“工作面智能化开采理论与技术”专题（《煤炭学报》）

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“工作面智能化开采理论与技术”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“工作面智能化开采理论与技术”主题论文。

行业视野: 智能化
类别; 100个
关键词; 101位
专家; 22篇
论文; 43251IP
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深井厚煤层长工作面支护应力特性及分区协同控制技术

作者(Author)：王国法, 张金虎, 徐亚军, 任怀伟, 于翔

摘要：加长工作面长度是智能高效长壁综采发展趋势，工作面长度加长后一般会使矿压显现出现明显变化，工作面围岩和液压支架的控制难度加大。采用现场实测和理论计算相结合的方法，针对淮南口孜东煤矿千米深井长工作面开展了长工作面来压频率、来压峰值和来压范围的变化特性研究，研究分析了该矿121304工作面支架受力特性及姿态变化特点，建立了基于弹性独立支座的液压支架群组支护力学模型，发现了深井超长工作面支护应力特性，理论计算与实测具有较好的一致性，在此基础上对140502工作面支护参数及控制技术进行了研究。结果表明:随着工作面长度增加，综采工作面支护应力由单峰值逐步转化为多峰值，并向两端头扩展，工作面不同区域来压具有明显的时序性且强度区别较大等特点。深井围岩劣化(低强度顶板)增大了这种趋势，工作面长度300 m即出现了超长工作面多峰值的特征。工作面支护应力出现“M”型三峰值可作为超长工作面的判据，合理工作面长度的确定应综合煤层赋存条件、工作面参数和装备能力确定。根据液压支架在空间和功能的不同属性，结合长工作面不同分区特点，揭示了超长工作面判据和群组分区协同控制原理，提出了一种基于状态误差和代价函数的工作面装备群组协同控制方法，制定了“单架控制→组控制→群控制”三级协同控制策略和实现方法，可有效指导深井厚煤层超长综采工作面装备群实现最优协调控制。

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2021年第03期

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采煤机自主导航截割原理及关键技术

作者(Author)：葛世荣, 郝雪弟, 田凯, 高传, 勒立坤

摘要：深部煤层构造较为复杂，实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上，提出了采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割三个发展阶段后，已经进入到自主导航截的第四阶段,并提出了适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架，包括导航地图、位姿感知、路径规划、姿态控制4项技术内涵，和精细化煤层截割定位地图、精准化煤层截割导航地图、动态化煤层截割导控地图、采煤机融合定位方法、定位精度提升、智采机组全位姿参数矩阵建立、物理-虚拟模型驱动与交互、无人驾驶防冲撞路径规划、截割作业智能调高调直九项关键技术。系统阐述了采煤机自主导航截割技术相关核心技术基本原理：首先，构建煤层智能化开采导航地图，从精细化煤层截割定位、精准化煤层截割导航和动态化煤层截割导控3个关键步骤实现地图构建及更新；其次，通过融合定位和定位精度提升方法，完成了采煤机位姿精确感知；再次，创建智采机组全位姿参数矩阵，并结合物理-虚拟模型驱动与交互技术构建出导航截割数字孪生系统；最后，基于实时综采装备位姿状态和煤层导航地图信息，实现了无人驾驶防干涉防冲撞路径规划、截割滚筒自适应调高控制以及行走路径自动调直控制。从而实现了深部煤层采煤机智能导航截割控制，为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。

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煤炭学报

2021年第03期

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超前支架自适应支护理论与应用

作者(Author)：徐亚军, 张坤, 李丁一, 朱军, 张德生

摘要：针对现有超前支架反复支撑破坏巷道顶板和锚护系统问题，提出了超前支架自适应支护、转换矩阵、峰值助力概念，给出了超前支架自适应支护定义，在综合分析超前支架自适应支护基础上，建立了超前支架自适应支护理论。根据结构形式和控制方式的不同，将超前支架自适应支护分为支护阻力自适应、支护姿态自适应、支护方式自适应3种形式。结合具体结构特点，对上述3种自适应形式进一步进行了区分，将支护阻力自适应分为初撑力分布形式自适应、支护阻力和初撑升降柱自适应，将支护姿态自适应分为顶梁姿态自适应和整体支护状态自适应，将支护方式自适应分为移架方式自适应和行走方式自适应，介绍了每种形式自适应支护原理及其实现方法;采用线性代数理论建立了自适应性顶梁结构量化关系，基于液压传动与控制原理给出了支护阻力自适应控制方法，利用AMESim软件构建了立柱位置和压力控制回路仿真模型并进行了仿真，采用运动学原理分析了螺旋推进器行走部的超前支架的自适应移架方式与具体行走方法。试验结果表明，自适应结构和装置大幅提升了支架适应能力，有效地解决了超前支架与巷道顶板和锚护系统协调匹配性难题，提高了超前支架适应巷道围岩变化能力。

