大同千萬噸礦井群特厚煤層高效綜放開采技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐

王國法 劉俊峰

（天地科技股份有限公司，煤炭科學(xué)研究總院，100013）

0 引言

根據(jù)大型煤炭基地建設(shè)目標(biāo)，我國將建成河南、魯西、神東、晉中、陜北、晉北、晉東、云貴、蒙東、兩淮、冀中、黃隴、寧東、新疆等14個(gè)大型煤炭基地，并在大型煤炭基地建設(shè)的基礎(chǔ)上培育大型煤炭企業(yè)。同煤集團(tuán)采用大型煤炭基地跨地區(qū)、特大型礦井、安全高效集群開發(fā)模式，在大同、朔南、軒崗、內(nèi)蒙古等礦區(qū)規(guī)劃建設(shè)了塔山、同忻、潘家窯、金莊、東周窯、鐵峰、麻家梁、梵王寺、北辛窯、白家溝、色連一號(hào)等11個(gè)大型千萬噸礦井[1～3]。

國家十三五規(guī)劃提出“加快推進(jìn)煤炭無人開采技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用”，國家安全監(jiān)管總局開展了“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)，國內(nèi)現(xiàn)代化礦井實(shí)現(xiàn)綜采工作面的智能化，綜采工作面無人化生產(chǎn)是自動(dòng)化時(shí)代的標(biāo)志[4]。神華神東公司2008年在榆家梁煤礦建成第一個(gè)自動(dòng)化綜采工作面；陜煤黃陵公司2014年建成了地面遠(yuǎn)程操控采煤系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“工作面內(nèi)1人巡視，監(jiān)控中心2人遠(yuǎn)程干預(yù)”的常態(tài)化自動(dòng)生產(chǎn)[4、5]。

相對中厚煤層綜采工作面智能化，放頂煤開采工作面頂煤賦存信息、實(shí)時(shí)垮落信息獲取困難導(dǎo)致放煤主要依靠人為操作；放煤工藝需要協(xié)同考慮采煤機(jī)速度、轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)量等，同時(shí)盡可能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)放煤，以提高工作面整體工效；工作面控制系統(tǒng)需要接入礦井災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、煤質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)，并形成聯(lián)動(dòng)。

1 大同千萬噸礦井群特厚煤層綜放開采綜述

基于同煤集團(tuán)千萬噸礦井群安全高效可持續(xù)開發(fā)關(guān)鍵技術(shù)研究，提出了以煤炭開采為核心、以安全生產(chǎn)為前提、以環(huán)境保護(hù)為制約、以協(xié)調(diào)管理為手段的資源－人－環(huán)境－效益協(xié)調(diào)可持續(xù)開發(fā)，實(shí)現(xiàn)同煤集團(tuán)千萬噸礦井群技術(shù)效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益最大化。

1.1 塔山礦特厚煤層大采高綜放成套技術(shù)裝備研發(fā)及應(yīng)用

從“十一五”開始，針對同煤礦區(qū)14～20 m特厚煤層就進(jìn)行了大采高綜放成套技術(shù)與裝備的研發(fā)。

支架圍巖耦合關(guān)系是綜采技術(shù)的核心。首先，從液壓支架圍巖強(qiáng)度耦合理論出發(fā)，對于14～20 m特厚煤層綜放開采，割煤高度由3.5 m增加到4.5～5 m，一次采厚最大達(dá)到20 m。為確保煤炭安全、高效、高回收率開采，必須解決14～20 m特厚煤層大采高綜放開采支架圍巖關(guān)系與安全保障技術(shù)難題。在現(xiàn)場觀測和模擬實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，建立了特厚煤層組合懸臂梁模型（見圖1），解釋了特厚煤層工作面來壓強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長的現(xiàn)象，得出了考慮基本頂巖層壓力、頂煤壓力以及傳遞基本頂載荷的塔山煤礦綜放液壓支架支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算公式[6～8]。

