煤炭智能化無人開采的現(xiàn)狀與展望

李首濱

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國煤炭開采技術(shù)及裝備發(fā)展迅速，綜采工作面生產(chǎn)先后經(jīng)歷了機(jī)械化和自動化這2個階段，目前正處于朝智能化開采轉(zhuǎn)型時期。技術(shù)與裝備的發(fā)展為開采效率與產(chǎn)量帶來了巨大提升，同時創(chuàng)造了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。但近年來，隨著經(jīng)濟(jì)與社會的發(fā)展，人們對綠色、清潔能源的呼聲日益提高，結(jié)合長期以來對煤礦安全生產(chǎn)的迫切需求，研究安全智能、綠色高效的開采技術(shù)勢在必行，煤炭開采必須由勞動密集型升級為技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，發(fā)展智能、無人、安全的煤炭開采道路。如何將智能化的技術(shù)與裝備應(yīng)用到煤炭開采中以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化、無人化與高效化，已經(jīng)成為擺在每位煤炭科技從業(yè)者面前的一項重要課題。

國際上對煤炭智能化開采技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，德國、美國、澳大利亞等都先后提出了自己的技術(shù)方案，其思路均是依賴工業(yè)自動化基礎(chǔ)，結(jié)合遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，實現(xiàn)對煤機(jī)、支架等裝備的控制。1990年，德國推出綜采電液控制自動化系統(tǒng)，其特點是裝備程序化控制。2000年之后，隨著計算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織(CSIRO)開發(fā)了以設(shè)備定位技術(shù)為核心的LASC長壁自動化系統(tǒng)，美國JOY公司推出了以實現(xiàn)地面遠(yuǎn)程監(jiān)控為目標(biāo)的虛擬采礦方案，而德國艾柯夫公司著力于智能化煤機(jī)的研發(fā)，聚焦于提供具有防碰撞、智能控制、截割模版等高級功能的智能煤機(jī)裝備以及相關(guān)行業(yè)方案。

我國對煤炭智能化開采技術(shù)及裝備的研究起步較晚，2007年才研制出首套國產(chǎn)電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對國外進(jìn)口產(chǎn)品的替代，奠定了綜采自動化系統(tǒng)國產(chǎn)化的基礎(chǔ)。近10年來，我國加大了投入力度，在“863項目”、“973計劃”及智能制造專項支持下，我國的煤炭智能化開采技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，實現(xiàn)了“液壓支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)記憶截割與可視化遠(yuǎn)程干預(yù)控制”相結(jié)合的智能化無人開采技術(shù)模式，攻克了液壓支架自適應(yīng)控制、工作面“三機(jī)”協(xié)調(diào)聯(lián)動、自動化放煤等關(guān)鍵技術(shù)難題，建設(shè)了以陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司黃陵一號煤礦(以下簡稱黃陵一礦)為代表的一系列智能化開采示范項目。截至目前，“綜采自動化與可視化遠(yuǎn)程干預(yù)”的智能化無人開采模式在國內(nèi)已經(jīng)基本成型，正在全國范圍內(nèi)由簡單地質(zhì)條件向復(fù)雜地質(zhì)條件下推廣應(yīng)用，而針對煤炭智能自適應(yīng)開采模式的真正無人化開采技術(shù)研究也在積極推進(jìn)中。

2 國外煤炭智能化無人開采技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

在煤炭智能化開采技術(shù)方面，澳大利亞、美國與德國處于國際領(lǐng)先地位，主流思路是通過地質(zhì)鉆探資料結(jié)合掘進(jìn)數(shù)據(jù)形成基礎(chǔ)地質(zhì)條件數(shù)據(jù)，以此規(guī)劃掘進(jìn)與工作面開采過程，實現(xiàn)煤炭智能化開采。

2.1 LASC技術(shù)

澳大利亞綜采長壁工作面自動控制委員會(Longwall Automation Steering Committee，簡稱LASC)開展了煤礦綜采自動化與智能化技術(shù)的研究，將高精度光纖陀螺儀與定制導(dǎo)航定位算法應(yīng)用于工作面裝備的定位與控制，取得了3項主要成果，即采煤機(jī)三維精確定位(誤差小于10 cm)、工作面校直(誤差小于50 cm)與工作面水平控制，創(chuàng)建了工作面自動化系統(tǒng)原型，同時增加了采煤機(jī)自動控制、煤流負(fù)載均衡、巷道集中監(jiān)控等功能，該研究在澳大利亞應(yīng)用狀況良好。LASC智能化開采技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用情況如圖1所示。

