長(zhǎng)壁綜采工作面無(wú)人自主開(kāi)采發(fā)展路徑與挑戰(zhàn)

王世博，葛世榮，王世佳，李 爭(zhēng)，萬(wàn)志軍

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

煤炭是我國(guó)的基礎(chǔ)能源和重要原料，它占我國(guó)化石能源資源的90%以上。 雖然煤炭在我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中的比重在逐步降低，但在長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)其主體能源地位不會(huì)變化［1-2］。 智能化無(wú)人開(kāi)采既是國(guó)際煤炭開(kāi)采領(lǐng)域共同追求的前沿技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)我國(guó)煤礦安全、高效開(kāi)采的技術(shù)跨越。 近年來(lái)我國(guó)先后發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《安全生產(chǎn)“十三五”規(guī)劃》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030）》《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》等相關(guān)政策對(duì)煤炭自動(dòng)化開(kāi)采和智能化開(kāi)采設(shè)定了目標(biāo)和發(fā)展方向。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者通過(guò)相關(guān)研究提出了無(wú)人開(kāi)采、智能開(kāi)采等相關(guān)定義與內(nèi)涵。 方新秋等［3］提出了無(wú)人工作面系統(tǒng)模型和技術(shù)框架，認(rèn)為無(wú)人工作面是利用采煤機(jī)自主定位與導(dǎo)航、煤巖自動(dòng)識(shí)別、液壓支架電液控制、刮板輸送機(jī)自動(dòng)推移、工作面自動(dòng)監(jiān)控監(jiān)測(cè)、井下高速雙向通信和計(jì)算機(jī)集中控制等技術(shù)，對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)裝備遙控與檢測(cè)，使之自動(dòng)完成割煤、移架、移刮板輸送機(jī)、放煤和頂板支護(hù)等生產(chǎn)流程。 葛世榮［4］提出綜采工作面智能化開(kāi)采是在不需要人工干預(yù)情況下，通過(guò)采掘環(huán)境的智能感知、采掘裝備的智能調(diào)控、采掘作業(yè)的自主巡航，由采掘裝備獨(dú)立自主完成的回采作業(yè)過(guò)程。 張良等［5］認(rèn)為工作面連續(xù)正常生產(chǎn)過(guò)程中，利用數(shù)字化、信息化、自動(dòng)化和智能化技術(shù)手段，操作工人不出現(xiàn)的工作面即為無(wú)人工作面，并根據(jù)技術(shù)發(fā)展程度提出無(wú)人工作面將經(jīng)歷遙控型無(wú)人開(kāi)采和智能型無(wú)人開(kāi)采2個(gè)過(guò)程。 袁亮院士［6］提出了煤炭精準(zhǔn)化開(kāi)采科學(xué)構(gòu)想。 煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采是基于透明空間地球物理和多物理場(chǎng)耦合，以智能感知、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云計(jì)算等作支撐，具有風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)、監(jiān)控預(yù)警等處置功能，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)空上準(zhǔn)確安全可靠的智能少人（無(wú)人）安全精準(zhǔn)開(kāi)采的新模式法。 王國(guó)法院士［7］根據(jù)綜采裝備在感知、決策和執(zhí)行方面的技術(shù)水平，提出了綜采工作面自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化的概念，并從液壓支架控制、采煤機(jī)控制、工作面運(yùn)輸控制和工作面控制系統(tǒng)4 個(gè)方面闡述了3 個(gè)不同水平的綜采工作面具備的技術(shù)特征。 李首濱［8］提出了智能化開(kāi)采的4 個(gè)階段：以“可視化遠(yuǎn)程干預(yù)”為特點(diǎn)的智能化開(kāi)采1.0、以“工作面找直”為特點(diǎn)的智能化開(kāi)采2.0、以“透明工作面”為特點(diǎn)的智能化開(kāi)采3.0、以及“全智能自適應(yīng)開(kāi)采”的智能化開(kāi)采4.0。

借鑒無(wú)人控制系統(tǒng)發(fā)展的一般規(guī)律分析了綜采工作面控制系統(tǒng)（技術(shù)）的發(fā)展歷程及其主要目標(biāo)任務(wù)，凝練了智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)，提出了綜采工作面無(wú)人自主開(kāi)采原理及其相關(guān)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 綜采工作面控制系統(tǒng)（技術(shù)）發(fā)展歷程

綜采工作面機(jī)械裝備包括滾筒采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)，簡(jiǎn)稱“綜采三機(jī)”（圖1）。 采煤機(jī)以刮板輸送機(jī)為運(yùn)行軌道，往復(fù)截割煤壁落煤，并把落下的煤裝入刮板輸送機(jī)；刮板輸送機(jī)將煤炭輸送出工作面；液壓支架支護(hù)工作面圍巖，為工作面作業(yè)提供安全空間；刮板輸送機(jī)和液壓支架互為支點(diǎn)推動(dòng)工作面沿煤層前移。 綜采工作面的作業(yè)過(guò)程可以歸結(jié)為3 個(gè)核心目標(biāo)任務(wù)：①可靠割煤與裝煤，即在裝備可靠的前提下始終在煤層內(nèi)截割；②保持工作面幾何關(guān)系，即綜采工作面推進(jìn)過(guò)程中保持直線度；③圍巖可靠支護(hù)，即支架與圍壓處于良好的動(dòng)態(tài)平衡。 綜采工作面控制系統(tǒng)（技術(shù)）是實(shí)現(xiàn)這3 個(gè)目標(biāo)任務(wù)的感知、決策與控制執(zhí)行系統(tǒng)的總稱。 綜采工作面控制系統(tǒng)（技術(shù)）與無(wú)人車、無(wú)人機(jī)等智能系統(tǒng)［9］的發(fā)展歷程極為相似，先后經(jīng)歷了遠(yuǎn)程遙控、自動(dòng)控制2 個(gè)階段，正處于自主控制研發(fā)階段。

