保德煤礦智能綜放工作面建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)研究

鄔喜倉， 張學(xué)亮， 阮進(jìn)林， 王志強(qiáng)

（1. 國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 保德煤礦，山西 忻州 036600；2. 煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100120；3. 北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

0 引言

我國(guó)煤炭產(chǎn)量中約有44%是來自3.5 m 以上的厚煤層，除大采高綜采外，綜放開采是我國(guó)厚煤層開采的主要方法。近年來，煤炭開采智能化水平不斷提升，依托智能綜放工作面建設(shè)，實(shí)現(xiàn)安全高效智能綜放開采是當(dāng)前煤炭行業(yè)亟需解決的問題[1-5]。

我國(guó)綜放開采先后經(jīng)歷了綜合機(jī)械化、自動(dòng)化和智能化等發(fā)展階段，目前處于智能化初級(jí)階段，正在由單機(jī)自動(dòng)化、系統(tǒng)集成化向單機(jī)智能化、系統(tǒng)智能化方向發(fā)展[6-7]。智能綜放工作面建設(shè)是實(shí)現(xiàn)智能綜放開采的必要途徑，對(duì)于全新設(shè)計(jì)的智能綜放工作面，可以進(jìn)行一步到位的系統(tǒng)裝備配置，進(jìn)而完成智能綜放工作面建設(shè)目標(biāo)；現(xiàn)有的綜放工作面可以借鑒煤礦智能開采技術(shù)與裝備，采取技術(shù)升級(jí)改造等措施，達(dá)到智能綜放工作面建設(shè)要求，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)智能綜放開采的目的。

目前，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已對(duì)智能綜放工作面建設(shè)及相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了廣泛研究，并取得豐碩的成果。在智能采煤（含綜放）工作面概念模式方面，葛世榮[8]基于時(shí)間維度梳理了智能化采礦概念，提出智采工作面定義——一個(gè)在不同程度上無需人工干預(yù)而獨(dú)立完成采煤作業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)，指出智采工作面的基礎(chǔ)是智能機(jī)器，其特征是自主感控，功能是獨(dú)立作業(yè)，目的是無人化開采。王國(guó)法等[9]給出了智能化采煤工作面的定義，建立了智能化工作面指標(biāo)體系數(shù)學(xué)模型，提出了智能化工作面分類、分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法，將智能化采煤工作面分為高級(jí)、中級(jí)、初級(jí)3 個(gè)級(jí)別。王國(guó)法等[10]針對(duì)不同煤層賦存條件，提出了薄及中厚煤層智能化無人開采模式、大采高工作面智能耦合人機(jī)協(xié)同高效綜采模式、綜放工作面智能化操控與人工干預(yù)輔助放煤模式、復(fù)雜條件機(jī)械化+智能化開采模式等4 種煤礦智能化開采模式，分析了放頂煤工作面與一次采全高工作面智能化開采模式的差異，提出了基于時(shí)序控制放煤、自動(dòng)記憶放煤、煤矸識(shí)別放煤等智能化放煤控制邏輯與工藝流程。在智能綜放工作面開采理論與技術(shù)方面，于斌等[11]對(duì)特厚煤層智能化綜放開采理論與關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)進(jìn)行了探討，指出智能化綜放開采是未來綜放開采技術(shù)發(fā)展的重要方向，提出了要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)構(gòu)想。張守祥等[12]針對(duì)智能綜放開采控制問題，按照放煤過程“放煤前、放煤中和放煤后”3 個(gè)階段對(duì)所需的技術(shù)裝備進(jìn)行了探討，放煤前采用透地雷達(dá)探測(cè)頂煤厚度以確定放煤基點(diǎn)，放煤中采用三維雷達(dá)掃描未放頂煤空間，放煤后采用煤矸識(shí)別技術(shù)檢測(cè)煤矸比例，為綜放開采放煤口開口大小及關(guān)閉提供控制信號(hào)，達(dá)到綜放開采放煤無人操作的目標(biāo)。張學(xué)亮等[13]對(duì)厚煤層智能放煤工藝及精準(zhǔn)控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，闡述了基于振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)、音視頻檢測(cè)、灰分在線檢測(cè)的智能放煤工藝原理，通過相關(guān)技術(shù)裝備的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)總體采放效率提升約20%。秦文光[14]對(duì)山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司王家?guī)X礦綜放工作面智能化協(xié)同控制方案進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了工作面各系統(tǒng)監(jiān)控信息的全面融合與智能匹配。韓秀琪等[15]對(duì)綜放工作面自動(dòng)運(yùn)行與人工干預(yù)分析系統(tǒng)進(jìn)行了研究，定義了智能綜放工作面自動(dòng)化率及放煤工作面控制系統(tǒng)開機(jī)率、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架率、采煤機(jī)記憶割煤率、自動(dòng)放頂煤率等關(guān)鍵指標(biāo)，建立相應(yīng)知識(shí)庫，并分析人工干預(yù)原因，為生產(chǎn)系統(tǒng)控制邏輯的優(yōu)化提供依據(jù)。王家臣等[16]研究了圖像識(shí)別智能放煤技術(shù)原理及應(yīng)用，針對(duì)混矸率識(shí)別問題，將混矸率細(xì)化為透明面積混矸率、表面體積混矸率、內(nèi)部體積混矸率，建立輕量級(jí)的煤矸識(shí)別邊界測(cè)量模型，提出了快速寫意重建和精準(zhǔn)重建2 種煤矸石塊體三維重建方法，提出了適應(yīng)低照度高粉塵環(huán)境的立體視覺照度智能監(jiān)測(cè)與自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法及相應(yīng)的去粉塵算法，提高了放煤工序的智能化水平。袁源等[17]針對(duì)頂煤放落過程煤矸聲信號(hào)特征提取與分類進(jìn)行了研究，構(gòu)建了放頂煤聲信號(hào)分類樣本庫，研究了6 種常用機(jī)器學(xué)習(xí)分類方法對(duì)樣本的分析特征，指出基于小波包分解與隨機(jī)森林算法的分類器性能最好，準(zhǔn)確率達(dá)到93.06%。曹貫強(qiáng)等[18]研究了用于煤矸識(shí)別的振動(dòng)傳感器，利用加速度計(jì)采集尾梁振動(dòng)信號(hào)，并對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，利用傅里葉變換對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行功率譜分析，測(cè)試表明傳感器測(cè)量誤差在1%以內(nèi)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明該傳感器能夠識(shí)別出頂煤和矸石。

