近年来，山西省煤炭企业认真贯彻落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略，创造性推进煤矿智能化建设，涌现出了一大批技术先进、管理科学、运行可靠的煤矿，为推动煤炭行业技术进步、装备提升、管理创新、效益改善做出了重要贡献。
为充分发挥典型煤矿的示范引领带动作用，推动煤矿智能化建设迈向更高水平，山西省能源局从全省范围内征集了124项煤矿智能化建设案例，经组织专家评选，共有65项案例入选。入选的案例兼顾国有企业和民营企业、采煤和洗选、井工和露天煤矿以及各种不同地质灾害、采掘工艺、运输方式等条件，涵盖信息基础设施、智能掘进系统、智能综采系统、全矿井智能化、其它智能化系统、露天煤矿智能化、智能洗选共计7个方向，确保具有可复制、可推广性。现编辑形成《山西省煤矿智能化建设典型案例汇编（2023年）》，供各地市、各有关企业和研究机构在工作实践中学习借鉴。
店坪煤矿掘进机自动截割机器人系统
配套滑移式支架技术研究与应用
霍州煤电集团吕梁山煤电有限公司方山店坪煤矿
（一）矿井概况
山西焦煤霍州煤电店坪煤矿，隶属于霍州煤电集团有限责任公司，属国有企业。位于山西省吕梁市方山县大武镇王家庄村一带，井田面积13.5303平方公里，批准开采2#、3#、5#、8#、9#、10#煤层，地质储量9035.5万吨，可采储量2923.5万吨，核定生产能力260万吨/年，服务年限8.0年。
店坪煤矿为低瓦斯矿井，水文地质类型属中等。全井田设+900m、+830m两个水平。目前开采的3#煤层,顶底板均为砂质泥岩；9#煤层顶板为砂岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩，煤层倾角为3~11°。开拓方式采用斜井开拓。综采工作面采用走向长壁后退式采煤方法、一次采全高综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板；掘进工作面采用综掘机掘进，带式输送机运煤(岩)，无轨胶轮车完成材料、设备的运输工作，支护采用锚网索。井田内共设计三个井筒，其中主斜井886米担负煤炭及人员运输，副斜井356米担负材料运输，回风立井105.94米，采用中央并列式通风系统，煤炭运输采用胶带输送机运输，辅助运输采用无极绳绞车及防爆无轨胶轮车。
（二）建设内容
基于煤矿巷道掘进智能化、信息化、无人化的发展要求，为加快推进煤矿智能化快速掘进系统建设，不断提升矿井掘进效率和单进水平，在山西焦煤集团与北京易联创安科技发展有限公司联合研发的基础上，进一步达成技术协议，并在店坪煤矿引进一套掘进机自动截割机器人，同时为了实现最大限度掘支及大循环连续平行作业，店坪煤矿与辽宁天安科技有限公司合作，引进一套ZLH2×1040/24/36型滑移式临时支护装置与其配套作业。并于2021年3月在店坪煤矿10-1011掘进工作面安装投用。
通过采用先进的检测技术、数据处理技术、ARM嵌入式编程技术及电液控制技术等，使EBZ-200型掘进机具备定位自动截割、远程遥控、姿态调整、掘进机自动化监控等功能。远程控制台距离现场掘进机超过200m，掘进机姿态航向角、仰俯角、翻滚角误差不超过0.5°,实现掘进机高精度定向、自适应截割及掘进环境可视化。同时利用滑移式临时支护一次支护距离长的优势，增大综掘机一次截割深度，最大支护长度可达到8.3m，从而在少人、甚至无人操作下，高效、安全完成井下掘进作业，提高矿井综合单进水平，最终实现井下掘进作业智能化、无人化目标。
图1智能掘进机配套滑移式支架
1.工作面基本情况
10-1011掘进工作面位于830水平一采区左翼，设计全长737m，净断面为5.0m×3.1m。
2.劳动组织情况
10-1011掘进工作面由店坪煤矿综掘二队负责掘进施工，队组在册职工48人，下设2个生产班组和1个机电班组，采用“三八”工作制。该设备从2021年3月9日开始下井试用，通过店坪煤矿相关部室、队组为期20天的现场跟班，每天对工作面劳动组织、操作工艺、正规循环、设备维护保养四个方面存在的问题进行协调、改进，目前设备正在逐步发挥出最佳效果。通过一个月的试运行，该队组日单进水平由以前的平均8m/天提升至12m/天（每月作业天数按25日计算），掘进人效提高2.1米/月/人。
（一）智能掘进机
