煤炭科学技术第卷第期年月“煤炭自动化智能化采掘技术与装备”专题中国煤矿智能开采科技创新与发展王金华ꎬ黄曾华中国煤炭科工集团有限公司北京北京天地玛珂电液控制系统有限公司北京摘要:分析了近十年来国内外煤矿智能开采的技术发展过程ꎬ总结出国外智能化开采的技术思路是:通过地质勘探结合掘进技术方式描绘开采煤层的赋存分布ꎬ通过惯性导航采煤机实现智能开采ꎻ在国内智能开采方面则是提出了“无人跟机作业ꎬ有人安全值守”的开采理念ꎬ构建了“以工作面自动控制为主ꎬ监控中心远程干预为辅”的中国煤炭智能开采模式ꎬ并对国内厚煤层和薄煤层的智能开采工业试验和生产进行了技术总结ꎮ对未来智能开采的技术框架进行了设计ꎬ将智能开采的关键技术分为:智能探测、智能导航和智能控制个主要部分ꎬ并对煤岩分界、煤矸识别、工作面超前探测技术创新进行了展望ꎬ指出煤矿智能开采科技创新依赖于开采装备、开采技术和开采理念的不断进步ꎮ关键词:煤炭开采ꎻ智能开采ꎻ科技创新ꎻ智能探测ꎻ智能导航中图分类号:文献标志码:文章编号:ＩｎｎｏｖａｔｉｏｎａｎｄＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔＫｅｙｗｏｒｄｓ.ＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ＆ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ. Ｌｔｄ. ＢｅｉｊｉｎｇＣｈｉｎａ.ＢｅｉｊｉｎｇＴｉａｎｄｉＭａｒｃｏＥｌｅｃｔｒｏＨｙｄｒａｕｌｉｃＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＣｏ. Ｌｔｄ. ＢｅｉｊｉｎｇＣｈｉｎａ０引言近十年来为了实现煤矿安全高效生产国内开展的有关煤矿开采科技创新研究工作取得了很大的成绩已使得我国煤炭开采水平接近或部分达到了世界先进水平但真正实现完全智能开采还局限在薄煤层工作面对综采技术方面利用陀螺仪对采煤机位置进行三维检测跟踪定位在原有记忆收稿日期:ꎻ责任编辑:赵瑞ＤＯＩ基金项目:国家高技术研究发展计划计划资助项目北京市科技计划重大科技成果转化落地培育资助项目中国煤炭科工集团重点资助项目作者简介:王金华(—)ꎬ男ꎬ河北故城人ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎬ博士ꎬ现任中国煤炭科工集团有限公司董事长ꎮ引用格式:王金华黄曾华中国煤矿智能开采科技创新与发展煤炭科学技术年第期煤炭科学技术第卷割煤过载保护自动调高等功能基础上新增加了红外摄像雷达探测防机械碰撞和煤岩分析检测功能这些技术大部分处在研究阶段与国际最高水平相比仍有一定差距而有一些开采技术也是国内外煤炭行业所共同面临的难题解决这些问题需要通过不断的技术创新研究新技术尤其是光电技术在煤矿开采中的快速应用笔者通过分析国外煤矿先进的开采技术对我国未来几年影响煤矿开采的新技术进行重点研究提出智能开采的关键技术体现在智能探测智能导航和智能控制方面对其中较成熟的技术进行了初步试验对具有应用前景的技术进行了分析展望目的是争取在国家十三五期间赶上和超过世界先进煤矿开采水平以使我国由世界第一煤炭开采大国变为第一煤炭开采强国１国外智能开采技术现状进入世纪以来国外煤矿开采追求安全高效简单实用可靠经济的原则其智能开采的技术思路是通过钻孔地质勘探和掘进相结合的方式描绘工作面煤层的赋存分布通过陀螺仪获知采煤机