中煤内蒙乌审旗鄂伊化矿业智能化安全开采技术现状展望

（鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司信息中心内蒙古鄂尔多斯市）摘要：通过分析煤矿智能化工作面安全开采技术研究现状，指出目前我国煤矿智能化工作面安全开采技术研究大多处于初级阶段，主要是受限于地理地质信息系统及自适应、自修正等技术困扰，以至于综采工作面整体设备智能化程度不高，根据目前装备情况及识别技术限制还不能智能感知工作面地理地质条件变化，实现装备通过智能分析自主决策和自动调整。虽然目前国内煤矿企业、科研机构和高等院校正在开展地理地质识别等有关技术难题的研究和探索，但还处于理论学习研究阶段，没有真正意义上实现或取得实质性突破。进而依据现有科学技术提出了智能工作面装备自适应环境变化所需克服的工作面自动调直智能控制、采煤机高级自动化控制、人员临近识别技术、自动躲避碰撞技术、智能工作面支架电液控系统技术及复杂环境条件下与智能化采煤的耦合应用等关键技术，为智能工作面安全开采自主学习、自主决策、自主修正的进步奠定技术基础，同时展望了今后智能工作面安全开采技术发展方向及关健技术突破口，提出一些建议和思路。

关键字：智能化工作面安全开采；地理地质信息；工作面自动调直；采煤机高级自动化；自动躲避碰撞；
PresentsituationandProspectofintelligentchemicalfaceminingtechnologyincoalmineZHANGHong-yan，LIYa-fei（
InformationcenterofOrdosYihuaminingresourcesCo.,Ltd.Ordos,InnerMongolia）
Abstract:byanalyzingtheresearchstatusofcoalmineintelligentchemicalworkingfaceminingtechnology,
itispointedoutthatatpresent,
theresearchoncoalmineintelligentchemicalworkingfaceminingtechnologyinChinaismostlyintheprimarystage,
whichismainlylimitedbythetechnicalproblemsofgeographicgeologicalinformationsystem,
selfadaptationandselfcorrection,
sothattheoverallequipmentintelligenceoffullymechanizedminingfaceisnothigh,
Accordingtothecurrentequipmentsituationandthelimitationofidentificationtechnology,
itisstillunabletointelligentlyperceivethechangesofgeologicalconditionsoftheworkingface,
soastorealizetheindependentdecision-makingandautomaticadjustmentofequipmentthroughintelligentanalysis.Althoughdomesticcoalminingenterprises,
scientificresearchinstitutionsandcollegesanduniversitiesarecarryingouttheresearchandexplorationofrelevanttechnicaproblemssuchasgeologicalidentification,
theyarestillinthestageoftheoreticalstudyandresearch,
andthereisnorealrealizationorsubstantivebreakthrough.Then,
accordingtotheexistingscienceandtechnology,
thekeytechnologiesthatneedtobeovercomebytheadaptiveenvironmentalchangeofintelligentworkingfaceequipment,
suchasautomaticstraighteningintelligentcontrolofworkingface,
advancedautomaticcontrolofshearer,
personnelproximityidentificationtechnology,
automaticcollisionavoidancetechnology,
intelligentworkingfacesupportelectro-hydrauliccontrolsystemtechnologyandthecouplingapplicationwithintelligentcoalminingundercomplexenvironmentalconditions,areputforward,
soastoprovideindependentlearning,
independentdecision-makingAtthesametime,
itlooksforwardtothedevelopmentdirectionandkeytechnicalbreakthroughofminingtechnologyinintelligentworkingfaceinthefuture,
andputsforwardsomesuggestionsandideas.21世纪以来，我国煤矿工作面装备得到了安全高效突飞猛进发展，并取得了一大批重要成果，煤矿实现了从机械化到自动化程度跨越提升，使得煤矿安全生产大幅提高。随着煤炭行业发展方式的转变，由机械粗放的生产方式向智能化精细化方向转型，智能化逐步成为煤炭行业高效发展方向。

