智能采煤工作面協(xié)同開(kāi)采技術(shù)研究及應(yīng)用

牟國(guó)禮，李 強(qiáng)

(山東能源棗莊礦業(yè)(集團(tuán))付村煤業(yè)有限公司，山東省濟(jì)寧市，277605)

隨著我國(guó)工業(yè)化與信息化融合的推進(jìn)[1]，煤礦智能化開(kāi)采已成為我國(guó)煤炭工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，而煤炭資源賦存空間的透明化不僅可顯著提高煤炭資源的安全高效開(kāi)采水平，還進(jìn)一步豐富與完善了煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)的內(nèi)涵。智能化透明精準(zhǔn)開(kāi)采逐漸成為我國(guó)煤炭工業(yè)實(shí)現(xiàn)行業(yè)轉(zhuǎn)型、產(chǎn)能調(diào)控、綠色開(kāi)發(fā)的重要技術(shù)支撐。

王國(guó)法等[2-3]結(jié)合我國(guó)煤炭資源開(kāi)采現(xiàn)狀及智能化發(fā)展進(jìn)程，明確了煤礦智能化開(kāi)采的概念與內(nèi)涵，對(duì)其關(guān)鍵理論、技術(shù)、裝備進(jìn)行了科學(xué)論述，并對(duì)煤礦智能開(kāi)采的目標(biāo)及發(fā)展路徑進(jìn)行了展望。在國(guó)家相關(guān)部門(mén)、高?？蒲性核?、煤炭企業(yè)等共同努力下，煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)取得了一定的成就與進(jìn)步[4]，但仍存在煤巖智能識(shí)別困難[5-6]、液壓支架難以自我調(diào)整與移架[7-8]、巷道掘進(jìn)支護(hù)智能化程度較低[9-10]、復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造下難以智能開(kāi)采[11-13]等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了煤礦智能化開(kāi)采水平的提高，而“透明地球”被認(rèn)為是解決上述問(wèn)題的有效途徑之一。

20世紀(jì)末，美國(guó)副總統(tǒng)戈?duì)朳14]認(rèn)為以計(jì)算機(jī)、多媒體與大規(guī)模存儲(chǔ)技術(shù)為基礎(chǔ)，以寬帶網(wǎng)為紐帶構(gòu)建的多分辨率、多維度、多種類(lèi)的數(shù)字化地球模型可為人類(lèi)可持續(xù)發(fā)展與社會(huì)進(jìn)步提供高質(zhì)量的服務(wù)，并創(chuàng)造性地提出了“數(shù)字地球”的概念；1999年，澳大利亞學(xué)者卡爾(Carr)博士首次提出“玻璃地球(透明地球)”的概念，希望通過(guò)遙感或地球物理手段使得地表下1 km范圍內(nèi)變得“透明”[15]；袁亮[16-19]首次提出煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采科學(xué)構(gòu)想，將“透明地球”理念引入智能開(kāi)采實(shí)際工作中，認(rèn)為透明地質(zhì)是實(shí)現(xiàn)煤炭精準(zhǔn)開(kāi)采的重要基礎(chǔ)，并對(duì)實(shí)現(xiàn)礦山透明地質(zhì)條件的多種關(guān)鍵技術(shù)手段進(jìn)行了詳細(xì)的闡釋與分析；盧新明等[20]論述了精準(zhǔn)開(kāi)采地質(zhì)保障技術(shù)的內(nèi)涵、科學(xué)難題及解決方案，推進(jìn)了煤炭透明精準(zhǔn)開(kāi)采技術(shù)體系的發(fā)展與成熟。相關(guān)研究表明，“透明地球”的構(gòu)建可為礦山開(kāi)采、地下水資源保護(hù)、地下空間利用等奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

但是，目前仍存在智能開(kāi)采理念與工程實(shí)踐結(jié)合不夠密切、透明化與智能化開(kāi)采協(xié)調(diào)度不高等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本文以棗莊礦區(qū)付村煤礦為工程背景，采用基于三維精準(zhǔn)地質(zhì)模型的透明開(kāi)采技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程闡釋協(xié)同開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)體系。

