煤礦綜采工作面智能開采技術(shù)現(xiàn)狀與展望

王文海，蔣力帥，王慶偉，馮 昊，唐 鵬

(山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東省青島市，266590)

0 引言

長期以來，煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)重要地位，并且在未來很長的一段時(shí)間內(nèi)保持我國能源結(jié)構(gòu)的主體地位[1]。目前，隨著開采深度的不斷加大，深部煤巖體處于高地溫、高滲透壓等惡劣環(huán)境中，采動(dòng)影響劇烈、沖擊地壓等礦山災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，對礦工的生命安全以及煤礦的安全生產(chǎn)威脅極大，為實(shí)現(xiàn)煤炭資源安全、高效、綠色開采，發(fā)展智能化開采技術(shù)勢在必行[2]。

1 智能化開采研究現(xiàn)狀

1.1 國外智能化開采研究現(xiàn)狀

2001年，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CSIRO承擔(dān)了澳大利亞煤炭協(xié)會(huì)研究計(jì)劃設(shè)立的綜采自動(dòng)化項(xiàng)目，進(jìn)行綜采工作面的智能化研究；2005年成功設(shè)計(jì)了工作面自動(dòng)化LASC(長壁自動(dòng)化)系統(tǒng)，并取得了3個(gè)主要成果：工作面的水平控制、采煤機(jī)位置的精確定位、工作面矯直系統(tǒng)；2008年成功對LASC系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，增加了采煤機(jī)的自動(dòng)控制等功能，其主要構(gòu)成包括SPMS(采煤機(jī)位置測量系統(tǒng))、陀螺儀及LASC軟件等。目前，LASC系統(tǒng)已經(jīng)大量運(yùn)用到澳大利亞煤礦的綜采工作面[3]。2009年，英國曼徹斯特大學(xué)等相關(guān)研究機(jī)構(gòu)開發(fā)了“煤機(jī)領(lǐng)路者”系統(tǒng)，主要包括長壁自動(dòng)化開采技術(shù)及煤礦自動(dòng)化圖像分析系統(tǒng)，于2010年在德國North Rhine-Westphalia礦初次應(yīng)用[4]。2012年，美國公司開發(fā)的新型采煤機(jī)自動(dòng)化長壁系統(tǒng)，集成工作面取直系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的全自動(dòng)智能化控制[5]。2017年以來，澳大利亞開始進(jìn)入由自動(dòng)化轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑_采的發(fā)展階段。2018年，澳大利亞原煤生產(chǎn)率為1.09萬t/(人·a)，已達(dá)到世界最高水平。

1.2 我國智能化開采研究現(xiàn)狀

我國的智能化開采技術(shù)起步比較晚，但經(jīng)過近20年的潛心研究，發(fā)展迅速。2007年，我國研制出首套替代外國進(jìn)口的液壓支架電液控系統(tǒng)，打破了外國企業(yè)的長時(shí)間壟斷[6]；2008年，榆家梁礦對薄煤層開采技術(shù)進(jìn)行嘗試及試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了支架跟隨采煤機(jī)的自動(dòng)化移架、推移刮板輸送機(jī)等作業(yè)[7]；2009年，冀中能源峰峰集團(tuán)聯(lián)合浙江大學(xué)在多個(gè)礦區(qū)建立薄煤層采煤機(jī)綜采數(shù)字化無人工作面，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置檢測、狀態(tài)監(jiān)控等功能[8]；2013年，國家“863計(jì)劃”項(xiàng)目“煤炭智能化掘進(jìn)技術(shù)與裝備(二)”立項(xiàng)，課題是“綜采智能化控制技術(shù)與裝備”，重點(diǎn)是突破智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)和研制出智能化開采的技術(shù)裝備[9]；2016年，兗礦集團(tuán)通過慣性導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工作面的自動(dòng)找直，主要解決工作面設(shè)備控制問題[10]；2017年，我國開展了國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目“煤礦智能化開采安全技術(shù)與裝備”，主要對煤巖界面實(shí)時(shí)識別技術(shù)、智能開采控制技術(shù)及裝備、無人工作面巡檢機(jī)器人、工作面智能化超前支護(hù)設(shè)備及輔助作業(yè)平臺等進(jìn)行智能化研究[9]；2020年，國家發(fā)改委等八部委出臺了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，明確指出智能化是煤礦工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心目標(biāo)[10]。目前，我國已經(jīng)取得了“液壓支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)記憶切割和可視化遠(yuǎn)程干預(yù)控制”等一系列成果，但綜采工作面智能化技術(shù)與裝備與國外的智能化開采相比還存在一定的差距。