上述成果對(duì)智能綜放工作面建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義，但是沒有針對(duì)某個(gè)綜放工作面進(jìn)行系統(tǒng)化建設(shè)實(shí)施的研究。本文以國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭保德煤礦81309 智能綜放工作面建設(shè)為研究背景，系統(tǒng)闡述該智能綜放工作面中高級(jí)智能化建設(shè)過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，為類似條件的智能綜放工作面建設(shè)提供借鑒。

1 綜放工作面概況

保德煤礦為高瓦斯礦井，生產(chǎn)能力為800 萬t/a。81309 綜放工作面開采8 號(hào)煤層，地面標(biāo)高為+908～+1 134 m，底板標(biāo)高為+607.5～+650.1 m。工作面傾向長(zhǎng)度為240 m，推進(jìn)平均長(zhǎng)度為2 575 m。煤層平均厚度為7 m，煤層傾角為3～6°。工作面采高為3.7 m，放煤高度為3.3 m，采放比為1∶0.89。工作面上巷、下巷均采用兩巷布置，設(shè)備列車與轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)布置在運(yùn)輸巷道內(nèi)。

工作面采用ZFY18000/25/39D 型支架109 臺(tái)，過渡支架2 臺(tái)，排頭支架9 臺(tái)，端頭支架1 組。ZFY18000/25/39D 液壓支架為兩柱掩護(hù)式，中心距為2 050 mm，支護(hù)強(qiáng)度為1.5 MPa。選用7LS6C?LWS636 型采煤機(jī)，采用國(guó)產(chǎn)化改造電控系統(tǒng)。采用SGZ1000/2×1200 型前部刮板輸送機(jī)和后部刮板輸送機(jī)，機(jī)頭、機(jī)尾平行布置，前后刮板輸送機(jī)與轉(zhuǎn)載機(jī)采用端卸布置。采用SZZ1350/700 型橋式轉(zhuǎn)載機(jī)和PCM700型破碎機(jī)。采用DSJ140/300/3×500 型帶式輸送機(jī)，其運(yùn)輸距離為6 000 m，帶速為4 m/s。

81309 綜放工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)型控制器，工作面內(nèi)設(shè)備通過統(tǒng)一協(xié)議接入SAM 型綜采自動(dòng)化系統(tǒng)中，系統(tǒng)配置地面太空艙式集控中心。81309 綜放工作面智能綜放控制系統(tǒng)由液壓支架電液控制系統(tǒng)、綜采自動(dòng)化系統(tǒng)（含三機(jī)集控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、煤矸識(shí)別系統(tǒng)等）、地面太空艙式集控中心（位于地面調(diào)度室）等組成，如圖1所示。

