我国煤矿智能化采掘技术的新进展

智能化开采是在机械化开采、自动化开采基础上，信息化与工业化深度融合的煤炭开采技术的深刻变革，是指在不需要人工直接干预的情况下，通过采掘环境的智能感知、采掘装备的智能调控、采掘作业的自主导航，由采掘装备自动、独立完成采掘作业过程。智能化开采具有三大技术内涵：①采掘设备具有智能化的自主采掘作业能力;②实时获取和更新采掘工艺数据，包括地质条件、煤岩变化、设备方位、开采工序等;③能根据开采条件变化自动调控采掘过程;当智能化采掘设备与自动调度决策集为一体，即形成智能化开采工作面。

针对我国煤矿综采工作面生产过程复杂、开采装备系统庞大、作业环境恶劣等特点，煤炭行业产学研通力合作，经过“十二五”期间不懈探索努力和技术攻关，我们攻克了综采成套装备感知、信息传输、动态决策、协调执行、高可靠性等关键技术，研制出具有自主知识产权的综采成套装备智能系统，根据技术现状提出了“无人操作、有人巡视”的智能化开采生产模式，实现了综采成套装备巷道及地面控制的智能化远程控制开采，技术和实际应用达到了国际领先水平，满足了中国煤炭能源革命的需求，引领了我国煤炭科学开采的发展方向。

中国煤炭科工集团太原研究院整合优势资源，进行工艺、装备创新，成功开发了“掘支运三位一体高效快速掘进系统”。该系统把传统的掘进、运输、支护等分步实施的工序，通过新技术装备有机整合在一起，有效解决了掘进、支护、运输的同步进行、连续作业问题，实现了掘锚平行作业、多臂同时支护、连续破碎运输、长压短抽通风和智能远程操控的高效一体化运行，第一次在煤矿井下实现了真正意义的综合掘进机械化，极大地提高了我国煤巷掘进的速度，创造了新的世界纪录。

一、国外智能化开采技术

近几年来，煤炭开采技术装备发展以澳大利亚、德国和美国等发达国家为主导。煤炭开采领先技术包括澳大利亚联邦科学院的LASC技术和美国Joy公司的IMSC技术，以下简要介绍智能化新技术的应用情况。

(一)澳大利亚的LASC技术

澳大利亚综采长壁工作面自动控制委员会(Longwall Automation Steering Committee, LASC)开展了煤矿综采自动化和智能化技术的研究，采用高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法，应用于工作面设备，取得了三项主要成果：采煤机三维精确定位(误差±10cm)、工作面矫直系统(误差±50cm)和工作面水平控制，完成了工作面自动化系统原型，同时实现了采煤机自动控制、煤流负荷平衡、巷道集中监控等。通过钻孔地质勘探和掘进相结合的方式，描绘工作面煤层的赋存分布，通过陀螺仪获知采煤机的三维坐标，两者结合实现工作面的全自动化割煤，该创新成果突破了煤岩识别难题，另辟蹊径解决了采煤机准确割煤问题。LASC核心技术包括：采煤机的三维空间定位、自动工作面拉直、保持工作面平直、自动调高控制、3D可视化为远程监控提供虚拟现实等。

(二)美国的IMSC技术

智能开采服务中心(Intelligent Mining Service Center, IMSC)是美国JOY公司推出的一种适用于长壁工作面的远程智能增值产品/服务系统，可实时监控煤矿设备运行，根据出现的报警、故障信息，及时发邮件或电话通知矿井工程师进行调整。智能开采服务中心每日、周、月和季度向矿井提交运行分析报告，指导矿井提高运行管理水平，合理安排设备检修。作为一种增值产品/服务，在澳大利亚布里斯班的Anglo矿业公司总部设置总调度室，对所管辖矿井进行实时监控，利用数据监测与分析系统，分析生产过程设备运行参数，对矿井生产给予指导，取得了提高产能、减人提效的经济效益。

