特厚煤層智能化綜放開采理論與關鍵技術架構

于 斌，徐 剛，黃志增，郭金剛，李 政，李東印，王世博，孟二存，潘衛(wèi)東，牛劍峰，薛吉勝，趙鐵林

(1.大同煤礦集團有限責任公司，山西 大同 037003; 2.天地科技股份有限公司 開采設計事業(yè)部，北京 100013; 3.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013; 4.兗礦集團有限公司，山東 濟寧 273500; 5.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000; 6.中國礦業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221008; 7.中國礦業(yè)大學(北京) 資源與安全工程學院,北京 100083; 8.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

煤炭是我國的主體能源，特厚煤層儲量豐富且主要采用綜放開采方法，實現(xiàn)特厚煤層安全高效開采對保障我國煤炭持續(xù)供應意義重大。經(jīng)過國家“九五”、“十五”、“十一五”技術攻關，我國綜放開采技術已達到世界領先水平[1-5]，出現(xiàn)了潞安、兗州、陽泉、大同等以綜放開采為主的大型高產(chǎn)高效礦區(qū)，部分綜放工作面年產(chǎn)量已達到1 000萬t。國家“十三五”規(guī)劃將“加快推進煤炭無人開采技術研發(fā)和應用”列入能源領域重點工程，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局開展的“機械化換人、自動化減人”科技強安專項行動為煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新指明了方向，特厚煤層實現(xiàn)智能化綜放開采將成為重要的發(fā)展趨勢[6-12]。

目前綜放開采仍采用人工放煤方式，放煤的智能化是制約智能化綜放開采的主要技術瓶頸，由于國內外在智能放煤理論、煤矸智能識別、智能放煤控制等關鍵技術領域尚未取得突破，亟待研發(fā)新技術和新裝備解決這些難題。為此，本文基于國家重點研發(fā)計劃項目“千萬噸級特厚煤層智能化綜放開采關鍵技術及示范”，分析了特厚煤層智能化綜放開采技術現(xiàn)狀及存在的關鍵科學技術問題，提出智能化綜放開采理論與技術構想及研發(fā)思路。

1 智能化綜放開采技術現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

綜放開采技術20世紀50年代末起源于歐洲，此后由于各種原因在國外逐漸消失。目前國外僅在土耳其、孟加拉國、澳大利亞等少數(shù)幾個國家有相關應用且大多為國內綜放技術的輸出應用，如兗礦集團有限公司將綜放開采技術應用到其澳大利亞澳思達礦并探索了基于時間控制的自動化放煤方式。因此，國外在智能化綜放開采領域鮮有開展相關研究。相反，國外自21世紀初至今，以慣性導航技術、熱紅外線煤巖識別技術、虛擬現(xiàn)實技術、多傳感器技術為代表的綜采工作面自動化技術使綜采工作面的智能化成為可能，也為智能化綜放開采技術的研究提供了一定的技術借鑒[13]。

1.2 國內研究現(xiàn)狀

綜放開采技術在我國真正獲得發(fā)展并逐步成熟，從20世紀80年代的引進試驗，驗證了放頂煤開采實現(xiàn)高產(chǎn)高效的可行性，到90年代初期以兗礦興隆莊礦綜放面年產(chǎn)突破300萬t及復雜煤層綜放開采技術的應用為標志，綜放開采技術在國內快速發(fā)展應用;從“十五”期間兗州礦區(qū)“600萬t綜放工作面設備配套與技術研究”項目的完成，創(chuàng)造了國內外綜放開采單產(chǎn)、工效和采出率的最高記錄，到“十一五”期間針對14～20 m特厚煤層開發(fā)的大采高綜放開采成套技術與裝備，工作面年產(chǎn)達到1 000萬t，我國綜放開采技術水平已處于國際領先水平。目前綜放開采技術已經(jīng)成為我國特厚煤層礦區(qū)實現(xiàn)高產(chǎn)高效的主要技術途徑[14-20]。

