“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; 43006IP
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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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液压支架群组跟机推进行为的智能决策模型

作者(Author)：付翔, 王然风, 赵阳升

摘要：智能决策模型支持的液压支架自组织协同控制是智能开采的关键技术之一，支架群组跟机行为的全局最优规划是智能决策模型的核心原理。提出了液压支架跟机行为的动作类型排序和动作速度调控的双层规划原理，以支架适应采煤机速度、液压系统压力稳定为多目标导控，设计了支架群组跟机推进行为智能决策模型，实现供液动力与支架动作协同全局最优控制序的动态决策。基于液压支架多类型单自由度的运动空间特性，根据时间世界模型的时间元关系约束定理，提出了液压支架群组跟机动作时序规划方法，设计了满足跟机工艺和空间约束的支架动作动态排序模型，以改进支架不同类型动作发生顺序和相互之间的时间逻辑。基于支架动作的稳压供液原理，构建了供液流量与支架组合动作执行时间的数学映射模型，构建了支架动作时压力状态模糊辨识模型，实现支架组合动作速度和压力稳定性的预测评价。通过示例的仿真和试验验证了决策模型的正确性和可行性，并得出结论，智能决策模型可根据采煤机速度自动生成支架与供液协同控制策略，提高了支架群组跟机适应能力，并一定程度地稳定了液压系统压力过程状态。本文研究形成自适应采煤机速度的支架群组跟机推进行为智能决策机制与框架，为实现支架自组织协同控制技术提供关键的决策支持。

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液压支架网络化智能感控方法

作者(Author)：廉自生, 袁祥, 高飞, 廖瑶瑶, 郭永昌, 赵瑞豪

摘要：在智能化综采工作面，液压支架的智能化技术对顶板及煤壁的安全控制、三机的协调运行及工作面的循环推进起着关键保障作用。针对煤矿智能化开采的技术现状及发展趋势，分析了液压支架与围岩的耦合状态、液压支架动作过程、支架与刮板输送机的协同控制、护帮板与煤壁耦合状态等感知功能需求，提出了相应的感知方法及传感元件的布置方案。在分析感知需求的基础上，提出了液压支架感知元件的结构框架及数字化感知网络架构。感知元件具有自供电数字化信号无线传输功能、架内无线传感网络采用 ZigBee 通信方式，所有无线感知信号通过信息接收装置进行存储、处理，然后通过 RS485 总线与支架控制器通讯，架间信息传输采用工业以太网。支架的各个动作采用闭环控制。实现全面感知液压支架的位置、姿态、工作阻力、载荷分布、液压控制回路关键参数等信息。依据这些信息，结合矿压理论及支架与围岩耦合机理，可以实时掌握顶板状态、来压规律以及来压过程支架与围岩的耦合特性;利用数字化感控网络，液压支架各个动作的控制回路可以实现开关式闭环控制，可以为液压支架对围岩的自适应调节、推溜拉架的平直度控制、跟机移架自适应控制以及综采装备物联网的构建等智能化水平的进一步提升提供必要的信息支撑。

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基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术

作者(Author)：程敬义, 万志军, PENG Syd S, 张洪伟, 邢轲轲, 闫万梓, 刘泗斐

摘要：超前感知综采工作面顶板来压并预判冒顶事故、自主评价支护参数的适应性,是提高综采工作面安全高效及智能化水平的基础。围绕综采工作面支架与顶板状态智能感知的核心问题,基于综采工作面电液控制液压支架海量监测数据,开发了综采工作面支架与顶板状态智能感知系统(SSRI);结合大数据挖掘及工作循环分析技术,提出了用于支架压力分析的多因次工作循环特征参数;研究了安全阀开启、割煤及邻架移架、地质等多种因素影响下的单台支架承载特征及支架群组载荷转移分布规律;在深入解读支架阻力及活柱下缩时序曲线所蕴含的支架与围岩相互作用关系的基础上,构建了支架与顶板状态智能感知模型,实现了对顶板来压的预测、冒顶预警、支架适应性及支护质量评价,初步建立了基于海量矿压监测数据的采场支架与顶板状态智能感知技术体系。结果表明:① 额定工作阻力不应作为评价支架承载能力的唯一或主要指标,初撑力、额定工作阻力及安全阀开启特性等参数共同决定了支架的承载特性及承载能力;② 充分挖掘分析海量矿压监测数据,可以实现采场顶板灾害智能预警、支护质量评价及故障诊断等研究目标;③ 对海量监测数据的深入分析与利用是实现综采工作面支架围岩耦合自适应控制、支护参数自适应调整等智能化开采目标的前提与基础。

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基于交叠协同逻辑的液压支架运行自适应稳压供液控制方法

作者(Author)：付翔, 王然风, 赵阳升, 杨永康

摘要：液压支架智能的自动跟机运行是煤矿智能化工作面建设的一项重要目标，针对目前液压支架跟机运行时供液流量适配不合理导致的动作执行速度和精度不足等问题，以液压支架群组跟机适应采煤机速度稳定地运行为液压动力适配目标，提出协同液压支架控制策略的自适应稳压供液控制方法。基于根据支架动作特征提前适配合理供液流量的稳压供液原理，结合多泵+变频供液方式特点，提出供液与支架交叠协同控制逻辑;依据液压传动原理，推导上述逻辑下的液压支架跟机速度、液压系统压力变化率的求解方程，揭示供液流量调控策略与液压支架动作策略对上述两者的耦合作用机理;依据多响应优化问题求解理论，以液压支架跟机适速及其各动作压力平稳为多个目标，构建液压支架运行满意度函数并采用双层规划方法求解，智能决策自适应液压支架运行的供液流量调控策略;利用MATLAB与AMESim联合仿真，模拟相同液压支架运行动作过程的多泵联动、变频恒压、自适应稳压等不同供液控制方法，通过综合对比各方法在液压系统压力均值、压力方差、供液卸载次数、液压支架动作行程平均相对误差、供液作用效率等评价指标，验证了本文提出方法的优势。最后，通过工业级试验验证本文方法，得出自适应稳压供液控制方法具有较好的稳压效果，可行性较高。

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2020年第05期

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