圖1 LASC智能化開采技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用情況

在LASC技術(shù)中，開采前通過鉆探與掘進(jìn)數(shù)據(jù)獲知工作面煤層的賦存狀態(tài)，采用陀螺儀獲知采煤機(jī)的三維空間坐標(biāo)，二者結(jié)合實現(xiàn)工作面的全自動化割煤。LASC核心技術(shù)包括采煤機(jī)三維空間定位、工作面自動找直、工作面水平控制、煤機(jī)滾筒自動調(diào)高、三維可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控等。北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院積極合作，成功為我國引進(jìn)了LASC技術(shù)，從而全面提高了我國智能化開采技術(shù)水平。

國外煤礦通過應(yīng)用LASC系統(tǒng)，礦井產(chǎn)量提高了5%～25%，有效降低了開采人員暴露在危險工作環(huán)境的時長，顯著提高了礦井安全水平。同時也穩(wěn)定了煤炭產(chǎn)量波動，實現(xiàn)了均衡生產(chǎn)。

2.2 IMSC技術(shù)

美國JOY公司推出了一種名為煤炭智能開采服務(wù)中心的長壁工作面遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)控井下裝備的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)工作面的預(yù)警和故障信息，通過電話或郵件及時通知開采人員進(jìn)行處理。煤炭智能開采服務(wù)中心每日、周、月和季度向煤礦提交運(yùn)行分析報告，指導(dǎo)煤礦提高運(yùn)行管理水平，合理安排設(shè)備檢修。比如，澳大利亞布里斯班的Anglo礦業(yè)公司在其總部中設(shè)置調(diào)度室，能夠?qū)λ牭V井進(jìn)行實時監(jiān)控，并通過數(shù)據(jù)監(jiān)測分析系統(tǒng)地分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，給予礦井生產(chǎn)指導(dǎo)，在提高產(chǎn)能的同時獲得取更多的經(jīng)濟(jì)效益。

3 國內(nèi)煤炭智能化無人開采技術(shù)進(jìn)展

“十二五”期間，我國加大了煤炭智能化開采技術(shù)的研發(fā)力度，取得了一系列突破性進(jìn)展，引領(lǐng)了煤炭智能化無人開采的方向。以智能控制軟件為核心，通過采煤機(jī)記憶截割、液壓支架跟機(jī)自動化與可視化遠(yuǎn)程干預(yù)，實現(xiàn)了開采人員在地面或巷道監(jiān)控中心內(nèi)對綜采裝備的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，確保開采工藝中割煤、推溜、移架、運(yùn)輸、降塵等操作智能化運(yùn)行，實現(xiàn)了工作面連續(xù)、安全高效開采，為煤炭智能化無人開采技術(shù)指明了當(dāng)下一條確實可行之路。

3.1 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

通過在采煤機(jī)牽引部安裝位置傳感器，在控制器中利用位移信息計算采煤機(jī)位置，實現(xiàn)了采煤機(jī)精確定位。研發(fā)出了符合煤礦實際生產(chǎn)工序的采煤機(jī)記憶截割程序，有效解決了回刀掃煤不徹底、三角煤截割與端頭支架自動跟機(jī)拉架、推溜等問題，實現(xiàn)了采煤機(jī)在工作面內(nèi)自動記憶截割。

3.2 液壓支架跟機(jī)自動化技術(shù)

在采煤機(jī)上安裝紅外線發(fā)射器發(fā)射數(shù)字信號，每臺支架上均安裝一個紅外線接收器，用以接收來自煤機(jī)紅外線發(fā)射器的數(shù)字信息，以此來檢測煤機(jī)位置與方向信息，根據(jù)現(xiàn)場不同環(huán)境條件對應(yīng)的采煤工藝，開發(fā)液壓支架自動跟機(jī)軟件?？刂葡到y(tǒng)識別采煤機(jī)位置與方向信息，實現(xiàn)工作面液壓支架跟隨采煤機(jī)作業(yè)的自動化控制功能，包括跟機(jī)自動移架、自動推溜、跟機(jī)噴霧自動化功能，從而完成液壓支架動作與采煤機(jī)運(yùn)行位置動態(tài)匹配，實現(xiàn)工作面液壓支架與刮板輸送機(jī)跟隨采煤機(jī)自動化運(yùn)行。通過分析端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)的動作邏輯與時間差異，優(yōu)化控制程序，實現(xiàn)了端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)連鎖自移程序化控制。