二、我国智能化开采技术

我国煤矿的智能化开采在最近十年尤其是“十二五”期间取得了长足的进步，开启了我国智能化开采的新时代。以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机及可视化远程监控为基础，以生产系统智能化控制软件为核心，实现了在地面(或巷道)综合监控中心对综采设备的智能监测与集中控制，确保工作面割煤、推溜、移架、运输、消尘等智能化运行，达到了工作面连续、安全、高效开采,另辟蹊径地诠释了国内智能化开采技术的新概念。

(一)智能化开采新模式的探索

当前国内的智能化开采技术水平，在控制系统架构、控制方式、响应时间、智能功能、工作面人数、产能等主要技术指标方面处于国际领先，开发了“巷道监控中心可视化远程控制割煤，采场无人操作”的新技术，创新“无人跟机作业，有人安全值守”的开采理念，在采煤过程中做到工作面内无人操作，构建了“以工作面自动控制为主，监控中心远程干预为辅”的工作面智能化生产模式，设计了人工干预下模糊控制多工序的采煤工艺，实现了智能采煤技术的深刻变革。

智能开采控制技术打破了传统的以单机装备为主、总体协调的研制思路，建立了以成套装备总控制网络信息综合决策为主、单机装备为执行机构的体系结构。将采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、巷道胶带机、供液系统、供电系统等装备有机结合起来，构建成一个相互联系、相互依存、相互制约的采煤系统，依据系统控制决策模型分析结果，实现对综采成套装备的协调管理与集中控制。

1、智能化开采技术

工人只需坐在综采工作面自动化监控中心即可通过显示器观察到工作面设备的运行情况，通过语音通信进行调度、联络、调控，通过操作台远程操控工作面上的相关设备，实现在监控中心对所有综采设备进行远程控制。地面调度指挥中心对综采设备的远程监控将综采工作面采煤机、液压支架、运输机、泵站及供电系统等有机结合起来，实现了在地面调度指挥中心对综采工作面设备的远程监测、操作以及各种数据的实时显示等，为地面生产、管理人员提供实时的井下工作面生产及安全信息。

实现智能化开采，需要对采煤方法和工艺进行技术创新，主要包括：

一是采煤机自动化开采工艺：具备适合工作面采煤工艺的记忆截割程序，实现采煤机在工作面的自动记忆截割运行。在采煤机牵引部安装位置传感器，通过控制器的数据处理模块，计算采煤机的位移信息，输入到数学模型，精确实现采煤机位置定位。

二是支架及刮板机跟随采煤机随机自动化工艺：其基础技术是液压支架的电液控制及采煤机的记忆截割，需要对综采工作面三机设备适时进行工况检测、姿态检测和故障诊断等，保证整个工作面设备在最佳状态下运行。具备数据远距离传输功能，让用户在巷道监控中心和地面监控室随时了解采煤机的整机实时运行状态。

三是煤流负荷反馈采煤控制工艺：实时检测刮板运输机上的煤流分布负荷，通过变频技术控制刮板运输机的传输速度，实现工作面采装运的自动协调运行。

2、煤岩监测技术

现阶段综采工作面自动化还需要高清晰度的视频监控。每隔6台支架安装1台用于监控支架的矿用本质安全型高清晰摄像仪，安装在支架的顶梁上，照射方向与工作面平行。每隔3台支架安装1台煤壁监控摄像仪，安装在支架的顶梁上，照射方向与工作面垂直。采集的视频数据通过工业以太网传输到矿用显示器，并增加了图像处理后的煤岩分界标线。

3、远程控制技术

设在巷道监控中心的计算机控制采煤机和液压支架等开采设备的各种动作，通过远程计算机进入记忆截割，采煤机在工作面按设定工艺程序自动运行，自动调高、卧底、加速、减速;通过远控计算机，可以根据工作面运行情况随时干预调整采煤机的运行。矿用本安型采煤机操作台，主要用于在巷道控制中心内远程集中控制三机设备的启停、断电急停以及对采煤机进行远程操作，从而提高工作效率，减轻工人劳动强度，改善作业环境。