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2020年第10期

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智能化采煤工作面分类、分级评价指标体系

作者(Author)：王国法, 徐亚军, 孟祥军, 范京道, 吴群英, 任怀伟, 庞义辉, 杜毅博, 赵国瑞, 李明忠, 马英, 张金虎

摘要：针对我国智能化工作面尚没有统一标准，无法对煤矿智能化建设和发展水平进行科学合理定量评价问题，开展了智能化工作面分类、分级与评价指标体系研究，给出了智能化采煤工作面定义，建立了智能化工作面指标体系数学模型，提出了智能化工作面分类、分级评价指标体系与评价方法，开发了智能化采煤工作面分类、分级评价软件，结合具体案例，验证了评价方法与评价结果的科学合理性。首先对智能化采煤工作面、工作面智能集控中心、智能化开采模式等术语进行定义，提出智能化采煤工作面一般技术要求与系统配套条件，根据工作面煤层厚度、赋存条件、采煤方法和开采技术参数对智能化采煤工作面开采模式进行分类，将智能化采煤工作面分为薄煤层和中厚煤层智能化有人巡视无人操作、大采高煤层人-机-环智能耦合高效综采和综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤3种模式。然后以煤层赋存条件为基本指标、开采技术参数为参考指标，建立智能化采煤工作面分类评价指标体系，将采煤工作面煤层开采条件分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类;将智能化采煤工作面系统细分为智能割煤、智能支护、智能运输、智能控制、网络通讯、智能视频、智能喷雾、智能供液、智能巡检、智能供电、工作面照明、工作面语音、通风防灭火和安全监测14个子系统，针对不同类别工作面生产条件，分别对其设备性能达标条件和设备运行工况达标条件进行评价，建立适用于不同类别的智能化采煤工作面分级评价指标体系，将智能化采煤工作面分为高级、中级、初级3个级别，综合评价智能化工作面水平。最后以具体的采煤工作面为例，对智能化工作面相关指标进行具体解析，验证评价指标体系与评价方法的合理性与科学性。

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煤炭学报

2020年第09期

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基于主动红外激励的煤岩界面识别

作者(Author)：张强, 孙绍安, 张坤, 张旭, 郭桐

摘要：针对综采工作面采煤机智能化截割时存在的煤岩识别精度低等问题，采用红外热像技术，建立了煤岩界面检测实验台。利用煤粉、水泥、沙子、黏合剂等材料分别浇筑全煤、全岩和煤岩混合3种试件，在单光源9 kLux的激励强度下，开展煤岩界面识别研究。实验过程中通过IRBIS3红外分析软件对3种试件检测表面不同时刻的温度场信息进行提取和分析，并建立温度场梯度模型加以研究。研究结果表明:煤、岩两种物质在相同的激励下的温度场特性有明显差异，当存在煤岩混合情况时，检测区域内的温差范围和标准方差会明显增大，可以此作为煤岩混合的一种预测识别依据;对煤岩试件进行主动激励时，检测区域前10 min内温升变化最为明显，温差范围和标准方差增大较快，10~30 min内温度缓慢上升，温差范围和标准方差缓慢增大，30 min后温度相对稳定，温差范围和标准方差无明显变化。激励时间的越长，煤和岩的温度场信息差异就越大，更利于提升煤岩识别的精度。但综合考虑温度场信息差异增长幅度和主动激励能源消耗等问题后，选在主动激励30 min时进行红外图像的提取较为合理;通过提取检测区域内的温度场信息，建立的温度场梯度模型可以较为直观地观察到煤和岩的分布位置及分布趋势，通过对温度梯度模型进行温线划分、煤岩分布划分处理以及建立煤岩分布模拟还原图像后可以准确判定煤岩分布的过渡区域，提升煤岩识别的精度，降低采煤机在截割过程中的截齿磨损程度，有效延长截齿的使用寿命。

