王世博，葛世榮，王世佳，李 爭，萬志軍

（1.中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

0 引 言

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源和重要原料，它占我國化石能源資源的90%以上。 雖然煤炭在我國一次能源結(jié)構(gòu)中的比重在逐步降低，但在長時(shí)期內(nèi)其主體能源地位不會變化［1-2］。 智能化無人開采既是國際煤炭開采領(lǐng)域共同追求的前沿技術(shù)，也是實(shí)現(xiàn)我國煤礦安全、高效開采的技術(shù)跨越。 近年來我國先后發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020）》《煤炭工業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》《安全生產(chǎn)“十三五”規(guī)劃》《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計(jì)劃（2016—2030）》《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》等相關(guān)政策對煤炭自動化開采和智能化開采設(shè)定了目標(biāo)和發(fā)展方向。

近年來國內(nèi)學(xué)者通過相關(guān)研究提出了無人開采、智能開采等相關(guān)定義與內(nèi)涵。 方新秋等［3］提出了無人工作面系統(tǒng)模型和技術(shù)框架，認(rèn)為無人工作面是利用采煤機(jī)自主定位與導(dǎo)航、煤巖自動識別、液壓支架電液控制、刮板輸送機(jī)自動推移、工作面自動監(jiān)控監(jiān)測、井下高速雙向通信和計(jì)算機(jī)集中控制等技術(shù)，對關(guān)鍵生產(chǎn)裝備遙控與檢測，使之自動完成割煤、移架、移刮板輸送機(jī)、放煤和頂板支護(hù)等生產(chǎn)流程。 葛世榮［4］提出綜采工作面智能化開采是在不需要人工干預(yù)情況下，通過采掘環(huán)境的智能感知、采掘裝備的智能調(diào)控、采掘作業(yè)的自主巡航，由采掘裝備獨(dú)立自主完成的回采作業(yè)過程。 張良等［5］認(rèn)為工作面連續(xù)正常生產(chǎn)過程中，利用數(shù)字化、信息化、自動化和智能化技術(shù)手段，操作工人不出現(xiàn)的工作面即為無人工作面，并根據(jù)技術(shù)發(fā)展程度提出無人工作面將經(jīng)歷遙控型無人開采和智能型無人開采2個(gè)過程。 袁亮院士［6］提出了煤炭精準(zhǔn)化開采科學(xué)構(gòu)想。 煤炭精準(zhǔn)開采是基于透明空間地球物理和多物理場耦合，以智能感知、智能控制、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)云計(jì)算等作支撐，具有風(fēng)險(xiǎn)判識、監(jiān)控預(yù)警等處置功能，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)空上準(zhǔn)確安全可靠的智能少人（無人）安全精準(zhǔn)開采的新模式法。 王國法院士［7］根據(jù)綜采裝備在感知、決策和執(zhí)行方面的技術(shù)水平，提出了綜采工作面自動化、智能化、無人化的概念，并從液壓支架控制、采煤機(jī)控制、工作面運(yùn)輸控制和工作面控制系統(tǒng)4 個(gè)方面闡述了3 個(gè)不同水平的綜采工作面具備的技術(shù)特征。 李首濱［8］提出了智能化開采的4 個(gè)階段：以“可視化遠(yuǎn)程干預(yù)”為特點(diǎn)的智能化開采1.0、以“工作面找直”為特點(diǎn)的智能化開采2.0、以“透明工作面”為特點(diǎn)的智能化開采3.0、以及“全智能自適應(yīng)開采”的智能化開采4.0。

借鑒無人控制系統(tǒng)發(fā)展的一般規(guī)律分析了綜采工作面控制系統(tǒng)（技術(shù)）的發(fā)展歷程及其主要目標(biāo)任務(wù)，凝練了智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)，提出了綜采工作面無人自主開采原理及其相關(guān)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 綜采工作面控制系統(tǒng)（技術(shù)）發(fā)展歷程

綜采工作面機(jī)械裝備包括滾筒采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)，簡稱“綜采三機(jī)”（圖1）。 采煤機(jī)以刮板輸送機(jī)為運(yùn)行軌道，往復(fù)截割煤壁落煤，并把落下的煤裝入刮板輸送機(jī)；刮板輸送機(jī)將煤炭輸送出工作面；液壓支架支護(hù)工作面圍巖，為工作面作業(yè)提供安全空間；刮板輸送機(jī)和液壓支架互為支點(diǎn)推動工作面沿煤層前移。 綜采工作面的作業(yè)過程可以歸結(jié)為3 個(gè)核心目標(biāo)任務(wù)：①可靠割煤與裝煤，即在裝備可靠的前提下始終在煤層內(nèi)截割；②保持工作面幾何關(guān)系，即綜采工作面推進(jìn)過程中保持直線度；③圍巖可靠支護(hù)，即支架與圍壓處于良好的動態(tài)平衡。 綜采工作面控制系統(tǒng)（技術(shù)）是實(shí)現(xiàn)這3 個(gè)目標(biāo)任務(wù)的感知、決策與控制執(zhí)行系統(tǒng)的總稱。 綜采工作面控制系統(tǒng)（技術(shù)）與無人車、無人機(jī)等智能系統(tǒng)［9］的發(fā)展歷程極為相似，先后經(jīng)歷了遠(yuǎn)程遙控、自動控制2 個(gè)階段，正處于自主控制研發(fā)階段。