4、连续推进技术

在综采工作面的三直两平中，输送机保直是基础。由于煤层的起伏和地质环境的变化，工作面设备的非可视测量是一个技术难题，还要考虑采煤机截割时工作面煤尘对测量结果的影响，不能简单地采用地面常规的激光定位技术和经纬测量技术。根据综采工作面需要，相邻支架定位的偏差不能超过10cm，采用激光矩阵测量技术实现了支架对齐的要求，从而保证了输送机的平直度。

(二)“十二五”期间智能开采技术的发展水平

我国在“十二五”期间投入研发力量，在煤矿智能开采技术上取得了突破，达到了煤炭开采的国际领先水平：直接减少采煤工作面操作人员，由原来的30-50人/班减少到3-7人/班，人员的减少为煤矿安全高效生产提供了有力的技术保障;将工人从危险、恶劣的工作面内解放到相对安全的巷道监控中心，显著降低了工人的劳动强度，改善了工人的劳动环境。在同等的地质、生产技术条件下提高了产量，显著提高了煤矿经济效益。

智能化开采是一次采煤工艺的飞跃，提升了我国煤矿的综采技术水平，对煤矿安全高效生产、行业技术进步、产业升级具有重要意义。实现采煤生产的技术革命需要开发技术的飞跃性突破，综采工作面从自动化到智能化技术系统，集成了越来越多的现代科学技术功能。

自从2010年以来，智能化工作面已在国内主要的产煤地区试验和生产，先后在神东、宁煤、中煤、陕煤、同煤、阳煤、平煤、晋煤、峰峰、新集口孜东等矿区40多个工作面进行了探索与应用。例如，根据神华宁煤综采工作面中厚煤层赋存特点、地质条件，应用智能化技术突破传统模式的采煤工艺方法，实现了中厚复杂地质条件综采工作面的安全、经济、高效开采，其某一智能化工作面开采情况如下表。

表1 神华宁煤中厚煤层智能化工作面生产统计

综采工作面是一个在地球内部几百米深度的随时迁移的立体矩形采场，由于在采煤过程中打破了煤层中的应力平衡，受到矿山压力、瓦斯和地下水等多种因素的侵害影响，需要针对性的应对技术才能使开采顺利进行，智能化开采技术发展带来了新的技术难题。

 (三)存在的问题和发展方向

1、地质围岩智能探测难题

智能探测是指对采场未知区域的自动探查和检测，结合巷道掘进数据和钻孔数据生成工作面三维地质模型，能准确反映出煤层起伏、倾角、断层、陷落柱等地质构造，用于指导采煤机俯仰采控制和摇臂调高、煤岩自动识别、围岩控制等，也包括对未采煤层区域的超前地质精确探测，以保障智能化采煤装备的高效运行。

2、开采智能决策难题

目前的智能化开采系统，以过程化控制为核心。但是与生产管理过程还没有有效地衔接，未进行有效的信息集成和互通，不能有效地对综采关键设备进行智能管理，为生产管理者提供决策建议。由于开采地质条件的不断变化，煤层赋存的不可预知性，因此开采智能化还不能完全离开人的智慧，需要发挥机器和人各自的特长，规避人机各自的短处，现阶段还不能完全离开人的干预和控制。

设备可靠性问题：智能化离不开高可靠的综采设备，在此基础上增加感知、决策、控制和智能化功能，由单机向成套装备智能控制转变。

开采恶劣环境下可视化难题：由于开采时产生的煤岩粉尘会严重影响视频图像的采集，因此需要研究高清晰度和低延时的开采场景再现技术，对人的远程干预和机器视觉都能提供实时捕捉现场运行变化的特征。