圖1 智能綜放控制系統(tǒng)基本配置Fig. 1 Basic configuration of intelligent fully mechanized Caving control system

2 智能綜放工作面建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

在液壓支架電液控制系統(tǒng)及綜采自動(dòng)化系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)設(shè)備升級(jí)改造、有限透明開采模型、智能放煤工藝決策、煤矸識(shí)別方法優(yōu)化、多模式融合集成控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，以促進(jìn)綜放工作面各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足中高級(jí)智能化建設(shè)要求。

2.1 設(shè)備升級(jí)改造

保德煤礦綜放工作面裝備老舊、不同裝備供應(yīng)商不統(tǒng)一，多數(shù)設(shè)備自身性能及自動(dòng)化、智能化程度不符合智能化開采要求，工作面設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成。對(duì)現(xiàn)有設(shè)備按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行升級(jí)改造并實(shí)現(xiàn)集成控制，是智能綜放工作面建設(shè)的最優(yōu)選擇。

保德煤礦81309 綜放工作面采用的進(jìn)口采煤機(jī)受電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)不開放等因素制約，因此，需對(duì)其進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化智能改造，采用完全國(guó)產(chǎn)化的電控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中控制，通過加裝慣導(dǎo)系統(tǒng)，配套光纖復(fù)合電纜與5G 相結(jié)合的通信方式，實(shí)現(xiàn)信號(hào)有線/無線雙通道傳輸，提高采煤機(jī)割煤控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

采煤機(jī)主體控制信號(hào)采用采煤機(jī)電纜內(nèi)置光纖進(jìn)行通信，當(dāng)光纖通信發(fā)生故障時(shí)，采煤機(jī)可采用5G 信號(hào)進(jìn)行通信，通過在工作面及運(yùn)輸巷道內(nèi)布置5G 基站，將無線信號(hào)傳輸至綜放工作面集控中心5G 信號(hào)終端設(shè)備，并通過礦用萬兆環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳及采煤機(jī)的遠(yuǎn)程控制。采煤機(jī)5G 通信系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)5G 無線通信系統(tǒng)Fig. 2 Shearer 5G wireless communication system

為提高設(shè)備列車?yán)菩?，采用邁步式自移設(shè)備列車系統(tǒng)并配套管纜伸縮裝置（圖3）。自移設(shè)備列車系統(tǒng)由1 套錨固裝置、12 節(jié)滑靴式板車和17 節(jié)輪式板車組成，加裝電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，拉移速度約為20 m/h。管纜伸縮裝置由1 臺(tái)滑靴式絞車、19 臺(tái)輪式管纜伸縮車和1 組管纜懸移梁組成。管纜伸縮裝置纜線、液管儲(chǔ)存量為50 m。通過實(shí)際應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備列車常態(tài)化拉移由1～2 人完成，效率較之前提升一倍，人員減少一半。

圖3 邁步式自移設(shè)備列車及管纜伸縮裝置Fig. 3 Step-type self-shift equipment train and pipe and cable expansion device

2.2 有限透明開采模型

智能綜放透明開采地質(zhì)模型屬于智能規(guī)劃協(xié)同開采系統(tǒng)（圖4）智能規(guī)劃中心的一部分。智能規(guī)劃中心數(shù)據(jù)源由地質(zhì)三維模型數(shù)據(jù)、歷史截割數(shù)據(jù)、采高傳感數(shù)據(jù)等組成，將數(shù)據(jù)源中各類數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一抽象建模，并對(duì)各類模型進(jìn)行融合處理，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行迭代修正的同時(shí)生成截割模板，按照截割模板對(duì)采煤機(jī)路徑、支架跟機(jī)、煤流負(fù)荷等進(jìn)行規(guī)劃，為開采控制中心提供生產(chǎn)效率最優(yōu)規(guī)劃方案。經(jīng)過一系列換算和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，最終形成有限透明開采地質(zhì)模型（圖5）。

圖4 基于透明地質(zhì)的綜采工作面智能化協(xié)同規(guī)劃開采系統(tǒng)Fig. 4 Intelligent collaborative planning and mining system of fully mechanized mining face based on transparent geology