圖1 綜采工作面“三機(jī)”配套示意Fig.1 Schematic of longwall mining face and its equipments

1）綜采工作面遠(yuǎn)程遙控階段。 為解決采礦與工資公平問題，英國國家煤礦委員會（National Coal Board，NCB）早在1951 年提出“長壁綜采工作面遠(yuǎn)程控制”（Remotely Operated Longwall Face，ROLF）研究項(xiàng)目，希望以機(jī)器取代人。 經(jīng)過研究開發(fā)，ROLF 系統(tǒng)于20 世紀(jì)60 年代早期實(shí)施（圖2）。 但是由于當(dāng)時(shí)的科技沒有發(fā)展到足以讓ROLF 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的程度，大量的測試結(jié)果表明該系統(tǒng)缺乏成熟性而宣告失?。?0-11］。 之后英國國家煤礦委員會繼續(xù)對長壁綜采工作面遠(yuǎn)程控制進(jìn)行研究，開發(fā)了包括綜采工作面控制系統(tǒng)在內(nèi)的煤礦操作系統(tǒng)（Mine Operating System，MINOS），綜采工作面控制系統(tǒng)包括3 個(gè)模塊：工作面信息在線摘錄（Face Information Digested On-line，F(xiàn)IDO）、工作面推進(jìn)控制裝備（Face Advance Control Equipment，F(xiàn)ACE）、機(jī)械信息顯示和自動系統(tǒng)（Machine Information Display and Automation System）（圖3）。

圖2 長壁綜采工作面遠(yuǎn)程控制（ROLF）Fig.2 Remotely operated longwall face （ROLF）

圖3 MINOS 系統(tǒng)Fig.3 The MINOS system

由于缺少關(guān)鍵的感知與計(jì)算機(jī)技術(shù)，MINOS 系統(tǒng)也在20 世紀(jì)80 年代中期被迫中止［11-13］。 盡管綜采工作面自動化開采的目標(biāo)沒有實(shí)現(xiàn)，但這兩次嘗試產(chǎn)生了一些對自動化具有重要影響的技術(shù)，包括支架電液控制技術(shù)、基于自然γ射線的煤巖界面識別技術(shù)、基于截割應(yīng)力的煤巖識別技術(shù)。 此外，這兩次嘗試總結(jié)出了綜采工作面自動化必須解決的2個(gè)主要問題：①如何控制開采裝備與工作面始終在煤層中截割；②工作面推進(jìn)過程的直線度控制［11］。這2 個(gè)問題至今仍是影響綜采工作面自動化常態(tài)運(yùn)行的主要問題。 我國于2008 年啟動了863 計(jì)劃項(xiàng)目“煤礦井下采掘裝備遙控關(guān)鍵技術(shù)”，“重點(diǎn)研究井下綜采工作面采煤機(jī)遠(yuǎn)距離控制技術(shù)及煤巖巷道懸臂式掘進(jìn)裝備可視化遙控技術(shù)”。 經(jīng)過項(xiàng)目攻關(guān)，形成了采掘裝備遠(yuǎn)程遙控技術(shù)體系［14］。

2）綜采工作面自動控制階段。 液壓支架是綜采工作面數(shù)量最多、操作人員最多的裝備，綜采工作面自動化首先要解決液壓支架自動控制技術(shù)。 20世紀(jì)70 年代英國等先進(jìn)采煤國家開始研制液壓支架自動控制技術(shù)，20 世紀(jì)90 年代，液壓支架電液控制系統(tǒng)開始廣泛應(yīng)用［15］。 我國于1991 年開始研究液壓支架電液控技術(shù)，2010 年前后逐漸形成了完善的液壓支架電液控制技術(shù)［16］。 此后，煤礦科研工作者與工程技術(shù)人員以液壓支架電液控制技術(shù)為核心，集成采煤機(jī)記憶截割、工作面“三機(jī)”通信及協(xié)同控制技術(shù)、液壓支架跟（采煤）機(jī)聯(lián)動、視頻監(jiān)控等技術(shù)，在地質(zhì)條件較好的近水平工作面進(jìn)行了綜采工作面自動化控制示范應(yīng)用［8，17-20］。

對綜采工作面自動化水平產(chǎn)生重大影響的一項(xiàng)技術(shù)是采煤機(jī)慣性導(dǎo)航技術(shù)。 20 世紀(jì)80 年代，美國率先開展了將慣性導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于煤礦采掘裝備的相關(guān)研究［21-22］，受限于當(dāng)時(shí)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度與成本，該技術(shù)研究在1995 年被迫停止。 隨著慣性導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織（Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization，CSIRO）在2000 年啟動了“Landmark”項(xiàng)目，主要研究綜采工作面采煤機(jī)慣性導(dǎo)航定位技術(shù)，通過采用戰(zhàn)術(shù)級慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并嵌入多種慣導(dǎo)誤差減小算法，在澳大利亞煤礦進(jìn)行了井下工業(yè)性試驗(yàn)，獲得了較好的三維定位精度［23-27］，并開發(fā)了長壁綜采工作面自動駕駛（ Longwall Automation Steering Committee，LASC）裝置（圖4），從而可以有效解決影響自動化綜采工作面連續(xù)推進(jìn)的工作面調(diào)直問題。我國轉(zhuǎn)龍灣煤礦于2016 年首次引入該技術(shù)并進(jìn)行井下工作面自動調(diào)直工業(yè)性試驗(yàn)［8，28］，我國至今已有多個(gè)大型煤礦購置LASC 裝置。