复杂条件下的自感知技术难题：由于地下采煤工作面条件复杂、时刻移动、千变万化，对采煤工作面的条件变化数据实时跟踪、准确记录、分析判断、科学利用等，是采煤智能化遇到的最大技术难题。

因此，需要建立综采工作面自动化专家决策系统，融合“人、机、环、管”过程的数据及信息，并进行深度数据挖掘，从而建立起一套基于数据挖掘技术的综采工作面自动化专家决策系统，实现“预测、预判、预控”，进一步提高科学智能决策水平。

3、智能化开采发展方向

信息技术尤其是光电技术的发展对煤炭智能化开采的作用越来越大，适时地引入新的技术对综采自动化技术升级是必要的。

一是基于实时三维GIS的开采智能导航技术：智能导航技术是指利用先进的计算机、光电和导航技术对开采设备如工作面三机和人员进行自动定位，以实现安全监控和精确开采。

实时三维GIS的开发，将地理信息、三维可视化及工作面相关探测技术结合，建立工作面地质数据模型，分析模型的拓扑关系，开发形成工作面三维可视化GIS信息系统，为综采工作面智能化管理与决策提供科学依据。核心研究内容包括工作面三维空间定位、工作面扫描技术、工作面智能控制技术、三维可视化技术等。本项目建立了工作面实时GIS系统，实现工作面实时地质探测和设备定位，解决工作面地质探测、工作面三维空间定位、工作面智能控制等问题，为综采工作面智能化控制的实现奠定基础。

二是巡检机器人在智能化开采中的应用：通过采掘设备加装智能控制的遥控机器人，以辅助智能化工作面的维护和管理，通过加装有合适光源和视觉、听觉、振动等传感器，经过人工智能化处理，进行智能化工作面的自主开采作业。开采机器人是智能化开采系统强有力的补充，将逐步取代人类在危险的综采工作面从事一些非日常的工作。机器人技术将是未来采煤智能化技术的发展方向。

三、我国煤巷智能化快速掘进新技术

一直以来，相对于国内煤矿综采技术装备的快速发展，掘进智能化技术进展缓慢。目前国内煤矿巷道掘进普遍采用炮掘、综掘工艺，而所谓的“综掘”实际上只解决了掘进问题，工作面未形成配套系统，支护、运输环节落后，设备调动频繁，人工锚杆支护效率低、劳动强度大、作业环境差。随着回采规模的不断扩大，各安全高效矿井存在采掘接续紧张、采掘比例失调、掘进队伍庞大、井下施工点多、掘进战线长等诸多问题，对安全生产构成较大压力。面对行业的迫切需求，中国煤炭科工集团太原研究院整合优势资源，进行工艺、装备创新，成功开发了“掘支运三位一体高效快速掘进系统”。

“掘支运三位一体高效快速掘进系统”是用于煤巷快速掘进的成套装备，由掘锚机、十臂锚杆钻车、破碎转载机、可弯曲胶带转载机、迈步式自移机尾组成，并集成配套通风除尘、供电、控制通讯等设备。该系统把传统的掘进、运输、支护等分步实施的工序，通过新技术装备有机整合在一起，有效解决了掘进、支护、运输的同步进行和连续作业问题，实现了掘锚平行作业、多臂同时支护、连续破碎运输、长压短抽通风和智能远程操控的高效一体化运行，第一次在煤矿井下实现了真正意义的综合掘进机械化。

该系统以掘锚机为龙头，巷道一次成型，采用惯性导航、姿态调整等智能化技术，保障成巷速度与工程质量。掘锚机集落煤、运煤、履带行走、锚杆支护于一体，采用全宽的可伸缩截割滚筒，机载4台顶板锚杆钻机和2台侧帮锚杆机，作业安全、高效。