圖5 有限透明開采地質(zhì)模型Fig. 5 Geological model of limited and transparent mining

2.3 智能綜放工藝決策

智能綜放工作面的建設(shè)效果在很大程度上取決于采放工藝協(xié)同及智能化程度。充分考慮81309 綜放工作面智能化建設(shè)需求，采用千兆綜合接入器（每6 架1 個(gè)）搭建高速鏈路，用于后部放煤視頻（每2 架1 個(gè)）和后部振動(dòng)煤矸識(shí)別（每架1 個(gè)），并預(yù)留其他接口供煤矸識(shí)別研究使用，在后部視頻的鄰架配置照明燈（每2 架1 個(gè)）。

智能綜放工藝總體上分為10 個(gè)階段，81309 綜放工作面為左工作面，總體支架編號(hào)為3 號(hào)?122 號(hào)（1 號(hào)、2 號(hào)架為端頭支架）。該工作面采用一刀一放2 輪順序放煤方式，正常放煤階段，當(dāng)采煤機(jī)從機(jī)頭往機(jī)尾割煤時(shí)，第1 放煤點(diǎn)從機(jī)頭7 號(hào)架開始放煤，第2 放煤點(diǎn)從滯后移架工序10 號(hào)架向機(jī)尾方向放煤，放煤后拉后刮板輸送機(jī)機(jī)頭，并依次向機(jī)尾方向拉后刮板輸送機(jī)，2 輪放煤放到機(jī)尾116 號(hào)架停止；從機(jī)尾往機(jī)頭割煤時(shí)，從機(jī)尾116 號(hào)架開始放煤，放到機(jī)頭7 號(hào)架停止；端頭架、排頭架不放煤。

智能綜放回采工藝階段設(shè)置見表1。

表1 智能回采工藝階段Table 1 Intelligent coal mining process stage

2.4 煤矸識(shí)別方法優(yōu)化

綜放開采的放煤階段是重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在綜放自動(dòng)化生產(chǎn)階段，主要采用基于放煤動(dòng)作的時(shí)間程序控制方法，在智能化放煤階段，需綜合考慮振動(dòng)、視頻識(shí)別等煤矸識(shí)別結(jié)果[19-20]，參與自動(dòng)化放煤階段控制，形成智能放煤控制。保德煤礦采用振動(dòng)+視頻識(shí)別方案進(jìn)行煤矸識(shí)別。在綜放支架尾梁下方安裝加速度傳感器采集放落煤矸的振動(dòng)信號(hào)，通過計(jì)算9.5～10.5 kHz 內(nèi)的能量累計(jì)值，與基準(zhǔn)能量進(jìn)行對(duì)比，超出閾值部分判定為矸石比例超標(biāo)，得出煤矸識(shí)別結(jié)果。加速度傳感器時(shí)域能量算法三維圖如圖6 所示。

圖6 加速度傳感器時(shí)域能量算法三維圖Fig. 6 Time domain energy algorithm 3D diagram of acceleration sensor

為提高煤矸識(shí)別分析判斷的準(zhǔn)確性，除采用振動(dòng)煤矸識(shí)別方法外，每2 架后方安裝微型攝像儀并在相鄰支架安裝光源進(jìn)行煤矸識(shí)別。首先，進(jìn)行初始化，啟動(dòng)攝像儀和補(bǔ)光燈，相機(jī)通信正常時(shí)進(jìn)行圖像獲取與識(shí)別，否則提示故障。然后，對(duì)獲取的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷鏡頭是否被污染，當(dāng)鏡頭未被污染且液壓支架放煤作業(yè)已啟動(dòng)時(shí)，執(zhí)行矸石占比檢測(cè)。當(dāng)出現(xiàn)鏡頭污染報(bào)警或到達(dá)鏡頭污染檢測(cè)周期時(shí)，執(zhí)行鏡頭污染檢測(cè)算法，若判定鏡頭有污染，則輸出視覺失效信號(hào)；若判定鏡頭無污染，則輸出視覺有效信號(hào)。最后，在執(zhí)行煤矸占比檢測(cè)時(shí)，若矸石占比超過閾值，則進(jìn)行待報(bào)警幀計(jì)數(shù)，當(dāng)連續(xù)待報(bào)警幀達(dá)到一定數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)輸出煤矸超標(biāo)報(bào)警提示，若此時(shí)允許采用此數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)操作，則關(guān)閉相應(yīng)的放煤口，實(shí)現(xiàn)放煤智能化。