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煤炭学报

2020年第09期

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综放工作面煤岩近红外光谱特征和机理

作者(Author)：王赛亚, 王世博, 葛世荣, 向阳, 周悦, 杨恩, 吕渊博

摘要：为研究综放工作面不同赋存位置的煤与岩石近红外光谱曲线特征和吸收机理，从同煤集团塔山矿综放工作面采集煤与岩石钻芯，按赋存位置的差异将煤与岩石钻芯依次分为:3~5号煤层夹矸、2号煤层夹矸、直接顶岩、基本顶岩、3~5号煤层所含煤，2号煤层所含煤，共计六大类、27种煤与岩石试样。在实验室利用AVANTES近红外光谱仪分别获取27种煤与岩石试样在长波近红外波段(1 100~2 500 nm)的反射光谱曲线。通过X射线衍射、X射线荧光、工业分析等实验手段分别测定煤与岩石试样的矿物成分、元素含量、工业成分含量。同时为研究煤与岩石光谱曲线特征差异的普适性，依次采集山西、山东、宁夏、内蒙古等矿区的22种煤与岩石试样，并分别获取其在长波近红外波段(1 100~2 500 nm)的反射光谱曲线。通过对塔山矿综放工作面煤与岩石试样的光谱特征和吸收机理以及不同矿区煤与岩石试样的光谱特征研究表明:① 煤层夹矸与顶板岩相比，煤层夹矸的吸收特征和曲线斜率绝对值偏小，主要是因为煤层夹矸中相对较多的不透明炭质物质遮蔽了无机离子在其特征波长处的吸收特征。虽然煤中基质(主要是C，H，O元素组成的有机物)是其矿物的5.3倍，但是有机基团在近红外波段没有明显的吸收特征，且大量不透明炭质物质遮蔽了无机离子在近红外波段的吸收特征，使得煤的光谱曲线较为平滑且呈上升趋势。② 煤与岩石光谱曲线的差异特征可用吸收谷深度之和、斜率和凹凸度来描述。

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煤炭学报

2020年第08期

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数字孪生智采工作面技术架构研究

作者(Author)：葛世荣, 张帆, 王世博, 王忠宾

摘要：为了进一步提高煤矿井下智能化采煤工作面系统自主运行和人机交互能力,达到真正的无人化开采境界,提出数字孪生智采工作面系统(Digital Twin Smart Mining Workface)的概念、架构及构建方法,融合应用 5G 通信技术、物联网技术和仿生智能技术,从而搭建一个智采工作面的数字孪生远程操作平台。首次定义数字孪生智采工作面是一个数据可视化、人机强交互、工艺自优化的高逼真采煤工作面三维镜像场景,它由物理工作面、数字工作面和数据信息 3 个部分组成。介绍了DTSMW 系统涉及的物理工作面、虚拟工作面、孪生数据、信息交互、模型驱动、边缘计算、沉浸式体验、云端服务、信息物理系统、智能终端等 10 项关键技术。新的 DTSMW 系统具有开采过程仿真、优化和监控功能,可以实现开采工艺数字孪生、开采过程数字孪生、设备性能数字孪生、生产管理数字孪生和生产安控数字孪生。研究了智采工作面的仿生智能特性,阐述了物理模块(躯干)、信息模块(大脑)、通信模块(神经)、控制模块(脑肌)、孪生模块(映像)的基本功能特征,特别描述了采煤机、液压支架和刮板输送机的仿生智能要素。针对DTSMW 系统数据的高度依赖性,首次将智采工作面复杂信息归纳为 3 条信息流,用于描述采煤过程的环境、控制和能量状态。环境信息流和控制信息流来自煤岩体对采煤机、液压支架、煤流运输机组的输入信息及其调控信息,能量信息流来自开采装备对煤层、岩层变量调控所产生的能量交换状态信息。针对智采工作面的巨大信息流量,提出了管理 DTSMW 信息流的数据主线(Digital Thread)方法,将信息流的数据分为周期性数据、随机性数据和突发性数据进行建模处理,以确保数字孪生智采工作面的数据驱动及稳定运行。通过对比分析,DTSMW 系统比现有远程集控中心的智能性提高了一个层次,可为中级智采工作面实现无人化运行提供新的监控系统架构。

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煤炭学报

2020年第06期

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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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2020年第06期

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