圖1 大采高綜放支架-圍巖關(guān)系組合懸臂梁模型

Gz=(LZ1?HZ1+LZ2?HZ2+LZ3?HZ3)γ?g?L 式 中 ：LZ1、HZ1 、LZ2、HZ2、LZ3、HZ3分別為直接頂各巖層的長度和厚度。

L為計(jì)算長度。

Lm為基本頂Z1斷裂線到支架后部切頂線距離；

k：頂煤的傳遞系數(shù)。k≤1；與煤層硬度、頂煤厚度、夾矸條件、破碎程度等均有關(guān)系，此處取為0.5。

得出工作面所需的支護(hù)強(qiáng)度為：

支架工作阻力在工作面三機(jī)配套完成后，根據(jù)工作面控頂面積進(jìn)行計(jì)算。

其次，從支架圍巖剛度和穩(wěn)定性耦合理論出發(fā)，解決塔山8105工作面大采高綜放工作面直接面對頂煤，加大采高會(huì)帶來嚴(yán)重的前端冒落和煤壁片幫（見圖2）；一次放頂煤15 m，加劇了對液壓支架的沖擊，以及可能出現(xiàn)的頂板懸空造成支架受力不平衡而發(fā)生的失穩(wěn)傾倒，都給大采高綜放工作面支護(hù)帶來了極大的風(fēng)險(xiǎn)和難度。

創(chuàng)新研制世界首臺(tái)套工作阻力15 000 kN/最大高度5.2m的大采高放頂煤液壓支架（見圖3），發(fā)明了雙前連桿、雙后連桿穩(wěn)定機(jī)構(gòu)、強(qiáng)擾動(dòng)式尾梁－插板放煤機(jī)構(gòu)的大采高放頂煤液壓支架新架型結(jié)構(gòu)。

圖3 ZF15000/28/52放頂煤液壓支架

第三，綜放開采擁有割煤和放煤兩套系統(tǒng)，工作面設(shè)備密集，千萬噸生產(chǎn)能力要求裝備功率增加、尺寸更大，如何使這些裝備與液壓支架配套實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，采放均衡生產(chǎn)同時(shí)又符合安全生產(chǎn)要求是成套裝備配套研究要解決的首要難題。完成了千萬噸綜放工作面設(shè)備總體配套（表1）。

表1 千萬噸綜放工作面設(shè)備列表

技術(shù)與裝備達(dá)到1 000萬t能力，總體性能穩(wěn)定，工作可靠；工作面設(shè)備平均開機(jī)率92.1%；2011年全年8105工作面出煤量1 084.9萬t，具備了實(shí)現(xiàn)工作面年產(chǎn)1 000萬t的能力。平均日產(chǎn)3.03萬t，最高日產(chǎn)達(dá)到約5萬t；最高月產(chǎn)130萬t。

1.2 礦井群綜放技術(shù)與裝備的協(xié)同創(chuàng)新和應(yīng)用

大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司為主的晉北基地是我國特大型動(dòng)力煤基地，同煤集團(tuán)2016年煤炭產(chǎn)量超過1.2億噸，位居山西省第一名。大型煤炭基地建設(shè)的一個(gè)重要特色在于摒棄以往單一地區(qū)的開發(fā)模式，而實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、多礦區(qū)、特大型礦井、高產(chǎn)量的開發(fā)新模式，同時(shí)在煤炭開發(fā)的同時(shí)強(qiáng)調(diào)資源、安全、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益和諧開發(fā)[9、10]。

首先，建立了千萬噸礦井群協(xié)調(diào)開采評價(jià)模型，其目標(biāo)是基于客觀的礦井資源條件、管理水平、開采技術(shù)條件等，通過科學(xué)分析與評價(jià)，尋找系統(tǒng)存在的問題，并提出整改措施，從而使礦區(qū)實(shí)現(xiàn)資源、環(huán)境、計(jì)劃、經(jīng)濟(jì)、健康協(xié)調(diào)發(fā)展。