2.5 多模式融合集成控制

智能化集中控制系統(tǒng)以SAM 型綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)為樞紐，通過整合液壓支架電液控制、視頻監(jiān)控、采煤機(jī)電控、三機(jī)泵站集控構(gòu)建智能化集中控制系統(tǒng)，如圖7 所示。智能化集中控制系統(tǒng)分為決策層、控制層和執(zhí)行層3 個(gè)部分。決策層通過智能化放煤決策系統(tǒng)向智能化控制系統(tǒng)、智能化控制中心、智能開采工藝控制中心下發(fā)指令[21]，然后分別向控制層的自動(dòng)化控制系統(tǒng)、自動(dòng)化控制中心、電液控制系統(tǒng)等下發(fā)控制指令，控制指令向執(zhí)行層各執(zhí)行設(shè)備下發(fā)并執(zhí)行動(dòng)作，通過執(zhí)行層智能感知系統(tǒng)向控制層和決策層反饋執(zhí)行結(jié)果，形成閉環(huán)控制。

圖7 智能化集中控制系統(tǒng)Fig. 7 Intelligent and centralized control system

3 應(yīng)用實(shí)施

81309 綜放工作面已于2021 年11 月20 日完成自動(dòng)化調(diào)試，中部實(shí)現(xiàn)單班自動(dòng)控制割煤4 刀，液壓支架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟機(jī)拉架、聯(lián)動(dòng)收伸護(hù)幫/伸縮梁、自主推溜等功能，智能化集中控制系統(tǒng)可一鍵啟停生產(chǎn)系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。配套的地面太空艙式集控中心（圖8）為智能綜放開采一體式交互平臺(tái)，可容納1 名支架操作工和1 名采煤機(jī)操作工同時(shí)工作，用于工作面設(shè)備群遠(yuǎn)程集控。

圖8 智能綜放地面分控中心Fig. 8 Intelligent fully mechanized caving ground sub-control center

保德煤礦在2022 年根據(jù)山西省《全省煤礦智能化建設(shè)基本要求及評(píng)分方法》進(jìn)行了智能綜放工作面階段建設(shè)驗(yàn)收，達(dá)到中級(jí)智能化，將于2023 年全面建成基于透明開采的“采?支?識(shí)?放?運(yùn)”各環(huán)節(jié)自適應(yīng)的智能綜放工作面。

4 結(jié)論

1） 保德煤礦在智能綜放工作面建設(shè)過程中，對(duì)采煤機(jī)電控系統(tǒng)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化升級(jí)改造，通過加裝慣導(dǎo)系統(tǒng)，配套光纖復(fù)合電纜與5G 相結(jié)合的通信方式，實(shí)現(xiàn)信號(hào)有線/無線雙通道傳輸，提高采煤機(jī)割煤控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。采用了邁步式自移設(shè)備列車系統(tǒng)并配套管纜伸縮裝置，實(shí)現(xiàn)設(shè)備列車?yán)瞥B(tài)化1～2 人完成，效率提升1 倍，人員減少一半。

2） 智能規(guī)劃中心對(duì)各類模型進(jìn)行融合處理，構(gòu)建有限透明開采模型，對(duì)地質(zhì)模型進(jìn)行迭代修正的同時(shí)生成截割模板，按照截割模板對(duì)采煤機(jī)路徑、支架跟機(jī)、煤流負(fù)荷等進(jìn)行規(guī)劃，為開采控制中心提供生產(chǎn)效率最優(yōu)規(guī)劃方案。

3） 10 個(gè)階段智能綜放回采工藝根據(jù)保德煤礦實(shí)際支架部署確定具體動(dòng)作點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)中部跟機(jī)自動(dòng)化采放、三角煤區(qū)域自動(dòng)開采。

4） 采用振動(dòng)和視頻煤矸識(shí)別技術(shù)，在綜放支架尾梁下方安裝加速度傳感器，采集放落煤矸的振動(dòng)信號(hào)，通過濾波計(jì)算9.5～10.5 kHz 內(nèi)的能量累積值進(jìn)而識(shí)別煤矸界面；通過視頻煤矸識(shí)別系統(tǒng)對(duì)矸石比例超過閾值情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)警，建成智能綜放煤矸識(shí)別系統(tǒng)。

5） 以SAM 型綜采自動(dòng)化控制系統(tǒng)為樞紐，通過整合液壓支架電液控制、視頻監(jiān)控、采煤機(jī)電控、三機(jī)泵站集控，構(gòu)建智能化集中控制系統(tǒng)，初步建成基于透明開采的“采?支?識(shí)?放?運(yùn)”各環(huán)節(jié)智能自適應(yīng)的智能綜放開采工作面。