圖4 LASC 裝置與工作面調(diào)直原理Fig.4 LASC device and work face alignment principle

筆者研究了基于工作面煤層地理信息系統(tǒng)的采煤機(jī)定位、調(diào)高與工作面調(diào)直技術(shù)，研究方案如圖5所示。 利用較低成本的商用捷聯(lián)慣性導(dǎo)航與軸編碼器，提出了采煤機(jī)自主定位與誤差消減方法，獲得了高精度采煤機(jī)運(yùn)行軌跡與截割軌跡［29-33］。 根據(jù)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的約束關(guān)系，建立了基于采煤機(jī)運(yùn)行軌跡的刮板輸送機(jī)形態(tài)檢測和調(diào)直方法［34-36］。利用震波CT 技術(shù)對工作面煤層進(jìn)行精細(xì)物探，結(jié)合煤礦鉆探等地質(zhì)資料建立了工作面煤層三維地質(zhì)模型［37-38］。 以煤層三維地質(zhì)模型為導(dǎo)航地圖，利用采煤機(jī)自主定位方法，獲得煤巖截割過程中采煤機(jī)在煤層中的三維絕對位置及其姿態(tài)［29-30］。 在煤層地質(zhì)模型精度有限的條件下，提出了融合煤層傾角識別與記憶截割的采煤機(jī)調(diào)高控制方法［39-40］。 該研究方案為實(shí)現(xiàn)綜采工作面3 個(gè)目標(biāo)任務(wù)中的可靠割煤、保持工作面幾何關(guān)系提供了原理方法和技術(shù)路徑，并對部分研究成果進(jìn)行了井下驗(yàn)證。

圖5 基于煤層地理信息的工作面調(diào)高和調(diào)直技術(shù)研究方案Fig.5 Diagram of height adjusting and alignment of longwall face based on GIS of coal seam

當(dāng)前階段綜采工作控制技術(shù)是根據(jù)綜采裝備狀態(tài)信息與煤層信息按照預(yù)先編制的確定性程序進(jìn)行自動控制，仍然需要人工遠(yuǎn)程干預(yù)，尚不能達(dá)到智能的自主控制，但這些自動控制技術(shù)為綜采工作面自主控制奠定了重要的基礎(chǔ)。

3）綜采工作面自主控制階段。 根據(jù)袁亮院士提出的煤炭精準(zhǔn)開采中“無人開采”（不包含“安全開采”）的科學(xué)內(nèi)涵［6］，借鑒無人車自主駕駛智能系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)架［9］，綜采工作面無人自主開采需要研究解決綜采工作面環(huán)境實(shí)時(shí)感知、綜采“三機(jī)”協(xié)同控制、高精度煤層地理信息系統(tǒng)、開采工藝智能決策與無人綜采工作面評估試驗(yàn)方法5 個(gè)方面的問題（圖6）。

圖6 綜采工作面無人自主開采研究問題Fig.6 Research quesitions of unmanned autonolous longwall ming

綜采“三機(jī)”通過工作面環(huán)境實(shí)時(shí)感知與高精度煤層地理信息系統(tǒng)的煤層地質(zhì)信息，對開采工藝進(jìn)行智能決策，根據(jù)決策確定的控制目標(biāo)進(jìn)行綜采“三機(jī)”協(xié)同控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)可靠割煤、工作面穩(wěn)定的幾何關(guān)系、采掘裝備獨(dú)立自主地完成回采作業(yè)過程。 綜采工作面無人自主控制技術(shù)還需經(jīng)過試驗(yàn)評估，確定技術(shù)的完善度與可靠度。 5 個(gè)研究問題中有些技術(shù)已經(jīng)深入研究，并進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)與推廣應(yīng)用，有些則已經(jīng)立項(xiàng)正在研究。 有些仍未進(jìn)行研究。

2 綜采工作面控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

綜采工作面控制系統(tǒng)與各綜采裝備及其控制系統(tǒng)的連接關(guān)系如圖7 所示。

圖7 綜采工作控制系統(tǒng)基本架構(gòu)［18-20］Fig.7 Basic structure of longwall ming face control system［18-20］

采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、帶式輸送機(jī)、攝像儀、供電及供液系統(tǒng)等綜采裝備通過通信網(wǎng)絡(luò)將自身工作狀態(tài)信息傳輸?shù)较锏兰刂行摹?巷道集控中心根據(jù)各裝備狀態(tài)決策其執(zhí)行目標(biāo)，并通過控制專線傳輸?shù)礁餮b備本地控制器。 同時(shí)地面調(diào)度室也可通過礦井環(huán)網(wǎng)獲得綜采工作面各裝備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、物理環(huán)境信息、視頻和音頻信息。

1）液壓支架電液控制技術(shù)（裝置）。 液壓支架電液控制實(shí)現(xiàn)了液壓支架的自動化控制，也是綜采工作面自動化控制的先決條件。 液壓支架電液控制系統(tǒng)是通過在支架上安裝的電液控制器、電液控制閥、壓力傳感器、行程傳感器等傳感與控制元件，實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動移架、自動推移輸送機(jī)、自動放煤、自動噴霧等成組或單架控制［15］。

2）綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)。 綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)是根據(jù)采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)等綜采裝備的狀態(tài)信息，結(jié)合采煤工藝，以綜采裝備合理協(xié)同動作為目標(biāo)，決策綜采裝備的控制目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)綜采工作面連續(xù)高效運(yùn)行［41］。 協(xié)同控制解決綜采裝備之間的協(xié)調(diào)運(yùn)行問題，包括工藝層次的協(xié)同和性能層次的協(xié)同。 工藝層次的協(xié)同是指綜采裝備按照綜采工作面生產(chǎn)過程中的開采工藝要求，確定采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、帶式輸送機(jī)和攝像頭等設(shè)備之間的聯(lián)動順序和關(guān)系，實(shí)現(xiàn)一鍵啟停控制、閉鎖保護(hù)、跟機(jī)移架等功能。 性能層次的協(xié)同是指綜采裝備在工藝協(xié)同的基礎(chǔ)上，使綜采裝備發(fā)揮各自的最優(yōu)性能，從而實(shí)現(xiàn)綜采工作面安全高效生產(chǎn)。 性能層次的協(xié)同功能包括采煤機(jī)防干涉控制、煤流負(fù)荷控制、工作面調(diào)直等。

綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)的本質(zhì)是對綜采裝備動作目標(biāo)的決策，并將所決策的各裝備動作目標(biāo)通過通信技術(shù)發(fā)送到各裝備本機(jī)控制器執(zhí)行。 因此綜采裝備協(xié)同控制系統(tǒng)（決策系統(tǒng)）算法性能決定了控制系統(tǒng)的智能化水平。

3）工作面通信技術(shù)。 工作面通信技術(shù)為實(shí)現(xiàn)工作面裝備協(xié)同控制提供重要的信息通道，它承擔(dān)了綜采裝備運(yùn)行狀態(tài)信息的上傳與監(jiān)控中心決策目標(biāo)指令的下達(dá)（圖7），因此綜采工作面通信技術(shù)是實(shí)現(xiàn)工作面自動運(yùn)行的必備基礎(chǔ)，而且通信質(zhì)量是綜采工作面智能運(yùn)行的關(guān)鍵因素。 根據(jù)綜采裝備及技術(shù)的發(fā)展，工作通信技術(shù)應(yīng)能夠連接現(xiàn)有的多廠家的裝備，能夠進(jìn)一步擴(kuò)展或集成新的技術(shù)和裝備，具有較好的開發(fā)性和通用的通信協(xié)議［42］。

4）工作面可視化技術(shù)。 工作面可視化技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，將綜采裝備以三維圖形圖像的方式呈現(xiàn)在巷道監(jiān)控中心，從而使操作人員較為直觀地掌握工作面運(yùn)行狀況。 目前工作面可視化技術(shù)既是工作面狀態(tài)信息的重要補(bǔ)充，也是人工干預(yù)工作面運(yùn)行的信息通道。 工作面可視化技術(shù)主要采用2 種方式：視頻系統(tǒng)與虛擬現(xiàn)實(shí)（圖8）。 視頻系統(tǒng)是在采煤機(jī)和液壓支架安裝攝像頭，工作面視頻信息通過通信系統(tǒng)傳輸?shù)焦ぷ骷刂行哪酥恋孛嬲{(diào)度室。 這種可視化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是形象、直觀，可防止應(yīng)傳感器失效造成故障或事故；缺點(diǎn)是易受工作面粉塵和水霧的影響，導(dǎo)致畫面不清晰難以監(jiān)控。 此外，這種可視化技術(shù)在視頻傳輸過程中占用帶寬較大。 虛擬現(xiàn)實(shí)可視化技術(shù)是采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)綜采裝備及其周邊狀態(tài)的三維仿真，是基于綜采裝備傳感器數(shù)據(jù)的綜采工作面狀態(tài)的真實(shí)再現(xiàn)，可以準(zhǔn)確表達(dá)綜采裝備的運(yùn)行狀態(tài)。

圖8 工作面視頻圖像和虛擬現(xiàn)實(shí)圖像Fig.8 Video image and virtual reality image of longwall mining face

5）采煤機(jī)定位技術(shù)。 采煤機(jī)定位技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面自動化運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)采煤機(jī)定位基準(zhǔn)的不同，可分為采煤機(jī)-液壓支架相對定位技術(shù)、采煤機(jī)-刮板輸送機(jī)相對定位技術(shù)、基于慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)自主定位技術(shù)。

采煤機(jī)-液壓支架相對定位技術(shù)是在采煤機(jī)和液壓支架上分別安裝有信號發(fā)射裝置和接收裝置，當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行經(jīng)過某一信號接收裝置時(shí)，采煤機(jī)信號發(fā)射裝置發(fā)出的信號經(jīng)支架接收裝置接收，根據(jù)接收信號的支架編號和支架對應(yīng)位置坐標(biāo)進(jìn)行定位。 例如紅外對射定位法［43］、無線傳感網(wǎng)絡(luò)定位法［44］等。 紅外對射采煤機(jī)定位實(shí)現(xiàn)了液壓支架對采煤機(jī)位置的感知，是液壓支架實(shí)現(xiàn)跟（采煤）機(jī)移架的重要感知技術(shù)。

采煤機(jī)-刮板輸送機(jī)相對定位技術(shù)是利用安裝在采煤機(jī)行走部的齒輪傳感器或軸編碼器，結(jié)合采煤機(jī)行走輪與輸送機(jī)銷軌的傳動比監(jiān)測采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上的行走距離，進(jìn)而確定采煤機(jī)位置。 該技術(shù)雖然無法測量實(shí)際采煤過程中采煤機(jī)的三維運(yùn)動軌跡是，但可以測量采煤機(jī)在工作面中的大致位置，為采煤機(jī)基于工藝段的控制提供了可用的位置信息。

基于慣性導(dǎo)航的采煤機(jī)自主定位技術(shù)是將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航（Strapdown Inertial Navigation System，簡稱慣導(dǎo)或INS）直接固聯(lián)在采煤機(jī)機(jī)身，慣導(dǎo)中的陀螺儀和加速度計(jì)直接感受采煤機(jī)在慣性空間的轉(zhuǎn)動角速度和線性加速度，經(jīng)過積分運(yùn)算得到采煤機(jī)機(jī)身的運(yùn)動速度、航向、姿態(tài)和位置等信息。 這種定位技術(shù)不需要任何外界信號，自主性好，是綜采工作面自動化必要和可行的定位方法。 尤其重要的是，采煤機(jī)慣性導(dǎo)航定位技術(shù)的定位參考基準(zhǔn)應(yīng)選擇采煤機(jī)作業(yè)對象—采區(qū)煤巖地質(zhì)坐標(biāo)，這是采煤機(jī)定位技術(shù)服務(wù)于綜采工作面自動化的重要基礎(chǔ)［45］。