其次，提出煤炭資源條件分類協(xié)調(diào)開采技術(shù)，即基于千萬噸礦井集群開發(fā)的優(yōu)勢，將千萬噸礦井群按煤層賦存條件、開采技術(shù)條件與綜合管理?xiàng)l件進(jìn)行分類開采，確定最優(yōu)開采技術(shù)參數(shù)與開采方法，最大限度的采出煤炭資源，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高礦井效益。重點(diǎn)解決如下三個(gè)方面的問題：（1）特厚煤層頂煤冒放性分析。在傳統(tǒng)頂煤冒放性分類的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注了放煤工藝、頂煤來壓特征的影響。（2）工作面合理機(jī)采高度的確定（見圖4）。從不同機(jī)采高度的頂煤回收率、煤壁片幫程度、工作阻力確定、回采工藝配合等方面進(jìn)行個(gè)綜合分析研究。（3）提高回采率技術(shù)措施。通過研究頂煤冒放規(guī)律，分析頂煤塊度（見圖5）、放煤工藝、設(shè)備參數(shù)等對頂煤翻出率的影響，從設(shè)備、工藝、管理等方面提出了保證頂煤回收率的技術(shù)措施。

圖4 煤壁水平位移量對比曲線

圖5 不同塊度頂煤首末放出以及首放矸石速度時(shí)間

第三，提出了千萬噸礦井群工作面裝備系列型譜。采煤裝備體系建設(shè)的重要任務(wù)之一是研究建立采煤設(shè)備型譜。設(shè)備型譜：是設(shè)備采購規(guī)劃的核心內(nèi)容，是用最少數(shù)目的不同規(guī)格設(shè)備構(gòu)成的、列出企業(yè)已有的和將來要采購的全部設(shè)備并能滿足可預(yù)見到全部使用要求的設(shè)備系列。它是設(shè)備通用性和系列化兩種標(biāo)準(zhǔn)形式的結(jié)合與發(fā)展。就一種設(shè)備而言，其通用性是有限的，只能滿足一定范圍、一定條件下的使用要求。為了擴(kuò)大某一類設(shè)備的適用范圍，就必須增加該類設(shè)備的規(guī)格品種構(gòu)成設(shè)備系列。但是設(shè)備的規(guī)格品種又不可能無限制的擴(kuò)展，就需要經(jīng)過分析、比較和篩選，使其達(dá)到的規(guī)格品種最簡最優(yōu)。以液壓支架為例給出了千萬噸礦井群支架型譜（見表2）

最后，提出以煤炭開采為核心、以安全生產(chǎn)為前提、以環(huán)境保護(hù)為制約、以協(xié)調(diào)管理為手段、滿足資源--人--環(huán)境--效益協(xié)調(diào)可持續(xù)開發(fā)、通過調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、大力推廣應(yīng)用循環(huán)經(jīng)濟(jì)的礦井群建設(shè)方案，有效解決了礦區(qū)優(yōu)質(zhì)資源開發(fā)可持續(xù)性差、礦井安全高效開采形勢嚴(yán)峻、礦區(qū)資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)不同步、煤炭技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益差等突出的問題。

2 智能化綜放技術(shù)創(chuàng)新

2.1 智能化綜采放頂煤技術(shù)特征

依據(jù)綜采工作面成套裝備控制系統(tǒng)在感知、決策和執(zhí)行三要素方面的水平，智能化綜采放頂煤工作面，是指綜采放頂煤工作面采用了具有充分全面的感知、自學(xué)習(xí)和決策、自動(dòng)執(zhí)行功能的液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)等機(jī)電一體化成套裝備和遠(yuǎn)程智能化綜合控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了工作面的智能遠(yuǎn)程監(jiān)控、安全高效開采。智能化綜采放頂煤工作面主要技術(shù)特征是:①液壓支架智能控制，液壓支架以電液控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，同時(shí)，具有支架與圍巖耦合監(jiān)測控制、超前壓力預(yù)報(bào)、初撐和移架狀態(tài)自決策控制、姿態(tài)監(jiān)測與智能決策控制、煤幫智能決策控制、記憶時(shí)序控制放煤、智能噴霧降塵控制等功能；②采煤機(jī)智能控制，采煤機(jī)具有位置監(jiān)測精確定位、自學(xué)習(xí)智能軌跡規(guī)劃、基于智能決策或煤巖識(shí)別的滾筒自動(dòng)調(diào)高、自動(dòng)記憶割煤、防碰撞安全避險(xiǎn)、故障自診斷等功能，并具有基于產(chǎn)量需求、輸送機(jī)設(shè)備負(fù)荷、工作面環(huán)境等信息的智能決策調(diào)速、采高自動(dòng)控制、遠(yuǎn)程可視化控制等功能；③工作面運(yùn)輸設(shè)備具有電氣軟啟動(dòng)、負(fù)載及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)在線監(jiān)測、機(jī)尾自動(dòng)張緊、故障診斷及與工作面控制系統(tǒng)的通信和自動(dòng)控制功能；④工作面智能控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備間的信息通信、自學(xué)習(xí)和智能決策遠(yuǎn)程控制與工作面人工干預(yù)協(xié)同控制等[5]。