的三维坐标两者结合实现工作面的全自动化割煤该思路可避开煤岩识别难题以地质条件为载体顶层规划自动化采煤过程１１工作面自动化系统年月澳大利亚联邦科学与工业研究组织承担了导航定位软件在无信号辅助的情况下行进定位误差在以内惯性导航定位软件可用于综采工作面的水平控制和连续采煤机自动制导对于综采工作面水平控制基本原理是首先根据巷道掘进数据和钻孔数据生成工作面三维地质模型该模型精度能达到能准确反映出煤层起伏倾角断层等构造可直接用于指导采煤机俯仰采控制然后利用在采煤过程中记录的顶底板位置信息对该模型进行不断优化就可以准确预知工作面的煤层变化情况其次结合采煤机精确定位软件的数据系统就能够提前控制采煤机的割顶割底量从而顺利通过断层等地质变化区段澳大利亚煤矿使用的水平控制开采技术控制原理如图所示连续采煤机自动制导已被澳大利亚确定为煤炭产业重要的技术基于连续采煤机自动制导技术开发了具有应用程序控制和通信功能且包含先进图形用户界面的自动制导系统如图所示表示连续采煤机偏航角有了一定的误差需要在后面的开采中实时校正澳大利亚煤炭协会研究计划设立的综采自动化项目开展综采工作面自动化和智能化技术的研究到年该项目通过采用军用高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法取得了项主要成果即采煤机位置三维精确定位误差工作面矫直系统误差和工作面水平控制设计了工作面自动化系统并首次在澳大利亚的矿试验成功年对系统进行了优化增加了采煤机自动控制煤流负荷平衡巷道集中监控等在商业应用方面研究组同久益艾可夫等采煤机供应商签署了协议将这项技术集成到对应的采煤机上实现快速商用系统包含惯性导航系统和工作面自动控制算法项核心技术系统将基于光纤陀螺的惯性导航设备安装在采煤机机身电控箱内通过运行嵌入式导航定位软件实现采煤机三维位置的精确定位该惯性图澳大利亚煤矿使用的水平控制开采技术控制原理图连续采煤机出现偏差的导航工作面自动控制模型和算法基于该算法设计了工作面矫直系统其包含高精度舵性导航仪和矫直数据分析系统项核心技术通过对舵性导航仪记录的采煤机空间位置进行分析确定当前工作面的直线度计算出每台液压支架的推移量给液压支架电控系统发出执行信息对工作面直线度进行动态调整惯性导航仪输出路信号一路给支王金华等中国煤矿智能开采科技创新与发展年第期架控制支架的推移量另一路给采煤机用于控制采煤机的割顶割底量自年惯性导航仪开始商业化应用以来澳大利亚以上的综采工作面使用了工作面矫直系统１２智能开采服务中心智能开采服务中心作为一种增值产品服务在澳大利亚布里斯班的矿业公司总部设置总调度室对所管辖矿井进行实时监控目前只有莫兰巴北矿上线根据出现的报警故障信息及时发邮件或电话通知矿井进行调整同时每日周月和季度向矿井提交运行分析报告指导矿井提高运行管理水平合理安排设备检修分析报告包括每日的触发响应动作计划通知每周的智能服务回顾每月的井下精益运行回顾每季度的生产表现回顾智能开采服务中心的应用可以实现停机时间少早期监测和设备损坏最小化可提高生产力降低生产成本１３布尔加()井工矿智能开采技术布尔加井工矿属于澳大利亚嘉能可矿业开采公司属高瓦斯矿井年产量万年计划产量万单井单面属于层面第个工作面工作面长度走向长度工作面采高设计产量全套开采装备包括采煤机液压支架控制系统台和刮板输送机电动机台泵站泵站压力的台的台采煤机智能控制系统为工作面自动化系统为每星期进行次检修分别是星期二的和星期五的其他时间安排生产实行三八制早班中班夜班次日每生