2014年，陕西陕煤黄陵矿业有限公司（简称黄陵矿业公司）联合中国煤炭科工集团有限公司、西安煤矿机械有限公司等单位在黄陵矿业公司一号煤矿（简称黄陵一号煤矿）率先完成中厚煤层智能化开采技术研究与探索，利用工作面视频系统构建，集成融合采煤机记忆割煤、工作面液压支架自动跟机控制技术，形成了“可视化远程干预型”智能化开采新模式，首次实现了地面远程操控采煤作业的常态化，相关成果达到了国际领先水平；2016年，在中厚煤层成功实践的基础上，黄陵二号煤矿开展大采高（厚煤层）智能化开采技术研究，集中攻克了制约大采高智能开采普遍面临的煤壁片帮、底软拉架等技术难题，实现了智能化开采技术在大采高煤层和复杂地质条件下的常态化应用；2017—2018年，黄陵矿业公司又成功将该技术推广应用至双龙煤业和瑞能煤业，至此实现了智能化开采技术在薄煤层、中厚煤层及大采高的全覆盖应用。
文章来源：《智能矿山》2023年第9期“智能采掘”专栏
作者简介：张玉良，高级工程师，现任陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿机电矿长
作者单位：陕西陕煤黄陵矿业有限公司
引用格式：张玉良，马骋，宋焘，等.黄陵一号煤矿智能开采技术研发与实践 ——基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能 开采技术[J].智能矿山，2023，4（9）：61-65.
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黄陵矿业公司“可视化远程干预型”智能化开采技术模式主要依靠“液压支架自动跟机+采煤机记忆截割+可视化远程干预控制”来全过程监控采煤作业，虽然有效解决了井下采煤工作面用人多、劳动强度大等问题，但存在着远程干预控制频繁、记忆截割应用率低等问题。究其根本原因，还是智能化开采关键技术难题尚未攻克。
2019年3月，黄陵矿业公司联合中煤科工西安研究院（集团）有限公司、西安重工装备制造集团有限公司、西安合智宇信息科技有限公司等单位开展“基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术”项目研究工作。2020年3月，该项目在黄陵一号煤矿810工作面实施并开始工业性试验。2020年8月，该项目顺利完成，通过构建工作面动态三维地质模型，利用大数据智能决策平台分析地质模型“CT”切片、开采工艺、设备工况等信息，得出最优生产决策信息并下发至井下精准控制中心，指导工作面精准采煤，在国内率先实现了工作面内无人干预规划截割的生产模式。基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术将当前基于记忆截割的“智能开采1.0”阶段升级为基于透明地质规划截割的“智能开采3.0”阶段，实现了由传统的记忆割煤向三维空间感知和自动截割的技术跨越，具有很强的适应性和实用性。2020年8月26日，项目通过了陕西煤业股份有限公司组织的专家验收；2020年9月15日，中国煤炭工业协会对“基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术”项目进行科技成果鉴定，达到国际领先水平。
黄陵一号煤矿是公司的核心骨干矿井，生产能力600万t/a，位于陕西省黄陵县店头镇，井田面积197km2，地质储量4.44亿t，煤层厚度为0.8～4.69m，平均厚度2.18m，倾角3～5°，可开采储量3.47亿t，煤层顶底板属于砂岩或泥质砂岩，顶底板相对完整，属于水文地质条件复杂的高瓦斯矿井。
“基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术”项目实施地点为黄陵一号煤矿810智能化综采工作面，位于井田八盘区西翼，北邻812进风巷（正在掘进），西接八盘区辅助运输大巷，南为808工作面采空区，东为井田边界。工作面上覆地表为低山林区，沟壑纵横，可采长度为1950m，宽度为261m，煤层厚度为1.3～3.0m，平均厚度为2.72m，可采储量为167万t。810进风巷为工作面辅助运输及进风巷，北侧为812进风巷，812回风巷为工作面主运输及回风巷，靠工作面外侧为实体煤柱，内侧布置带式输送机，810智能化综采工作面主要巷道技术参数见表1。
表1 810智能化综采工作面主要巷道技术参数
近年来，随着煤矿地质探查手段及探查精度的不断进步，待开采的采煤工作面煤层地质信息愈发透明。因此，通过钻探、巷道测量和槽波勘探等物探手段来构建较精准的透明工作面三维模型，提前规划截割模板，再联合应用惯性导航技术、雷达定位技术和大数据分析决策技术，不断修正截割模板，最后通过井下精准控制中心完成对采煤机和液压支架的精准控制，是实现智能精准开采的一条可行之路，该技术具有很强的适应性和实用性。基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术总体研究思路如下：
（1）利用地质写实、物探、钻探等数据，建立智能开采工作面的三维静态地质模型。