表2 同煤集團(tuán)千萬噸礦井群型譜設(shè)備放頂煤液壓支架基本參數(shù)列表

2.2 建立智能放煤決策系統(tǒng)

智能放煤決策系統(tǒng)是智能化綜采房頂煤實(shí)現(xiàn)的核心環(huán)節(jié)。首先，對現(xiàn)場人工放煤進(jìn)行大量測試，匯集人員、機(jī)器、環(huán)境等多方面的信息數(shù)據(jù)，包括對放煤時(shí)間、放煤輪數(shù)、放煤口數(shù)量以及人工放煤軌跡的測試，還包括對刮板機(jī)運(yùn)行特性與承載能力的測試，進(jìn)行礦壓規(guī)律及頂煤運(yùn)移規(guī)律分析研究，通過測試，掌握了現(xiàn)有綜放面采放工藝、放煤模式、放煤經(jīng)驗(yàn)、設(shè)備運(yùn)行特性等。

其次，在現(xiàn)場測試的基礎(chǔ)上，通過對各類信息的收集、篩選、分類、處理，建立了多源信息數(shù)據(jù)庫，并根據(jù)各類信息之間的時(shí)空關(guān)系、邏輯流程，搭建了智能放煤工藝執(zhí)行流程（見圖6）。

圖6 智能放煤流程搭建

最終，根據(jù)智能放煤工藝執(zhí)行流程，設(shè)計(jì)了分段多窗口時(shí)序控制放煤程序。基于三維地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取放煤口位置對應(yīng)的煤層地理信息，結(jié)合實(shí)時(shí)礦壓數(shù)據(jù)、采煤機(jī)位置信息、合理確定不同放煤口的開啟順順序和開啟時(shí)間（見圖7）。

圖7 智能放煤決策模型

智能放煤決策模型解決何時(shí)何地放多少煤的問題，相當(dāng)于放煤系統(tǒng)的指揮中樞。

2.3 建立基于多傳感器融合的智能放煤控制系統(tǒng)

同煤集團(tuán)根據(jù)自身煤層地質(zhì)條件，千萬噸礦井群建設(shè)均采用四柱支撐掩護(hù)式放頂煤液壓支架，其很好的適應(yīng)了同煤礦區(qū)特厚煤層開采壓力大、頂煤放出量大的特點(diǎn)。在放煤過程中，出現(xiàn)頂煤架前冒落、煤壁片幫等，需要采取措施控制支架姿態(tài)，調(diào)整放煤時(shí)間和頻率。

首先開發(fā)了四柱放頂煤液壓支架姿態(tài)控制技術(shù)，基于支架-頂煤作用關(guān)系，根據(jù)其穩(wěn)定性要求和安全防護(hù)要求，通過開發(fā)高可靠性、微功耗、無線角度傳感器、壓力傳感器監(jiān)測支架頂-掩-尾角度、高度，結(jié)合壓力監(jiān)測，得出各主要結(jié)構(gòu)件間的扭曲度，實(shí)時(shí)掌握工作面每架液壓支架的整體傾斜和仰俯角度，通過對整個(gè)工作面支架姿態(tài)的檢測，可以根據(jù)數(shù)據(jù)的累計(jì)統(tǒng)計(jì)和實(shí)時(shí)檢測得出當(dāng)前姿態(tài)的變化情況，通過調(diào)整液壓支架立柱和平衡千斤頂對液壓支架的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)頂梁和頂板大面積的支護(hù)、防止結(jié)構(gòu)件損壞、預(yù)防倒架、咬架，通過自動(dòng)調(diào)整使液壓支架始終處于良好姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了支架姿態(tài)和圍巖的最佳耦合關(guān)系[11～13]。