1 協(xié)同開(kāi)采技術(shù)思路

在回采工作面三維精準(zhǔn)地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上，以智能監(jiān)控系統(tǒng)為輔助手段，建立集采煤機(jī)精準(zhǔn)控制與液壓支架精準(zhǔn)控制等技術(shù)為一體的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)共享、互饋平臺(tái)；利用采煤機(jī)實(shí)際揭露信息、液壓支架的姿態(tài)信息、采煤機(jī)運(yùn)行學(xué)及動(dòng)力學(xué)信息、帶式輸送機(jī)實(shí)際輪廓信息等實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)優(yōu)化工作面的三維模型，即結(jié)合工作面當(dāng)前截割的頂?shù)装迩€，規(guī)劃形成下一刀截割頂?shù)装迩€，再轉(zhuǎn)換成采煤機(jī)前后滾筒在工作面每個(gè)位置的采高、臥底量，下發(fā)給采煤機(jī)控制系統(tǒng)，使采煤機(jī)按照預(yù)剖頂?shù)装迩€進(jìn)行自動(dòng)割煤，結(jié)合刮板輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)直技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能化透明精準(zhǔn)開(kāi)采，其技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 智能化透明精準(zhǔn)開(kāi)采技術(shù)路線

基于三維精準(zhǔn)地質(zhì)模型的透明開(kāi)采技術(shù)體系包含三維精準(zhǔn)地質(zhì)建模技術(shù)、采煤機(jī)精準(zhǔn)控制技術(shù)與液壓支架精準(zhǔn)控制技術(shù)。其中，三維精準(zhǔn)地質(zhì)建模技術(shù)可對(duì)煤層及工作面區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行三維建模，經(jīng)計(jì)算優(yōu)化后由以太網(wǎng)傳輸至采煤機(jī)，為采煤機(jī)提供自動(dòng)截割路徑(后期采煤機(jī)自動(dòng)截割過(guò)程中，上一次割煤路徑又可由以太網(wǎng)反饋至三維模型，修正優(yōu)化后指導(dǎo)下一次精準(zhǔn)割煤，并重復(fù)這一過(guò)程直至工作面回采完畢)；而采煤機(jī)精準(zhǔn)控制技術(shù)包含感知與監(jiān)控系統(tǒng)、控制與遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)系統(tǒng)、自動(dòng)截割系統(tǒng)、GMP地質(zhì)模型接口系統(tǒng)，可以與液壓支架精準(zhǔn)控制技術(shù)等融合，從而實(shí)現(xiàn)煤炭資源的遠(yuǎn)程控制采出以及工作面無(wú)人化或少人化。

2 協(xié)同開(kāi)采關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維地質(zhì)建模技術(shù)

三維精準(zhǔn)地質(zhì)建模技術(shù)是煤炭資源智能化開(kāi)采的基礎(chǔ)，該技術(shù)基于鉆探、物探、采掘工程等多源信息數(shù)據(jù)，由軟件進(jìn)行自動(dòng)融合、三維建模和動(dòng)態(tài)修正，可對(duì)工作面、巷道等區(qū)域進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)，形成三維精準(zhǔn)地質(zhì)模型。三維精準(zhǔn)地質(zhì)建模技術(shù)如圖2所示。

圖2 三維精準(zhǔn)地質(zhì)建模技術(shù)路線

根據(jù)鉆孔控制的煤層底板高程和煤厚數(shù)據(jù)，結(jié)合地震剖面的t0值和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，可以開(kāi)展煤層底板標(biāo)高與煤厚預(yù)測(cè)。沒(méi)有鉆孔和地震剖面點(diǎn)的地方，采用勘探數(shù)據(jù)生成的等高線作參考。綜合這些信息之后，將可利用的數(shù)據(jù)輸入底板高程數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)底板高程庫(kù)建立煤層精細(xì)模型，為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)提供精確的地質(zhì)信息。付村煤礦3上1006工作面精細(xì)建模過(guò)程如圖3所示，采用交、并、差布爾運(yùn)算系統(tǒng)，生成所需三維地質(zhì)模型，進(jìn)一步綜合利用鉆孔、巷道素描生成的三維模型與利用地測(cè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)生成的三維模型，得到精準(zhǔn)的三維地質(zhì)模型；將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳輸給采煤機(jī)生成自動(dòng)截割的軌跡線，同時(shí)利用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)獲取現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)優(yōu)化數(shù)據(jù)模型，形成更加精準(zhǔn)的三維模型。

圖3 工作面精細(xì)建模過(guò)程

2.2 采煤機(jī)精準(zhǔn)控制技術(shù)

采煤機(jī)精準(zhǔn)控制技術(shù)以天地科技上海分公司二代DSP電控系統(tǒng)采煤機(jī)為研究載體，融合煤巖識(shí)別技術(shù)、采煤機(jī)記憶截割技術(shù)，根據(jù)地測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建的煤層三維地理模型，通過(guò)煤巖識(shí)別技術(shù)動(dòng)態(tài)修正工作面煤層三維地質(zhì)模型，并在煤層三維地理模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)采煤機(jī)截割路徑，采煤機(jī)電控系統(tǒng)根據(jù)工作面總體設(shè)計(jì)的截割路徑進(jìn)行精準(zhǔn)割煤。