3.3 煤流負(fù)荷反饋采煤控制技術(shù)

我國自主研發(fā)了“高壓變頻器、高壓電機(jī)、摩擦限矩陣與行星減速器”相結(jié)合驅(qū)動的刮板輸送機(jī)，配套開發(fā)了專用智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了跟隨煤流負(fù)荷大小自動調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)速度，具備了智能啟動、煤量檢測與智能調(diào)速、鏈條自動張緊控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控與功率協(xié)調(diào)等功能?？筛鶕?jù)實時檢測到的刮板輸送機(jī)煤流負(fù)載，利用變頻器控制技術(shù)自動協(xié)調(diào)工作面采、裝、運(yùn)的運(yùn)行。

3.4 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

我國成功發(fā)明了地面遠(yuǎn)程干預(yù)型綜采控制系統(tǒng)，包括綜采裝備控制系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)視系統(tǒng)、井上井下數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、地面語音系統(tǒng)；綜采裝備控制系統(tǒng)安裝于井下綜采工作面；綜采裝備信息及監(jiān)視視頻圖像信息通過井下數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)經(jīng)由井上井下環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)中，地面監(jiān)控系統(tǒng)據(jù)此對井下綜采裝備進(jìn)行控制，包括啟停控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、自動化開采、遠(yuǎn)程干預(yù)、故障診斷及報警、歷史數(shù)據(jù)分析等。該系統(tǒng)有效地將井下監(jiān)控中心功能轉(zhuǎn)移至地面，極大地提高了開采人員的安全性。地面遠(yuǎn)程干預(yù)型綜采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 兩種煤炭智能化無人開采技術(shù)模式

通過國外和國內(nèi)煤炭智能化開采技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r可以看出，國外和國內(nèi)都在理論與實踐領(lǐng)域進(jìn)行了大量的探索與嘗試，其目標(biāo)均是將開采工人從危險的工作面甚至是井下環(huán)境解放出來，并且保證開采過程的安全與高效。根據(jù)所采用技術(shù)策略與路線的差異，煤炭智能化無人開采可被總結(jié)歸納為兩種模式：一種是工作面綜采自動化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)的技術(shù)模式；另一種是智能自適應(yīng)開采的技術(shù)模式。煤炭智能化無人開采的兩種技術(shù)路線如圖3所示。

4.1 工作面綜采自動化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)技術(shù)模式

工作面綜采自動化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)的技術(shù)模式依賴于成套裝備及自動化技術(shù)。通過傳感設(shè)備采集工作面數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上采取半自動化結(jié)合人工干預(yù)的策略，在有限自動化開采條件基礎(chǔ)上，通過工作面場景可視化技術(shù)，將工作面環(huán)境與裝備的實際狀態(tài)迅速、直觀地展現(xiàn)給位于安全位置的遠(yuǎn)程開采人員，開采人員根據(jù)觀察得到的信息進(jìn)行決策并對開采過程進(jìn)行干預(yù)。我國目前的絕大多數(shù)智能化開采工作面均采用這種技術(shù)模式。

圖2 地面遠(yuǎn)程干預(yù)型綜采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 煤炭智能化無人開采的兩種技術(shù)路線

通過廣泛采用工作面綜采自動化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)的技術(shù)模式，我國的煤炭智能化開采技術(shù)水平在控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制方式、響應(yīng)時間、智能功能、工作面人數(shù)與生產(chǎn)效率等主要指標(biāo)方面都處于國際領(lǐng)先地位，率先實現(xiàn)采煤過程中工作面內(nèi)無人操作，引領(lǐng)了煤炭智能化開采技術(shù)的變革。這種技術(shù)模式打破了傳統(tǒng)以單機(jī)裝備為主、總體協(xié)調(diào)的技術(shù)思路，構(gòu)建了以成套裝備總控網(wǎng)絡(luò)信息綜合決策為主、單機(jī)裝備執(zhí)行的體系架構(gòu)。通過將采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)、供電供液系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)成了一個統(tǒng)一的采煤裝備及控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)控制決策模型分析結(jié)果，實現(xiàn)對綜采成套裝備的協(xié)調(diào)管理與集中控制。