圖1 綜采工作面“三機(jī)”配套示意Fig.1 Schematic of longwall mining face and its equipments

1）綜采工作面遠(yuǎn)程遙控階段。 為解決采礦與工資公平問(wèn)題，英國(guó)國(guó)家煤礦委員會(huì)（National Coal Board，NCB）早在1951 年提出“長(zhǎng)壁綜采工作面遠(yuǎn)程控制”（Remotely Operated Longwall Face，ROLF）研究項(xiàng)目，希望以機(jī)器取代人。 經(jīng)過(guò)研究開(kāi)發(fā)，ROLF 系統(tǒng)于20 世紀(jì)60 年代早期實(shí)施（圖2）。 但是由于當(dāng)時(shí)的科技沒(méi)有發(fā)展到足以讓ROLF 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的程度，大量的測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)缺乏成熟性而宣告失?。?0-11］。 之后英國(guó)國(guó)家煤礦委員會(huì)繼續(xù)對(duì)長(zhǎng)壁綜采工作面遠(yuǎn)程控制進(jìn)行研究，開(kāi)發(fā)了包括綜采工作面控制系統(tǒng)在內(nèi)的煤礦操作系統(tǒng)（Mine Operating System，MINOS），綜采工作面控制系統(tǒng)包括3 個(gè)模塊：工作面信息在線摘錄（Face Information Digested On-line，F(xiàn)IDO）、工作面推進(jìn)控制裝備（Face Advance Control Equipment，F(xiàn)ACE）、機(jī)械信息顯示和自動(dòng)系統(tǒng)（Machine Information Display and Automation System）（圖3）。

圖2 長(zhǎng)壁綜采工作面遠(yuǎn)程控制（ROLF）Fig.2 Remotely operated longwall face （ROLF）

圖3 MINOS 系統(tǒng)Fig.3 The MINOS system

由于缺少關(guān)鍵的感知與計(jì)算機(jī)技術(shù)，MINOS 系統(tǒng)也在20 世紀(jì)80 年代中期被迫中止［11-13］。 盡管綜采工作面自動(dòng)化開(kāi)采的目標(biāo)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)，但這兩次嘗試產(chǎn)生了一些對(duì)自動(dòng)化具有重要影響的技術(shù)，包括支架電液控制技術(shù)、基于自然γ射線的煤巖界面識(shí)別技術(shù)、基于截割應(yīng)力的煤巖識(shí)別技術(shù)。 此外，這兩次嘗試總結(jié)出了綜采工作面自動(dòng)化必須解決的2個(gè)主要問(wèn)題：①如何控制開(kāi)采裝備與工作面始終在煤層中截割；②工作面推進(jìn)過(guò)程的直線度控制［11］。這2 個(gè)問(wèn)題至今仍是影響綜采工作面自動(dòng)化常態(tài)運(yùn)行的主要問(wèn)題。 我國(guó)于2008 年啟動(dòng)了863 計(jì)劃項(xiàng)目“煤礦井下采掘裝備遙控關(guān)鍵技術(shù)”，“重點(diǎn)研究井下綜采工作面采煤機(jī)遠(yuǎn)距離控制技術(shù)及煤巖巷道懸臂式掘進(jìn)裝備可視化遙控技術(shù)”。 經(jīng)過(guò)項(xiàng)目攻關(guān)，形成了采掘裝備遠(yuǎn)程遙控技術(shù)體系［14］。

2）綜采工作面自動(dòng)控制階段。 液壓支架是綜采工作面數(shù)量最多、操作人員最多的裝備，綜采工作面自動(dòng)化首先要解決液壓支架自動(dòng)控制技術(shù)。 20世紀(jì)70 年代英國(guó)等先進(jìn)采煤國(guó)家開(kāi)始研制液壓支架自動(dòng)控制技術(shù)，20 世紀(jì)90 年代，液壓支架電液控制系統(tǒng)開(kāi)始廣泛應(yīng)用［15］。 我國(guó)于1991 年開(kāi)始研究液壓支架電液控技術(shù)，2010 年前后逐漸形成了完善的液壓支架電液控制技術(shù)［16］。 此后，煤礦科研工作者與工程技術(shù)人員以液壓支架電液控制技術(shù)為核心，集成采煤機(jī)記憶截割、工作面“三機(jī)”通信及協(xié)同控制技術(shù)、液壓支架跟（采煤）機(jī)聯(lián)動(dòng)、視頻監(jiān)控等技術(shù)，在地質(zhì)條件較好的近水平工作面進(jìn)行了綜采工作面自動(dòng)化控制示范應(yīng)用［8，17-20］。

對(duì)綜采工作面自動(dòng)化水平產(chǎn)生重大影響的一項(xiàng)技術(shù)是采煤機(jī)慣性導(dǎo)航技術(shù)。 20 世紀(jì)80 年代，美國(guó)率先開(kāi)展了將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦采掘裝備的相關(guān)研究［21-22］，受限于當(dāng)時(shí)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度與成本，該技術(shù)研究在1995 年被迫停止。 隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization，CSIRO）在2000 年啟動(dòng)了“Landmark”項(xiàng)目，主要研究綜采工作面采煤機(jī)慣性導(dǎo)航定位技術(shù)，通過(guò)采用戰(zhàn)術(shù)級(jí)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并嵌入多種慣導(dǎo)誤差減小算法，在澳大利亞煤礦進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)，獲得了較好的三維定位精度［23-27］，并開(kāi)發(fā)了長(zhǎng)壁綜采工作面自動(dòng)駕駛（ Longwall Automation Steering Committee，LASC）裝置（圖4），從而可以有效解決影響自動(dòng)化綜采工作面連續(xù)推進(jìn)的工作面調(diào)直問(wèn)題。我國(guó)轉(zhuǎn)龍灣煤礦于2016 年首次引入該技術(shù)并進(jìn)行井下工作面自動(dòng)調(diào)直工業(yè)性試驗(yàn)［8，28］，我國(guó)至今已有多個(gè)大型煤礦購(gòu)置LASC 裝置。

