“煤矿智能化关键技术”专题（《煤炭学报》）

来源：《煤炭学报》2020年第6期

煤炭是人类生存的主要能源物质，在2019年的一次能源消费中，我国煤炭能源占比57.7%，世界煤炭能源占比约27%。在相当一段时期，我国仍要依靠煤炭能源作为经济社会发展的“工业粮食”，但其生产方式和利用将发生重大转变，必须走“智能安全开采，清洁高效利用”的高质量煤炭工业发展之路。

当前，煤矿智能化开采技术研发与应用积极性之高、各界行动响应之快、成果涌现数量之多、实践探索范围之大，在我国煤炭工业创新发展历史上是少有的。为了展示目前我国煤矿生产智能化技术成果，《煤炭学报》汇集了这期专题论文，征集各方面在煤矿智能化技术创新与应用的成果和经验。

在征文通知发出之后，广大作者投稿十分踊跃，展现出对本期专题的广泛关注，但受限于期刊版面，本期只能刊出36篇论文。在这36篇论文中，涉及到智能化架构论文4篇（占比11.1%），智能化生产论文17篇（占比47.2%，开采5篇、掘进4篇、支护3篇、运输5篇），智能化安全控制论文15篇（41.6%，煤矿机器人6篇、安全监测9篇）。在此，向为本期专题奉献佳作的论文作者表示感谢！

煤矿智能化技术发展不是一蹴而就的，它是站在机械化、数字化、自动化的扎实基础之上，这其中凝聚着几代煤炭人的辛勤奉献，向他们致敬！它是依靠绿色开采、安全开采、科学开采、精准开采的理论模型支撑，这其中凝聚着煤炭行业院士、学者的智慧结晶，向他们学习！它是融合机器人、人工智能、大数据、工业互联网等技术架构，这其中召唤着青年一代科技工作者的创新攻关，为他们加油！

行业视野: 智能化
类别; 164个
关键词; 178位
专家; 40篇
论文; 78518IP
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智能化采煤系统架构及关键技术研究

作者(Author)：黄曾华, 王峰, 张守祥

摘要：随着煤炭行业自动化、数字化、信息化的变革,智能化采煤成为了重要的发展方向。本文先针对我国当前推广应用的可视化远程干预智能化采煤模式进行了分析,介绍、总结了基于视频监控的远程干预综采智能化、以巡检机器人辅助的工作面智能化,以及基于惯性导航技术的综采智能导航等 3 个方向的技术发展情况,总结性提出了当前可视化远程干预智能化采煤工作面对的“看、动、想、稳”4 方面实际问题。其次,分析了面对复杂开采条件下智能化采煤所面对的自适应技术和综采机器人技术 2 项技术难题,归纳出开采空间多元信息采集及交叉融合、智能化采煤决策基础理论、综采装备群智能化协作 3 个科学难题。再次,围绕技术科学难题,提出了智能化开采系统需要具备的 4 个基本要素,分别为:煤炭开采空间感知能力要素,智能分析及决策能力要素,自动执行能力要素,可靠及稳健运维能力要素,设计了以“感知、决策、执行、运维”为 4 个维度的智能化采煤系统架构。研究了关键技术待突破方向,包括开采地质环境增强感知技术、智能开采工艺分析决策技术、开采装备智能化技术、煤矿智能巡检机器人技术、开采系统智能运维技术、辅助生产环节智能化技术、综采智能服务等方面。最后,以国能集团神东榆家梁煤矿智能化采煤示范工程项目为例,开展了基于“透明工作面”的数字化采煤应用,初步实现了智能化自主采煤。

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采煤工作面煤层三维模型构建及动态修正技术

作者(Author)：刘万里 , 张学亮 , 王世博

摘要：高精度工作面煤层三维模型是实现无人开采的有效保障，但现阶段构建的煤层三维模型普遍存在以静态模型为主且垂向分辨率较低的问题，为满足无人开采对煤层三维模型高精度的要求，煤层三维模型必须要有一个动态精细修正的过程。为此，在详细分析了煤层三维模型不确定性影响因素基础上，提出一种煤层三维模型的动态精细修正技术，进而提升煤层三维模型局部精度，实现工作面的有限透明。主要思路是在工作面的不断推进过程中，动态融入回采作业中最新探测的工作面激光扫描数据、顶/ 底煤厚数据和采煤机截割轨迹信息，采用二次序列规划法精确计算出煤层三维模型局部区域的修正值，并利用克里格空间曲面插值法把修正值插入到煤层三维模型中，这样利用上一回采阶段新揭露的修正数据去动态修正下一回采阶段的煤层三维模型，如此逐级递进，逐步求精，从而提升煤层三维模型精度，使修正后的煤层三维模型更准确地表达出工作面实际煤层的结构信息，为工作面无人化开采控制提供关键基础数据。在斜沟煤矿试验结果表明工作面推进前100刀修正后煤层垂向误差绝对值小于0.2m区域比修正前提高了将近一倍，证实了该研究方法可有效提高采煤工作面煤层三维模型局部精度，提升煤层三维模型的实用价值和应用程度。