在智能化綜放開采相關技術領域，近年來國內進行了初步的探索試驗，如:兗礦興隆莊煤礦試驗程序控制與人工補放結合的放煤方式;潞安王莊煤礦試驗研究了聲音頻譜煤矸識別技術;中國礦業(yè)大學進行了基于聲波的放頂煤過程自動控制系統(tǒng)實驗研究;北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司試驗了記憶放頂煤方式。這些試驗研究雖取得了一定的認識，但在關鍵技術領域未取得實質性的突破，不能適應智能化綜放開采現(xiàn)場需求。

綜上，綜放開采的智能化尚處于試驗探索階段，主要存在智能放煤理論空白，煤矸智能識別、放煤智能控制等關鍵技術尚未突破，亟待研發(fā)新技術和新裝備解決這些難題。

2 特厚煤層智能化綜放開采關鍵科學技術問題

項目以“智能群組放煤機理—智能放煤方法—煤矸精準識別技術—智能放煤控制技術及裝備—工程示范”為主線，將采礦學、人工智能、機械工程等學科有機結合，圍繞關鍵科學問題，開發(fā)千萬噸級特厚煤層智能化綜放開采關鍵技術及裝備，并進行工程示范，研究方法和思路如圖1所示。采用理論分析、實驗模擬、數(shù)值仿真和現(xiàn)場試驗相結合的綜合研究方法，研究以下幾個方面的科學技術問題:

(1)特厚煤層智能化綜放開采大尺度頂煤體破碎與冒放機理。研究智能綜放工作面覆巖結構破斷規(guī)律影響下的大尺度頂煤體運移規(guī)律、破碎機理，進而分析煤矸塊度分布特征及煤矸分界面形態(tài)，結合智能群組放煤規(guī)律揭示頂煤體冒放機理。

(2)特厚煤層智能化采放協(xié)調控制機理。開展特厚煤層綜放面在不同開采環(huán)境下的采放高度協(xié)調與放煤步距協(xié)調研究;研究特厚頂煤采放工藝流程與采放工藝各工序受控因素、觸發(fā)條件、運行過程;研究多放煤口群組放煤過程與煤矸界面形態(tài)演變映射關系;研究多變量、多約束條件下，運用人工智能技術實現(xiàn)特厚煤層采放協(xié)調控制、群組協(xié)同放煤的原理。

(3)特厚煤層智能綜放開采群組放煤過程控制原理。建立綜放支架放煤機構開口度與放煤量的控制算法模型，以后部刮板輸送機運輸量為設計依據(jù)，建立多放煤口的群組放煤量與后部刮板輸送機總體運量的關系模型，以后部刮板輸送機總體運量為控制目標，建立智能化放煤自適應控制模型，以激光掃描煤流量信息為檢測手段，通過機器學習對模型進行訓練，使控制目標達到最優(yōu)化。

(4)特厚煤層群組協(xié)同智能放煤工藝決策技術。創(chuàng)建基于放煤環(huán)境多變量綜合感知與分析的多源信息數(shù)據(jù)庫,運用大數(shù)據(jù)挖掘技術分析采放協(xié)調具體關系，研究多放煤口不同群組配合關系，建立基于深度學習的特厚煤層采放協(xié)調智能放煤工藝模型,通過放煤工藝模型在線學習與優(yōu)化，實現(xiàn)特厚煤層采放協(xié)調控制、群組協(xié)同放煤。

(5)融合煤矸沖擊振動和高光譜的煤矸精準識別技術。建立強噪聲環(huán)境下煤矸沖擊振動信號特征參量識別技術，建立基于高光譜煤矸識別技術，通過融合煤矸沖擊振動與高光譜信號，形成“耳聽、目測”的煤矸仿生識別技術體系。

(6)基于激光三維掃描的放煤量實時監(jiān)測技術?；诩す馊S掃描方法精確測量高煤塵、低照度環(huán)境下放煤口煤流動態(tài)信息，建立放煤口煤流運動速度、刮板機堆煤幾何信息與放煤量間的動態(tài)耦合模型，實現(xiàn)放煤量的智能監(jiān)測。

(7)基于探地雷達的頂煤厚度在線探測技術。確定探地雷達信號在煤層中傳播時的最優(yōu)中心頻率，創(chuàng)建基于探地雷達信號的頂煤厚度精確計算方法，建立頂煤厚度精確計算的數(shù)學模型，實現(xiàn)頂煤厚度的準確探測。