圖4 LASC 裝置與工作面調(diào)直原理Fig.4 LASC device and work face alignment principle

筆者研究了基于工作面煤層地理信息系統(tǒng)的采煤機(jī)定位、調(diào)高與工作面調(diào)直技術(shù)，研究方案如圖5所示。 利用較低成本的商用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航與軸編碼器，提出了采煤機(jī)自主定位與誤差消減方法，獲得了高精度采煤機(jī)運(yùn)行軌跡與截割軌跡［29-33］。 根據(jù)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的約束關(guān)系，建立了基于采煤機(jī)運(yùn)行軌跡的刮板輸送機(jī)形態(tài)檢測(cè)和調(diào)直方法［34-36］。利用震波CT 技術(shù)對(duì)工作面煤層進(jìn)行精細(xì)物探，結(jié)合煤礦鉆探等地質(zhì)資料建立了工作面煤層三維地質(zhì)模型［37-38］。 以煤層三維地質(zhì)模型為導(dǎo)航地圖，利用采煤機(jī)自主定位方法，獲得煤巖截割過(guò)程中采煤機(jī)在煤層中的三維絕對(duì)位置及其姿態(tài)［29-30］。 在煤層地質(zhì)模型精度有限的條件下，提出了融合煤層傾角識(shí)別與記憶截割的采煤機(jī)調(diào)高控制方法［39-40］。 該研究方案為實(shí)現(xiàn)綜采工作面3 個(gè)目標(biāo)任務(wù)中的可靠割煤、保持工作面幾何關(guān)系提供了原理方法和技術(shù)路徑，并對(duì)部分研究成果進(jìn)行了井下驗(yàn)證。

圖5 基于煤層地理信息的工作面調(diào)高和調(diào)直技術(shù)研究方案Fig.5 Diagram of height adjusting and alignment of longwall face based on GIS of coal seam

當(dāng)前階段綜采工作控制技術(shù)是根據(jù)綜采裝備狀態(tài)信息與煤層信息按照預(yù)先編制的確定性程序進(jìn)行自動(dòng)控制，仍然需要人工遠(yuǎn)程干預(yù)，尚不能達(dá)到智能的自主控制，但這些自動(dòng)控制技術(shù)為綜采工作面自主控制奠定了重要的基礎(chǔ)。

3）綜采工作面自主控制階段。 根據(jù)袁亮院士提出的煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采中“無(wú)人開(kāi)采”（不包含“安全開(kāi)采”）的科學(xué)內(nèi)涵［6］，借鑒無(wú)人車自主駕駛智能系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)架［9］，綜采工作面無(wú)人自主開(kāi)采需要研究解決綜采工作面環(huán)境實(shí)時(shí)感知、綜采“三機(jī)”協(xié)同控制、高精度煤層地理信息系統(tǒng)、開(kāi)采工藝智能決策與無(wú)人綜采工作面評(píng)估試驗(yàn)方法5 個(gè)方面的問(wèn)題（圖6）。

圖6 綜采工作面無(wú)人自主開(kāi)采研究問(wèn)題Fig.6 Research quesitions of unmanned autonolous longwall ming

綜采“三機(jī)”通過(guò)工作面環(huán)境實(shí)時(shí)感知與高精度煤層地理信息系統(tǒng)的煤層地質(zhì)信息，對(duì)開(kāi)采工藝進(jìn)行智能決策，根據(jù)決策確定的控制目標(biāo)進(jìn)行綜采“三機(jī)”協(xié)同控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)可靠割煤、工作面穩(wěn)定的幾何關(guān)系、采掘裝備獨(dú)立自主地完成回采作業(yè)過(guò)程。 綜采工作面無(wú)人自主控制技術(shù)還需經(jīng)過(guò)試驗(yàn)評(píng)估，確定技術(shù)的完善度與可靠度。 5 個(gè)研究問(wèn)題中有些技術(shù)已經(jīng)深入研究，并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)與推廣應(yīng)用，有些則已經(jīng)立項(xiàng)正在研究。 有些仍未進(jìn)行研究。

2 綜采工作面控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

綜采工作面控制系統(tǒng)與各綜采裝備及其控制系統(tǒng)的連接關(guān)系如圖7 所示。

圖7 綜采工作控制系統(tǒng)基本架構(gòu)［18-20］Fig.7 Basic structure of longwall ming face control system［18-20］

采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、攝像儀、供電及供液系統(tǒng)等綜采裝備通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)將自身工作狀態(tài)信息傳輸?shù)较锏兰刂行摹?巷道集控中心根據(jù)各裝備狀態(tài)決策其執(zhí)行目標(biāo)，并通過(guò)控制專線傳輸?shù)礁餮b備本地控制器。 同時(shí)地面調(diào)度室也可通過(guò)礦井環(huán)網(wǎng)獲得綜采工作面各裝備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、物理環(huán)境信息、視頻和音頻信息。

1）液壓支架電液控制技術(shù)（裝置）。 液壓支架電液控制實(shí)現(xiàn)了液壓支架的自動(dòng)化控制，也是綜采工作面自動(dòng)化控制的先決條件。 液壓支架電液控制系統(tǒng)是通過(guò)在支架上安裝的電液控制器、電液控制閥、壓力傳感器、行程傳感器等傳感與控制元件，實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)移架、自動(dòng)推移輸送機(jī)、自動(dòng)放煤、自動(dòng)噴霧等成組或單架控制［15］。

