山东能源集团董事长作重大进展报告

煤炭是我国主体能源和重要工业原料，在当前一次能源生产和消费中占比67.4%和56.2%。随着浅部煤炭资源日趋减少，尤其是华东、华北地区浅部煤炭已近枯竭，中西部鄂尔多斯盆地浅部煤炭资源储量也快速下降，以深部厚煤层为主的资源禀赋决定了其安全高效开采在国家能源安全中的重大战略需求。综采一次采全高是深部厚煤层最佳开采方式，受原有开采技术局限，6~10m厚煤层只能采用“分层”或“掏芯”开采，即使采用国外最先进装备，其最大采高也无法突破5.5m，造成25%以上的资源浪费，难以支撑深部煤炭高效开采和保供需求，亟待以数字化和智能化为支撑实现深部煤炭高效开采成套技术的重大创新，但仍存在四大难题：

①地下开采非结构性受限空间复杂，一般工业数智化理论和技术难以适用；②深部厚煤层综采易造成强矿压和围岩失稳无法支护，导致开采效率难以提高；③国内外没有能够可靠运行的深部厚煤层工作面成套装备；④国内外没有深部煤炭数智化高效开采成套技术集成工程应用的先例。针对上述难题，山东能源集团有限公司联合天地科技股份有限公司、北京天玛智控科技股份有限公司等产学研用多家单位联合攻关，依托兖矿能源集团股份有限公司王国法院士工作站，经过10年攻关，进行了深部煤炭数智化高效开采成套技术创新，并成功在国内外应用。

文章来源：《智能矿山》2024年第3期重大进展特刊

作者简介：李伟，研究员，博士，现任山东能源集团有限公司党委书记、董事长

作者单位：山东能源集团有限公司

引用格式：李伟.深部煤炭数智化高效开采成套技术与 工程应用[J].智能矿山，2024，5（3）：2-6.

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深部煤炭开采系统复杂，同步运行上百个子系统。一般工业数字化模型、理论基础、海量多元异构数据处理方法和技术标准不适用于井下开采；环境-装备-工艺协调运行机制不清晰，矿山大模型涉及场景复杂，要素繁多，非结构化和不确定性大，国内外均无应用先例，无法满足复杂巨系统的智能控制要求。

针对煤炭地下开采复杂巨系统数据融合分析处理难题，提出了“分级抽取−关联分析−虚实映射”的多源异构数据处理方法和数据更新策略，构建了煤矿跨系统信息感知体系，根据生产、安全等不同需求，提取对应标签数据源，进行信息主动匹配、推送与自动更新；研发了数字驱动的煤层模型智能推断构建方法和系统，构建了全息数字化三维地质模型，实现了设备参数和开采工艺的自适应匹配，为智能化开采提供了数字化地质保障（图1）。

图1　基于智能感知的煤矿数字逻辑模型

首创了基于矿山大模型的井下全时空环境−装备−工艺智能协同的决策优化预训练架构，开发了以视觉、预测、自然语言处理和多模态为核心的百亿参数、十亿数据的系列矿山专属模型，研发了具有自动调优、数据诊断、按需抽取等功能的多层级模型数据迭代系统，实现了模型监控−数据回传−持续学习−自动评估−持续更新的AI全链路闭环管理，该模型已应用到综采、掘进、安控、钻探等49个煤矿场景；开发了地质保障、采掘运通、安全监控、智慧园区等十大数智系统，实现了煤矿生产全流程数字化管理和运行。

基于深部煤炭数智化高效开采成套技术与应用构建的煤矿智能化技术体系和研发成果为基础，统一了煤矿数字化基础和智能化工艺、装备、行为及派生属性，规划了包括基础通用、信息基础、赋能平台与软件、生产系统与技术装备、运维保障与管理5个标准子体系，起草和制定了580项煤矿智能化标准或方案，成为行业标准建设的指导性文件，为煤矿智能化建设提供了标准指引。

随着采深加大，井下采场高地压、大变形现象愈发突出，超大采高形成的超大开采空间、超高煤壁容易失稳，常规大采高工艺在5~6m采高时易出现拐点，导致片帮、冒顶事故难以控制，严重威胁人员与设备安全。因此，国内外长期把5.5m作为极限采高，我国的6~10m厚煤层开采只能采用“分层”或“掏芯”工艺开采，造成大量的煤炭资源浪费。

