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1、国内煤矿智能化采掘技术新进展中煤科工集团董事长 王金华-04-15 智能化开采是在机械化开采、自动化开采基本上，信息化与工业化深度融合煤炭开采技术深刻变革，是指在不需要人工直接干预状况下，通过采掘环境智能感知、采掘装备智能调控、采掘作业自主导航，由采掘装备自动、独立完毕采掘作业过程。智能化开采具备三大技术内涵：采掘设备具备智能化自主采掘作业能力；实时获取和更新采掘工艺数据，涉及地质条件、煤岩变化、设备方位、开采工序等；能依照开采条件变化自动调控采掘过程；当智能化采掘设备与自动调度决策集为一体，即形成智能化开采工作面。针对国内煤矿综采工作面生产过程复杂、开采装备系统庞大、作业环境恶劣等特点，煤炭
2、行业产学研通力合伙，通过“十二五”期间不懈摸索努力和技术攻关，咱们攻克了综采成套装备感知、信息传播、动态决策、协调执行、高可靠性等核心技术，研制出具备自主知识产权综采成套装备智能系统，依照技术现状提出了“无人操作、有人巡视”智能化开采生产模式，实现了综采成套装备巷道及地面控制智能化远程控制开采，技术和实际应用达到了国际领先水平，满足了中华人民共和国煤炭能源革命需求，引领了国内煤炭科学开采发展方向。中华人民共和国煤炭科工集团太原研究院整合优势资源，进行工艺、装备创新，成功开发了“掘支运三位一体高效迅速掘进系统”。该系统把老式掘进、运送、支护等分步实行工序，通过新技术装备有机整合在一起，有效解决了
3、掘进、支护、运送同步进行、持续作业问题，实现了掘锚平行作业、多臂同步支护、持续破碎运送、长压短抽通风和智能远程操控高效一体化运营，第一次在煤矿井下实现了真正意义综合掘进机械化，极大地提高了国内煤巷掘进速度，创造了新世界纪录。一、国外智能化开采技术近几年来，煤炭开采技术装备发展以澳大利亚、德国和美国等发达国家为主导。煤炭开采领先技术涉及澳大利亚联邦科学院LASC技术和美国Joy公司IMSC技术，如下简要简介智能化新技术应用状况。（一）澳大利亚LASC技术澳大利亚综采长壁工作面自动控制委员会(Longwall Automation Steering Committee，LASC)开展了煤矿综采自动
4、化和智能化技术研究，采用高精度光纤陀螺仪和定制定位导航算法，应用于工作面设备，获得了三项重要成果：采煤机三维精准定位（误差10cm）、工作面矫直系统（误差50cm）和工作面水平控制，完毕了工作面自动化系统原型，同步实现了采煤机自动控制、煤流负荷平衡、巷道集中监控等。通过钻孔地质勘探和掘进相结合方式，描绘工作面煤层赋存分布，通过陀螺仪获知采煤机三维坐标，两者结合实现工作面全自动化割煤，该创新成果突破了煤岩辨认难题，另辟蹊径解决了采煤机精确割煤问题。LASC核心技术涉及：采煤机三维空间定位、自动工作面拉直、保持工作面平直、自动调高控制、3D可视化为远程监控提供虚拟现实等。（二）美国IMSC技术智能
5、开采服务中心(Intelligent Mining Service Center，IMSC)是美国JOY公司推出一种合用于长壁工作面远程智能增值产品/服务系统，可实时监控煤矿设备运营，依照浮现报警、故障信息，及时发邮件或电话告知矿井工程师进行调节。智能开采服务中心每日、周、月和季度向矿井提交运营分析报告，指引矿井提高运营管理水平，合理安排设备检修。作为一种增值产品/服务，在澳大利亚布里斯班Anglo矿业公司总部设立总调度室，对所管辖矿井进行实时监控，运用数据监测与分析系统，分析生产过程设备运营参数，对矿井生产予以指引，获得了提高产能、减人提效经济效益。二、国内智能化开采技术国内煤矿智能化开采在