2）綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)。 綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)是根據(jù)采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)等綜采裝備的狀態(tài)信息，結(jié)合采煤工藝，以綜采裝備合理協(xié)同動(dòng)作為目標(biāo)，決策綜采裝備的控制目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)綜采工作面連續(xù)高效運(yùn)行［41］。 協(xié)同控制解決綜采裝備之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行問(wèn)題，包括工藝層次的協(xié)同和性能層次的協(xié)同。 工藝層次的協(xié)同是指綜采裝備按照綜采工作面生產(chǎn)過(guò)程中的開(kāi)采工藝要求，確定采煤機(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)和攝像頭等設(shè)備之間的聯(lián)動(dòng)順序和關(guān)系，實(shí)現(xiàn)一鍵啟?？刂?、閉鎖保護(hù)、跟機(jī)移架等功能。 性能層次的協(xié)同是指綜采裝備在工藝協(xié)同的基礎(chǔ)上，使綜采裝備發(fā)揮各自的最優(yōu)性能，從而實(shí)現(xiàn)綜采工作面安全高效生產(chǎn)。 性能層次的協(xié)同功能包括采煤機(jī)防干涉控制、煤流負(fù)荷控制、工作面調(diào)直等。

綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)的本質(zhì)是對(duì)綜采裝備動(dòng)作目標(biāo)的決策，并將所決策的各裝備動(dòng)作目標(biāo)通過(guò)通信技術(shù)發(fā)送到各裝備本機(jī)控制器執(zhí)行。 因此綜采裝備協(xié)同控制系統(tǒng)（決策系統(tǒng)）算法性能決定了控制系統(tǒng)的智能化水平。

3）工作面通信技術(shù)。 工作面通信技術(shù)為實(shí)現(xiàn)工作面裝備協(xié)同控制提供重要的信息通道，它承擔(dān)了綜采裝備運(yùn)行狀態(tài)信息的上傳與監(jiān)控中心決策目標(biāo)指令的下達(dá)（圖7），因此綜采工作面通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)運(yùn)行的必備基礎(chǔ)，而且通信質(zhì)量是綜采工作面智能運(yùn)行的關(guān)鍵因素。 根據(jù)綜采裝備及技術(shù)的發(fā)展，工作通信技術(shù)應(yīng)能夠連接現(xiàn)有的多廠家的裝備，能夠進(jìn)一步擴(kuò)展或集成新的技術(shù)和裝備，具有較好的開(kāi)發(fā)性和通用的通信協(xié)議［42］。

4）工作面可視化技術(shù)。 工作面可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將綜采裝備以三維圖形圖像的方式呈現(xiàn)在巷道監(jiān)控中心，從而使操作人員較為直觀地掌握工作面運(yùn)行狀況。 目前工作面可視化技術(shù)既是工作面狀態(tài)信息的重要補(bǔ)充，也是人工干預(yù)工作面運(yùn)行的信息通道。 工作面可視化技術(shù)主要采用2 種方式：視頻系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)（圖8）。 視頻系統(tǒng)是在采煤機(jī)和液壓支架安裝攝像頭，工作面視頻信息通過(guò)通信系統(tǒng)傳輸?shù)焦ぷ骷刂行哪酥恋孛嬲{(diào)度室。 這種可視化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是形象、直觀，可防止應(yīng)傳感器失效造成故障或事故；缺點(diǎn)是易受工作面粉塵和水霧的影響，導(dǎo)致畫(huà)面不清晰難以監(jiān)控。 此外，這種可視化技術(shù)在視頻傳輸過(guò)程中占用帶寬較大。 虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜采裝備及其周邊狀態(tài)的三維仿真，是基于綜采裝備傳感器數(shù)據(jù)的綜采工作面狀態(tài)的真實(shí)再現(xiàn)，可以準(zhǔn)確表達(dá)綜采裝備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 工作面視頻圖像和虛擬現(xiàn)實(shí)圖像Fig.8 Video image and virtual reality image of longwall mining face

5）采煤機(jī)定位技術(shù)。 采煤機(jī)定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動(dòng)化運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)采煤機(jī)定位基準(zhǔn)的不同，可分為采煤機(jī)-液壓支架相對(duì)定位技術(shù)、采煤機(jī)-刮板輸送機(jī)相對(duì)定位技術(shù)、基于慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)自主定位技術(shù)。

采煤機(jī)-液壓支架相對(duì)定位技術(shù)是在采煤機(jī)和液壓支架上分別安裝有信號(hào)發(fā)射裝置和接收裝置，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行經(jīng)過(guò)某一信號(hào)接收裝置時(shí)，采煤機(jī)信號(hào)發(fā)射裝置發(fā)出的信號(hào)經(jīng)支架接收裝置接收，根據(jù)接收信號(hào)的支架編號(hào)和支架對(duì)應(yīng)位置坐標(biāo)進(jìn)行定位。 例如紅外對(duì)射定位法［43］、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)定位法［44］等。 紅外對(duì)射采煤機(jī)定位實(shí)現(xiàn)了液壓支架對(duì)采煤機(jī)位置的感知，是液壓支架實(shí)現(xiàn)跟（采煤）機(jī)移架的重要感知技術(shù)。

采煤機(jī)-刮板輸送機(jī)相對(duì)定位技術(shù)是利用安裝在采煤機(jī)行走部的齒輪傳感器或軸編碼器，結(jié)合采煤機(jī)行走輪與輸送機(jī)銷軌的傳動(dòng)比監(jiān)測(cè)采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上的行走距離，進(jìn)而確定采煤機(jī)位置。 該技術(shù)雖然無(wú)法測(cè)量實(shí)際采煤過(guò)程中采煤機(jī)的三維運(yùn)動(dòng)軌跡是，但可以測(cè)量采煤機(jī)在工作面中的大致位置，為采煤機(jī)基于工藝段的控制提供了可用的位置信息。

基于慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)自主定位技術(shù)是將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航（Strapdown Inertial Navigation System，簡(jiǎn)稱慣導(dǎo)或INS）直接固聯(lián)在采煤機(jī)機(jī)身，慣導(dǎo)中的陀螺儀和加速度計(jì)直接感受采煤機(jī)在慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度和線性加速度，經(jīng)過(guò)積分運(yùn)算得到采煤機(jī)機(jī)身的運(yùn)動(dòng)速度、航向、姿態(tài)和位置等信息。 這種定位技術(shù)不需要任何外界信號(hào)，自主性好，是綜采工作面自動(dòng)化必要和可行的定位方法。 尤其重要的是，采煤機(jī)慣性導(dǎo)航定位技術(shù)的定位參考基準(zhǔn)應(yīng)選擇采煤機(jī)作業(yè)對(duì)象—采區(qū)煤巖地質(zhì)坐標(biāo)，這是采煤機(jī)定位技術(shù)服務(wù)于綜采工作面自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)［45］。