国外早在20世纪90年代就涉及煤炭智能开采领域，拥有超过20年的成功应用经验，实现了常态化的安全、高产、高效的自动化生产。特别是美国和澳大利亚在开采条件好的中厚煤层实现了长工作面高速截割、高速运输、高度自动化采煤。减少人员暴露在粉尘环境中的时间。可以确保产量和人员设备的安全。

智能化工作面安全开采是在自动化生产系统中加人自主决策功能，使其能够实时感知地理地质条件及外部环境的变化并自动调整开采参数，智能存储、智能适应和智能控制。智能化安全开采的特点是设备具有自主学习记忆和自主适应决策功能，具备非人员干预自我感知、控制、修正的能力，进而实现自动开采。其中，自感知是感知周围环境及煤岩地理地质变化等信息获取，为智能控制提供参数；智能控制是通过分析收集大数据自我挖掘有用信息为自主决策控制提供命令；自修正是在装备生产过程中，根据学习记忆数据自我改善生产控制参数，以实时响应地质变化。我国智能化安全工作面开采目前还处于初级阶段，需要不断进行技术创新，工作面自动调直、采煤机自动化控制、液压支架与煤机自动躲避碰撞技术及复杂环境条件下与智能化采煤的耦合应用等关键技术进行攻关研发，进而实现智能化安全开采技术升级。

煤矿智能化工作面开采关键技术分析与对策

技术现状分析在工作面目前采煤作业，需要人工操作装备，人员能够在操作中提前观察到地理地质变化情况，进而及时调整设备适应煤层变化，达到安全高效采煤。有的煤矿通过记忆截割的方式记忆前截割轨迹，但不能依据当前地质变化进行调整，故这种采煤方式具有模糊性、不确定性。并且目前国内外煤岩识别技术和机器人井下采煤技术都不成熟，如果实施地理地质信息存储调取或人员输入开采技术，通过高可靠性的推移油缸和行程传感器、支架电液控系统和其他地理信息的手段，建立待采工作面虚拟工作面数字模型，再利用惯性导航精准定位技术实现煤机轨迹自适应调整进而实现精准采煤。

技术方案

1.2.1工作面自动调直智能控制

目前，工作面直线度主要通过拉线和红外光束的方法测量，通过人工进行刮板输送机调直，效率低、精度差，无法适应自动化、智能化安全开采的需要。

工作面自动调直智能控制技术主要有激光对位和惯导定位技术2种方法[2],其中惯导定位技术实际应用效果比较理想。该技术通过在采煤机电控箱内安装高精度陀螺仪（INS）实时定位煤机，通过煤机行走路线绘制运行轨迹，工作面液压支架根据绘制的轨迹自行调整推拉行程，进而实现工作面自动拉直矫正。通过惯性导航技术、高可靠性的推移油缸和行程传感器，检测煤机运行轨迹，并将轨迹偏差值发送给液压支架电液控系统，最终由液压支架电液控系统对轨迹偏差进行补偿，从而实现工作面的自动调直。

1.2.2采煤机高级自动化控制

采煤机高级自动化功能被称作ASA是“AdvancedShearerAutomation”的英文简写，采煤机能够根据煤层厚度及倾角的变化自动调整摇臂高度，以实现对煤层的精准采煤。可以通过基于采煤机电控系统，同时配合高精度传感器、比例阀，以及可在线或离线编程的GOLP软件来实现的。传感器用于检测煤机姿态和位置，比例阀用于实现截割滚筒精确控制，GOLP编程器可帮助操作人员或应用工程师对现场工况和割煤工艺进行设置，从而确保在不同的工况环境下实现采煤机的自动化生产。