6）采煤機(jī)自動調(diào)高技術(shù)。 采煤機(jī)自動調(diào)高技術(shù)是在采煤工藝的約束下，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)上下截割滾筒盡可能沿著煤層頂?shù)装褰馗睿⒈ＷC刮板輸送機(jī)和液壓支架在截割空間的通過性。 采煤機(jī)自動調(diào)高技術(shù)分為2 種：基于煤巖界面識別的直接調(diào)高方式和基于記憶截割的間接調(diào)高技術(shù)。

從20 世紀(jì)60 年代起，世界主要產(chǎn)煤國家對采煤機(jī)煤巖界面自動識別及滾筒自動調(diào)高技術(shù)做了大量研究工作。 根據(jù)煤巖物理性質(zhì)差別進(jìn)行煤巖界面識別的方法有天然γ射線探測法、放射性同位素法、雷達(dá)探測法、（激光）光纖探測法、太赫茲探測法等。根據(jù)煤巖截割響應(yīng)差別進(jìn)行煤巖界面識別的方法有截割振動測試法、截齒測力法、截割聲波以及多種截割響應(yīng)參數(shù)融合識別法［46-48］。 此外，近年基于煤巖物質(zhì)成份差別的高光譜（近紅外光譜）、X 射線識別法引起研究者的重視與研究［48］。 上述識別方法中，只有天然γ射線探測法形成了在綜采工作面試用的NGB-1000 型煤厚傳感器，但未實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。 眾多煤巖界面識別方法未取得令人滿意結(jié)果的主要原因是，高成本的傳感器在工作面環(huán)境惡劣、煤巖屬性多變的工況下無法實(shí)現(xiàn)界面的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確識別。

基于記憶截割的間接調(diào)高技術(shù)原理是采煤機(jī)操作人員沿工作面預(yù)先截割一刀，采煤機(jī)控制系統(tǒng)將采煤機(jī)的工作參數(shù)、位置參數(shù)、姿態(tài)參數(shù)等存儲，在接下來的截割循環(huán)中，采煤機(jī)根據(jù)記憶的工作位置以及相應(yīng)的截割參數(shù)進(jìn)行自動截割［49-51］。 這種調(diào)高控制方法采煤機(jī)上獲得應(yīng)用，是目前自動化綜采工作面廣泛采用的調(diào)高控制技術(shù)。 但是記憶截割無法在調(diào)整采煤機(jī)俯仰采姿態(tài)，在含有褶皺、斷層等構(gòu)造的復(fù)雜地質(zhì)條件煤層的應(yīng)用受到限制［45］。

7）工作面自動調(diào)直技術(shù)。 工作面自動調(diào)直技術(shù)是在綜采工作面沿回采方向推進(jìn)（推移刮板輸送機(jī)和液壓支架，“推移刮板輸送機(jī)拉架”）過程中自動調(diào)整液壓支架推移油缸的動作距離，保障綜采工作面的直線度滿足生產(chǎn)要求。 工作面自動調(diào)直方法可分為：以液壓支架為基準(zhǔn)的調(diào)直方法和以刮板輸送機(jī)為基準(zhǔn)的調(diào)直方法。 以液壓支架為基準(zhǔn)的調(diào)直方法是利用液壓支架之間的位移傳感器或激光陣列（圖9）等傳感元件，獲得相鄰支架相對位置變化，實(shí)現(xiàn)液壓支架群組的直線度控制。 然后以液壓支架為基準(zhǔn)，通過高精度的推移油缸行程傳感器控制刮板輸送機(jī)的直線度，從而實(shí)現(xiàn)工作面調(diào)直。 這種調(diào)直方法需要安裝大量傳感器，降低了其工作可靠性；而且缺少工作面調(diào)直的絕對參考方向，極易導(dǎo)致工作面調(diào)直方向與回采巷道方向不正交［36］。

圖9 液壓支架調(diào)直傳感原理Fig.9 Perception principle of supports alignment

以刮板輸送機(jī)為基準(zhǔn)的調(diào)直方法的基本原理如圖10 所示，利用采煤機(jī)定位技術(shù)檢測采煤機(jī)運(yùn)行軌跡，根據(jù)采煤機(jī)與刮板輸送機(jī)的幾何約束關(guān)系，從采煤機(jī)運(yùn)行軌跡反演出刮板輸送機(jī)空間姿態(tài)；根據(jù)刮板輸送機(jī)的空間姿態(tài)，在推移方向上調(diào)整液壓支架的推移距離，使刮板輸送機(jī)在推移刮板輸送機(jī)的同時(shí)完成空間姿態(tài)的修正，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)直線度控制。 液壓支架以推移油缸的零位移為基準(zhǔn)進(jìn)行“拉架”從而保證液壓支架的直線度。 目前這種調(diào)直方法正在被自動化綜采工作面廣泛采用。

圖10 刮板輸送機(jī)調(diào)直原理Fig.10 Principle of scraper conveyer alignment

8）工作面圍巖支護(hù)控制技術(shù)。 工作面圍巖支護(hù)控制技術(shù)是根據(jù)液壓支架與圍巖之間的相互作用關(guān)系，提出液壓支架各動作機(jī)構(gòu)的控制目標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)液壓支架對工作面開采空間的良好支護(hù)與工作面的連續(xù)推移。

液壓支架是綜采裝備中處采煤機(jī)外另一直接和煤巖體作用的裝備，它是工作面圍巖截割穩(wěn)定性控制的核心裝備。 液壓支架與圍巖之間的適應(yīng)性與耦合關(guān)系控制是自動化綜采工作面安全連續(xù)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)之一。 王國法院士團(tuán)隊(duì)通過分析液壓支架載荷，提出了支架-圍巖的強(qiáng)度耦合、剛度耦合、穩(wěn)定性耦合原理［52-54］，為液壓支架優(yōu)化設(shè)計(jì)和圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性控制提供了理論基礎(chǔ)。 侯剛［55］設(shè)計(jì)了液壓支架智能耦合控制系統(tǒng)，初步實(shí)現(xiàn)了支護(hù)高度、支架姿態(tài)、立柱壓力、壓力作用點(diǎn)、護(hù)幫板狀態(tài)的檢測與控制。 澳大利亞TRUEMAN 等［56］提出了周期來壓特征定量表征支架-圍巖耦合作用的方法，并基于此開發(fā)了支架立柱壓力分析軟件，實(shí)現(xiàn)了支架控制參數(shù)的快速評估與優(yōu)化，有效減少甚至消除了綜采工作面的支架控制問題。 但綜采工作面生產(chǎn)條件復(fù)雜多變，液壓支架與圍巖耦合作用規(guī)律與多因素相關(guān)，因此仍需要深入研究液壓支架智能耦合控制技術(shù)。

