煤前、放煤中和放煤后”3 個階段對所需的技術裝備進行了探討，放煤前采用透地雷達探測頂煤厚度以確定放煤基點，放煤中采用三維雷達掃描未放頂煤空間，放煤后采用煤矸識別技術檢測煤矸比例，為綜放開采放煤口開口大小及關閉提供控制信號，達到綜放開采放煤無人操作的目標。張學亮等[13]對厚煤層智能放煤工藝及精準控制關鍵技術進行了探討，闡述了基于振動信號檢測、音視頻檢測、灰分在線檢測的智能放煤工藝原理，通過相關技術裝備的應用實現總體采放效率提升約20%。秦文光[14]對山西王家嶺煤業有限公司王家嶺礦綜放工作面智能化協同控制方案進行了研究，實現了工作面各系統監控信息的全面融合與智能匹配。韓秀琪等[15]對綜放工作面自動運行與人工干預分析系統進行了研究，定義了智能綜放工作面自動化率及放煤工作面控制系統開機率、液壓支架自動跟機移架率、采煤機記憶割煤率、自動放頂煤率等關鍵指標，建立相應知識庫，并分析人工干預原因，為生產系統控制邏輯的優化提供依據。王家臣等[16]研究了圖像識別智能放煤技術原理及應用，針對混矸率識別問題，將混矸率細化為透明面積混矸率、表面體積混矸率、內部體積混矸率，建立輕量級的煤矸識別邊界測量模型，提出了快速寫意重建和精準重建2 種煤矸石塊體三維重建方法，提出了適應低照度高粉塵環境的立體視覺照度智能監測與自適應調節方法及相應的去粉塵算法，提高了放煤工序的智能化水平。袁源等[17]針對頂煤放落過程煤矸聲信號特征提取與分類進行了研究，構建了放頂煤聲信號分類樣本庫，研究了6 種常用機器學習分類方法對樣本的分析特征，指出基于小波包分解與隨機森林算法的分類器性能最好，準確率達到93.06%。曹貫強等[18]研究了用于煤矸識別的振動傳感器，利用加速度計采集尾梁振動信號，并對采集數據進行濾波處理，利用傅里葉變換對數據進行功率譜分析，測試表明傳感器測量誤差在1%以內，現場實測表明該傳感器能夠識別出頂煤和矸石。

上述成果對智能綜放工作面建設具有重要的指導意義，但是沒有針對某個綜放工作面進行系統化建設實施的研究。本文以國家能源集團神東煤炭保德煤礦81309 智能綜放工作面建設為研究背景，系統闡述該智能綜放工作面中高級智能化建設過程中涉及的關鍵技術，為類似條件的智能綜放工作面建設提供借鑒。

1 綜放工作面概況

保德煤礦為高瓦斯礦井，生產能力為800 萬t/a。81309 綜放工作面開采8 號煤層，地面標高為+908～+1 134 m，底板標高為+607.5～+650.1 m。工作面傾向長度為240 m，推進平均長度為2 575 m。煤層平均厚度為7 m，煤層傾角為3～6°。工作面采高為3.7 m，放煤高度為3.3 m，采放比為1∶0.89。工作面上巷、下巷均采用兩巷布置，設備列車與轉載機、破碎機、帶式輸送機布置在運輸巷道內。

工作面采用ZFY18000/25/39D 型支架109 臺，過渡支架2 臺，排頭支架9 臺，端頭支架1 組。ZFY18000/25/39D 液壓支架為兩柱掩護式，中心距為2 050 mm，支護強度為1.5 MPa。選用7LS6C?LWS636 型采煤機，采用國產化改造電控系統。采用SGZ1000/2×1200 型前部刮板輸送機和后部刮板輸送機，機頭、機尾平行布置，前后刮板輸送機與轉載機采用端卸布置。采用SZZ1350/700 型橋式轉載機和PCM700型破碎機。采用DSJ140/300/3×500 型帶式輸送機，其運輸距離為6 000 m，帶速為4 m/s。

81309 綜放工作面液壓支架電液控制系統采用網絡型控制器，工作面內設備通過統一協議接入SAM 型綜采自動化系統中，系統配置地面太空艙式集控中心。81309 綜放工作面智能綜放控制系統由液壓支架電液控制系統、綜采自動化系統（含三機集控系統、視頻監視系統、煤矸識別系統等）、地面太空艙式集控中心（位于地面調度室）等組成，如圖1所示。

圖1 智能綜放控制系統基本配置Fig. 1 Basic configuration of intelligent fully mechanized Caving control system