2.2.1 采煤機(jī)感知與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采煤機(jī)需要與工作面液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)等綜采設(shè)備進(jìn)行智能化協(xié)同控制。采煤機(jī)感知與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是采煤機(jī)的感官系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采煤機(jī)所有運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，并感知采煤機(jī)所處的周邊環(huán)境狀況；采集到的數(shù)據(jù)與控制指令由采煤機(jī)的神經(jīng)系統(tǒng)機(jī)載網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)傳輸。采煤機(jī)設(shè)備監(jiān)控感知數(shù)據(jù)點(diǎn)的組成情況見(jiàn)表1。數(shù)據(jù)量的采集與監(jiān)控為準(zhǔn)確判定采煤機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)提供基本信息，也為后續(xù)采煤機(jī)精準(zhǔn)控制提供可能。

表1 采煤機(jī)設(shè)備監(jiān)控參數(shù)

2.2.2 采煤機(jī)控制與遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)系統(tǒng)

采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制主要由采煤機(jī)巷道監(jiān)控站實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)數(shù)據(jù)上傳和上位智能化平臺(tái)控制指令接收和精準(zhǔn)控制執(zhí)行。智能化工作面的遠(yuǎn)程控制是一個(gè)協(xié)同控制過(guò)程，需要將采煤機(jī)控制系統(tǒng)、液壓支架電液控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)載機(jī)控制系統(tǒng)、帶式輸送機(jī)控制系統(tǒng)、泵站控制系統(tǒng)等綜采工作面子系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)控，通過(guò)智能化平臺(tái)將各子系統(tǒng)進(jìn)行融合，并配合工作面視頻監(jiān)視系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備遠(yuǎn)程控制。

目前，采煤機(jī)巷道遠(yuǎn)程監(jiān)控站與上位機(jī)智能化平臺(tái)通訊主要采用Modbus TCP、Modbus RTU、OPC等，其中OPC是基于微軟的OLE(現(xiàn)在的Active X)、COM (部件對(duì)象模型)和DCOM (分布式部件對(duì)象模型)技術(shù)，具體包括一整套接口、屬性和方法的標(biāo)準(zhǔn)集，且OPC對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)環(huán)境要求比較嚴(yán)格，應(yīng)用環(huán)境配置繁瑣，使用不夠靈活，目前在煤礦自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中多用于數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，不用于設(shè)備控制。通常采煤機(jī)巷道遠(yuǎn)程監(jiān)控站與第三方集控平臺(tái)通訊采用基于以太網(wǎng)口的Modbus TCP通訊協(xié)議，或者基于RS485通訊接口Modbus RTU通訊協(xié)議。在實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)巷道遠(yuǎn)程控制的過(guò)程中，采煤機(jī)巷道遠(yuǎn)程監(jiān)控站作為Modbus從站，而工作面智能化平臺(tái)作為Modbus主站，它們之間按照約定的通訊參數(shù)和數(shù)據(jù)格式進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)割煤過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)視和精準(zhǔn)控制。

2.2.3 采煤機(jī)自動(dòng)截割系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由記憶學(xué)習(xí)、自動(dòng)截割、自動(dòng)中斷、在線修改等4部分組成。采煤機(jī)自動(dòng)截割系統(tǒng)流程如圖4所示。

圖4 自動(dòng)截割流程

2.2.4 采煤機(jī)地質(zhì)模型接口系統(tǒng)

采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割需要提前修正三維地質(zhì)模型并基于此開(kāi)展后續(xù)工作。工作面智能化平臺(tái)將采煤機(jī)記憶截割路線與地質(zhì)雷達(dá)識(shí)別的煤巖層分界線實(shí)現(xiàn)“雙線”融合，根據(jù)地測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建煤層三維地質(zhì)模型；通過(guò)煤巖識(shí)別技術(shù)修正工作面煤層三維地質(zhì)模型，并在煤層三維地質(zhì)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)采煤機(jī)截割路徑，最終實(shí)現(xiàn)智能化工作面采煤機(jī)無(wú)人化精準(zhǔn)割煤。采煤機(jī)GMP地質(zhì)模型接口系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 采煤機(jī)GMP地質(zhì)模型接口系統(tǒng)

2.3 液壓支架控制技術(shù)