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智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术

作者(Author)：王学文 , 谢嘉成 , 郝尚清 , 李娟莉, 杨兆建, 任芳, 暴庆保

摘要：针对数字化综采工作面的场景构建、虚实交互通道和虚拟模型驱动三大基础问题，提出一种面向智能化综采工作面的实时虚拟监测方法，对高可信度煤层装备联合虚拟仿真与协同规划、实时可靠信息获取与“虚实融合”通道构建技术和虚实融合与感知一致性呈现等方法进行研究，具体包括:① 基于 Unity3D 开发特点和模型所需特性，分别完成了三机装备数字模型和煤层顶底板模型的构建，将虚拟装备布置在虚拟煤层中，实现各装备之间的虚拟协同以及装备与煤层之间的关系构建，完成了虚拟煤层环境下的装备协同推进仿真并对装备群协同运行进行虚拟规划，实现了高仿真度综采虚拟场景的构建;② 在装备反映位姿信息的关键位置上布置传感器，通过一系列接口和通道，构建 Unity3D 与组态软件、数据库和计算软件之间的信息交互。采用分布式协同的驱动模式，优化了数据的传输处理，最终将综采装备的实时运行数据导入虚拟平台，驱动虚拟设备运行，实现了稳定可靠的传感信息协同与调度;③ 构架了复杂综采虚拟场景实时驱动框架，研究了基于底层模型驱动虚拟单机关键技术，提出了采运装备协同仿真与实时数据驱动的方法、采煤机自动调高方法、刮板输送机和支架协同仿真与实时数据驱动方法、虚拟液压支架群的虚拟驱动方法以及动态透明工作面时空运动学实时分析方法，接着进行了虚拟监测界面设计，实现了传感数据与虚拟仿真运行信息高精度融合。最后在实验室综采成套试验系统和样机试验平台上分别完成了相关试验，验证了三大模块联合运行的正确性和可靠性。试验表明，VR 监测系统运行清晰流畅，虚实映射状态同步，可切换性好，呈现信息准确，后台数据库压力也较小，可以完成预期目标。在仿真运行中可实时提取出各装备与煤层运行的相关参数，完成高可靠性虚拟规划。

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中薄煤层智能开采技术及其装备

作者(Author)：高士岗, 高登彦, 欧阳一博, 柴敬, 张丁丁, 任文清

摘要：针对我国薄煤层产量逐年增长和开采技术相对滞后的现状，提出了透明化自适应型中厚偏薄煤层智能开采模式。以神东矿区为例，对当前的中厚偏薄煤层智能化开采技术进行了总结，介绍了中厚偏薄煤层智能开采情况，由此提出厚度1.0-1.7m的煤层称为中薄煤层的分类概念，以适应煤矿智能化开采和优先发展的需要。首先，在综合处理多源异构信息的基础上，将三维初始地质模型、激光扫描动态数字化工作面、顶底煤厚度探测结果以及煤机姿身数字化，实时提交给智能开采系统进行超前规划，生成动态透明四维地质模型。随后，根据实时生成的动态四维地质模型，获取每个截割位置的顶、底板高度数据，结合煤机姿态参数和采煤机的绝对位置坐标，及工作面平直度要求，对未来几个割煤循环的采煤机调高策略进行提前规划，形成基于动态透明工作面智能化割煤技术。提出了“十二工步”割煤工艺，建立采煤机电缆拖拽系统。最终，以动态四维地质模型构建、采煤机智能化割煤、工作面自动调直、机器人巡检、采煤机电缆拖拽、液压支架自动跟机以及智能协同联控等技术为依托，建立了具备综采工作面全面感知、设备远程集控、协同联动、自动控制、多维数据融合、隐患自动辨识、流程数据驱动、智能辅助决策的中厚偏薄煤层智能化综采工作面开采体系，实现由可视化远程干预型智能开采模式向透明化智能自适应型智能开采模式的转变。实践表明，动态四维地质模型的构建解决了薄煤层开采煤岩分界线识别，对未来10刀割煤循环给出调高策略，预设割煤轨迹与实际割煤轨迹趋势曲线位置偏差小于 0.3m。榆家梁煤矿 43101 工作面实践，日割煤15刀，年产量达221.6万 t，生产工效提高15.08%;工作面无直接操作人员，仅有1人巡视。