EBZ-200型掘进机具有手动本地控制、视距遥控控制、井下远程控制和地面远程控制四种控制方式。
系统主要包括机载子系统、遥控子系统和网络通信子系统三个部分。其中：机载子系统包括控制器、电源、传感器、网络交换机、网络摄像头等；网络通信子系统实现机载子系统和远程遥控子系统之间的网络通信，包括有线和无线通信网络；遥控子系统主要包括视距遥控器、矿用井下遥控平台和地面远程遥控平台，实现对掘进机的近距离及远程控制。
图2智能掘进机机载子系统
1.视距遥控/远程遥控功能
EBZ-200型掘进机自动截割具有就地控制、视距遥控控制、远程控制（井下和地面）三种控制方式。目前三种控制方式均已实现并可独立运行，其中：
就地控制：在工作面本机操作控制。
视距遥控控制：在距工作面150m范围内完成操作控制。
井下远程控制：在皮带机头操作硐室内安装远程控制台；通过无线基站和光纤进行信息数据传输，实现一站式远程高效控制。
地面远程控制：在矿调度室远程控制台操作控制，通过矿千兆工业环网进行信息数据传输。
图3 智能掘进机地面远程操控图
图4 视距遥控单元、井下远程遥控平台、地面控制台
授权人可视情况自行切换三种控制方式。视距遥控控制、远程控制安装后不影响掘进机原有控制功能，同时就地控制可根据工作面实际情况对视距遥控、远程控制进行人工干预。
2.位姿调整
位姿调整系统基于二维360度激光雷达和基准位置标志牌，实时监测掘进机的位置和姿态。掘进机机身位姿参数主要包括：俯仰角、水平偏距、机身左右距。
3.自动截割
通过采集多参数传感器数据以及位姿测量和位姿补偿的结果，通过数学建模，自动控制截割臂的回转和升降油缸，截割出符合煤矿掘进规程要求的规整断面。
图5自动截割数学建模
4.摆速自适应
通过采集截割电机负载、掘进机振动频谱和液压系统的压力等，自手动控制截割臂摆速和滚筒转速。
5.现场可视化
掘进机机身安装6个高清网络摄像头，实时采集工作现场关键视角的视频信息，通过无线网络传输到远端监控中心。
图6 现场可视化
6.工况监测
掘进机电控箱及相关位置安装电压、电流、温度、压力、流量等传感器，可实时监测掘进机工况参数，当数据超过限值时，
发出声光报警。
图7 工况在线监测
7.人员防护
工作面安装红外对射传感器，实现掘进面现场的人员防护。当掘进工作期间，有人员接近掘进机一定距离，设备自动报警甚至停机。
8.环境监测
在机身安装粉尘浓度传感器，同时获取掘进机机身瓦斯断电仪数据，从而在粉尘浓度和瓦斯浓度超限时及时报警甚至停机。
9.一键启停
井下远程控制台和地面远程控制台具有一键自动截割启动功能。
（二）滑移式临时支护
滑移式临时支护装置采用多柱支撑、整体框架式结构，主要由横梁、顺梁、前梁等金属结构件和立柱、千斤顶等液压元件组成。特别是其独有的整体伸缩式顺梁结构，由两套顶梁对同一块顶板形成交叉支撑，通过液压系统控制实现交替掩护前移，任一组顶梁前移时另一组顶梁继续支护顶板，实现对顶板不间断支护且无大面积空顶，被支护的顶板不会出现下沉或者漏顶现象，而且可以使掘进机和作业人员完全掩护在装置下，掘进机截割后，前移支架工作完成的同时即可对刚截割完新暴露出的顶板进行临时支护，随后借助顺梁和翻转梁铺设金属网，进行永久性支护作业时，工作人员可以始终在装置下方进行操作，作业空间大且安全程度高。
1.主要技术参数
2.系统组成与工艺配套
滑移式临时支护装置采用多柱支撑、整体框架式结构，主要由横梁、顺梁、前梁等金属结构件和立柱、千斤顶等液压元件组成，具体工艺配套流程如下：
（1）伸2#、4#立柱：工作面每施工1个循环3m后，打开右侧2#、4#立柱手把，收2#、4#立柱至距底板高400mm，开启行走推移千斤（行走步距1.1m），到位后开启2#、4#立柱手把保证立柱压力不低于10MPa，完成伸架。
（2）铺网：将滑移式临时支护前梁向下旋转至最低位置；支护工站在超前支架前梁下方两侧，将提前固定好的顶网及钢带放置于前梁上初步固定，前梁向上升起，完成铺网。
（3）伸1#、3#立柱：打开左侧1#、3#立柱手把，收1#、3#立柱至距底板高400mm，开启行走推移千斤（行走步距1.1m），到位后开启1#、3#立柱手把保证立柱压力不低于10MPa，完成伸架。
（4）永久支护：滑移支架重复伸架步骤至工作面迎头后，进行永久性支护作业，一个循环结束，继续下一个循环。
图8智能掘进机与临时支护装置示意图