液壓支架精準(zhǔn)控制技術(shù)的核心為移架調(diào)直技術(shù)，其關(guān)鍵算法為計(jì)算移架目標(biāo)值，即每臺(tái)液壓支架在自動(dòng)調(diào)直過(guò)程中的拉架距離，計(jì)算時(shí)主要考慮2個(gè)參數(shù)：最大移架距離和最小移架距離。其中最大移架距離是指支架滿(mǎn)量程移架時(shí)每個(gè)支架所允許的最大移架距離，一般等于采煤機(jī)滾筒的截深，對(duì)于已確定的工作面，該參數(shù)是固定不變的；最小移架距離是人為設(shè)定的一個(gè)參數(shù)，是指調(diào)直過(guò)程中每一個(gè)支架的最小移架距離，該參數(shù)的目的是保證工作面的正常推進(jìn)，防止因?yàn)樽詣?dòng)調(diào)直而嚴(yán)重影響產(chǎn)量。支架精準(zhǔn)控制移架目標(biāo)值示意如圖6所示。

圖6 支架精準(zhǔn)控制移架目標(biāo)值

圖6中藍(lán)色曲線為工作面當(dāng)前輪廓曲線，綠色曲線為下一刀工作面預(yù)調(diào)直的目標(biāo)輪廓曲線，Dmin為最小移架距離，Dmax為最大移架距離。工作面每臺(tái)支架的移架目標(biāo)值的計(jì)算過(guò)程如下所述。

(1)確定工作面輪廓最大偏差。最超前的A點(diǎn)和最滯后的B點(diǎn)之間的距離Mmax即為工作面輪廓最大偏差。

(2)確定A、B兩點(diǎn)的移架修正量。移架修正量即支架在滿(mǎn)量程移架基礎(chǔ)上需要的修正值，該值是一個(gè)負(fù)數(shù)。由于B點(diǎn)為滯后點(diǎn)，所以需要滿(mǎn)量程移架，因此B點(diǎn)的移架修正值最大；A點(diǎn)最靠前，因此移架距離最短，移架修正量最小，即為Dmin-Dmax。

(3)對(duì)于曲線上的任一點(diǎn)C的移架修正量Yc為：

(1)

(4)C點(diǎn)的移架目標(biāo)值D為：

D=Dmax+Yc

(2)

3 實(shí)際應(yīng)用效果分析

3.1 工作面概況

選取棗礦集團(tuán)付村煤礦3上1006工作面為試驗(yàn)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)工作面設(shè)備升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)三維精準(zhǔn)地質(zhì)模型下工作面智能化開(kāi)采。3上1006工作面平均煤層厚度5.4 m，地質(zhì)條件良好，比較適合綜采自動(dòng)化工作面的建設(shè)。工作面設(shè)備配置情況如表2所示，工作面配套如圖7所示。

圖7 工作面配套示意

表2 工作面設(shè)備配置情況

3.2 應(yīng)用效果分析

付村煤礦3上1006工作面基于三維精準(zhǔn)地質(zhì)模型的透明開(kāi)采技術(shù)研究已在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，工作面采煤作業(yè)由原來(lái)的采煤機(jī)司機(jī)現(xiàn)場(chǎng)操作，變?yōu)橄到y(tǒng)自動(dòng)規(guī)劃頂?shù)装褰馗钋€、自動(dòng)調(diào)整采高進(jìn)行割煤、人工地面遠(yuǎn)程輔助的開(kāi)采模式，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，有效提高了采煤作業(yè)安全性與生產(chǎn)效率，預(yù)計(jì)新增產(chǎn)值約5 600萬(wàn)元，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益?；谌S精準(zhǔn)地質(zhì)模型的透明開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用效果如圖8所示。

4 結(jié)論

(1)基于三維精準(zhǔn)地質(zhì)模型的透明開(kāi)采技術(shù)包含三維精準(zhǔn)地質(zhì)建模技術(shù)、采煤機(jī)精準(zhǔn)控制技術(shù)與液壓支架精準(zhǔn)控制技術(shù)等，其中三維精準(zhǔn)地質(zhì)建模技術(shù)主要利用鉆探、物探、測(cè)量、采掘等信息，構(gòu)建工作面三維地質(zhì)精準(zhǔn)模型。

(2)采煤機(jī)精準(zhǔn)控制技術(shù)包含感知與監(jiān)控系統(tǒng)、控制與遠(yuǎn)程設(shè)計(jì)系統(tǒng)、自動(dòng)截割系統(tǒng)、GMP地質(zhì)模型接口系統(tǒng)，通過(guò)與液壓支架精準(zhǔn)控制技術(shù)等協(xié)同工作，可以實(shí)現(xiàn)工作面的無(wú)人化或少人化遠(yuǎn)程控制開(kāi)采。

(3)智能采煤工作面協(xié)同開(kāi)采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了截割曲線自動(dòng)規(guī)劃、刮板輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)直、采煤機(jī)自動(dòng)割煤等智能化功能，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了采煤作業(yè)安全性與生產(chǎn)效率，取得了較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益。