2 綜采工作面智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)

綜采工作面智能化開采系統(tǒng)主干模型如圖1所示，其核心是井下控制中心，通過控制中心對各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)智能化、常態(tài)化開采，本文就系統(tǒng)中的4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——工作面自動(dòng)取直技術(shù)、煤巖界面識別技術(shù)、液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)、采煤機(jī)記憶切割技術(shù)進(jìn)行介紹。

圖1 綜采工作面開采系統(tǒng)主干模型[11]

2.1 工作面自動(dòng)取直技術(shù)

在工作面的推進(jìn)過程中，為了使刮板輸送機(jī)與液壓支架保持良好的受力狀態(tài)，必須保證推進(jìn)過程中工作面成直線。為達(dá)到這一目的，需要結(jié)合地理信息系統(tǒng)，正確獲知采煤機(jī)的位置以及運(yùn)動(dòng)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航，最終通過截割模型傳輸采煤機(jī)截割數(shù)據(jù)至液壓支架電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)“三級聯(lián)動(dòng)”[12]。實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化開采必須要解決采煤機(jī)的位置監(jiān)測這一難題，國內(nèi)外對這一難題進(jìn)行了多次嘗試，認(rèn)為慣性導(dǎo)航技術(shù)是解決采煤機(jī)位置監(jiān)測、實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航的有效方法。

目前，天地科技公司通過引進(jìn)LASC系統(tǒng)，并與當(dāng)前的技術(shù)裝備進(jìn)行了深度融合，研發(fā)了工作面的自動(dòng)取直系統(tǒng)，并進(jìn)行了為期1年井下工業(yè)性試驗(yàn)，成功解決了這一問題[12]?；驹砭褪抢肔ASC系統(tǒng)中的慣性導(dǎo)航技術(shù)對采煤機(jī)的位置進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測，描繪出采煤機(jī)的行走曲線，利用水平方向的投影來調(diào)控工作面直線度，利用豎直方向的投影并結(jié)合采煤機(jī)的滾筒高度信息來進(jìn)行工作面的水平控制，最后通過液壓支架來對刮板輸送機(jī)進(jìn)行水平調(diào)整，實(shí)現(xiàn)工作面取直。

2.2 煤巖界面識別技術(shù)

煤巖識別技術(shù)是智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)，能夠及時(shí)對采煤機(jī)的滾筒進(jìn)行調(diào)整，從而提高煤炭采出率，減少煤炭含矸率，還能夠避免因截割巖石而造成截齒的磨損[13]。

目前，煤巖識別技術(shù)主要有放射性探測技術(shù)、振動(dòng)監(jiān)測技術(shù)、電磁測量技術(shù)、紅外探測技術(shù)、圖像識別技術(shù)和電參量檢測技術(shù)這6種技術(shù)，其中應(yīng)用最為廣泛的是圖像識別技術(shù)和紅外探測技術(shù)。

由于采煤機(jī)截齒截割煤巖過程中表面溫度的變化會(huì)導(dǎo)致紅外輻射出射度的變化，紅外探測技術(shù)就是利用紅外熱像儀對煤巖界面切割時(shí)產(chǎn)生的紅外輻射進(jìn)行準(zhǔn)確檢測，實(shí)現(xiàn)煤巖界面的動(dòng)態(tài)識別。學(xué)者們對紅外線探測技術(shù)進(jìn)行了眾多研究，如2016年張強(qiáng)等人[14]研究了采煤機(jī)截齒截割煤巖過程中的紅外熱像特性和瞬態(tài)溫差，為煤巖動(dòng)態(tài)識別提供了重要依據(jù)；2017年王昕等人研究了基于太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的煤巖界面識別過程，較好地實(shí)現(xiàn)了煤巖界面的識別[15]。但紅外線探測技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問題，如紅外輻射易受到噴水除塵等因素的干擾，導(dǎo)致煤巖識別的精度降低；紅外線探測技術(shù)由于精度不高，導(dǎo)致在煤炭開采過程中易對巖石進(jìn)行切割，從而造成煤機(jī)截齒的損傷。