上述8 項(xiàng)綜采工作面控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的邏輯關(guān)系如圖11 所示。 液壓支架電液控制技術(shù)（裝置）的作用如同采煤機(jī)控制裝置、刮板輸送機(jī)控制裝置等，是液壓支架的感知與控制執(zhí)行元件。 采煤機(jī)定位技術(shù)、工作面可視化技術(shù)、液壓支架電液控制技術(shù)（裝置）、采煤機(jī)控制裝置、刮板輸送機(jī)控制裝置以及綜采工作面其他裝備的控制裝置同屬于自動化綜采工作面的感知與執(zhí)行層，負(fù)責(zé)感知各裝備運(yùn)行狀態(tài)，并執(zhí)行決策層確定的目標(biāo)指令。 工作面通信技術(shù)是工作面控制系統(tǒng)的傳輸層，負(fù)責(zé)將裝備狀態(tài)上傳到?jīng)Q策層，同時(shí)將決策層的目標(biāo)指令下發(fā)給各個(gè)控制裝置。 綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)、工作面自動調(diào)直技術(shù)、采煤機(jī)自動調(diào)高技術(shù)和圍巖支護(hù)技術(shù)屬于自動化綜采工作面的決策層。 決策層的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)綜采工作面連續(xù)運(yùn)行的3 個(gè)主要任務(wù)：保持工作面幾何關(guān)系、可靠割煤與裝煤、頂板支護(hù)。 工作面自動調(diào)直技術(shù)、采煤機(jī)自動調(diào)高技術(shù)和圍巖支護(hù)控制技術(shù)的決策過程還必須以綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)為基礎(chǔ)，即應(yīng)該首先解決綜采裝備內(nèi)部的協(xié)調(diào)問題。

圖11 綜采工作面自動化關(guān)鍵技術(shù)邏輯關(guān)系Fig.11 Relationship of longwall mining face automatic key technologies

3 綜采工作面自主控制系統(tǒng)面臨的問題

綜采工作面控制系統(tǒng)決策層（圖11）相關(guān)技術(shù)的智能化程度與健壯性決定了整個(gè)系統(tǒng)的自主控制能力。 在綜采工作面控制系統(tǒng)由自動控制向自主控制前進(jìn)的當(dāng)今階段，一方面采煤機(jī)自動調(diào)高技術(shù)與圍巖支護(hù)控制技術(shù)的智能化程度需要提高，另一方面決策層的適用性和健壯性有待完善。 根據(jù)綜采工作面自主控制所需研究內(nèi)容（圖6），仍需進(jìn)一步深入研究和攻關(guān)的相關(guān)內(nèi)容具體表現(xiàn)為：

1）煤層地理信息系統(tǒng)的精度不足以為綜采工作面作業(yè)提供精確導(dǎo)航信息。 高精度地圖是無人車自主駕駛的重要技術(shù)，由于它與普通導(dǎo)航地圖在受用對象（前者為駕駛控制系統(tǒng)，后者為駕駛員）的區(qū)別，使得高精度地圖不但在地圖絕對坐標(biāo)精度優(yōu)于普通導(dǎo)航地圖，而且要包含準(zhǔn)確的道路形狀、車道坡度、曲率、航向、高程、側(cè)傾等數(shù)據(jù)［43］。 高精度煤層地理信息系統(tǒng)的作用與高精度地圖相似，需要為綜采工作面無人自主開采系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的煤層厚度分布信息。 目前，研究者利用地震波或電磁波技術(shù)對工作面煤層進(jìn)行物探，然后利用地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法獲得煤層厚度分布信息，進(jìn)而建立煤層地理信息系統(tǒng)［42，47-50］。 但僅僅依賴物探資料構(gòu)建的煤層地理信息系統(tǒng)在垂向分辨率即煤層厚度精度較低，一般大于煤層厚度的10%，這不能滿足綜采工作面無人自主開采對煤層地理信息系統(tǒng)的精度要求，需要進(jìn)一步對煤層地理信息系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化研究。

2）采煤機(jī)截割仍然要依賴記憶截割，同時(shí)缺少考慮回采率、割巖率以及刮板輸送機(jī)和液壓支架通過性能的綜采工作面截割路徑自主規(guī)劃的方法。 記憶截割調(diào)高控制方法類似于“盲人摸象”，在存在褶皺、斷層等地質(zhì)構(gòu)造的復(fù)雜地質(zhì)條件煤層很難適用。導(dǎo)致記憶截割無法適用于復(fù)雜地質(zhì)條件煤層的主要原因是記憶截割無法根據(jù)煤層傾角的變化調(diào)整工作面俯仰采角度。 在所構(gòu)建的煤層地理信息系統(tǒng)精度有限的條件下，提出了基于分段線性的煤層傾角識別方法［44］。 通過融合記憶截割和煤層傾角識別方法可解決存在褶皺、斷層地質(zhì)構(gòu)造，厚度變化不大的煤層的采煤機(jī)自動調(diào)高問題，但仍無法實(shí)現(xiàn)綜采工作面的截割路徑自主規(guī)劃。 研究綜采工作面的截割路徑規(guī)劃，必須以高精度煤層地理信息系統(tǒng)為導(dǎo)航地圖資料，以高回采率、低割巖率為優(yōu)化目標(biāo)，并充分考慮“綜采三機(jī)”的通過性能以及開采效率。