2 智能綜放工作面建設關鍵技術

在液壓支架電液控制系統及綜采自動化系統配置的基礎上，重點對設備升級改造、有限透明開采模型、智能放煤工藝決策、煤矸識別方法優化、多模式融合集成控制等關鍵技術進行研究，以促進綜放工作面各項技術指標滿足中高級智能化建設要求。

2.1 設備升級改造

保德煤礦綜放工作面裝備老舊、不同裝備供應商不統一，多數設備自身性能及自動化、智能化程度不符合智能化開采要求，工作面設備無法實現系統集成。對現有設備按照統一標準進行升級改造并實現集成控制，是智能綜放工作面建設的最優選擇。

保德煤礦81309 綜放工作面采用的進口采煤機受電控系統數據不開放等因素制約，因此，需對其進行國產化智能改造，采用完全國產化的電控系統實現數據集中控制，通過加裝慣導系統，配套光纖復合電纜與5G 相結合的通信方式，實現信號有線/無線雙通道傳輸，提高采煤機割煤控制數據傳輸的可靠性。

采煤機主體控制信號采用采煤機電纜內置光纖進行通信，當光纖通信發生故障時，采煤機可采用5G 信號進行通信，通過在工作面及運輸巷道內布置5G 基站，將無線信號傳輸至綜放工作面集控中心5G 信號終端設備，并通過礦用萬兆環網實現數據上傳及采煤機的遠程控制。采煤機5G 通信系統如圖2 所示。

圖2 采煤機5G 無線通信系統Fig. 2 Shearer 5G wireless communication system

為提高設備列車拉移效率，采用邁步式自移設備列車系統并配套管纜伸縮裝置（圖3）。自移設備列車系統由1 套錨固裝置、12 節滑靴式板車和17 節輪式板車組成，加裝電液控制系統實現遠程操作，拉移速度約為20 m/h。管纜伸縮裝置由1 臺滑靴式絞車、19 臺輪式管纜伸縮車和1 組管纜懸移梁組成。管纜伸縮裝置纜線、液管儲存量為50 m。通過實際應用，可實現設備列車常態化拉移由1～2 人完成，效率較之前提升一倍，人員減少一半。

圖3 邁步式自移設備列車及管纜伸縮裝置Fig. 3 Step-type self-shift equipment train and pipe and cable expansion device

2.2 有限透明開采模型

智能綜放透明開采地質模型屬于智能規劃協同開采系統（圖4）智能規劃中心的一部分。智能規劃中心數據源由地質三維模型數據、歷史截割數據、采高傳感數據等組成，將數據源中各類數據進行統一抽象建模，并對各類模型進行融合處理，對地質模型進行迭代修正的同時生成截割模板，按照截割模板對采煤機路徑、支架跟機、煤流負荷等進行規劃，為開采控制中心提供生產效率最優規劃方案。經過一系列換算和多源異構數據融合，最終形成有限透明開采地質模型（圖5）。

圖4 基于透明地質的綜采工作面智能化協同規劃開采系統Fig. 4 Intelligent collaborative planning and mining system of fully mechanized mining face based on transparent geology

圖5 有限透明開采地質模型Fig. 5 Geological model of limited and transparent mining

2.3 智能綜放工藝決策

智能綜放工作面的建設效果在很大程度上取決于采放工藝協同及智能化程度。充分考慮81309 綜放工作面智能化建設需求，采用千兆綜合接入器（每6 架1 個）搭建高速鏈路，用于后部放煤視頻（每2 架1 個）和后部振動煤矸識別（每架1 個），并預留其他接口供煤矸識別研究使用，在后部視頻的鄰架配置照明燈（每2 架1 個）。

智能綜放工藝總體上分為10 個階段，81309 綜放工作面為左工作面，總體支架編號為3 號?122 號（1 號、2 號架為端頭支架）。該工作面采用一刀一放2 輪順序放煤方式，正常放煤階段，當采煤機從機頭往機尾割煤時，第1 放煤點從機頭7 號架開始放煤，第2 放煤點從滯后移架工序10 號架向機尾方向放煤，放煤后拉后刮板輸送機機頭，并依次向機尾方向拉后刮板輸送機，2 輪放煤放到機尾116 號架停止；從機尾往機頭割煤時，從機尾116 號架開始放煤，放到機頭7 號架停止；端頭架、排頭架不放煤。

智能綜放回采工藝階段設置見表1。

表1 智能回采工藝階段Table 1 Intelligent coal mining process stage

2.4 煤矸識別方法優化

綜放開采的放煤階段是重要的生產環節，在綜放自動化生產階段，主要采用基于放煤動作的時間程序控制方法，在智能化放煤階段，需綜合考慮振動、視頻識別等煤矸識別結果[19-20]，參與自動化放煤階段控制，形成智能放煤控制。保德煤礦采用振動+視頻識別方案進行煤矸識別。在綜放支架尾梁下方安裝加速度傳感器采集放落煤矸的振動信號，通過計算9.5～10.5 kHz 內的能量累計值，與基準能量進行對比，超出閾值部分判定為矸石比例超標，得出煤矸識別結果。加速度傳感器時域能量算法三維圖如圖6 所示。