6）采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)。 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)是在采煤工藝的約束下，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)上下截割滾筒盡可能沿著煤層頂?shù)装褰馗?，并保證刮板輸送機(jī)和液壓支架在截割空間的通過(guò)性。 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)分為2 種：基于煤巖界面識(shí)別的直接調(diào)高方式和基于記憶截割的間接調(diào)高技術(shù)。

從20 世紀(jì)60 年代起，世界主要產(chǎn)煤國(guó)家對(duì)采煤機(jī)煤巖界面自動(dòng)識(shí)別及滾筒自動(dòng)調(diào)高技術(shù)做了大量研究工作。 根據(jù)煤巖物理性質(zhì)差別進(jìn)行煤巖界面識(shí)別的方法有天然γ射線探測(cè)法、放射性同位素法、雷達(dá)探測(cè)法、（激光）光纖探測(cè)法、太赫茲探測(cè)法等。根據(jù)煤巖截割響應(yīng)差別進(jìn)行煤巖界面識(shí)別的方法有截割振動(dòng)測(cè)試法、截齒測(cè)力法、截割聲波以及多種截割響應(yīng)參數(shù)融合識(shí)別法［46-48］。 此外，近年基于煤巖物質(zhì)成份差別的高光譜（近紅外光譜）、X 射線識(shí)別法引起研究者的重視與研究［48］。 上述識(shí)別方法中，只有天然γ射線探測(cè)法形成了在綜采工作面試用的NGB-1000 型煤厚傳感器，但未實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。 眾多煤巖界面識(shí)別方法未取得令人滿意結(jié)果的主要原因是，高成本的傳感器在工作面環(huán)境惡劣、煤巖屬性多變的工況下無(wú)法實(shí)現(xiàn)界面的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識(shí)別。

基于記憶截割的間接調(diào)高技術(shù)原理是采煤機(jī)操作人員沿工作面預(yù)先截割一刀，采煤機(jī)控制系統(tǒng)將采煤機(jī)的工作參數(shù)、位置參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)等存儲(chǔ)，在接下來(lái)的截割循環(huán)中，采煤機(jī)根據(jù)記憶的工作位置以及相應(yīng)的截割參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)截割［49-51］。 這種調(diào)高控制方法采煤機(jī)上獲得應(yīng)用，是目前自動(dòng)化綜采工作面廣泛采用的調(diào)高控制技術(shù)。 但是記憶截割無(wú)法在調(diào)整采煤機(jī)俯仰采姿態(tài)，在含有褶皺、斷層等構(gòu)造的復(fù)雜地質(zhì)條件煤層的應(yīng)用受到限制［45］。

7）工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)。 工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)是在綜采工作面沿回采方向推進(jìn)（推移刮板輸送機(jī)和液壓支架，“推移刮板輸送機(jī)拉架”）過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整液壓支架推移油缸的動(dòng)作距離，保障綜采工作面的直線度滿足生產(chǎn)要求。 工作面自動(dòng)調(diào)直方法可分為：以液壓支架為基準(zhǔn)的調(diào)直方法和以刮板輸送機(jī)為基準(zhǔn)的調(diào)直方法。 以液壓支架為基準(zhǔn)的調(diào)直方法是利用液壓支架之間的位移傳感器或激光陣列（圖9）等傳感元件，獲得相鄰支架相對(duì)位置變化，實(shí)現(xiàn)液壓支架群組的直線度控制。 然后以液壓支架為基準(zhǔn)，通過(guò)高精度的推移油缸行程傳感器控制刮板輸送機(jī)的直線度，從而實(shí)現(xiàn)工作面調(diào)直。 這種調(diào)直方法需要安裝大量傳感器，降低了其工作可靠性；而且缺少工作面調(diào)直的絕對(duì)參考方向，極易導(dǎo)致工作面調(diào)直方向與回采巷道方向不正交［36］。

圖9 液壓支架調(diào)直傳感原理Fig.9 Perception principle of supports alignment

以刮板輸送機(jī)為基準(zhǔn)的調(diào)直方法的基本原理如圖10 所示，利用采煤機(jī)定位技術(shù)檢測(cè)采煤機(jī)運(yùn)行軌跡，根據(jù)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的幾何約束關(guān)系，從采煤機(jī)運(yùn)行軌跡反演出刮板輸送機(jī)空間姿態(tài)；根據(jù)刮板輸送機(jī)的空間姿態(tài)，在推移方向上調(diào)整液壓支架的推移距離，使刮板輸送機(jī)在推移刮板輸送機(jī)的同時(shí)完成空間姿態(tài)的修正，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)直線度控制。 液壓支架以推移油缸的零位移為基準(zhǔn)進(jìn)行“拉架”從而保證液壓支架的直線度。 目前這種調(diào)直方法正在被自動(dòng)化綜采工作面廣泛采用。

圖10 刮板輸送機(jī)調(diào)直原理Fig.10 Principle of scraper conveyer alignment

8）工作面圍巖支護(hù)控制技術(shù)。 工作面圍巖支護(hù)控制技術(shù)是根據(jù)液壓支架與圍巖之間的相互作用關(guān)系，提出液壓支架各動(dòng)作機(jī)構(gòu)的控制目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)液壓支架對(duì)工作面開(kāi)采空間的良好支護(hù)與工作面的連續(xù)推移。