6、近来十年特别是“十二五”期间获得了长足进步，启动了国内智能化开采新时代。以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机及可视化远程监控为基本，以生产系统智能化控制软件为核心，实现了在地面（或巷道）综合监控中心对综采设备智能监测与集中控制，保证工作面割煤、推溜、移架、运送、消尘等智能化运营，达到了工作面持续、安全、高效开采,另辟蹊径地诠释了国内智能化开采技术新概念。（一）智能化开采新模式摸索当前国内智能化开采技术水平，在控制系统架构、控制方式、响应时间、智能功能、工作面人数、产能等重要技术指标方面处在国际领先，开发了“巷道监控中心可视化远程控制割煤，采场无人操作”新技术，创新“无人跟机作业，有人安全值守”开
7、采理念，在采煤过程中做到工作面内无人操作，构建了“以工作面自动控制为主，监控中心远程干预为辅”工作面智能化生产模式，设计了人工干预下模糊控制多工序采煤工艺，实现了智能采煤技术深刻变革。智能开采控制技术打破了老式以单机装备为主、总体协调研制思路，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体系构造。将采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、巷道胶带机、供液系统、供电系统等装备有机结合起来，构建成一种互相联系、互相依存、互相制约采煤系统，根据系统控制决策模型分析成果，实现对综采成套装备协调管理与集中控制。1、智能化开采技术工人只需坐在综采工作面自动化监控中心即可通过显示屏观
8、测到工作面设备运营状况，通过语音通信进行调度、联系、调控，通过操作台远程操控工作面上有关设备，实当前监控中心对所有综采设备进行远程控制。地面调度指挥中心对综采设备远程监控将综采工作面采煤机、液压支架、运送机、泵站及供电系统等有机结合起来，实现了在地面调度指挥中心对综采工作面设备远程监测、操作以及各种数据实时显示等，为地面生产、管理人员提供实时井下工作面生产及安全信息。实现智能化开采，需要对采煤办法和工艺进行技术创新，重要涉及：一是采煤机自动化开采工艺：具备适合工作面采煤工艺记忆截割程序，实现采煤机在工作面自动记忆截割运营。在采煤机牵引部安装位置传感器，通过控制器数据解决模块，计算采煤机位移信息
9、，输入到数学模型，精准实现采煤机位置定位。二是支架及刮板机跟随采煤机随机自动化工艺：其基本技术是液压支架电液控制及采煤机记忆截割，需要对综采工作面三机设备适时进行工况检测、姿态检测和故障诊断等，保证整个工作面设备在最佳状态下运营。具备数据远距离传播功能，让顾客在巷道监控中心和地面监控室随时理解采煤机整机实时运营状态。三是煤流负荷反馈采煤控制工艺：实时检测刮板运送机上煤流分布负荷，通过变频技术控制刮板运送机传播速度，实现工作面采装运自动协调运营。2、煤岩监测技术现阶段综采工作面自动化还需要高清晰度视频监控。每隔6台支架安装1台用于监控支架矿用本质安全型高清晰摄像仪，安装在支架顶梁上，照射方向与工
10、作面平行。每隔3台支架安装1台煤壁监控摄像仪，安装在支架顶梁上，照射方向与工作面垂直。采集视频数据通过工业以太网传播到矿用显示屏，并增长了图像解决后煤岩分界标线。3、远程控制技术设在巷道监控中心计算机控制采煤机和液压支架等开采设备各种动作，通过远程计算机进入记忆截割，采煤机在工作面按设定工艺程序自动运营，自动调高、卧底、加速、减速；通过远控计算机，可以依照工作面运营状况随时干预调节采煤机运营。矿用本安型采煤机操作台，重要用于在巷道控制中心内远程集中控制三机设备启停、断电急停以及对采煤机进行远程操作，从而提高工作效率，减轻工人劳动强度，改进作业环境。4、持续推动技术在综采工作面三直两平中，输送机
11、保直是基本。由于煤层起伏和地质环境变化，工作面设备非可视测量是一种技术难题，还要考虑采煤机截割时工作面煤尘对测量成果影响，不能简朴地采用地面常规激光定位技术和经纬测量技术。依照综采工作面需要，相邻支架定位偏差不能超过10cm，采用激光矩阵测量技术实现了支架对齐规定，从而保证了输送机平直度。（二）“十二五”期间智能开采技术发展水平国内在“十二五”期间投入研发力量，在煤矿智能开采技术上获得了突破，达到了煤炭开采国际领先水平：直接减少采煤工作面操作人员，由本来30-50人/班减少到3-7人/班，人员减少为煤矿安全高效生产提供了有力技术保障；将工人从危险、恶劣工作面内解放到相对安全巷道监控中心，明显减