圖6 加速度傳感器時域能量算法三維圖Fig. 6 Time domain energy algorithm 3D diagram of acceleration sensor

為提高煤矸識別分析判斷的準確性，除采用振動煤矸識別方法外，每2 架后方安裝微型攝像儀并在相鄰支架安裝光源進行煤矸識別。首先，進行初始化，啟動攝像儀和補光燈，相機通信正常時進行圖像獲取與識別，否則提示故障。然后，對獲取的圖像數據進行分析，判斷鏡頭是否被污染，當鏡頭未被污染且液壓支架放煤作業已啟動時，執行矸石占比檢測。當出現鏡頭污染報警或到達鏡頭污染檢測周期時，執行鏡頭污染檢測算法，若判定鏡頭有污染，則輸出視覺失效信號；若判定鏡頭無污染，則輸出視覺有效信號。最后，在執行煤矸占比檢測時，若矸石占比超過閾值，則進行待報警幀計數，當連續待報警幀達到一定數量時，系統輸出煤矸超標報警提示，若此時允許采用此數據進行自動操作，則關閉相應的放煤口，實現放煤智能化。

2.5 多模式融合集成控制

智能化集中控制系統以SAM 型綜采自動化控制系統為樞紐，通過整合液壓支架電液控制、視頻監控、采煤機電控、三機泵站集控構建智能化集中控制系統，如圖7 所示。智能化集中控制系統分為決策層、控制層和執行層3 個部分。決策層通過智能化放煤決策系統向智能化控制系統、智能化控制中心、智能開采工藝控制中心下發指令[21]，然后分別向控制層的自動化控制系統、自動化控制中心、電液控制系統等下發控制指令，控制指令向執行層各執行設備下發并執行動作，通過執行層智能感知系統向控制層和決策層反饋執行結果，形成閉環控制。

圖7 智能化集中控制系統Fig. 7 Intelligent and centralized control system

3 應用實施

81309 綜放工作面已于2021 年11 月20 日完成自動化調試，中部實現單班自動控制割煤4 刀，液壓支架實現自動跟機拉架、聯動收伸護幫/伸縮梁、自主推溜等功能，智能化集中控制系統可一鍵啟停生產系統，對設備運行數據進行實時監控。配套的地面太空艙式集控中心（圖8）為智能綜放開采一體式交互平臺，可容納1 名支架操作工和1 名采煤機操作工同時工作，用于工作面設備群遠程集控。

圖8 智能綜放地面分控中心Fig. 8 Intelligent fully mechanized caving ground sub-control center

保德煤礦在2022 年根據山西省《全省煤礦智能化建設基本要求及評分方法》進行了智能綜放工作面階段建設驗收，達到中級智能化，將于2023 年全面建成基于透明開采的“采?支?識?放?運”各環節自適應的智能綜放工作面。

4 結論

1） 保德煤礦在智能綜放工作面建設過程中，對采煤機電控系統進行了國產化升級改造，通過加裝慣導系統，配套光纖復合電纜與5G 相結合的通信方式，實現信號有線/無線雙通道傳輸，提高采煤機割煤控制數據傳輸的可靠性。采用了邁步式自移設備列車系統并配套管纜伸縮裝置，實現設備列車拉移常態化1～2 人完成，效率提升1 倍，人員減少一半。

2） 智能規劃中心對各類模型進行融合處理，構建有限透明開采模型，對地質模型進行迭代修正的同時生成截割模板，按照截割模板對采煤機路徑、支架跟機、煤流負荷等進行規劃，為開采控制中心提供生產效率最優規劃方案。

3） 10 個階段智能綜放回采工藝根據保德煤礦實際支架部署確定具體動作點，實現中部跟機自動化采放、三角煤區域自動開采。

4） 采用振動和視頻煤矸識別技術，在綜放支架尾梁下方安裝加速度傳感器，采集放落煤矸的振動信號，通過濾波計算9.5～10.5 kHz 內的能量累積值進而識別煤矸界面；通過視頻煤矸識別系統對矸石比例超過閾值情況進行統計報警，建成智能綜放煤矸識別系統。

5） 以SAM 型綜采自動化控制系統為樞紐，通過整合液壓支架電液控制、視頻監控、采煤機電控、三機泵站集控，構建智能化集中控制系統，初步建成基于透明開采的“采?支?識?放?運”各環節智能自適應的智能綜放開采工作面。