尤其在放煤前后及放煤過程中，支架圍巖相互作用力變化劇烈，分析判別四柱支架受力狀態(tài)、放煤狀態(tài)、角度狀態(tài)，從而通過電液控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整反饋，使支架在整體放煤過程中處于正常工況（見圖8）。

圖8 四柱放頂煤支架姿態(tài)控制系統(tǒng)

通過行程傳感器、角度傳感器控制液壓支架尾梁、插板千斤頂?shù)墓ぷ鳡顟B(tài)，精準(zhǔn)控制放煤口開啟的大小和數(shù)量，實(shí)現(xiàn)放煤量的智能調(diào)節(jié)與控制，保證回收率和減低含矸率（見圖9）。

圖9 放煤機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)控制

放煤控制系統(tǒng)，解決如何準(zhǔn)確執(zhí)行放煤指令的問題，相當(dāng)于放煤系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2.4采放運(yùn)一體化協(xié)同控制技術(shù)

首先，就整個(gè)綜放系統(tǒng)來講，開發(fā)了三級(jí)協(xié)同控制技術(shù)，從一級(jí)的采煤機(jī)控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、電液控系統(tǒng)、運(yùn)輸機(jī)控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)到二級(jí)的順槽監(jiān)測、集控系統(tǒng)，再到三級(jí)的調(diào)度室調(diào)度指揮中心，從而實(shí)現(xiàn)對綜放工作面設(shè)備的協(xié)調(diào)管理與集中控制。

其次，就采煤與放煤來說，依據(jù)運(yùn)輸系統(tǒng)的負(fù)荷感知信息，在監(jiān)控中心開發(fā)了煤流負(fù)荷均衡控制系統(tǒng)，根據(jù)運(yùn)輸設(shè)備的運(yùn)輸能力，實(shí)時(shí)調(diào)整割煤速度、放煤口數(shù)量、放煤口大小、放煤時(shí)間等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)采煤、放煤、運(yùn)能的自適應(yīng)協(xié)同。（見圖10）

圖10 采放運(yùn)煤流控制系統(tǒng)

基于千兆工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，采用先進(jìn)統(tǒng)一的自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)、智能網(wǎng)管型環(huán)網(wǎng)交換機(jī)，利用環(huán)網(wǎng)冗余技術(shù),保證在0.3秒快速恢復(fù)環(huán)網(wǎng)系統(tǒng),提高了礦井自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性。實(shí)現(xiàn)綜放工作面遠(yuǎn)程控制，達(dá)到井上下實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了井上一鍵啟停。

2.5 、安全監(jiān)控及信息化建設(shè)

同忻礦建成了以千兆交換機(jī)為骨干的井下和地面兩個(gè)千兆環(huán)網(wǎng)，并將井上下監(jiān)測監(jiān)控子系統(tǒng)全部集成，基于“同網(wǎng)、同纜、同芯”傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)、音頻、視頻的“三網(wǎng)合一”。