4.2 智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新型技術(shù)的興起，將新型技術(shù)應(yīng)用到煤炭智能化開采中以提升智能與自動化程度成為了一股不可阻擋的趨勢。隨著傳感技術(shù)與計算科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一種更加高級的煤炭智能化無人開采理念應(yīng)運(yùn)而生——智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式。智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式依賴于綜采成套裝備及自動化技術(shù)，通過感知技術(shù)形成對環(huán)境、裝備狀態(tài)的認(rèn)知，通過系統(tǒng)集成控制技術(shù)達(dá)成對執(zhí)行裝備的操控。在此基礎(chǔ)上，采取“感知-分析-決策-控制”全自動化開采策略，采用機(jī)器視覺、多源信息融合與三維物理仿真等技術(shù)對所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，使系統(tǒng)能夠自主認(rèn)知并理解工作面環(huán)境與裝備的實際狀態(tài)，在此基礎(chǔ)之上通過采煤機(jī)滾筒自適應(yīng)調(diào)高、直線度控制與“上竄下滑”控制等智能決策控制技術(shù)進(jìn)行開采決策與執(zhí)行控制，從而實現(xiàn)真正的煤炭全自動化開采。

遠(yuǎn)程可視化干預(yù)技術(shù)模式是感知與計算能力受限條件下的產(chǎn)物，可以被視為是向智能自適應(yīng)開采模式發(fā)展過程中的過渡階段，正是由于傳感、分析與決策計算技術(shù)手段的限制，導(dǎo)致無法采集到自主開采分析與決策計算所需的數(shù)據(jù)，或是因缺乏有力的計算方法導(dǎo)致無法基于所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地分析和決策，從而無法形成自主的“感知-分析-決策-控制”閉環(huán)，因而需要人工干預(yù)開采的決策與操作。而隨著物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)的發(fā)展，煤炭智能化無人開采技術(shù)必定會朝著“傳感器替換眼睛”、“電腦替代人腦”的智能自適應(yīng)開采方向進(jìn)步；兩種技術(shù)模式最大的區(qū)別就是智能自適應(yīng)開采模式采用更多的傳感、智能分析與決策手段，從而替代了操作人員的“眼”與“腦”。

5 我國煤炭智能化無人開采實踐

自2000年以來，我國就開始了煤炭智能化開采的實踐工作，“十二五”期間，隨著我國在煤炭智能化開采技術(shù)方面加大對研發(fā)投入力度，取得了突破性進(jìn)展，在國際上引領(lǐng)了煤炭工業(yè)智能化開采的方向。煤炭智能化開采先后在神東煤炭集團(tuán)、寧夏煤業(yè)集團(tuán)、中煤集團(tuán)、陜西煤業(yè)化工集團(tuán)、同煤集團(tuán)、陽泉煤業(yè)集團(tuán)、中國平煤神馬集團(tuán)、晉煤集團(tuán)、冀中能源集團(tuán)等40多個礦區(qū)進(jìn)行了試驗與生產(chǎn)。下面就一些具有代表性的智能化工作面進(jìn)行簡要介紹。

(1)2014年，黃陵一礦1001工作面率先應(yīng)用綜采智能控制系統(tǒng)(SAM)實現(xiàn)了智能化開采。該工作面煤層厚度為1.1～2.75 m、平均采高為2.22 m、工作面長度為235 m、走向長度為2280 m?？刂葡到y(tǒng)配套使用液壓支架電液控制系統(tǒng)(SAC型)和采煤機(jī)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了“無人操作、一人巡視”可視化遠(yuǎn)程干預(yù)型智能化開采，達(dá)到了“工作面運(yùn)輸巷監(jiān)控中心2人可視化遠(yuǎn)程干預(yù)控制，工作面內(nèi)1人巡視”常態(tài)化運(yùn)行的效果，月產(chǎn)量達(dá)17.03萬t，年生產(chǎn)能力達(dá)200萬t以上，生產(chǎn)效率提高了25%，生產(chǎn)作業(yè)人員由11人遞減至3人，年節(jié)約人工成本700多萬元，安全生產(chǎn)水平獲得較大提升。黃陵一礦井下工作面運(yùn)輸巷監(jiān)控中心工作現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 黃陵一礦井下工作面運(yùn)輸巷監(jiān)控中心