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智能化放顶煤开采的精确放煤控制技术

作者(Author)：张守祥, 张学亮, 刘帅, 徐国清

摘要：综放工作面液压支架引入电液控制系统后，实现了定时放煤和记忆放煤。要适应顶煤层地质变化，还需要引入放煤过程全方位监控技术和装备，实时监测放煤前、放煤中和放煤后的顶煤层静态和动态变化情况，精确控制放煤过程，做到随放随探，才能保证回采率和煤质的最优平衡。首先分析放煤过程监控的技术难点，在于放煤时煤岩粉尘造成视觉成像的信号严重衰减；其次根据放煤量数据判断煤矸放落比例的信号处理时间要求达到秒级，才能满足“见矸关门”决策对控制放煤实时性的要求。按照放煤过程分“放煤前、放煤中和放煤后”3 阶段采用不同的感知技术和装备，放煤前采用支架顶梁前部安装透地雷达测量顶煤厚度作为放煤量的基准；放煤中采用在支架顶梁和掩护梁结合处安装三维雷达扫描未放顶煤空间，测量出剩余顶煤体量，与放煤前的放煤量基准进行比对，来确定放煤过程何时终止；放煤后将识别后部刮板运输机上已放落的煤炭体量和煤矸比例，提高煤矸检测的鲁棒性。放煤前测量煤层厚度的雷达采用超宽带无线脉冲信号，能够穿透3 ~ 6 m的煤层，测量煤层厚度精度达到厘米级；放煤中对顶煤体量的动态变化检测采用激光雷达或毫米波雷达，能够满足空间测量范围、精度和处理实时性要求；放煤后对煤矸的识别采用高清宽动态摄像机辅以透尘光源，通过图像灰度卷积来计算煤矸混放比例参数，用以判断全煤下放、煤矸混放和全矸下放的 3 个过程数字量化问题，实现实时反馈控制精确放煤。通过放煤前、中和后 3 阶段的技术综合，研制相应的传感装备，将测量数据实时传输给工作面自动化系统，经过系统数据计算分析和智能化处理，把放煤控制决策数据发送给液压支架电液控制系统，实现对应支架的放煤口大小及时调整和关闭控制。经过具备条件的智能化综放工作面现场工业试验，验证了采用放煤前中后全过程实时监测手段能够精确地控制放煤口大小和关闭，实现了将现场放煤工人解放到安全条件好的巷道或地面监控中心，达到了综放工作面放煤现场无人操作的智能化目标.

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掘锚一体化高效掘进理论与技术

作者(Author)：王虹, 王建利, 张小峰

摘要：为提高巷道掘进效率，提出了掘锚一体化高效掘进的概念，指出高预应力锚固理论、空顶区顶板稳定控制理论、软岩流变理论、松动圈理论和锚杆支护动态信息设计方法等是掘锚一体机高效掘进的理论基础，进一步采用数值模拟和试验，发现了高效掘进围岩破坏变形规律和低比能耗高效截割的有关规律。针对综掘工艺平行作业率低的难题，攻克了高效掘进系统集成配套技术，创新研制掘锚一体机、锚杆转载机、跨骑式锚杆钻车和柔性连续运输系统等装备，构建掘进、支护、运输、除尘等工序的同步作业线，掘支运平行作业时间由 25% ~ 35% 增至 50% ~70% 。攻克了掘锚一体化技术和全宽截割技术，研制了国产掘锚一体机，优化了截割功率、空顶距、接地比压，行走采用千伏级交流变频调速技术，解决了国外设备截割能力不足、适应性差等难题，研制了双驱动高速合流重型截割减速器，实现截割功率达 340 kW，研制前探式临时支护，将临时支护空顶距由1 m 减至0.4m，研制宽型履带底盘，整机接地比压由0.28MPa 降至0.2MPa;针对锚杆支护与转载运输平行作业的难题，攻克了空间多维度同步支护技术，研制了锚杆转载机和跨骑式锚杆钻车等设备，通过多组钻机实现多排多臂分段平行支护，掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板，后部同步实施增强永久支护，形成“前疏后密，快速推进”协同支护体系;攻克了多钎杆钻孔自动接续技术，钎杆由机械手自动续装、由钎杆仓存储，解决了锚索钻装不连续的技术难题;针对胶带长距离搭接的难题，研制出柔性连续运输系统，设计了位姿锁定的蛇形关节架体、偏置摆动式油气悬挂、具有减摩降阻机构的迈步式自移机尾、穿梭动力站等核心部件，实现小半径 90°转弯和 150 m 往复搭接、连续转载;针对高效掘进粉尘防治的难题，提出了固液气三幕组合控尘方法，将粉尘控制在掘进工作面并形成粉尘池，防止粉尘扩散;研制了可随主机设备移动的除尘装置，实现除尘装置与掘进设备同步移动;攻克了小体积无龙骨自承式菱形滤袋过滤技术，研制了矿用全自动紧凑型袋式除尘器，总尘除尘率达99．7% ;攻克了滤网表面超疏水改性、双面两级流线形气液分离等技术，研制了矿用机载湿式负压除尘器。应用表明，与原有掘进方法相比，掘锚一体化高效掘进技术在稳定围岩和中等稳定围岩条件下提高掘进速度1 ~ 2倍。