其主要組成部分包括：（1）基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過寬帶光纖環(huán)網(wǎng)和現(xiàn)場總線以及商用數(shù)據(jù)庫、多媒體數(shù)據(jù)庫和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)信息的采集、傳輸、儲(chǔ)存、分析、決策、控制、發(fā)布和查詢；（2）礦山數(shù)據(jù)倉庫，實(shí)現(xiàn)從散亂數(shù)據(jù)到規(guī)范化的數(shù)據(jù)集成，建立規(guī)范的數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，消除礦山“信息孤島”和數(shù)據(jù)冗余，實(shí)現(xiàn)面向各種引用的快速檢索和轉(zhuǎn)送，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫必須實(shí)現(xiàn)各種事件的主動(dòng)觸發(fā)并保證時(shí)效性；（3）礦山工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，包括井下皮帶監(jiān)控系統(tǒng)、礦山供電監(jiān)控系統(tǒng)、礦井排水監(jiān)控系統(tǒng)、主扇風(fēng)機(jī)房監(jiān)測系統(tǒng)、壓風(fēng)機(jī)房監(jiān)測系統(tǒng)等，通過系統(tǒng)集成平臺(tái)可以有效協(xié)同數(shù)據(jù)倉庫、監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、生產(chǎn)系統(tǒng)和調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制，達(dá)到真正的管控一體化；（4）安全生產(chǎn)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，包括有線通訊、無線移動(dòng)通訊系統(tǒng)、礦井人員定位和井下移動(dòng)設(shè)備定位系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、安全生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、水文監(jiān)控系統(tǒng)、礦壓監(jiān)測系統(tǒng)、火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)、降雨量監(jiān)測系統(tǒng)、地表巖移監(jiān)測系統(tǒng)，通過它們向數(shù)據(jù)倉庫、安全管理、調(diào)度系統(tǒng)等提供實(shí)時(shí)信息，供決策支持系統(tǒng)使用；（5）三維地理信息與可視化集成平臺(tái)，基于統(tǒng)一的三維空間和時(shí)間坐標(biāo)，將礦山中的所有信息可視化后，配置完整的屬性信息，建立真三維礦山地理信息模型，再利用GPS-GIS-RS技術(shù)和各種勘察、測量、采集手段獲取動(dòng)態(tài)信息對模型和屬性進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，形成完整的三維時(shí)態(tài)地理信息系統(tǒng)、井上井下所有對象的透明管理和虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)仿真；（6）安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理系統(tǒng)，借助先進(jìn)的三維地理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)地面地下所有對象的隱患風(fēng)險(xiǎn)透明管理，大幅度地提高抗災(zāi)能力和生產(chǎn)效率，在精細(xì)的風(fēng)險(xiǎn)管控體系下，以嚴(yán)格規(guī)范的管理、完善實(shí)用的方法、先進(jìn)科學(xué)的技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)人員無失誤、設(shè)備無故障、系統(tǒng)無缺陷、管理無漏洞的人、機(jī)、環(huán)境和管理高度融合的礦井風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控管理目標(biāo)；（7）生產(chǎn)技術(shù)管理系統(tǒng)，主要包括地測地理信息系統(tǒng)、采礦協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)、智能化通防系統(tǒng)、輸配電地理信息系統(tǒng)、工業(yè)管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備管理系統(tǒng)等，完善生產(chǎn)技術(shù)管理系統(tǒng)有利于提高生產(chǎn)管理水平和生產(chǎn)效率；（8）調(diào)度指揮系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測監(jiān)控、工業(yè)自動(dòng)化、生產(chǎn)技術(shù)管理、以及安全風(fēng)險(xiǎn)管理強(qiáng)大集成，具備強(qiáng)大的決策分析、故障診斷功能和災(zāi)變時(shí)期快速反應(yīng)能力。

通過礦井信息化建設(shè)和安全監(jiān)控聯(lián)動(dòng)，將綜采放頂煤智能化系統(tǒng)并入礦井整體管理系統(tǒng)。

3 智能化綜放效果及研發(fā)方向

智能化綜放技術(shù)還有許多關(guān)鍵技術(shù)需要進(jìn)一步提高。

3.1 放煤過程煤矸識(shí)別

目前已有了20余種煤巖分界傳感機(jī)理和系統(tǒng),有天然γ射線、振動(dòng)頻譜傳感系統(tǒng)，測力截齒、同位素、噪聲、紅外線、紫外線、超聲波、無線電波、雷達(dá)探測等，由于井下煤層和圍巖條件十分復(fù)雜，難以準(zhǔn)確、可靠地判斷煤巖分界，都未成功地應(yīng)用于實(shí)際。由于在頂煤放落過程中產(chǎn)生的聲波信號(hào)屬于非平穩(wěn)信號(hào)，而且信號(hào)類型復(fù)雜、頻譜重疊，很難確定其所包含的信號(hào)成分的類型。需要研究煤巖界面數(shù)據(jù)的信號(hào)處理技術(shù)，進(jìn)行煤巖數(shù)據(jù)的信號(hào)調(diào)理，去除信號(hào)噪聲，為煤巖界面模型計(jì)算提供可用的數(shù)據(jù)。選取先進(jìn)合理的技術(shù)對信號(hào)進(jìn)行特征提取，完成從模式空間到特征空間的轉(zhuǎn)換，為數(shù)據(jù)融合提供可靠而準(zhǔn)確的特征級(jí)數(shù)據(jù)。