(2)2016年，在山東能源棗礦集團(tuán)濱湖煤礦16108工作面，通過采用SAC型支架電液控制系統(tǒng)、TDECS采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)與工作面視頻監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了薄煤層條件下綜采自動化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)的智能開采。該工作面煤層厚度為1.25～1.50 m、采高為1.35 m、傾斜長度為139 m、走向長度為953 m。通過將液壓支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)和影像上傳到位于運(yùn)輸巷的監(jiān)控中心，使操作人員能夠在監(jiān)控中心內(nèi)實現(xiàn)對工作面支架自動跟機(jī)運(yùn)行、采煤機(jī)智能化記憶截割的“一鍵啟、?！币约皩χЪ芎筒擅簷C(jī)所有動作的遠(yuǎn)程控制，月均生產(chǎn)原煤達(dá)10.5萬t，相較于非智能化工作面多出產(chǎn)原煤4.5萬t，工作面生產(chǎn)人員由原來的2名采煤司機(jī)跟機(jī)操作、6名支架工分段跟機(jī)拉架變成1人遠(yuǎn)程操控、2人工作面巡視，年節(jié)約人工成本達(dá)115.2萬元，安全生產(chǎn)水平顯著提高。

(3)2016年，在兗礦集團(tuán)轉(zhuǎn)龍灣煤礦23303工作面，首次采用LASC技術(shù)研發(fā)了設(shè)備運(yùn)行軌跡檢測技術(shù)，實現(xiàn)了液壓支架與刮板輸送機(jī)自動校直，可在復(fù)雜條件下實現(xiàn)工作面自動化生產(chǎn)模式常態(tài)化運(yùn)行。首次研制出具有慣導(dǎo)特性的智能化采煤機(jī)，行走位置控制精度為3 cm，滾筒截割高度穩(wěn)態(tài)重復(fù)精度為4 cm，實現(xiàn)了全工作面循環(huán)的自動化，并且工作面支架、端頭支架、超前支架自動協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可遙控超前支架。應(yīng)用了大功率、高可靠、智能化高效工作面成套裝備，首次在3～4 m煤層條件下達(dá)到年產(chǎn)千萬噸級的水平。

(4)2017年，在寧夏煤業(yè)集團(tuán)紅柳煤礦(以下簡稱紅柳煤礦)I 010305工作面，通過國產(chǎn)電液控制系統(tǒng)結(jié)合LASC系統(tǒng)，實現(xiàn)了綜采工作面直線度控制，達(dá)到了紅柳煤礦智能化連續(xù)開采。該工作面煤層最大厚度為3.8 m、最小厚度為2.7 m、平均厚度為3.38 m、最大采高為3.8 m、最小采高為2.7 m、傾斜長度為220 m、走向長度為1910 m。采煤機(jī)通過SPMS系統(tǒng)實現(xiàn)2～3 cm精度的三維空間定位，參考鉆孔地質(zhì)勘測與掘進(jìn)數(shù)據(jù)實現(xiàn)采煤機(jī)截割滾筒高度的自動或遠(yuǎn)程人工調(diào)整。利用LASC系統(tǒng)進(jìn)行工作面直線度檢測，檢測精度達(dá)到10 cm。通過國產(chǎn)電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)了工作面直線度控制，工作面直線度平均偏差小于424 mm。工作面直線度控制與視頻監(jiān)控、集中控制等技術(shù)相結(jié)合，形成了跟機(jī)自動化采煤的常態(tài)化應(yīng)用，提升了工作面自動化開采水平。煤機(jī)截割牽引平均速度達(dá)到約為10 m/min，最快速度將近12 m/min，工作面支架工人數(shù)量由5人跟機(jī)作業(yè)減少為1人巡檢作業(yè)，工人勞動強(qiáng)度大大降低，工作面安全系數(shù)顯著提高。