图9临时支护铺网装置示意图
（三）主要工艺流程
1.智能掘进机
2.滑移式临时支护
（四）安全监管系统
1.矿井安装一套KJ70X安全监控系统：具有模拟量、开关量、累积量采集、传输、存储、处理、显示、打印、声光报警、控制等功能。监控系统现采用了光缆环网结构，双机热备，24小时不间断瓦斯监测监控，井下各类传感器安装标准，运行稳定，实现超限自动报警、断电及分站专供电源，按规定进行调校。目前矿井安设监控分站26台，其中：地面3台（风机房、筒仓、束管室各一台）、井下23台；瓦斯传感器36台；风速传感器7台；一氧化碳传感器37台；二氧化碳传感器6台；氧气传感器13台；开停传感器23台；风门传感器22台；风筒传感器2台；温度传感器12台；烟雾传感器15台；负压传感器1台；各类传感器的设置、调校符合规定。
2.矿井安装一套JSG8型火灾束管监测系统，对煤层自燃发火进行采样监测，对井下工作面、上隅角、采空区、回风流等监测点的一氧化碳、二氧化碳、甲烷、乙烯、氧气、氮气等气体含量进行检测，每天检测一次，及时分析有关数据，发现异常及时采取措施。在井下各个皮带机头、综掘机、采煤机、胶轮车、各变电所、火药库、油脂库、泵站等硐室都按规定要求配备了灭火器等消防器材。
3.矿井在830水平建成了注氮硐室，使用型号为DTJY~800/0.8井下注氮装置（包括缓冲车、主机制氮机、净化过滤器、空压机车）。同时矿井投入了2台阻化剂喷洒泵，为矿井防灭火提供了保障。
4.矿井安装一套KJ402矿用水文监测系统，该系统集矿井水文数据采集、数据处理、数据网络共享、矿井水害预警、辅助决策于一体，采用现代化的监测手段对地下水的各种参数进行监测，从而能够及时掌握水文动态，达到对水害事故的早发现、早预报、早防治。该系统由硬件系统和软件系统组成。系统的硬件部分研究内容主要有：传感器、遥测分站、传输系统（无线或有线方式）和水文监测主机等，系统可以通过传感器和遥测分站将地面或井下采集到的各种水文实时数据，使用GSM网或工业控制网，按照设计的通信协议，将各观测点的水文数据传输、处理并存储到水文信息数据库中。系统的软件部分研究内容主要有：水文数据的实时采集、组织与数据库建立、水文数据分析处理、数据发布以
及智能预测预警功能的实现。
5.灾害综合防治系统：双重预防机制管理信息系统，通过井下现场录入的隐患问题，能够实现系统自动分析井下各头面和各部门安全风险预警提示，并实现信息化管理。
6.顶板灾害：矿井安装一台KJ653煤矿顶板动态监测系统，能够实现对矿压监测点进行实时监测，压力数据实时查询及压力分步分析并形成监测报表，能够基于监测数据实现矿山压力的预测与预警。
7.入井人员装备：管理人员入井配备数瓦和定位，实时实地采集井下瓦斯信息，所有入井人员实现定位功能，对井下边缘死角单岗作业人员进行定位监控，超过一定时长无变动进行预警。
（一）生产组织方面
原先综掘工作面每小班施工2个循环（1个循环2m），智能化掘进工作面建设及应用后，循环进度由2m提升至3m，日单进水平由以前的平均8m/天提升为12m/天（一月作业天数按25日计算），掘进人效提高了2.1米/月/人。下阶段将继续对最大平行作业工艺工序调查研究，力争日单进水平达到16m/天，月单进水平达到400m/月。
（二）减人增效方面
原先掘进工作面割煤期间需配备正、副2名综掘机司机，支设临时支护期间需配备3名职工。智能化掘进工作面建设及应用后，割煤期间只需配1名司机通过显示屏进行操作割煤，支设临时支护时只需2名职工操作手把就可前移临时支护。
（三）安全效益方面
原先综掘工作面割煤期间主司机坐在综掘机座位上操作，副司机站在综掘机上指挥，存在很大的安全隐患。智能化掘进工作面建设及应用后，割煤期间主司机可离开工作面通过显示屏进行远程操作台或遥控器操作，割煤期间工作面无人化管理，杜绝了人的不安全因素。
（四）推广应用前景
通过煤巷综掘工作面掘进智能机器人配套ZLH2×1040/24/36型滑移式临时支护装置作业，实现掘进机高精度定向、自适应截割及掘进环境可视化，从而在少人、甚至无人操作下，完成高效、安全的井下掘进作业，提高了矿井综合单进水平，降低了工人的劳动强度，改善了工人的工作环境，为综掘工作面安全、高效、快速掘进提供了保证，也有力地促进了综掘机械化装备水平的提高，为同等条件下其他矿井推广应用提供了宝贵的经验和应用价值。