12、少了工人劳动强度，改进了工人劳动环境。在同等地质、生产技术条件下提高了产量，明显提高了煤矿经济效益。智能化开采是一次采煤工艺奔腾，提高了国内煤矿综采技术水平，对煤矿安全高效生产、行业技术进步、产业升级具备重要意义。实现采煤生产技术革命需要开发技术奔腾性突破，综采工作面从自动化到智能化技术系统，集成了越来越多当代科学技术功能。自从以来，智能化工作面已在国内重要产煤地区实验和生产，先后在神东、宁煤、中煤、陕煤、同煤、阳煤、平煤、晋煤、峰峰、新集口孜东等矿区40各种工作面进行了摸索与应用。例如，依照神华宁煤综采工作面中厚煤层赋存特点、地质条件，应用智能化技术突破老式模式采煤工艺办法，实现了中厚复杂地
13、质条件综采工作面安全、经济、高效开采，其某一智能化工作面开采状况如下表。表1 神华宁煤中厚煤层智能化工作面生产记录综采工作面是一种在地球内部几百米深度随时迁移立体矩形采场，由于在采煤过程中打破了煤层中应力平衡，受到矿山压力、瓦斯和地下水等各种因素侵害影响，需要针对性应对技术才干使开采顺利进行，智能化开采技术发展带来了新技术难题。（三）存在问题和发展方向1、地质围岩智能探测难题智能探测是指对采场未知区域自动探查和检测，结合巷道掘进数据和钻孔数据生成工作面三维地质模型，能精确反映出煤层起伏、倾角、断层、陷落柱等地质构造，用于指引采煤机俯仰采控制和摇臂调高、煤岩自动辨认、围岩控制等，也涉及对未采煤层
14、区域超前地质精准探测，以保障智能化采煤装备高效运营。2、开采智能决策难题当前智能化开采系统，以过程化控制为核心。但是与生产管理过程还没有有效地衔接，未进行有效信息集成和互通，不能有效地对综采核心设备进行智能管理，为生产管理者提供决策建议。由于开采地质条件不断变化，煤层赋存不可预知性，因而开采智能化还不能完全离开人智慧，需要发挥机器和人各自特长，规避人机各自短处，现阶段还不能完全离开人干预和控制。设备可靠性问题：智能化离不开高可靠综采设备，在此基本上增长感知、决策、控制和智能化功能，由单机向成套装备智能控制转变。开采恶劣环境下可视化难题：由于开采时产生煤岩粉尘会严重影响视频图像采集，因而需要研究
15、高清晰度和低延时开采场景再现技术，对人远程干预和机器视觉都能提供实时捕获现场运营变化特性。复杂条件下自感知技术难题：由于地下采煤工作面条件复杂、时刻移动、千变万化，对采煤工作面条件变化数据实时跟踪、精确记录、分析判断、科学运用等，是采煤智能化遇到最大技术难题。因而，需要建立综采工作面自动化专家决策系统，融合“人、机、环、管”过程数据及信息，并进行深度数据挖掘，从而建立起一套基于数据挖掘技术综采工作面自动化专家决策系统，实现“预测、预判、预控”，进一步提高科学智能决策水平。3、智能化开采发展方向信息技术特别是光电技术发展对煤炭智能化开采作用越来越大，适时地引入新技术对综采自动化技术升级是必要。一
16、是基于实时三维GIS开采智能导航技术：智能导航技术是指运用先进计算机、光电和导航技术对开采设备如工作面三机和人员进行自动定位，以实现安全监控和精准开采。实时三维GIS开发，将地理信息、三维可视化及工作面有关探测技术结合，建立工作面地质数据模型，分析模型拓扑关系，开发形成工作面三维可视化GIS信息系统，为综采工作面智能化管理与决策提供科学根据。核心研究内容涉及工作面三维空间定位、工作面扫描技术、工作面智能控制技术、三维可视化技术等。本项目建立了工作面实时GIS系统，实现工作面实时地质探测和设备定位，解决工作面地质探测、工作面三维空间定位、工作面智能控制等问题，为综采工作面智能化控制实现奠定基本。二是巡检机器人在智能化开采中应用：通过采掘设备加装智能控制遥控机器人，以辅助智能化工作面维护和管理，通过加装有适当光源和视觉、听觉、振动等传感器，通过人工智能化解决，进行智能化工作面自主