除了紅柳煤礦外，在寧夏煤業(yè)集團(tuán)的金鳳煤礦、麥垛山煤礦、雙馬煤礦等多地都在推廣應(yīng)用國產(chǎn)電液控結(jié)合LASC系統(tǒng)的智能化開采方式。

6 煤炭智能化無人開采技術(shù)展望

6.1 智能自適應(yīng)無人開采控制模型

目前，盡管進(jìn)行了大量的理論與實踐的探索，受限于當(dāng)前技術(shù)條件水平，煤炭智能化無人開采的實踐經(jīng)驗仍然以工作面綜采自動化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)這種技術(shù)模式為主，對智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式的探索尚停留在理論層面，鮮有實際可應(yīng)用的成果問世。根據(jù)多年來對煤炭智能化無人開采技術(shù)的持續(xù)關(guān)注，結(jié)合近年來國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究與發(fā)展動向，筆者提出了一種智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式下的控制模型如圖5所示。

圖5 智能自適應(yīng)無人開采控制模型

由圖5可知，這種控制模型仍然以綜采成套裝備為執(zhí)行系統(tǒng)，通過大量工況傳感器感知綜采裝備的工作狀態(tài)，以激光掃描、可見光/熱紅外視頻、瓦斯傳感器、隨采物探等多種傳感手段，輔以鉆孔、地質(zhì)勘探以及掘進(jìn)數(shù)據(jù)形成對工作面所處地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)的感知；將大量的傳感數(shù)據(jù)匯集存儲到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉庫中，通過多源信息融合與三維物理仿真的手段在計算機(jī)空間內(nèi)為工作面建立三維物理模型，使機(jī)器認(rèn)知并理解工作面環(huán)境與裝備的實際狀態(tài)；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用機(jī)器視覺、三維物理計算等智能化方法有針對性地對煤巖識別、工作面找直、“上竄下滑”測量等關(guān)鍵問題進(jìn)行智能化分析；在分析結(jié)果之上，通過人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)的方法自主決策制定采煤機(jī)截割模版與液壓支架全程自適應(yīng)跟機(jī)計劃；最后，通過系統(tǒng)集成控制技術(shù)，將控制指令下發(fā)給各綜采裝備控制系統(tǒng)，監(jiān)控生產(chǎn)開采過程，形成“感知-分析-決策-控制”閉環(huán)。

6.2 智能自適應(yīng)開采的關(guān)鍵技術(shù)

在智能自適應(yīng)開采模式下，將引入大量新型的傳感與計算手段，以彌補(bǔ)現(xiàn)有感知與分析計算能力的不足。

(1)三維激光掃描技術(shù)。該技術(shù)作為近年來在地面勘測與無人駕駛等領(lǐng)域興起的非接觸式測量技術(shù)，具有傳統(tǒng)測量手段無法比擬的高效率與高精度，可以被作為井下環(huán)境與裝備的三維輪廓感知與定位的重要手段。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織已就這項技術(shù)推出其第一代井下三維激光掃描設(shè)備——ExScan，該設(shè)備可用于井下環(huán)境三維激光掃描獲取點云圖像，北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司已經(jīng)與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織就ExScan在井下的應(yīng)用研究展開合作，該項技術(shù)將在井下環(huán)境建模與定位測量領(lǐng)域扮演至關(guān)重要的角色。ExScan實物圖如圖6所示，ExScan井下巷道環(huán)境三維激光掃描點云圖像如圖7所示。

圖6 ExScan實物圖

(2)慣性導(dǎo)航結(jié)合無線定位的復(fù)合導(dǎo)航定位技術(shù)。該技術(shù)將成為井下無GPS輔助定位環(huán)境下綜采裝備定姿定位的主要技術(shù)途徑。慣性導(dǎo)航作為主流的定位技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空航天、駕駛等眾多領(lǐng)域，但是由于其誤差會隨時間累積的特性，需要其他技術(shù)手段輔助校正。由于井下環(huán)境GPS信號不可達(dá)，而無線定位技術(shù)因其存在便于部署與擴(kuò)展、定位精度高、成本低等特性進(jìn)入人們的視野當(dāng)中。毫無疑問，基于慣性導(dǎo)航與無線定位技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合導(dǎo)航定位技術(shù)必將成為井下裝備定位的主流方案。但在此前，信號干擾、基站移動重定位等核心問題仍待解決。