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煤矿岩巷全断面掘进机(TBM)及智能化关键技术

作者(Author)：王杜娟, 贺飞, 王勇, 荆留杰, 赵先发

摘要：岩巷掘进技术和装备的发展直接关系到煤矿生产的能力和安全。随着综合机械化采煤技术的迅速发展，回采工作面推进速度越来越快，对巷道掘进速度的要求越来越高。煤矿岩巷掘进技术，经历了钻爆法，综掘法，现在已经发展到第 3 个阶段 TBM 工法。传统的钻爆法、综掘法受技术和施工工艺限制，越来越无法满足各重大工程对施工效率、安全性、社会效益、经济收益等提出的更高要求，难以满足煤矿采掘平衡发展。全断面硬岩掘进机(TBM)实现高效破岩、连续出渣、快速支护，通风除尘、供排水同步作业。分析了近几年国内煤矿 TBM 施工案例，提出矿用 TBM 开发关键技术，TBM 针对煤矿井下特殊工程地质条件设计，实现掘锚运同步，及时支护，提高对坡度、围岩适应性，小半径转弯能力，融合千米定向钻机技术，做到逢掘必探，设备、施工规范和组织管理有机融合;提出工序衔接关键在于“探的远，掘的快，支的住，运的出”。分析煤矿巷道特点，提出设备系列化、模块化设计规划，关键部件国产化发展方向。依托大数据分析和云计算平台，按照“以感知为基础，以信息融合为中心，以智能掘进为目标”的原则，规划 TBM 智能掘进技术体系;开发掘进智能控制软件———TBM-Smart，系统架构划分为数据采集层、数据分析层、实时决策层，包括七大功能模块。分析煤矿行业面临的瓶颈和未来发展，提出矿用 TBM 向“机械化换人、自动化减人、智能化掘进”方向发展。

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巷道智能化掘进的自主感知及调控技术研究进展

作者(Author)：杨健健, 张强, 吴淼, 王超, 常博深, 王晓林, 葛世荣

摘要：为解决当前煤矿巷道综掘工作面的智能化程度较低，掘进效率低下的问题，分析了煤矿综掘工作面实现智能化快速掘进的关键是自主感知和调控技术。首先，探讨了智能化掘进的关键技术特征，煤矿综合掘进机器人化装备以智能感知技术、自主控制决策技术、群组协同作业技术为支撑，形成智能化快速掘进技术体系构架，实现探-掘-护-锚一体化协同作业。其次，重点阐述了智能化掘进的自主感知技术包括基于超宽带原理的位姿感知、基于双频激电法的超前探测、基于 SLAM 原理的环境感知、基于变迁记忆故障 Petri 网的故障感知等，自主调控技术包括基于群体智能算法的智能截割、基于遗传变异粒子群算法的路径规划、基于 BP 神经网络 PID 算法的自主纠偏等。再次，详细论述了智能临时支护感知包括围岩压力、顶底板状况、支架位姿等多维信息的感知，研究了非水平场景下掘支协同与多机组多缸联动的自适应控制方法;介绍了智能永久支护感知包括围岩位移感知和支护装备受力变形感知，并探讨了锚护网络结构优化方法，自适应钻进控制上为获得最佳推进力控制性能，提出基于粒子群优化算法的自抗扰控制器参数整定略。最后，探讨了煤矿巷道智能化掘进的自主感知及调控技术的进一步发展方向。

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