(8)多模式融合的智能化放煤裝備及控制技術。智能化放煤裝備包括智能放煤控制器、隔爆電源、高效放煤機構、高精度傾角傳感裝置、行程傳感裝置、壓力傳感器、測高傳感器、快慢速液壓閥、煤矸識別傳感器、視頻監(jiān)控裝置、隔爆計算機、遠程操作臺等?；诓擅汗に嚨淖詣踊琶嚎刂颇Ｊ?、煤矸識別信息的自動化放煤控制模式和基于采放協(xié)調智能放煤工藝模型的自動化放煤控制模式進行系統(tǒng)融合，形成多種控制模式相融合的智能化放煤控制方法與控制技術。

3 特厚煤層智能化放煤理論探討

3.1 特厚煤層智能化綜放工作面群組放煤理論

特厚煤層智能綜放開采工作面，在開采效率的大幅提升的同時，工作面存在采場空間大、開采強度高、頂煤體尺度大等特點[21-23]，目前的理論不能科學解釋大尺度頂煤體的破碎機理及智能化群組放煤規(guī)律。對特厚煤層智能化綜放工作面覆巖結構破斷演化過程、頂煤體運移規(guī)律及破碎機理、煤矸混移規(guī)律及相互作用機理、大尺度頂煤體智能群組放煤規(guī)律方面開展研究，構建特厚煤層智能化綜放開采群組放煤理論，為實現(xiàn)智能化放煤提供理論支撐，為此將開展4個方面研究工作。

(1)通過開發(fā)特厚煤層綜放開采覆巖破斷模擬實驗平臺(圖2)，研究大采場空間、高強度開采條件下覆巖結構破斷演化過程，并與現(xiàn)場微震監(jiān)測系統(tǒng)實測結果驗證(圖3);建立采場覆巖結構力學模型，研究覆巖結構破斷失穩(wěn)形式及失穩(wěn)判據(jù);基于覆巖結構力學模型建立頂煤體動載荷計算方法，研究在覆巖結構破斷動載荷影響下頂煤體中應力分布規(guī)律。

圖3 微震事件與頂板破壞特征對應關系[24]Fig.3 Microseismic event corresponds to the roof failure feature[24]

(2)建立特厚煤層綜放開采數(shù)值計算模型，研究大尺度頂煤體的分區(qū)運移演化過程結合新型高精度頂煤運移追蹤儀追蹤頂煤運移軌跡，揭示頂煤體空間運移規(guī)律，頂煤運移追蹤儀開發(fā)方案和示意(圖4,5);采用實驗和數(shù)值計算方法模擬研究真實采動應力環(huán)境下頂煤體內部的裂隙擴展規(guī)律;結合以上研究成果建立大尺度頂煤體的力學結構模型，研究不同分區(qū)頂煤的破壞動力機制，進而揭示特厚頂煤體的破碎機理。

圖4 頂煤運移追蹤儀開發(fā)技術方案Fig.4 Top coal migration tracker development technical plan

圖5 新型高精度頂煤運移追蹤儀示意Fig.5 Top-coal movement tracking instrument with high precision

圖6 三維數(shù)值模擬實驗模型及放出體、煤矸分界面反演[25]Fig.6 Three-dimensional numerical simulation model and the inversion of the drawing body and boundary of top-coal[25]

(3)開展頂煤破碎放出實驗，反演放出煤、矸塊體原空間位置，統(tǒng)計分析放出煤、矸塊度大小，揭示大采場空間、高強度開采條件下特厚煤層綜放開采煤、矸塊度空間分布特征;開展不同煤矸塊度，不同煤巖厚度、不同放煤工藝條件下放煤實驗，同時進行離散元模擬，揭示特厚煤層綜放工作面放煤后形成的煤矸分界面空間特征及反演放出體的三維形態(tài)(圖6);基于散體力學，研究煤矸塊體互相作用機理。

(4)建立智能化綜放工作面群組放煤分析模型，研究群組放煤口寬度、高度尺寸與待放頂煤體形成的結構以及頂煤采出率的對應關系(圖7);采用連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模擬軟件，研究頂煤體的介質轉化全過程，提出一套特厚煤層智能化綜放開采群組極限放煤高度的評價方法。

圖7 待放頂煤體形成結構示意[17]Fig.7 Schematic diagram of the structure formed by the caving coal[17]