建立了超大采高装备与围岩强度、刚度和稳定性“三耦合”模型，基于本模型获得围岩控制的时空效应及其关键参数，使围岩差应力减小50%，顶板和煤壁破坏时间延后1倍（图2）；建立深部厚煤层顶板下沉与煤壁片帮的“双因素”支护策略（图3），给出了最佳围岩支护强度和煤壁支护高度；揭示了深井厚煤层工作面分区支护应力特性，提出了一种基于状态误差和代价函数的工作面分区自适应控制技术（图4），有效解决了深部厚煤层超大采高片帮和冒顶问题，实现了6~10m采高工作面围岩稳定控制。

图2　超大采高围岩稳定性控制效果

图3　考虑顶板下沉及片帮的双因素力学模型

图4　分区自适应控制技术

针对超大采高工作面与巷道存在2~4m的高差，研发了工作面直接过渡到巷道的割煤工艺，发明了大梯度过渡配套（图5）以及超前段非等强支护技术（图6），实现了工作面巷道连接区域围岩控制和高效推进的最佳协同，解决了原有方式导致的三角煤损失、支护效果差、推进效率低等问题。采用该技术后，1个工作面可多回收煤炭40万t。

图5　大梯度过渡配套方式

图6　超前段非等强自适应支护

发明了“自适应控制＋队列一致推进”的液压支架群组协同控制方法，设备运行一致性较单机控制提高了3倍以上；构建了工作面煤岩−设备−空间−环境参数多信息感知融合、决策、自适应开采控制逻辑，研发了“支−采−运”工艺引擎驱动的主从调度网络型电液智能控制系统。克服了原单机或集中控制方式因工作面埋深变大、采高增加、围岩活动加剧带来的液压支架动作控制不精确、响应不及时、群组目标不一致等问题，实现了自适应主动支护与协同推进。

深部厚煤层开采对液压支架载荷造成的冲击加大，极端情况下动载系数超过2.5，超大采高液压支架具有大尺度、高动压敏感的结构特点，最大力传递系数达4.5，常规设计方法、结构和检验手段无法保证其适应性和可靠性需求。超大采高工作面运煤量急速增加，采运系统不协调，运输系统易被压死、重载启动难，原有软启动装置或电机−变频器分体式驱动存在体积大、启动困难等问题，无法满足井下有限空间强力运输智能调控要求。

首创了液压支架三维动态优化设计方法，构建了一种准刚性四连杆机构并全面预评估了液压支架对围岩的适应性及支护效果，发明了ø630mm大缸径增容缓冲抗冲击立柱、三级协动护帮装置、初撑力自动补偿与快速移架系统；开发了全球最大的垂直加载50000kN、试验了高度10m的液压支架可靠性验证系统。建立了全新的超大采高综采支护技术实现途径，解决了原有支架结构无法适应深部厚煤层超大开采空间动载冲击工况等难题，支撑高端液压支架寿命由1.5万~3万次提高到6.3万次（图7）。

图7　世界首套8. 2 m超大采高液压支架

发明了集成变频器功率单元、驱动单元与监控单元的一体式高压大功率变频电机（图8），变频器体积仅为常规变频器的1/6；发明了变频调速一体机复频域矢量控制自适应调控技术，实现了无速度传感器下刮板输送机低速大转矩启动和快速响应；研制了智能高效节能高压变频调速一体机系列设备，节能减排达25%，主要参数和性能显著优于国外同类名牌产品。

图8　高压隔爆变频调速一体机结构

首次成功进行8m以上超大采高、千米深井和澳大利亚数智化开采技术集成工程应用。在山东能源集团金鸡滩煤矿建成首个8.2m超大采高智能化综采面，创造年产1836万t世界纪录，全员工效（339.2t/工）比全国平均水平（16.78t/工）显著提高；在澳大利亚莫拉本煤矿成功实施顶板、底板和端部参数识别的自适应数智化开采。

山东能源集团有限公司、中国煤炭科工集团有限公司等单位依托深部煤炭数智化高效开采成套技术大幅提升煤炭一次开采效率，有效释放先进产能，提高资源回收率20%以上。据不完全统计，采用该技术近3年减少资源浪费约5600万t，减少洗选动力消耗和矸石排放，有助于矿山节能减排及环境治理；研制的智能变频调速一体机驱动的大功率刮板输送机，节约能耗达25%，近3年减排二氧化碳452.16万t，相关产品和技术推广至油气开采、港口船舶海工装备等领域，支撑多行业节能减碳。

深部煤炭数智化高效开采成套技术装备实现了大型装备节能减排和产业链延伸，推动了我国煤炭工业高端化、数字化、智能化转型和高质量发展，提高了国家能源安全保障能力，取得了重大的经济、社会效益和显著的生态环境效益，构建形成煤炭高效开发利用新模式。