产班人员人分为正副班长人电工人机械工人操作工人和维护主管工程师人采煤机从刮板输送机机尾到机头时采煤机司机控制顶滚筒底滚筒随动割煤而从机头到机尾时采煤机根据上一刀信息自动记忆割煤重载速度支架采用自动拉架人工干预方式顶板破碎人工超前拉架立柱安装个压力传感器一用一备工作面矫直系统在割煤过程中实时记录采煤机三维位置横向和纵向倾角采煤机每截割刀时矫直系统根据记录的信息控制每台支架的推移量调节工作面的直线度系统的应用使矿井煤炭产量提高了减少工人暴露在高危工作环境的时间提高矿井安全水平同时减小了煤炭产量波动达到了均衡生产提高了矿井生产质量管理水平２国内智能开采技术现状２１智能开采控制系统根据国内已经实现的智能化开采煤矿控制模式可以总结出智能开采控制系统结构如图所示２２远程干预无人化采煤工艺国内智能化开采实现工作面内无人即以工作面自动控制为主监控中心远程干预为辅的工作面智能化生产模式实现无人跟机作业有人安全值守的开采理念设计了人工干预下模糊控制多工序的采煤工艺所实现的开采系统智能化功能如下系统具有多方位多层次的感知能力可实现综采工作面信息交互的高速网络平台和通道工作面生产系统协同集中控制采煤机智能化快速记忆截割自动运行智能化煤流平衡控制采煤机与运输系统状态及运能的自适应配合液压支架智能跟机移架支架远程序列化自动控制刮板输送机链条张力监测与智能化刮板输送机尾伸缩自动控制智能化软启动各种设备自动协调运行针对复杂多变的煤层条件及设备工况变化调整自身及设备之间的配合运行参数２３矿井虚拟现实技术综采工作面利用虚拟现实技术创造出一个三维的采矿现实环境模拟采矿作业过程及工艺设备的运行操作人员可与虚拟现实系统进行人机交互在任意时刻穿越任何空间进入系统模拟的任何区域系统能识别物体输入和处理各种信息控制物体运动模拟自然规律确定空间状态其主要特点是创造了与现实开采情况极为接近的三维环境通过计算机显示采矿作业情况获得生产系统运行状况平面图不同的设备动态显示图和设备运行具体参数包括运行的时间产量设备间的距离等动态信息通过对不同型号设备不同开采参数下的生产系统进行动态模拟从而达到优化和评价生产系统目的虚拟现实系统提供自主模式和飞行模式种自主漫游控制模式自主模式即操作人员可通过鼠标和键盘移动镜头自主浏览场景中的任意位置飞行模式则有更大活动空间镜头可移动至年第期煤炭科学技术第卷图中国煤矿智能开采控制系统结构很高的地方达到俯视整个工作面场景的效果２４远程遥控技术智能化采煤生产采用远程遥控技术遵循下列原则以采煤机记忆截割为主人工远程干预为辅以液压支架跟随采煤机自动动作为主人工远程干预为辅以综采运输设备集中自动化控制为主就地控制为辅以综采设备智能感知为主视频监控为辅所设计的在地面和巷道对综采工作面设备远程遥控的网络通信层次结构如图所示碎机带式输送机供液系统供电系统等装备有机结合起来构成一个相互联系相互依存相互制约的采煤系统依据系统控制决策模型分析结果实现对综采成套装备的协调管理与集中控制２５智能开采技术难点开采设备自动化技术水平有待提高由于开采地质条件的不断变化煤层赋存的不可预知性因此开采智能化还不能完全离开人的智慧需要发挥机器和人各自的特长规避人机各自的短处开采设备可靠性需增强同时应增加设备感知决策控制和智能化功能由单机向成套装备智能转变开采恶劣环境下可视化技术难题需要研究清晰实时的开采工作面再现技术开采智能决策技术难题需要研究统一的通信平台实现开采装备通信接口协议的互通互联研究平台协议标准化实时性和智能化图工作面设备远程遥控的网络通