3.2 特厚煤層智能化采放協(xié)調控制理論

本部分研究思路如圖8所示，選取典型綜放工作面，找出特厚煤層綜放開采條件下影響采煤效率及頂煤采出率的多種采放工藝模式;針對每種采放工藝模式，分析各工序基本邏輯關系與協(xié)調機制及影響采放協(xié)調性及頂煤回收效果的關鍵影響因素，并衡量各因素影響程度;建立基于各影響因素約束下的局部優(yōu)化理論模型;從智能決策控制角度出發(fā)，利用合適的人工智能技術，集成各局部理論模型，建立綜合優(yōu)化智能決策理論模型，解決多變量多約束條件下的放煤工藝生成邏輯與智能決策機制問題，如圖9所示。

3.3 自動化群組精準放煤控制原理

建立綜放支架放煤機構開口度與放煤量的控制算法模型，以后部刮板輸送機運輸量為設計依據(jù)，建立多放煤口的群組放煤量與后部刮板輸送機總體運量的關系模型，以后部刮板輸送機總體運量為控制目標，建立智能化放煤自適應控制模型，以激光掃描煤流量信息為檢測手段，通過機器學習對模型進行訓練，使控制目標達到最優(yōu)化(圖10)。

4 特厚煤層智能化綜放開采關鍵技術構想

4.1 特厚煤層群組協(xié)同智能放煤工藝決策技術

基于特厚煤層智能化采放協(xié)調控制理論，建立采放協(xié)調智能放煤工藝模型，具體包括搭建多源信息數(shù)據(jù)庫，運用數(shù)據(jù)挖掘技術建立基于采放協(xié)調與群組協(xié)同的邏輯關系，運用人工智能技術及工具搭建采放協(xié)調智能放煤工藝模型(圖11)，研究思路如圖12所示。

圖8 智能化采放協(xié)調控制研究技術路線Fig.8 Technology route of research on intelligent coordination control for mining and top coal caving

圖9 智能決策控制算法適應性測試平臺Fig.9 Adaptability test platform for intelligent decision control algorithms

圖10 智能化放煤控制系統(tǒng)模型Fig.10 Model diagram of coal caving control system

圖12 采放協(xié)調智能放煤工藝模型及優(yōu)化技術路線Fig.12 Technology route of coordinated and intelligent model for mining and top coal caving process

4.2 特厚煤層頂煤厚度與放煤量實時監(jiān)測技術

研究探地雷達信號在煤層中傳播時的最優(yōu)中心頻率，創(chuàng)建基于探地雷達信號的頂煤厚度精確計算方法，建立頂煤厚度精確計算的數(shù)學模型，實現(xiàn)頂煤厚度的準確探測，探地雷達原理如圖13所示。在實施智能開采前如何評價工作面地質賦存條件的適應程度，預判工作面在開采過程中潛在可能出現(xiàn)的問題及相應技術措施?；诩す馊S掃描方法精確測量高煤塵、低照度環(huán)境下放煤口煤流動態(tài)信息，激光掃描技術如圖14所示，建立放煤口煤流運動速度、刮板機堆煤幾何信息與放煤量間的動態(tài)耦合模型，實現(xiàn)放煤量的智能監(jiān)測，煤量在線監(jiān)測如圖15所示。

圖13 探地雷達在煤層、矸石層和巖層中傳播路線示意Fig.13 Diagram of GPR in coal seam,gangue layer and rock layer

4.3 沖擊振動和高光譜融合的煤矸識別技術

本部分研究思路和技術路線如圖16所示，煤矸識別是綜采放頂煤開采的關鍵核心技術，對煤炭采出率及回收煤炭質量具有重要影響。通過研究煤矸沖擊振動信號分析方法和特征提取算法，構建基于煤矸沖擊振動信號識別方法和裝置;通過研究煤矸高光譜數(shù)據(jù)預處理與光譜特征參量提取算法，構建基于高光譜的煤矸識別方法和裝置(圖17);通過研究煤矸沖擊振動與高光譜信號融合方法，獲得融合煤矸沖擊振動與高光譜的煤矸精準識別技術和裝置，實現(xiàn)放煤過程煤矸混合率“耳聽、目測”的精準識別，識別率不低于90%。