履带式转载破碎机采用履带行走，同时作为可弯曲胶带转载机的牵引头车。有大容量铲板式料斗，可对浮煤进行清理;集成滚筒式破碎机构。破碎转载机紧跟掘锚机，将掘锚机截割下的大块煤进行破碎后，转运到可弯曲胶带转载机上，并由其再次转载到迈步式自移机尾的胶带上，将煤炭运出，实现连续运输。

十臂锚杆钻车机载的10台钻机同时对顶板、侧帮全方位锚杆支护，与掘进、运输过程互不影响，掘锚分离，提高支护效率。掘锚机、破碎机的司机在十臂锚杆钻车上远程操作，保证人员在可靠的支护环境下作业;采用统一的控制平台，依托设备高度自动化及系统集中协调控制功能，实现掘、锚、运多个作业单元联动、连续运行。

胶带转载机的重叠搭接行程消耗完之后，启动迈步式自移机尾，快速延伸胶带。胶带的搭接行程可达150m，掘进150m延伸一次胶带，满足一个圆班的生产需要。

系统采用长压短抽的通风方式，集成了高效负压湿式除尘器，实现人员在新鲜风流下作业，降尘效果显著，避免了设备频繁调动造成人员伤害。建立工作面防爆无线控制网络及视频通讯网络系统，通过数据基站与地面控制中心进行数据交互。

新系统的掘进速度每分钟0.3m，运输能力每小时1500t，可实现50m无线遥控，具备日进150m、月进4000m以上的能力，成巷速度提高4倍多。机组中的核心单机装备已实现远程控制、自动及半自动化运行，实现了相互配合、协同动作，构建了一个自动化、数字化、信息化的协同控制系统，其综合智能化程度已达到国内领先水平。

新系统于2014年8月在神东大柳塔矿使用，截止2016年4月，掘进巷道2.8万米，平均月进尺2400m，小班最高进尺85m，圆班最高进尺158m，月最高进尺3088m，大幅减人提效，刷新世界纪录。目前已针对不同矿区的煤层结构和地质条件进行系列化设计，衍生出“掘机锚+运锚机”、“掘进机+运锚机”等多种配套形式，并在神东矿区、黄陵矿业集团、阳泉煤业集团、潞安矿业集团等地推广使用。

“掘支运三位一体高效快速掘进系统”突破了长期制约井下掘进效率的瓶颈，打造了协调、连续、高效作业的掘进工作面，实现了减人增效，为掘进工作面无人化搭建了平台，推动了煤矿生产技术与工艺的变革。该系统于2015年6月成为国家安全生产监督管理总局“自动化减人、机械化换人”科技强安专项行动内容之一,是中国煤炭科工集团推科技创新取得的又一个新成果，是我国煤机行业的又一项重大突破。

四、结论

通过对智能化采掘的开发研究和工程实践，推动了采煤产业技术的转型升级，取得了一系列的技术突破，结论如下：

(1)智能化开采将工人从危险的采场解放到相对安全的巷道中甚至地面，是迈向煤矿本质安全最重要的一次进步。

(2)智能化开采提高了投入与产出比，节能安全，减人提效，是一次采煤产业的技术革命。

(3)通过研制智能化开采装备，提升了我国机电制造业和智能控制的整体水平。

(4)掘支运三位一体高效快速掘进系统把传统的掘进、运输、支护等分步实施的工序，有机整合，整体运行，有效解决了掘进、支护、运输的同步进行、连续作业问题，实现了掘锚平行作业、多臂同时支护、连续破碎运输、长压短抽通风和智能远程操控的高效一体化运行，创造了煤巷掘进速度的世界纪录。

(5)我国煤矿智能化采掘技术尚处于起步阶段，从技术、工艺和管理上还有许多未解决的问题，需要在传感、监测、控制、物联网和开采智能机器人等方面加大研发力度。智能化采掘技术是实现我国煤矿转型升级、减人提效的新技术，也是世界煤炭技术革命的新方向。