圖像識別技術(shù)利用工業(yè)攝像機(jī)來進(jìn)行超清圖像的捕捉，進(jìn)而達(dá)到對煤巖界面進(jìn)行識別的目的，但在井下開采過程中，煤礦井下環(huán)境較差，煤巖圖像在采集過程中易受到光照強(qiáng)度、高濃度粉塵和電磁波干擾，獲取的煤巖圖像數(shù)量少、質(zhì)量差，圖像處理相對較難。

目前，無論紅外探測技術(shù)還是圖像識別技術(shù)都不能完全適用于不同條件的采煤工作面，利用多種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)交叉識別將是未來煤巖識別技術(shù)的發(fā)展方向，同時(shí)改進(jìn)每一種探測技術(shù)的缺陷，從而解決工作面環(huán)境對識別系統(tǒng)的影響。

2.3 液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)

液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)是指采煤機(jī)完成割煤動(dòng)作后，根據(jù)工作面頂板壓力、傾角、液壓支架姿態(tài)等信息，以采煤機(jī)的位置為基準(zhǔn)，利用電液控制技術(shù)將液壓支架、刮板輸送機(jī)自動(dòng)、及時(shí)地移到相應(yīng)的位置，實(shí)現(xiàn)支架及時(shí)支護(hù)。液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)能夠保證工作面生產(chǎn)的銜接性，確保安全、高效生產(chǎn)。

（3）開展多元化經(jīng)營，下設(shè)多個(gè)涉及餐飲、娛樂、零售等行業(yè)的企業(yè)，其企業(yè)發(fā)展使命是要和中石化公司共同發(fā)展共同繁榮，為企業(yè)員工提供良好的社會(huì)保障服務(wù)。

目前，綜采工作面形成了以液壓支架自動(dòng)化跟機(jī)技術(shù)為主線的“三機(jī)一泵”(采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、乳化液泵站)自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)。通過在采煤機(jī)上安裝紅外線發(fā)送器，發(fā)送數(shù)字信號，在每臺液壓支架上安裝紅外線接收器，用以接收來自采煤機(jī)紅外線發(fā)射器的數(shù)字信息，以此來確定采煤機(jī)的位置和方向，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架、刮板輸送機(jī)跟隨采煤機(jī)的自動(dòng)化運(yùn)行。

但液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用到智能化工作面還有一定限制，液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)是按照固定程序來運(yùn)行的，當(dāng)工作面條件復(fù)雜多變時(shí)，該技術(shù)適用性差，缺乏對外部環(huán)境變化自適應(yīng)能力，需要現(xiàn)場工作人員對設(shè)備的調(diào)控，智能化水平較低。液壓支架缺乏與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、乳化液泵站的聯(lián)動(dòng)控制，容易導(dǎo)致乳化液泵站供給不足造成液壓支架動(dòng)作緩慢。

2.4 采煤機(jī)記憶切割技術(shù)

采煤機(jī)記憶切割技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)在工作面對煤層的自動(dòng)化切割。當(dāng)工作人員操作采煤機(jī)割煤時(shí)，采煤機(jī)控制器會(huì)記錄割煤參數(shù)并進(jìn)行存儲用以進(jìn)行采煤機(jī)的智能化運(yùn)行，智能化運(yùn)行時(shí)，采煤機(jī)按照工作人員進(jìn)行人工操作時(shí)的路線來進(jìn)行割煤，當(dāng)工作面地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí)，工作人員可以就地或遠(yuǎn)程干預(yù)控制采煤機(jī)切割。