圖14 激光掃描技術煤流截面測量原理Fig.14 Schematic diagram of coal flow section measurement with laser scanning technology

圖15 放煤量在線監(jiān)測裝置研制原理Fig.15 Schematic diagram of online monitoring device for top coal

圖19 “有人值守、無人操作”生產(chǎn)模式Fig.19 Production mode of “manned and unoperated”

4.4 多模式融合的智能化放煤裝備及控制技術

智能化放煤裝備包括智能放煤控制器、隔爆電源、高效放煤機構、高精度傾角傳感裝置、行程傳感裝置、壓力傳感器、測高傳感器、快慢速液壓閥、煤矸識別傳感器、視頻監(jiān)控裝置、隔爆計算機、遠程操作臺等。將基于采煤工藝的自動化放煤控制模式、基于煤矸識別信息的自動化放煤控制模式和基于采放協(xié)調智能放煤工藝模型的自動化放煤控制模式進行系統(tǒng)融合，形成多種控制模式相融合的智能化放煤控制方法與控制技術(圖18)。

4.5 綜放工作面“采-支-放-運”系統(tǒng)智能協(xié)調控制技術

開發(fā)特厚煤層智能化綜放工作面基于放煤機構精準控制、工作面直線度智能化控制、后部刮板輸送機煤流量控制[26]，融合煤矸辨識信息、頂煤體量探測信息、煤流量激光掃描信息和采放協(xié)調智能群組放煤工藝模型的智能群組放煤控制系統(tǒng)，實現(xiàn)綜放工作面三機自動化智能協(xié)同，實現(xiàn)綜放工作面“采-支-放-運”系統(tǒng)環(huán)節(jié)智能自適應，最終實現(xiàn)綜放工作面“有人值守、無人操作”(圖19)。

5 結論與展望

(1)智能化綜放開采是特厚煤層開采技術發(fā)展的關鍵方向。針對特厚煤層綜放開采存在的煤矸智能識別、智能放煤控制、“采-支-放-運”系統(tǒng)智能協(xié)調等技術難題，提出了3個關鍵科學問題:特厚煤層智能綜放開采大尺度頂煤體破碎與冒放機理;特厚煤層智能化采放協(xié)調控制機理與方法;特厚煤層智能綜放開采群組放煤過程控制原理。

(2)針對特厚煤層智能綜放開采工作面存在的采場空間大、開采強度高、頂煤體尺度大等特點，深入研究智能化綜放工作面大采場空間、高強度開采條件下覆巖破斷運移規(guī)律、大尺度頂煤體運移及破碎機理、煤矸混移及群組放煤規(guī)律。攻克采放協(xié)調與群組協(xié)同放煤技術，實現(xiàn)多變量條件下的智能化采放協(xié)調控制與多放煤口群組協(xié)同放煤。

(3)針對智能化群組放煤工作面存在的放煤狀態(tài)感知難題，開發(fā)以沖擊振動與高光譜融合的煤矸精準識別技術、放煤量激光三維掃描實時監(jiān)測技術和基于探地雷達的放頂煤厚度在線探測技術，實現(xiàn)放煤過程中放煤量和混矸率的智能感知。

(4)針對智能化綜放工作面放煤工藝的智能決策與控制指令的準確實施等關鍵環(huán)節(jié)，研制高效放煤機構及其精準控制技術、綜放工作面后部刮板輸送機直線度和煤流負荷平衡協(xié)調控制技術、研制智能放煤控制系統(tǒng)，實現(xiàn)綜放工作面智能化放煤。

(5)根據(jù)不同采放參數(shù)與頂煤冒放性的關系，研究多要素驅動的裝備配套方法，研制超大采高綜放開采新型液壓支架，開發(fā)強擾動三級放煤機構，完成大運量、高煤流運輸效率的設備選型配套，實現(xiàn)特厚煤層智能化綜放開采裝備群“采-支-放-運”系統(tǒng)協(xié)調運行。

致謝本文在完成過程中，得到了國家重點研發(fā)計劃“千萬噸級特厚煤層智能化綜放開采關鍵技術及示范”(2018YFC0604500)參加單位及相關人員的大力支持，在此一并表示感謝！