ASA的功能特点：无需煤机司机控制采煤机，煤机司机有更多的时间去注意周围环境的变化；仅需一名煤机司机，位于粉尘较小的一侧对采煤机进行监控；GOLP编程器的设置方式简单、易懂。便于操作人员对自动化工序进行调整；ASA中所有工艺顺序表参数可自定义名称，可实时进行修改和校准，所有工艺变化点的采煤机参数可通过人工方式设置或设备自行学习；ASA可同时对溜槽水平、垂直角度以及端头的卧底量进行控制，确保工作面采高的一致性和连续性；减少操作人员在粉尘中的暴露并提高生产效率至少30%以上。1.2.3临近识别技术

该技术主要是在支架间巡检时自动保护巡检员安全通过支架。使用临近识别技术，在腰间或上衣口袋中佩戴一个识别卡，当安装在支架上的人机界面检测到识别卡后，会在其所在位置周围创建一个安全区域，随着识别卡在长壁工作面的移动，安全区域也随之移动，同时安全区域内禁止支架自动移动，从而避免了在自动化生产过程中产生的人员安全隐患。

当佩戴了识别卡的人员需要通过一部正在移动的支架时，支架会先停止动作，等待人员通过后，再开始继续未完成的动作。整个过程无需任何操作，有效的节约了自动化生产的时间。当佩戴了识别卡的人员失去行动能力时，移动支架将识别卡的安全区域外停止，确保人员安全。同时系统发出报警，提示其他人员事故发生位置。每个识别卡在下井前需要进行注册，管理人员在井上可以查询到每个位于工作面的识别卡的信息，这些信息包括支架号、识别卡编号、佩戴人的角色和权限以及电池电量。为了进一步节约资源，充分利用现有系统优势，可利用人员精确定位（UWB）技术及时准确定位人员在工作面行动位置，人员携带定位卡替代原有识别卡。由于工作面要求人员定位精度高，可划分工作面区域实现人员定位卡与基站自动提高刷新频率，进而提高人员在工作面高精确度位置。确保人员处于安全区域。

1.2.4自动躲避碰撞技术

液压支架是煤矿机械化开采的关键性装备，其与采煤机空间大小直接关系到工作面生产的成败。为了减小空顶距并提升支架的跟机速度，我们需要尽量减小采煤机与支架间的安全间距，但当设备发生故障时，采煤机与支架就有可能发生碰撞。薄煤层工作面由于设备间距较小，当支架顶梁较低时，也容易与端头设备发生碰撞。因此提出自动躲避碰撞技术，可有效避免以上事件的发生。

使用行程传感器检测护帮板位置，当护帮板因故障未能及时收回时，煤机将在安全间距处停止，并等待护帮板收回。使用三个分别安装在顶梁、四连杆和底座的倾角传感器检测支架姿态，当支架顶梁过低，煤机和支架将停止自动运行，防止顶梁与采煤机或端头设备发生碰撞。当采煤机遥控器跌落时，采煤机会处于暂时的无人监控状态，此时如果发生特殊情况，可能会导致设备的损坏或人员伤亡。设置采煤机遥控器在跌落后立即停止支架和采煤机的自动运行，待问题解决后，可以快速复位，重新开始自动化生产。

1.2.5液压支架电液控技术

液压支架电液控制是工作面的关键控制环节。电液控系统具有全自动、成组动作、邻家操作和手动操作多种工作方式。目前该技术已经成熟，可实现液压支架与采煤机联动和远程控制，满足实际生产中对安全性和可靠性的要求。