信层次结构智能开采控制打破了传统的以单机装备为主总体协调的研制思路建立了以成套装备总控制网络信息综合决策为主单机装备为执行机构的体系结构将采煤机液压支架刮板输送机转载机破３国内智能开采试验结果３１厚煤层智能开采试验情况陕西煤业化工集团红柳林煤矿位于陕西省神木县西部红柳林井田位于陕北侏罗纪煤田东部煤层为倾角不足的单斜构造井田构造属简单类煤层厚度平均厚度属中厚特厚王金华等中国煤矿智能开采科技创新与发展年第期煤层层位稳定厚度变化规律明显全区可采属稳定煤层智能开采控制系统自年月始在井下应用系统平稳运行并能实现以下功能液压支架围岩耦合智能化控制和大采高支架姿态控制全工作面液压支架跟随采煤机自动移架采煤机根据煤流平衡负荷与输送机运能状态的自适应割煤配合刮板输送机链条张力监测机尾伸缩自动控制智能化软启动控制组建了综采工作面信息交互网络平台具有有线无线网络接入功能能够控制单机设备自动协调运行并且根据复杂多变的煤层条件及设备工况进行调整配合建立的三维虚拟现实平台可以及时反映工作面运行状态可以通过地面远程操作台一键启停功能实现工作面泵站破碎机转载机刮板输送机和采煤机的顺序启停控制完成工作面生产系统的协调集中控制红柳林煤矿智能开采项目实现了基于总控制网络的集各单机设备感知逻辑控制动态决策协调执行为一体的智能开采控制系统自动化和智能化程度处于国际先进水平在控制系统架构控制方式响应时间智能功能工作面人数产能等主要技术指标方面处于国际领先水平项目的实施将采煤工作面的操作工人数量降低至人实现了工作面无人跟机操作少人值守的自动化安全高效生产智能开采控制系统在红柳林煤矿示范应用井下正式投入运行个月共生产原煤万创造利润亿元主要创新成果已在宁夏煤业陕西煤业阳泉煤业平朔集团等多个矿区推广应用累计取得经济效益亿元以上３２薄煤层智能开采试验情况陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿综采工作面倾斜长度走向长度进风巷为回风巷为采高可采储量万于年月进行了为期个月的工业试验性具体试验情况如下年月综采工作面开始使用全自动化割煤作业通过利用井下监控中心远程操作台和监控视频进行远程采煤并在工作面设置名工作人员采煤机司机支架工输送机司机各人进行跟机安全监护月生产作业安排采煤个小班日平均割煤刀半全月共生产原煤万年月综采工作面继续使用井下监控中心远程操作台和监控视频进行远程采煤并将工作面监护人员减少至人采煤机司机和支架工各人支架工同时负责刮板输送机的监护工作月生产作业安排采煤个小班日平均割煤刀半全月共生产原煤万年月综采工作面在利用井下监控中心进行远程采煤的同时还尝试在地面调度室进行远程采煤月日起将工作面监护人员减少至人工作面监护工并于月日实现了地面采煤作业常态化月生产作业安排采煤个小班日平均割煤刀全月共生产原煤万其中月日零点班实现了单班生产刀架的最高纪录薄煤层智能开采系统经过个月的工业性试验地面调度室和井下监控中心远程作业采煤机自动记忆截割等自动化功能稳定系统应用效果良好能够大幅减少采场作业人员降低职工劳动强度工作面的生产能力不断提高月产量达到万年生产能力可达万以上工作面由原来的人减至目前的人进行随机监护将工人从操作工变成巡检工每个生产小班减少人每个原班减少人每年可减少人工总费用万元４智能开采技术发展方向４１智能开采关键技术根据国内外对煤矿开采技术的发展要求提出了智能开采的关键技术由智能探测智能导航和智能控制个部分组成它们之间的关系如图所示图煤矿智能开采关键技术框架年第期煤