煤矸識(shí)別傳感器是實(shí)現(xiàn)智能放煤的關(guān)鍵部件。其在實(shí)驗(yàn)室的工作性能基本能夠通過測試，缺點(diǎn)在于現(xiàn)場使用過程中的可靠性和分辨率減低過多。研制現(xiàn)場使用、的工作可靠、有一定分辨率的煤巖分界識(shí)別傳感器是智能放煤的主要工作內(nèi)容之一。

使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識(shí)別等技術(shù)，建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行煤巖界面的數(shù)據(jù)分析，采用多傳感器信息融合技術(shù)，進(jìn)行計(jì)算模型的數(shù)據(jù)融合、模型融合和決策融合，最終實(shí)現(xiàn)綜采放頂煤工作面的煤巖識(shí)別。

由于每種傳感器都有其特定的適用范圍和精度，因此不可避免具有局限性。綜放工作面在放煤過程中將不同來源、不同模式、不同媒質(zhì)、不同時(shí)間、不同表示形式的信息加以有機(jī)組合，最后得到放煤的含矸量?；诙鄠鞲衅餍畔⑷诤系拿簬r分界技術(shù)，避免了單傳感器工作的局限性，使識(shí)別系統(tǒng)更可靠。數(shù)據(jù)融合作為一門跨學(xué)科的綜合信息處理技術(shù)，能夠?qū)γ簬r界面狀態(tài)識(shí)別的提供理論支撐和技術(shù)保障。最后，針對煤巖界面識(shí)別的具體問題，選取符合放頂煤工藝的融合算法。

3.2 智能放煤控制機(jī)制及系統(tǒng)可靠性

智能放煤控制主要包括兩方面的內(nèi)容，放煤工藝和放煤時(shí)間。放煤工藝解決如何放煤的問題，要求保證高回收率和提高放煤效率；放煤時(shí)間解決何時(shí)停止放煤和降低含矸率、提高煤質(zhì)的問題。

目前放煤工藝的智能化主要是通過人工經(jīng)驗(yàn)或理論分析進(jìn)行決策。實(shí)際開采中需要隨時(shí)判斷頂煤的運(yùn)移規(guī)律、裂隙發(fā)育程度、塊度形成和變化軌跡，進(jìn)行判別并影響決策。

放煤口何時(shí)關(guān)閉的智能決策也可以通過模糊決策，智能識(shí)別等多方案進(jìn)行統(tǒng)籌解決。

整體智能放煤的機(jī)制和系統(tǒng)要根據(jù)不同的煤層地質(zhì)條件、工作面條件、礦井生產(chǎn)條件進(jìn)行智能條件，其對系統(tǒng)的可靠性和適應(yīng)性提出了更高的要求。

3.3 采放協(xié)調(diào)智能控制系統(tǒng)自學(xué)習(xí)能力

目前的煤流控制系統(tǒng)，具備根據(jù)煤流調(diào)整采煤機(jī)速度和放煤速度的功能，但對于前后刮板輸送機(jī)的煤流監(jiān)測不夠精確，對于采放的協(xié)同控制存在一定的滯后。只有通過對前后部刮板輸送機(jī)的煤流精確監(jiān)測、對煤機(jī)速度、刮板式鏈速、放煤量、頂煤存量、放煤速度等進(jìn)行統(tǒng)一的控制才能保證工作面采放的真正協(xié)調(diào)。

不同的條件，系統(tǒng)的設(shè)定很難統(tǒng)一，只有通過智能系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)能力，系統(tǒng)的不斷迭代，才能實(shí)現(xiàn)工作面智能高效回采。

3.4 端頭及過渡段放煤及智能控制

綜放工作面的端頭和過渡段放煤是放頂煤開采的難點(diǎn)，對工作面安全生產(chǎn)、提高回收率意義重大。

通過采用放頂煤工作面交叉?zhèn)刃丁⒄w端頭支架結(jié)構(gòu)形式，可以實(shí)現(xiàn)工作面過渡段和端頭段的放煤。智能放煤過程中，對端頭段、過渡段的放煤工藝設(shè)計(jì)、智能控制目前尚屬空白。需要進(jìn)一步進(jìn)行研究。

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