（2）通过雷达、惯性导航对设备姿态的实时测量感知，采集综采工作面液压支架、采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机、泵站等设备参数，通过工业以太网将其传输到井下精准控制中心，并精准控制设备姿态。
（3）建立煤矿生产的大数据智能分析决策中心，基于多种监测监控数据提取生产揭露的地质信息，对工作面三维模型进行动态修正，同时基于历史生产数据和故障案例构建深度学习模型，实现对设备的精准控制、故障自诊断以及对生产工艺的智能决策，最终实现基于工作面三维地质透明化的智能精准开采。
（1）研发隐式迭代算法的三维建模技术，构建综采工作面高精度地质模型。提出以综采工作面为研究对象的综合探测与分析方法，准确预测工作面内异常构造体（图1），为智能开采提供地质保障；基于地质写实、钻孔探测、槽波地震勘探的数据，构建了综采工作面静态地质模型（图2）；自主研发隐式迭代建模、动态更新算法，大幅提高了已有地质数据的利用率，实现了静态地质模型的动态更新，并首次了实现地质信息在综采工作面生产决策中的深度应用。通过规划截割系统对三维模型进行“CT”剖切，提供规划截割曲线，并通过数字孪生系统，搭建三维虚拟场景配准地质与设备模型，将真实开采工况映射至赛博空间。
图1 构建810工作面三维地质模型
图2 综采工作面静态地质模型
（2）构建一套可预测、预判、预控的综采大数据智能决策平台（图3），实现了大数据技术在生产决策中的应用。根据透明地质模型“CT”切片、开采工艺、设备工况等数据分析决策出最优的生产信息，建立规划截割模型并传递至智能精准控制系统；同时开展大数据融合、模型数字化、分析决策、机器学习等技术研究，实现了对地质模型、综采设备、空间感知的海量数据的融合应用、自主分析和精准决策。通过大数据运营、地质数据分析、采煤工艺决策、采煤机规划、电液控规划等系统，可指导全工作面设备自主规划截割。
图3 大数据智能分析决策平台
（3）首创基于“CT”切片技术的精准控制方法，实现了工作面无人开采。通过流程管控、精准开采控制、自动化控制、规划参数控制等系统，设计了一套拟人化的自主规划截割开采工艺，精准控制中心根据规划截割模型控制采煤机自主完成截割高度、运行方向、运行速度、折返换向点的精准执行；液压支架自主完成中部与三角煤部分的规划控制精确跟机、拉架、推移刮板输送机，实现了全工作面设备根据规划截割模型生产循环的自主执行的无人化开采。
（1）实现了精准控制中心对工作面设备的工况监测与远程控制功能，并可以按照逆煤流顺序“规划”启停。
（2）实现了利用隐式迭代建模、动态更新算法等技术对工作面静态三维地质模型的动态更新。
（3）实现了利用“CT”切片技术生成规划切割曲线功能（图4），切割曲线包括有等间距网格点的煤厚、顶底板倾角、俯仰角等信息；并根据反馈的当前工作面开切眼实际位置，自动生成之后10刀的规划曲线。
图4 地质模型“CT”切片技术
（4）实现了根据透明地质模型和综采设备的工况监测数据和开采工艺，利用大数据机器学习、数据聚合、插值、补偿、无界流等算法对规划截割模型进行实时修正，形成高精度的规划截割模型。
（5）利用惯性导航技术、雷达测距技术和大数据算法，实现了综采工作面在三维地质模型中的精准导航、定位和工作面自动找直。
（6）实现了利用雷达测距技术测量输送机机头机尾与两侧巷帮的距离，大数据中心利用实时测量数据，提示进行上窜下滑控制。
（7）实现了利用数字孪生系统，对工作面主要设备及虚拟巷道进行实时展示。
基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术的成功应用，使工作面实现了无人开采，井下监控中心无需人为进行远程监视和干预，彻底将工作面的1名巡检人员和井下1名远程监控员解放出来，真正实现了全工作面无人化精准开采；彻底将职工从危险和高强度的工作环境中解放出来，体现了“以人为本、安全健康”的发展理念。
（1）增加了智能控制系统的“自动分析、提前预测和自主控制”功能，全面提升了智能开采技术在复杂地质条件下的自适应调整能力，具有较强的推广应用价值。
（2）首次实现了大数据分析决策技术在煤矿综采作业中的应用，为新一代科技在煤矿生产决策中的深度应用进行了有益探索。
（3）实现了由传统的记忆截割向三维空间感知、智能规划和自主截割的技术跨越，对推动煤炭行业智能化开采技术进步具有重要意义。
黄陵矿业公司虽然在智能化开采技术研究应用方面又率先向前迈出了坚实的一步，但与实现全面智能化采煤尚有一段距离。因此，黄陵矿业公司将继续在基于动态地质模型大数据融合迭代规划控制策略的智能开采技术上进一步探索，搭建工作面的多维度地质模型，积极引入智能矿压监测、灾害智能预警、人工智能分析等新技术，不断提升综采工作面模型的“透明”程度；积极开展新技术研究，不断提升智能化水平；紧盯煤炭科技发展方向和最新研究成果，积极探索应用物联网、云计算、人工智能、机器人、5G等煤炭领域新技术，不断引领煤矿智能开采技术进步。
下一步，黄陵矿业公司将紧跟国家能源发展战略和煤炭行业科技发展步伐，以持续引领煤矿智能化开采技术进步为己任，以全面建设“智能矿井”为目标，勇于担当、敢于攻坚，为全国煤炭行业核心技术升级换挡和煤炭工业安全、智能、高效发展作出贡献。