为工作面每部支架安装1台人机界面，用于显示液压支架的状态、控制液压支架的动作、接收红外发射器信号和人员识别卡信号；电液控系统可实现手动的邻架控制、远程邻架控制以及成组控制。远程邻架控制范围是左右10架，成组控制范围是左右20架，可根据现场实际情况自由选择控制模式；电液控系统可实现自由运行、跟机运行以及端头自动化等多种自动化工作模式；根据实际现场情况要求每一架可配备不同的传感器，如：压力传感器、推移行程传感器、倾角传感器、红外接收器等。压力传感器每架至少安装1个，用于检测立柱油缸压力；行程传感器每架至少安装1个，用于检测推移油缸行程，量程依据支架推移油缸尺寸订制；其中自动调直(LASC)过程中产生的累计误差主要来自机械结构的误差，行程传感器的精度满足自动调直（LASC）的应用需求，并且具稳定性好且易于更换；倾角传感器可每架安装3个，分别安装在顶梁、掩护梁和底座上，用于检测支架姿态，防止顶梁与采煤机发生碰撞；护帮板油缸可安装1个行程传感器用于测量护帮收回状态，防止护帮板与采煤机发生碰撞；所有电液控系统数据都是可通过控制台计算机设备的信息采集、处理和传输，配备工业通用的OPC协议，便于接入其他设备，同时也可将数据上传给地面调度中心。电液控系统程序实现自动更新，通过井下主控计算机对整个工作面的控制器进行程序升级。电控系统的程序修改和更新可通过一台控制器对整个工作面的所有控制器覆盖传输。新更换的控制器会自动和左右邻家的控制器程序进行比对，实现自动编址（自动识别架号）、自动程序更新；

1.2.6视频识别技术

随着视频成像技术的发展、网络传输能力的提升以及AI识别的不断进步和成熟，具有视频识别功能的摄像系统在井下工作面的应用场景越来越广泛。视频识别技术又分为前端视频分析和后端视频分析，其中图像识别在摄像仪侧进行的即为前端视频分析，通过后台视频处理器进行分析的则称为后端视频分析。视频分析指视频系统通过视频摄像仪对图像进行采集，借助工作面网络传输装置将图像信息传输至视频分析处理器，通过视频图像识别算法的比对，实现对现场场景的视频分析判断，并将识别信号传输给集控系统或相关控制设备，进而实现视频图像识别与控制联动。视频系统摄像仪在综采工作面刮板机头尾、转载机与皮带机搭接处、皮带机头以及支架上。支架上的视频系统多采用高清、广角摄像仪，并根据工作面具体情况采用特定的方式进行布置。视频信号传输则采用千兆以太网传输设备进行视频数据的传输为主。随着5G技术在煤矿的应用越来越多，技术不断成熟并适应煤矿综采工作面复杂的开采环境，5G信号传输有望在一定时期内替代有线数据传输方式。在有线和无线网络传输能力的保障下，工作面支架视频识别的在综采工作面的应用场景包括可做到工作面支架护帮板动作姿态的识别、区域警戒、预警、联动、煤量扫描以及人员未佩戴安全帽和防止人员闯入等功能，实现视频传感及相关场景的控制。

2.工作面复杂地质环境与智能化采煤的耦合应用

采煤工作面环境复杂、多变，时刻影响着采煤作业的安全。因此，为了全过程保障智能化开采的安全，就必须将工作面复杂的环境条件与智能化采煤技术进行深度耦合，从而实现人机的安全协调运行。

以瓦斯矿井举例，在工作面采煤过程中时刻注意煤机上瓦斯传感器，观察工作面瓦斯涌出情况，当发现瓦斯涌出异常情况时将立即停机处理，等到现场具备开机采煤时方可继续运行设备。因此，在智能化采煤作业过程中必须建立工作面瓦斯浓度与采煤机运行速度之间的耦合关系，实时将采煤工作面瓦斯监测数据实时上传到工作面智能控制系统内，该系统将传输过来数据进行分析。利用历史记载数据进行大数据分析，进而预测工作面未来瓦斯涌出量及浓度，并依据预测瓦斯浓度值提前预警，并让智能控制系统做出相应的处理。在实际操作中可以根据瓦斯浓度设定为多个预警级别，随着监测区域瓦斯浓度的升高，预警级别升高，系统将不断自动调整煤机采煤速度，直至停机；待现场处理完瓦斯后具备条件后，系统自动提醒司机重新开机生产，从而达到在瓦斯工作面安全高效生产，进而避免事故发生，形成瓦斯浓度与煤机速度耦合控制。