液壓支架是綜采裝備中處采煤機(jī)外另一直接和煤巖體作用的裝備，它是工作面圍巖截割穩(wěn)定性控制的核心裝備。 液壓支架與圍巖之間的適應(yīng)性與耦合關(guān)系控制是自動(dòng)化綜采工作面安全連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。 王國(guó)法院士團(tuán)隊(duì)通過(guò)分析液壓支架載荷，提出了支架-圍巖的強(qiáng)度耦合、剛度耦合、穩(wěn)定性耦合原理［52-54］，為液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)和圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制提供了理論基礎(chǔ)。 侯剛［55］設(shè)計(jì)了液壓支架智能耦合控制系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了支護(hù)高度、支架姿態(tài)、立柱壓力、壓力作用點(diǎn)、護(hù)幫板狀態(tài)的檢測(cè)與控制。 澳大利亞TRUEMAN 等［56］提出了周期來(lái)壓特征定量表征支架-圍巖耦合作用的方法，并基于此開(kāi)發(fā)了支架立柱壓力分析軟件，實(shí)現(xiàn)了支架控制參數(shù)的快速評(píng)估與優(yōu)化，有效減少甚至消除了綜采工作面的支架控制問(wèn)題。 但綜采工作面生產(chǎn)條件復(fù)雜多變，液壓支架與圍巖耦合作用規(guī)律與多因素相關(guān)，因此仍需要深入研究液壓支架智能耦合控制技術(shù)。

上述8 項(xiàng)綜采工作面控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的邏輯關(guān)系如圖11 所示。 液壓支架電液控制技術(shù)（裝置）的作用如同采煤機(jī)控制裝置、刮板輸送機(jī)控制裝置等，是液壓支架的感知與控制執(zhí)行元件。 采煤機(jī)定位技術(shù)、工作面可視化技術(shù)、液壓支架電液控制技術(shù)（裝置）、采煤機(jī)控制裝置、刮板輸送機(jī)控制裝置以及綜采工作面其他裝備的控制裝置同屬于自動(dòng)化綜采工作面的感知與執(zhí)行層，負(fù)責(zé)感知各裝備運(yùn)行狀態(tài)，并執(zhí)行決策層確定的目標(biāo)指令。 工作面通信技術(shù)是工作面控制系統(tǒng)的傳輸層，負(fù)責(zé)將裝備狀態(tài)上傳到?jīng)Q策層，同時(shí)將決策層的目標(biāo)指令下發(fā)給各個(gè)控制裝置。 綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)、工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)、采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)和圍巖支護(hù)技術(shù)屬于自動(dòng)化綜采工作面的決策層。 決策層的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面連續(xù)運(yùn)行的3 個(gè)主要任務(wù)：保持工作面幾何關(guān)系、可靠割煤與裝煤、頂板支護(hù)。 工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)、采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)和圍巖支護(hù)控制技術(shù)的決策過(guò)程還必須以綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)為基礎(chǔ)，即應(yīng)該首先解決綜采裝備內(nèi)部的協(xié)調(diào)問(wèn)題。

圖11 綜采工作面自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)邏輯關(guān)系Fig.11 Relationship of longwall mining face automatic key technologies

3 綜采工作面自主控制系統(tǒng)面臨的問(wèn)題

綜采工作面控制系統(tǒng)決策層（圖11）相關(guān)技術(shù)的智能化程度與健壯性決定了整個(gè)系統(tǒng)的自主控制能力。 在綜采工作面控制系統(tǒng)由自動(dòng)控制向自主控制前進(jìn)的當(dāng)今階段，一方面采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)與圍巖支護(hù)控制技術(shù)的智能化程度需要提高，另一方面決策層的適用性和健壯性有待完善。 根據(jù)綜采工作面自主控制所需研究?jī)?nèi)容（圖6），仍需進(jìn)一步深入研究和攻關(guān)的相關(guān)內(nèi)容具體表現(xiàn)為：

1）煤層地理信息系統(tǒng)的精度不足以為綜采工作面作業(yè)提供精確導(dǎo)航信息。 高精度地圖是無(wú)人車自主駕駛的重要技術(shù)，由于它與普通導(dǎo)航地圖在受用對(duì)象（前者為駕駛控制系統(tǒng)，后者為駕駛員）的區(qū)別，使得高精度地圖不但在地圖絕對(duì)坐標(biāo)精度優(yōu)于普通導(dǎo)航地圖，而且要包含準(zhǔn)確的道路形狀、車道坡度、曲率、航向、高程、側(cè)傾等數(shù)據(jù)［43］。 高精度煤層地理信息系統(tǒng)的作用與高精度地圖相似，需要為綜采工作面無(wú)人自主開(kāi)采系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的煤層厚度分布信息。 目前，研究者利用地震波或電磁波技術(shù)對(duì)工作面煤層進(jìn)行物探，然后利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲得煤層厚度分布信息，進(jìn)而建立煤層地理信息系統(tǒng)［42，47-50］。 但僅僅依賴物探資料構(gòu)建的煤層地理信息系統(tǒng)在垂向分辨率即煤層厚度精度較低，一般大于煤層厚度的10%，這不能滿足綜采工作面無(wú)人自主開(kāi)采對(duì)煤層地理信息系統(tǒng)的精度要求，需要進(jìn)一步對(duì)煤層地理信息系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化研究。

2）采煤機(jī)截割仍然要依賴記憶截割，同時(shí)缺少考慮回采率、割巖率以及刮板輸送機(jī)和液壓支架通過(guò)性能的綜采工作面截割路徑自主規(guī)劃的方法。 記憶截割調(diào)高控制方法類似于“盲人摸象”，在存在褶皺、斷層等地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜地質(zhì)條件煤層很難適用。導(dǎo)致記憶截割無(wú)法適用于復(fù)雜地質(zhì)條件煤層的主要原因是記憶截割無(wú)法根據(jù)煤層傾角的變化調(diào)整工作面俯仰采角度。 在所構(gòu)建的煤層地理信息系統(tǒng)精度有限的條件下，提出了基于分段線性的煤層傾角識(shí)別方法［44］。 通過(guò)融合記憶截割和煤層傾角識(shí)別方法可解決存在褶皺、斷層地質(zhì)構(gòu)造，厚度變化不大的煤層的采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高問(wèn)題，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)綜采工作面的截割路徑自主規(guī)劃。 研究綜采工作面的截割路徑規(guī)劃，必須以高精度煤層地理信息系統(tǒng)為導(dǎo)航地圖資料，以高回采率、低割巖率為優(yōu)化目標(biāo)，并充分考慮“綜采三機(jī)”的通過(guò)性能以及開(kāi)采效率。