由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，系統(tǒng)記憶的切割路線會(huì)被干擾，采煤機(jī)無法正常運(yùn)行，需要對路線重新記憶否則無法使用。同時(shí)，采煤機(jī)根據(jù)切割路線切割頂?shù)装宓拿簳r(shí)，會(huì)與頂?shù)装鍘r石發(fā)生接觸，但常常為提高采出率，往往會(huì)不采用人工操作的方式而是直接對煤層進(jìn)行切割，容易造成截割齒的損壞。

當(dāng)前，采煤機(jī)記憶切割技術(shù)并不能完全適用于復(fù)雜煤礦地質(zhì)條件，考慮到未來煤礦智能化發(fā)展方向，應(yīng)當(dāng)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)根據(jù)工作面環(huán)境的變化自我調(diào)整進(jìn)行自適應(yīng)記憶切割，在提高采出率的同時(shí)減少對采煤機(jī)截齒的損耗，從而達(dá)到智能化開采的目的。

3 綜采工作面智能化開采存在的問題與應(yīng)對措施

3.1 智能化開采的制約因素

目前，我國綜采工作面智能化開采存在諸多制約因素。

(1)智能化開采技術(shù)不夠成熟。例如液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)、采煤機(jī)記憶切割技術(shù)都按照固定程序來運(yùn)行，并不能根據(jù)工作面地質(zhì)條件的變化進(jìn)行智能分析和決策，從而對工藝和設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到自適應(yīng)采煤。

(2)裝備的穩(wěn)定性、可靠性研究需要加強(qiáng)。煤炭開采過程中，設(shè)備不可避免出現(xiàn)故障，減少設(shè)備的故障率能夠有效保證煤炭的正常開采。與進(jìn)口裝備相比，國產(chǎn)設(shè)備在材質(zhì)、工藝與穩(wěn)定性存在較大差距，設(shè)備故障率高?？刂浦悄芑_采的各個(gè)系統(tǒng)相互融合程度不高，偶爾出現(xiàn)卡頓、通信狀態(tài)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，且井下探測儀器如紅外線攝像儀、工業(yè)相機(jī)易受到光線、電磁波、煤塵的影響，容易出現(xiàn)探測精度失穩(wěn)現(xiàn)象，設(shè)備檢修維護(hù)量大。

(3)煤礦缺乏專業(yè)的技術(shù)人才，急需專業(yè)的人才隊(duì)伍。煤礦作業(yè)條件的特殊性和復(fù)雜性，導(dǎo)致作業(yè)環(huán)境差、安全問題突出，缺乏對年輕從業(yè)者的吸引力。管理隊(duì)伍對綜采自動(dòng)化、智能化開采的技術(shù)及發(fā)展趨勢還需要更清晰、明確的認(rèn)識和把握。

3.2 智能化問題應(yīng)對措施

(1)轉(zhuǎn)變智能化技術(shù)發(fā)展思想。當(dāng)前煤巖識別技術(shù)無法短時(shí)間突破，采用采煤機(jī)的記憶切割技術(shù)僅僅是記憶之前的截割軌跡，并不能根據(jù)當(dāng)前煤層的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。因此可以轉(zhuǎn)變發(fā)展思想，通過實(shí)施基于地理地質(zhì)信息的透明工作面智能開采技術(shù)[16]。根據(jù)已有的煤層數(shù)據(jù)、地質(zhì)鉆孔數(shù)據(jù)等建立初始透明工作面模型，如圖2所示，通過雷達(dá)測高或激光測高技術(shù)對工作面煤層進(jìn)行測高，描繪出采煤機(jī)的截割曲線，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)開采。

圖2 初始透明工作面模型[16]

(2)加強(qiáng)智能化裝備的穩(wěn)定性研究，加強(qiáng)關(guān)鍵核心技術(shù)的攻關(guān)，大力推進(jìn)新材料、新工藝、新產(chǎn)品、新技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用，提高智能化設(shè)備的可靠性與穩(wěn)定性。

(3)加大人才的招聘力度，擴(kuò)大人才隊(duì)伍。擺脫原有煤礦管理經(jīng)驗(yàn)的束縛，將管理中心從勞動(dòng)密集型向人才技術(shù)密集型轉(zhuǎn)變，充分發(fā)揮企業(yè)員工的創(chuàng)造性和能動(dòng)性，加快煤礦企業(yè)智能化轉(zhuǎn)變的進(jìn)程。