圖7 ExScan井下巷道環(huán)境三維激光掃描點云圖像

(3)UWB地質(zhì)雷達(dá)等隨采物探裝備技術(shù)。該技術(shù)將廣泛用于開采階段的工作面地質(zhì)環(huán)境感知，以作為指導(dǎo)煤機(jī)滾筒截割的重要支撐數(shù)據(jù)來源。鉆探數(shù)據(jù)的指導(dǎo)意義與鉆孔數(shù)量成正比，但過密的鉆孔又不具有經(jīng)濟(jì)性；而采掘數(shù)據(jù)只能揭露工作面正幫一側(cè)的地質(zhì)情況，這就造成了生產(chǎn)開采具有一定的盲目性，亟需一種能夠精確感知工作面近程地質(zhì)構(gòu)造的技術(shù)手段，為開采生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)，而UWB地質(zhì)雷達(dá)因其結(jié)構(gòu)小巧靈活的井下環(huán)境適應(yīng)性，成為了隨采地質(zhì)收集裝備的首選。目前北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司正在研制相關(guān)產(chǎn)品并展開井下工業(yè)性試驗，有望在隨采物探領(lǐng)域取得突破。

(4)機(jī)器人技術(shù)。該技術(shù)將廣泛應(yīng)用于井下工作面巡檢與數(shù)據(jù)采集，以形成重要的感知平臺。目前北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司正在研制井下工作面軌道式巡檢機(jī)器人并展開工業(yè)性實驗，該機(jī)器人運(yùn)行在刮板輸送機(jī)軌道上，能夠搭載LASC、ExScan、高清/紅外攝像頭、拾音器等多種傳感器，實現(xiàn)工作面快速巡檢采集數(shù)據(jù)與開采作業(yè)跟機(jī)兩種模式。該款機(jī)器人有望成為薄煤層下智能化無人開采技術(shù)的重要核心裝備。

(5)其它技術(shù)。三維物理仿真計算方法能夠廣泛用于工作面地質(zhì)環(huán)境建模、截割模板與液壓支架跟機(jī)計劃的計算；大量基于人工智能的計算技術(shù)也將應(yīng)用于智能自適應(yīng)開采模式中，如煤巖識別的重要手段之一就是通過機(jī)器視覺分析工作面煤壁高清圖像以獲取煤巖分割線的信息；基于滾筒截割過程中熱紅外圖像的機(jī)器視覺分析，能夠為開采過程中滾筒的自適應(yīng)在線控制提供重要決策依據(jù)；而機(jī)器學(xué)習(xí)則能夠被廣泛應(yīng)用于各種開采操作與故障、事故分析決策場景中。

7 結(jié)語

煤炭智能化無人開采是煤炭工業(yè)的重大技術(shù)變革，是行業(yè)升級轉(zhuǎn)型的重點內(nèi)容與方向，無論是國家還是行業(yè)都給予了高度重視和大力支持，進(jìn)行了大量的理論與實際的探索與實踐。但在煤炭智能化無人開采技術(shù)的實現(xiàn)道路上，仍然存在許多尚未解決的問題：目前的煤炭智能化無人開采仍然處于綜采自動化結(jié)合可視化遠(yuǎn)程干預(yù)的半自動階段；存在科技成果轉(zhuǎn)化率低、重概念宣傳輕實際應(yīng)用以及面對各種復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性差的現(xiàn)象。目前距離真正實現(xiàn)智能化、無人化、常態(tài)化應(yīng)用尚且遙遠(yuǎn)，仍須在管理觀念、投入力度、研發(fā)團(tuán)隊建設(shè)等多方面下大工夫。但筆者相信，隨著先進(jìn)制造、傳感、計算科學(xué)技術(shù)等相關(guān)基礎(chǔ)行業(yè)的發(fā)展，隨著技術(shù)條件水平的不斷提高，煤炭智能化無人開采這條使煤礦開采減員提效、綠色安全的必由之路必將實現(xiàn)。