3）支架群組-圍巖耦合作用規(guī)律、支架支護(hù)狀態(tài)感知與控制方法尚不能支撐圍巖智能支護(hù)決策。同采煤機(jī)一樣，液壓支架直接與煤巖體相互作用，地質(zhì)環(huán)境與煤巖體屬性的離散性導(dǎo)致支架-圍巖耦合作用規(guī)律復(fù)雜多變，致使圍巖支護(hù)決策缺失可靠的理論基礎(chǔ)。 工作面內(nèi)支架數(shù)量眾多，且支護(hù)動作組合多變，實(shí)現(xiàn)支架狀態(tài)感知需要大量傳感器。 液壓支架控制閥多為開關(guān)控制方向閥和手動調(diào)節(jié)溢流閥，支護(hù)狀態(tài)可調(diào)控參量極少。 因此支架支護(hù)狀態(tài)的感知與控制也是支護(hù)決策的障礙，實(shí)現(xiàn)工作面圍巖智能控制必須研究支架群組-圍巖耦合作用規(guī)律、支架支護(hù)狀態(tài)感知與控制方法。

4）綜采工作面控制系統(tǒng)適用性評估檢驗(yàn)是決定其能否自主決策并良好運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 無人系統(tǒng)適用性評估尤其是其自主能力評價(jià)是研發(fā)一套具有自主感知、自主規(guī)劃與自主行為能力的自主控制系統(tǒng)的必要環(huán)節(jié)。 就無人車而言，其自主駕駛控制系統(tǒng)可以通過模擬路況和真實(shí)路況進(jìn)行考核，例如谷歌無人駕駛試驗(yàn)車總行駛里程已經(jīng)超過320萬km。 綜采工作面除復(fù)雜多變的煤層外，通常由一臺重達(dá)100 t 的采煤機(jī)、一部重達(dá)600 t 的刮板輸送機(jī)和約200 臺單重達(dá)30 t 液壓支架組成（長度300 m 的中厚煤層工作面“三機(jī)”配套情況，質(zhì)量總計(jì)約6 500 t）。 而且這些設(shè)備往往不是由一個(gè)廠家生產(chǎn)制造。 因此，僅從裝備角度而言，綜采工作面控制系統(tǒng)的試驗(yàn)評估具有非常大的難度。 通常，這些設(shè)備下井之前在地面進(jìn)行連接配套，然后對控制系統(tǒng)進(jìn)行簡單功能性檢驗(yàn)。 “綜采三機(jī)”地面調(diào)試缺少煤巖環(huán)境，工作面不能連續(xù)推進(jìn)，這導(dǎo)致控制系統(tǒng)的很多功能需要在工作面實(shí)際生產(chǎn)過程中進(jìn)行檢驗(yàn)和完善。 煤礦繁重的生產(chǎn)任務(wù)引發(fā)了工作面產(chǎn)量與控制系統(tǒng)功能驗(yàn)證試驗(yàn)之間的矛盾，綜采工作面很多自動化功能并未得到全面驗(yàn)證和完善。 此外，不同工作面煤層賦存地質(zhì)條件的差異也是影響控制系統(tǒng)算法移植的障礙。 因此研究具有可重復(fù)性的綜采工作面控制系統(tǒng)評估方法是檢驗(yàn)和完善控制系統(tǒng)功能的必要手段。

4 綜采工作面自主控制待突破技術(shù)

綜采工作面控制系統(tǒng)硬件架構(gòu)（傳輸層、感知與執(zhí)行層）日臻完善，但其軟件（決策層）尚不足以支撐自主決策能力。 綜采工作面控制系統(tǒng)具備健壯的自主決策能力，需要解決上述4 個(gè)問題，研究內(nèi)容包括：①煤層地理信息系統(tǒng)精細(xì)化研究；②綜采工作面截割路徑自主規(guī)劃研究；③支架群組-圍巖耦合智能控制技術(shù)研究；④綜采工作面半實(shí)物仿真方法與技術(shù)研究。

1）煤層地理信息系統(tǒng)精細(xì)化研究（圖12）。 高精度煤層地理信息系統(tǒng)需要為綜采工作面無人自主開采系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的煤層厚度分布信息。 搜集我國晉陜冀蒙等主要產(chǎn)煤區(qū)的聚煤特征與煤層形成過程，構(gòu)建煤層形成與厚度變化的地質(zhì)知識庫；研究以震波CT 探測、鉆孔探測、工作面巷道揭露等多源數(shù)據(jù)驅(qū)動、以地質(zhì)知識為導(dǎo)引的煤層幾何形態(tài)精準(zhǔn)預(yù)測模型，獲得可為綜采工作面作業(yè)提供導(dǎo)航信息的高精度煤層地理信息系統(tǒng)；根據(jù)綜采工作面開采數(shù)據(jù)研究煤層地質(zhì)精細(xì)化預(yù)測模型的優(yōu)化方法，形成知識導(dǎo)引、數(shù)據(jù)驅(qū)動的煤層地質(zhì)精細(xì)化預(yù)測方法。

圖12 煤層地理信息系統(tǒng)精細(xì)化研究Fig.12 Research on fine prediction model of coal seam coal seam geographic information system

2）綜采工作面截割路徑自主規(guī)劃研究（圖13）。綜采工作面截割路徑規(guī)劃是根據(jù)煤層地質(zhì)條件，以高回采率、低割巖率為目標(biāo)，在滿足綜采工作面高效連續(xù)推進(jìn)的前提下確定采煤機(jī)滾筒的截割路徑，采煤機(jī)進(jìn)而根據(jù)規(guī)劃路徑進(jìn)行調(diào)高控制。