4 綜采工作面智能化開采技術(shù)發(fā)展展望

根據(jù)謝和平院士、王國法院士等對于未來煤炭革命的劃分，煤炭革命被劃分為3個(gè)階段：

2020前為煤炭革命3.0階段，實(shí)現(xiàn)煤炭革命自動(dòng)化開采和超低排放潔凈利用；2020-2035年進(jìn)入煤炭革命4.0，實(shí)現(xiàn)煤炭智能化開采和污染物近零排放潔凈利用；2035-2050年，進(jìn)入煤炭革命5.0，已擺脫傳統(tǒng)煤炭開采理念和技術(shù)體系，建立煤基多元協(xié)同綠色清潔能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)無人化開采[17]。目前，我們剛剛進(jìn)入4.0階段，煤炭開采效率大幅度上升，在滿足能源需求的同時(shí)也帶來了一些問題，針對未來煤炭行業(yè)的發(fā)展趨勢，提出對未來煤礦智能化開采技術(shù)展望。

(1)基于5G技術(shù)的智能化控制[18]。與地面相比，井下無線傳輸?shù)膶?shí)際環(huán)境更為復(fù)雜，且井下智能化設(shè)備眾多，包括慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、高清視頻傳輸系統(tǒng)、智能控制系統(tǒng)等，這些因素對通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性、實(shí)時(shí)性提出更高要求。5G技術(shù)具有超高數(shù)據(jù)速率、超低延時(shí)等特點(diǎn)，可以通過在井下巷道或工作面中合理布置5G基站，從而解決井下信息傳輸?shù)膯栴}。

(2)復(fù)雜環(huán)境下的智能決策技術(shù)。目前，我國的智能化開采水平還處于初級階段，智能化裝備系統(tǒng)對復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境的自主決策和自適應(yīng)能力還需進(jìn)一步加強(qiáng)，智能化設(shè)備不能夠根據(jù)地質(zhì)條件的變化來進(jìn)行裝備和工藝的調(diào)整，難以實(shí)現(xiàn)常態(tài)化的智能開采。復(fù)雜環(huán)境下的智能決策技術(shù)是對礦井生產(chǎn)的大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，分析采煤過程中圍壓應(yīng)力場、瓦斯?jié)舛?、裝備運(yùn)行狀態(tài)等信息，建立復(fù)雜開采環(huán)境下的智能決策模型，通過人機(jī)交互方式輔助智能決策，從而對生產(chǎn)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和決策[19]。

(3)“全面自動(dòng)化+人工輔助”將是未來智能化開采的發(fā)展目標(biāo)[20]。隨著開采深度的不斷增加，深部煤巖體處于高地應(yīng)力、高地溫、高巖溶水壓力等復(fù)雜環(huán)境中，這就要求在工作面正常生產(chǎn)期間無人操作，實(shí)現(xiàn)全面自動(dòng)化，僅在采掘設(shè)備需要正常維護(hù)、檢修和故障處理時(shí)，工作人員進(jìn)入工作面進(jìn)行設(shè)備維護(hù)，保證工作面設(shè)備正常運(yùn)行。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)綜采工作面開采系統(tǒng)主干模型，分析了煤礦綜采工作面智能開采技術(shù)中的4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，即工作面自動(dòng)取直技術(shù)、煤巖界面識別技術(shù)、液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)、采煤機(jī)記憶切割技術(shù)的工作原理以及研究現(xiàn)狀。

(2)結(jié)合目前智能開采技術(shù)應(yīng)用過程存在的問題，分別從技術(shù)、裝備、人才3個(gè)角度分析了制約智能化發(fā)展的因素，并針對這些問題提出解決方向。

(3)針對未來煤炭行業(yè)的發(fā)展趨勢，展望了未來煤礦智能化開采技術(shù)的發(fā)展方向，即基于5G技術(shù)的智能化控制、復(fù)雜環(huán)境下的智能決策技術(shù)、“全面自動(dòng)化+人工輔助”。