炭科学技术第卷４２开采智能探测开采智能探测是指对采场未知区域的自动探查和检测用于指导采煤机俯仰采控制和摇臂调高综放工作面放煤时的煤矸自动识别等可分为煤岩分界煤矸识别和超前探测等专业领域煤岩分界采用太赫兹技术利用单天线进行多普勒雷达脉冲的发送和接收信号通过煤岩层时会减弱并且遇到煤岩界面会发生反射反射波的速度相位滞后或从发射波到反射波被接收的时间间隙除与发射波频率煤和顶板岩性等可测知的因素有关外还与电磁波在顶底煤中穿越路程即顶底煤厚度有关通过对接收到的反射波进行信号处理可确定顶底煤厚度煤矸放落自动识别煤矸放落自动识别一直是综采工作面的技术难题通过时域光谱技术探测是一种可行的技术方法时域光谱技术的基本原理是利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的电场通过傅里叶变换获得被测物质的光谱信息通过特征频率对物质结构物性进行分析和鉴定适用于煤炭矿物质的实时成分分析超前探测超前探测系统无需预先求取煤岩物理特性适用范围更广具有可靠的精度在多数顶板条件下能够运行良好但是也存在其固有的问题在具有波散射性质的煤层表现不好探测范围小发射器功率偏低深入煤层的深度范围有限需要未来功率更大的信号源支持来克服信号在煤层内的衰减图是采用可见光拍摄的综采工作面煤层成像图是采用超前探测成像技术形成的煤层内部地质信息可以看到煤层受到一定的侵蚀图用可见光拍摄的煤层表面图用超前探测技术处理的煤层内部地质构造４３开采智能导航开采智能导航是指利用先进的计算机光电和导航技术对开采设备和人员进行自动定位以实现安全监控和精确开采围绕综采设备姿态定位综采设备安全感知工作面直线度控制视频图像处理等多种关键技术关键是对采煤机的精准导航定位技术进行研究光纤惯性导航作为一种自主式的导航方法惯性导航是完全依靠载体上的设备自主地确定出载体的航向位置姿态和速度等导航参数并不需要外界任何的光电磁参数采掘装备的精确导航是实现智能开采的必要技术根据我国煤矿井下装备自动导航的落后局面在分析当前国外煤矿的导航技术水平后借鉴在国内航天航空和航海中普遍应用的惯性导航技术将其引入到煤矿井下的精确定位系统中逐步实现煤矿采掘装备的自主导航功能三维雷达雷达探测防碰撞系统是一种安装在采煤机上的主动安全系统是一种可以向采煤机操作人员预先发出视听报警信号的探测装置传统的雷达是二维的测得的距离定位是一个平面但如果用于煤矿智能开采过程中的防碰撞还需要增加垂直方向的距离检测４４开采智能控制根据开采条件变化自动调控采掘过程使智能化采掘设备与自动调度决策集为一体融合采煤机智能记忆截割液压支架智能跟机自动化工作面运输系统煤流平衡智能集成供液工作面可视化视频监控远程遥控三维虚拟现实一键启停等多项技术建立以成套装备总控制网络为核心单机装备为执行机构的智能控制模式解决关键元部件以及控制系统等方面的技术难题实现综采成套装备智能化开采技术新突破形成具有集成套装备安全感知信息可靠传输动态决策协调执行于一体的智能开采系统５结语通过国外煤矿实地考察和文献分析研究了国外先进的煤矿智能开采方法对国内的智能开采工作面所采用的主要技术也进行了研究分析了在厚煤层和薄煤层进行智能开采的实践过程总结出以下的智能开采技术创新成果国外智能开采主要是澳大利亚采用纯惯性导航对采煤机和连续采煤机进行三维定位实现工作面连续推进并取得了较好的经济效益中国智能开采在薄煤层和厚煤层实现了远程遥控开采工作面实现了无人化智能开采提出了智能开采由智能探测智能导航和智能下转第页。