圖13 綜采工作面截割路徑自主規(guī)劃研究Fig.13 Research on cutting path autonomous planning method

根據(jù)綜采工作面“三機(jī)”配套與運(yùn)動約束關(guān)系，構(gòu)建“綜采三機(jī)”工作空間的數(shù)學(xué)模型，獲得綜采工作面連續(xù)推進(jìn)時(shí)“綜采三機(jī)”工作空間演變規(guī)律；以工作面煤層精細(xì)化三維地質(zhì)模型為基礎(chǔ)，研究煤層頂?shù)装迦S復(fù)雜曲面特征自動提取與分割算法，獲得“綜采三機(jī)”作業(yè)可利用的導(dǎo)航信息；根據(jù)“綜采三機(jī)”工作空間演變規(guī)律與煤層精細(xì)化三維地質(zhì)模型提供的導(dǎo)航信息，以最大回采率和最小割巖率為優(yōu)化目標(biāo)，研究綜采工作面截割路徑自主規(guī)劃優(yōu)化算法，獲得指導(dǎo)綜采工作面開采的路徑信息。

3）支架群組-圍巖耦合智能控制技術(shù)研究（圖14）。 支架的可調(diào)控參量極少，只有初撐力和安全閥動作壓力2 個(gè)參量，且需要手動調(diào)節(jié)。 在綜采工作面連續(xù)推進(jìn)過程中，液壓支架既是圍巖支護(hù)的執(zhí)行裝置，也是圍巖狀態(tài)的感知裝置。 構(gòu)建液壓支架狀態(tài)感知系統(tǒng)，利用采集的支架群組狀態(tài)和采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)，獲得支架群組支護(hù)應(yīng)力場隨工作面推進(jìn)的演變規(guī)律，建立支架群組-圍巖耦合狀態(tài)預(yù)測模型，通過合理調(diào)整初撐力和安全閥壓力、采煤機(jī)截割參數(shù)，預(yù)防工作面冒頂?shù)软敯蹇刂茊栴}的發(fā)生，以保障綜采工作面連續(xù)推進(jìn)。

圖14 支架群組-圍巖耦合智能控制技術(shù)研究Fig.14 Research on smart controlling of supports-strata interaction

4） 綜采工作面半實(shí)物仿真方法與技術(shù)研究（圖15）。 利用半實(shí)物仿真技術(shù)，將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的“綜采三機(jī)”、難以復(fù)現(xiàn)的工作面煤層通過數(shù)學(xué)模型和編程在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，解決綜采工作面重復(fù)性試驗(yàn)的難題。 建立采煤機(jī)調(diào)高與支架推移刮板輸送機(jī)的液壓閥-油缸-負(fù)載的液壓系統(tǒng)動力學(xué)模型，研究調(diào)高系統(tǒng)與推移刮板輸送機(jī)拉架系統(tǒng)的仿真方法；根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的解算流程，建立采煤機(jī)慣性定位導(dǎo)航和綜采工作面動態(tài)調(diào)直數(shù)學(xué)模型，獲得采煤機(jī)定位導(dǎo)航與綜采工作面調(diào)直的仿真方法；根據(jù)綜采工作面工況條件與“三機(jī)”運(yùn)動約束關(guān)系，研究融合煤層三維地質(zhì)模型、“綜采三機(jī)”的三維動畫實(shí)時(shí)場景再現(xiàn)技術(shù)，構(gòu)建綜采工作面視景仿真實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)；根據(jù)所建立的調(diào)高、推移刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)定位導(dǎo)航、工作面調(diào)直系統(tǒng)的仿真方法，研究綜采工作面連續(xù)推進(jìn)數(shù)值仿真算法；研究以采煤機(jī)控制器、液壓支架控制器為硬件、以數(shù)值和視景仿真算法為軟件的綜采工作面半實(shí)物仿真方法和技術(shù)。 綜采工作面半實(shí)物仿真可為控制系統(tǒng)智能算法的性能檢驗(yàn)和煤礦工人培訓(xùn)提供重要支撐。

圖15 綜采工作面半實(shí)物仿真方法與技術(shù)研究Fig.15 Research on hardware-in-the-loop simulation system of longwall mining workface

5 結(jié) 論

1）根據(jù)無人控制系統(tǒng)發(fā)展的一般規(guī)律，綜采工作面控制系統(tǒng)的發(fā)展分為遠(yuǎn)程遙控、自動控制和自主控制3 個(gè)階段。 綜采工作面自主控制需要解決綜采工作面環(huán)境實(shí)時(shí)感知、綜采“三機(jī)”協(xié)同控制、高精度煤層地理信息系統(tǒng)、開采工藝智能決策與無人綜采工作面評估試驗(yàn)方法5 個(gè)方面的問題

2）綜采工作面控制系統(tǒng)的3 個(gè)目標(biāo)任務(wù)是可靠割煤與裝煤、保持工作面幾何關(guān)系、圍巖可靠支護(hù)；綜采工作面控制系統(tǒng)的8 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是液壓支架電液控制技術(shù)、綜采裝備協(xié)同控制技術(shù)、工作面通信技術(shù)、工作面可視化技術(shù)、采煤機(jī)定位技術(shù)、采煤機(jī)自動調(diào)高技術(shù)、工作面自動調(diào)直技術(shù)、工作面圍巖支護(hù)控制技術(shù)。

3）工作面煤層地理信息系統(tǒng)精細(xì)化、采煤機(jī)截割規(guī)劃策略、工作面圍巖智能支護(hù)策略以及綜采工作面控制系統(tǒng)適用性評估檢驗(yàn)方法是綜采工作面由自動控制邁向自主控制解決的首要問題。