3）支架群組-圍巖耦合作用規(guī)律、支架支護(hù)狀態(tài)感知與控制方法尚不能支撐圍巖智能支護(hù)決策。同采煤機(jī)一樣，液壓支架直接與煤巖體相互作用，地質(zhì)環(huán)境與煤巖體屬性的離散性導(dǎo)致支架-圍巖耦合作用規(guī)律復(fù)雜多變，致使圍巖支護(hù)決策缺失可靠的理論基礎(chǔ)。 工作面內(nèi)支架數(shù)量眾多，且支護(hù)動(dòng)作組合多變，實(shí)現(xiàn)支架狀態(tài)感知需要大量傳感器。 液壓支架控制閥多為開(kāi)關(guān)控制方向閥和手動(dòng)調(diào)節(jié)溢流閥，支護(hù)狀態(tài)可調(diào)控參量極少。 因此支架支護(hù)狀態(tài)的感知與控制也是支護(hù)決策的障礙，實(shí)現(xiàn)工作面圍巖智能控制必須研究支架群組-圍巖耦合作用規(guī)律、支架支護(hù)狀態(tài)感知與控制方法。

4）綜采工作面控制系統(tǒng)適用性評(píng)估檢驗(yàn)是決定其能否自主決策并良好運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 無(wú)人系統(tǒng)適用性評(píng)估尤其是其自主能力評(píng)價(jià)是研發(fā)一套具有自主感知、自主規(guī)劃與自主行為能力的自主控制系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)。 就無(wú)人車而言，其自主駕駛控制系統(tǒng)可以通過(guò)模擬路況和真實(shí)路況進(jìn)行考核，例如谷歌無(wú)人駕駛試驗(yàn)車總行駛里程已經(jīng)超過(guò)320萬(wàn)km。 綜采工作面除復(fù)雜多變的煤層外，通常由一臺(tái)重達(dá)100 t 的采煤機(jī)、一部重達(dá)600 t 的刮板輸送機(jī)和約200 臺(tái)單重達(dá)30 t 液壓支架組成（長(zhǎng)度300 m 的中厚煤層工作面“三機(jī)”配套情況，質(zhì)量總計(jì)約6 500 t）。 而且這些設(shè)備往往不是由一個(gè)廠家生產(chǎn)制造。 因此，僅從裝備角度而言，綜采工作面控制系統(tǒng)的試驗(yàn)評(píng)估具有非常大的難度。 通常，這些設(shè)備下井之前在地面進(jìn)行連接配套，然后對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)單功能性檢驗(yàn)。 “綜采三機(jī)”地面調(diào)試缺少煤巖環(huán)境，工作面不能連續(xù)推進(jìn)，這導(dǎo)致控制系統(tǒng)的很多功能需要在工作面實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)行檢驗(yàn)和完善。 煤礦繁重的生產(chǎn)任務(wù)引發(fā)了工作面產(chǎn)量與控制系統(tǒng)功能驗(yàn)證試驗(yàn)之間的矛盾，綜采工作面很多自動(dòng)化功能并未得到全面驗(yàn)證和完善。 此外，不同工作面煤層賦存地質(zhì)條件的差異也是影響控制系統(tǒng)算法移植的障礙。 因此研究具有可重復(fù)性的綜采工作面控制系統(tǒng)評(píng)估方法是檢驗(yàn)和完善控制系統(tǒng)功能的必要手段。

4 綜采工作面自主控制待突破技術(shù)

綜采工作面控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)（傳輸層、感知與執(zhí)行層）日臻完善，但其軟件（決策層）尚不足以支撐自主決策能力。 綜采工作面控制系統(tǒng)具備健壯的自主決策能力，需要解決上述4 個(gè)問(wèn)題，研究?jī)?nèi)容包括：①煤層地理信息系統(tǒng)精細(xì)化研究；②綜采工作面截割路徑自主規(guī)劃研究；③支架群組-圍巖耦合智能控制技術(shù)研究；④綜采工作面半實(shí)物仿真方法與技術(shù)研究。

1）煤層地理信息系統(tǒng)精細(xì)化研究（圖12）。 高精度煤層地理信息系統(tǒng)需要為綜采工作面無(wú)人自主開(kāi)采系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的煤層厚度分布信息。 搜集我國(guó)晉陜冀蒙等主要產(chǎn)煤區(qū)的聚煤特征與煤層形成過(guò)程，構(gòu)建煤層形成與厚度變化的地質(zhì)知識(shí)庫(kù)；研究以震波CT 探測(cè)、鉆孔探測(cè)、工作面巷道揭露等多源數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、以地質(zhì)知識(shí)為導(dǎo)引的煤層幾何形態(tài)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)模型，獲得可為綜采工作面作業(yè)提供導(dǎo)航信息的高精度煤層地理信息系統(tǒng)；根據(jù)綜采工作面開(kāi)采數(shù)據(jù)研究煤層地質(zhì)精細(xì)化預(yù)測(cè)模型的優(yōu)化方法，形成知識(shí)導(dǎo)引、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的煤層地質(zhì)精細(xì)化預(yù)測(cè)方法。

圖12 煤層地理信息系統(tǒng)精細(xì)化研究Fig.12 Research on fine prediction model of coal seam coal seam geographic information system