对于煤矿其他灾害严重的矿井，都可以按照瓦斯矿井处理方案，不断把灾害监测数据参数录入智能控制系统，已达到智能开采与工作面复杂地理地质环境的动态耦合适应，最终目的是安全生产。

3.煤矿智能化开采技术展望

3.1积极推进智能化综采技术

目前工作面煤岩变化复杂性和地质环境多样性是直接约束智能化工作面开采面临的最大难题。通过不断技术创新是解决难题唯一捷径，在实践中合理利用政策措施、科学的生产管理也是推进智能化开采的重要因素。

(1)依据国家政策加快淘汰落后装备，把绿色开采、科学开采及安全智能化开采作为鼓励发展方向。

(2)煤矿企业及高等院校将加大智能化开采技术创新，加大对不同煤层地质条件详细探索，拟定详细地质报告材料为智能化开采适应性的攻关和装备体系研发提供依据，研发单位将加强创新成果的转化推广应用，提高煤炭行业的国际影响力和竞争力。

(3)增强煤矿智能化开采的管理水平，提倡技术推动安全生产，提高工作面装备生产效率及设备质量，行业建立健全智能化开采技术规范或标准。从技术、管理及政策措施等方面全面推进中厚煤层智能化开采技术进步，实现煤炭安全高效绿色开采新目标。

3.2建立健全综采面地理地质信息系统

建立健全整个工作面的煤层地理地质信息系统，对整个工作面智能化开采起到关键性作用，综采设备和全部生产系统能够依照工作面地理地质条件变化自动修正开采方位，并依据耦合适应性预判可能遇到问题，同时完善工作面的智能感知功能，实时上传开采现场监测数据，实时自动修正开采方位；系统具有学习分析功能，通过对不同条件的煤层开采进行学习和训练，记忆存储学习训练内容，当遇到类似开采环境条件时系统将自动调取学习经验，进而完成智能化开采，进一步提高决策的科学性与适应性，实现真正的智能化精准采煤。为此，需要事先对工作面地理地质条件进行高精度探测，构造高精度煤层数字模型，建立综采面地理地质信息系统。在开采过程中，系统根据监监测到的煤层地质变化数据实时调整煤层开采数字模型，对开采行为提前进行预判和修正，提高决策的科学性和开采的准确性。下一步要研究智能神经网络技术，通过提高设备学习算法，使综采装备系统具备自主学习能力，开采过程遇到问题时，通过反复学习训练就能自主解决问题，提高智能化开采水平与开采效率。

4.结语

加快煤矿工作面智能化开采发展，建设智能矿山是煤炭企业的战略方向及产业安全高效发展重要内容，也是时代潮流和国家战略，煤炭开采技术改革发展得到国家的高度重视，企业要不断提倡创新发展观念，大力支持开展煤矿智能化技术创新和核心技术与装备攻关，通过数据挖掘技术、大数据分析、机器人设计等技术的发展成果，与煤炭开发技术深度融合，对推动智能化工作面开采起到了关键作用。但是智能化开采还有许多关键性问题有待解决，特别是对各种地质条件复杂煤层开采，系统自动适应性和系统可靠性都是目前制约智能化工作面开采主要因素。还要提高煤矿企业人员队伍素质，改变传统管理理念。加大在智能化开采技术装备研发方面的投入，全面推进智能化开采，彻底改变煤炭生产方式，改变井下环境，真正实现煤矿减人提效的目标。

参考文献

[1]王国法，范京道，徐亚军，等.煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望[J].工矿自动化，2018,44

（2）：5-12.[2]范京道，王国法，张金虎，等.黄陵智能化无人工作面开采系统集成设计与实践[J].煤炭工程，2016,48（1）：84-87.[3]唐恩贤，张玉良，马骋.煤矿智能化开采技术研究现状及展望[J].煤炭科学技术，2019，47（10）：111-11

来源：晋大拿