2）綜采工作面截割路徑自主規(guī)劃研究（圖13）。綜采工作面截割路徑規(guī)劃是根據(jù)煤層地質(zhì)條件，以高回采率、低割巖率為目標(biāo)，在滿足綜采工作面高效連續(xù)推進(jìn)的前提下確定采煤機(jī)滾筒的截割路徑，采煤機(jī)進(jìn)而根據(jù)規(guī)劃路徑進(jìn)行調(diào)高控制。

圖13 綜采工作面截割路徑自主規(guī)劃研究Fig.13 Research on cutting path autonomous planning method

根據(jù)綜采工作面“三機(jī)”配套與運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系，構(gòu)建“綜采三機(jī)”工作空間的數(shù)學(xué)模型，獲得綜采工作面連續(xù)推進(jìn)時(shí)“綜采三機(jī)”工作空間演變規(guī)律；以工作面煤層精細(xì)化三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，研究煤層頂?shù)装迦S復(fù)雜曲面特征自動(dòng)提取與分割算法，獲得“綜采三機(jī)”作業(yè)可利用的導(dǎo)航信息；根據(jù)“綜采三機(jī)”工作空間演變規(guī)律與煤層精細(xì)化三維地質(zhì)模型提供的導(dǎo)航信息，以最大回采率和最小割巖率為優(yōu)化目標(biāo)，研究綜采工作面截割路徑自主規(guī)劃優(yōu)化算法，獲得指導(dǎo)綜采工作面開(kāi)采的路徑信息。

3）支架群組-圍巖耦合智能控制技術(shù)研究（圖14）。 支架的可調(diào)控參量極少，只有初撐力和安全閥動(dòng)作壓力2 個(gè)參量，且需要手動(dòng)調(diào)節(jié)。 在綜采工作面連續(xù)推進(jìn)過(guò)程中，液壓支架既是圍巖支護(hù)的執(zhí)行裝置，也是圍巖狀態(tài)的感知裝置。 構(gòu)建液壓支架狀態(tài)感知系統(tǒng)，利用采集的支架群組狀態(tài)和采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)，獲得支架群組支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)隨工作面推進(jìn)的演變規(guī)律，建立支架群組-圍巖耦合狀態(tài)預(yù)測(cè)模型，通過(guò)合理調(diào)整初撐力和安全閥壓力、采煤機(jī)截割參數(shù)，預(yù)防工作面冒頂?shù)软敯蹇刂茊?wèn)題的發(fā)生，以保障綜采工作面連續(xù)推進(jìn)。

圖14 支架群組-圍巖耦合智能控制技術(shù)研究Fig.14 Research on smart controlling of supports-strata interaction

4） 綜采工作面半實(shí)物仿真方法與技術(shù)研究（圖15）。 利用半實(shí)物仿真技術(shù)，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的“綜采三機(jī)”、難以復(fù)現(xiàn)的工作面煤層通過(guò)數(shù)學(xué)模型和編程在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，解決綜采工作面重復(fù)性試驗(yàn)的難題。 建立采煤機(jī)調(diào)高與支架推移刮板輸送機(jī)的液壓閥-油缸-負(fù)載的液壓系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，研究調(diào)高系統(tǒng)與推移刮板輸送機(jī)拉架系統(tǒng)的仿真方法；根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的解算流程，建立采煤機(jī)慣性定位導(dǎo)航和綜采工作面動(dòng)態(tài)調(diào)直數(shù)學(xué)模型，獲得采煤機(jī)定位導(dǎo)航與綜采工作面調(diào)直的仿真方法；根據(jù)綜采工作面工況條件與“三機(jī)”運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系，研究融合煤層三維地質(zhì)模型、“綜采三機(jī)”的三維動(dòng)畫(huà)實(shí)時(shí)場(chǎng)景再現(xiàn)技術(shù)，構(gòu)建綜采工作面視景仿真實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)；根據(jù)所建立的調(diào)高、推移刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)定位導(dǎo)航、工作面調(diào)直系統(tǒng)的仿真方法，研究綜采工作面連續(xù)推進(jìn)數(shù)值仿真算法；研究以采煤機(jī)控制器、液壓支架控制器為硬件、以數(shù)值和視景仿真算法為軟件的綜采工作面半實(shí)物仿真方法和技術(shù)。 綜采工作面半實(shí)物仿真可為控制系統(tǒng)智能算法的性能檢驗(yàn)和煤礦工人培訓(xùn)提供重要支撐。

圖15 綜采工作面半實(shí)物仿真方法與技術(shù)研究Fig.15 Research on hardware-in-the-loop simulation system of longwall mining workface

5 結(jié) 論

1）根據(jù)無(wú)人控制系統(tǒng)發(fā)展的一般規(guī)律，綜采工作面控制系統(tǒng)的發(fā)展分為遠(yuǎn)程遙控、自動(dòng)控制和自主控制3 個(gè)階段。 綜采工作面自主控制需要解決綜采工作面環(huán)境實(shí)時(shí)感知、綜采“三機(jī)”協(xié)同控制、高精度煤層地理信息系統(tǒng)、開(kāi)采工藝智能決策與無(wú)人綜采工作面評(píng)估試驗(yàn)方法5 個(gè)方面的問(wèn)題

2）綜采工作面控制系統(tǒng)的3 個(gè)目標(biāo)任務(wù)是可靠割煤與裝煤、保持工作面幾何關(guān)系、圍巖可靠支護(hù)；綜采工作面控制系統(tǒng)的8 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是液壓支架電液控制技術(shù)、綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)、工作面通信技術(shù)、工作面可視化技術(shù)、采煤機(jī)定位技術(shù)、采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)、工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)、工作面圍巖支護(hù)控制技術(shù)。

3）工作面煤層地理信息系統(tǒng)精細(xì)化、采煤機(jī)截割規(guī)劃策略、工作面圍巖智能支護(hù)策略以及綜采工作面控制系統(tǒng)適用性評(píng)估檢驗(yàn)方法是綜采工作面由自動(dòng)控制邁向自主控制解決的首要問(wèn)題。