張帥，任懷偉，韓安，鞏師鑫

（1.煤炭科學研究總院,北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013；3.天地（常州）自動化股份有限公司,江蘇 常州 213015）

0 引言

煤炭是我國的基礎(chǔ)能源，是國家能源安全的“壓艙石”[1]。當前，煤礦智能化已成為行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[2-4]。2020 年2 月，國家發(fā)改委、能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，推動了煤炭行業(yè)先進技術(shù)的快速落地應(yīng)用。目前，已經(jīng)確定71 個煤礦作為國家首批智能化示范建設(shè)煤礦。內(nèi)蒙古、陜西、山西等產(chǎn)煤大省也相繼出臺政策，推動煤礦智能化建設(shè)，大幅提升了煤炭生產(chǎn)技術(shù)水平。在全礦井智能化建設(shè)的同時，智能化開采作為核心工藝環(huán)節(jié)，面臨著不同的地質(zhì)條件，其能否實現(xiàn)安全、高效、智能化作業(yè)直接決定了全礦井的智能化水平。

在煤層賦存條件相對簡單的條件下，形成了薄、中厚、厚煤層綜采和特厚煤層綜放開采4 種較為成熟的智能化高效開采模式[5]，對同類地質(zhì)條件的煤層開采具有較強的參考價值。然而，深部復(fù)雜條件煤層更需要智能化開采，實現(xiàn)難度也最大。

經(jīng)歷數(shù)十年的持續(xù)大規(guī)模開采，淺部地質(zhì)構(gòu)造簡單、賦存穩(wěn)定的煤炭資源日益枯竭，深部復(fù)雜條件煤層逐步成為某些礦區(qū)的主采煤層。復(fù)雜條件煤層智能化開采是當前煤炭技術(shù)發(fā)展迫切需要解決的難題。所謂復(fù)雜開采條件是指地質(zhì)條件在開采過程中發(fā)生變化（持續(xù)的或突然的），且變化的參數(shù)不止1 個，存在疊加效應(yīng)，例如煤層厚度、傾斜角度、斷層/夾矸、瓦斯涌出、頂板來壓等情況。這些變化會隨著開采深度的增加逐漸增多，且幅度變大，嚴重影響開采的安全?，F(xiàn)有的工作面技術(shù)及裝備都有一定的正常工作范圍，適應(yīng)上述這些變化的因素個數(shù)或幅度是有限的，因而難以滿足生產(chǎn)需求。

解決復(fù)雜條件煤層開采一般有2 種方法：一是采取技術(shù)措施減少或降低地質(zhì)條件變化的程度，例如采取頂?shù)装邈@孔卸壓、瓦斯抽采等方法，但深部礦井技術(shù)措施實施的難度越來越大；二是提高工作面開采技術(shù)和裝備的適應(yīng)性，使之具有足夠的工作性能、靈活性及智能控制能力。目前，煤礦智能化發(fā)展處于初級階段[6-7]，復(fù)雜條件下的智能化開采主要還是沿用簡單地質(zhì)條件的技術(shù)及裝備，例如視頻監(jiān)控、遠程操作、自動跟機等。對于地質(zhì)條件變化的感知、預(yù)測及自適應(yīng)控制等技術(shù)的研究并不多，也不夠深入，在我國尚未有成熟的工程應(yīng)用與實踐。

本文在分析我國不同區(qū)域煤層賦存特點的基礎(chǔ)上，以淮南地區(qū)深部“三軟”煤層開采為典型代表，探討了復(fù)雜條件工作面智能化開采面臨的難題及關(guān)鍵技術(shù)。分析得出了影響工作面開采最為主要的5 個因素及解決難題采取的8 項關(guān)鍵技術(shù)。通過文獻及工程實踐分析、比較，闡述了已有技術(shù)的應(yīng)用效果及需要繼續(xù)解決的問題。對復(fù)雜條件工作面智能化開采技術(shù)發(fā)展趨勢作出了展望，以期推動相關(guān)技術(shù)發(fā)展。

1 我國不同區(qū)域煤礦主要地質(zhì)條件特征

我國不同區(qū)域的煤礦地質(zhì)條件特征不同，煤層賦存及分布也有較大差別，開采所面臨的問題也有所差異。晉陜蒙地區(qū)是我國目前的主要產(chǎn)煤地區(qū)，煤層埋深淺、煤層厚、煤質(zhì)硬，常采用大采高開采模式。但隨著開采深度、工作面高度的增加，沖擊地壓開始顯現(xiàn)，厚煤層大采高工作面煤壁片幫嚴重、礦壓顯現(xiàn)劇烈，圍巖控制面臨挑戰(zhàn)。東北地區(qū)是我國的老工業(yè)基地，開采歷史久遠，現(xiàn)采煤層多處于400～800 m 水平，是我國首次沖擊災(zāi)害發(fā)生的地區(qū)[8]，煤層厚度差異大、傾角大。華北地區(qū)有我國開采深度最深的煤礦，有的礦井達到千米以上，煤層普遍較薄，受高地溫、高地壓影響，沖擊地壓強烈。兩淮地區(qū)屬于典型的“三軟”煤層條件，存在煤壁易片幫、頂?shù)装迤扑?、超前巷道變形量大等問題。西南地區(qū)煤炭儲量低，地質(zhì)條件差，多為薄煤層和大傾角煤層，開采難度大，經(jīng)濟效益低，多為小井型煤礦開采。我國不同區(qū)域煤礦的主要地質(zhì)條件特征及面臨的問題見表1。

表1 我國不同區(qū)域煤礦的主要地質(zhì)條件特征及面臨的問題Table 1 Main characteristics of geological conditions and problems of coal mines in different regions of China

煤層地質(zhì)條件的不同會影響實現(xiàn)工作面智能化開采的原則、路徑及目標[9]。相較于綜合機械化采煤，智能化開采對地質(zhì)保障度的要求更高。地質(zhì)條件越復(fù)雜，控制系統(tǒng)就越需要更精準的感知、更快速的分析與決策、更高的數(shù)據(jù)傳輸速率。以安徽阜陽中煤新集口孜東礦為例，該礦是典型的“三軟”煤層，正在開采的140502 工作面處于-967 m 水平，工作面長為266 m，采高為4～6 m。煤層存在起伏，呈現(xiàn)回風巷和運輸巷兩端高、工作面中間低的特點。煤層走向傾角為8～15°，局部為17°以上。開采過程中存在煤壁頻繁片幫、刮板輸送機上竄下滑、相鄰支架錯位及咬合不緊密、護幫板不整齊、支架扎底、超前巷道變形等一系列嚴重問題，如圖1-圖3 所示。

圖1 140502 工作面傾向起伏情況Fig.1 Tendency fluctuation of 140502 working face

圖2 工作面煤壁片幫情況Fig.2 Coal wall spalling of working face

圖3 超前巷道Fig.3 Advance roadway

圍巖（頂?shù)装濉⒚罕冢l件決定了液壓支架支護的穩(wěn)定性、有效性，如果條件較差就會導(dǎo)致片幫、漏矸、扎底等問題。煤層走向/傾向角度變化造成了液壓支架、采煤機及刮板輸送機空間相對位姿的變化，由于重力作用會導(dǎo)致倒架、上竄下滑、采煤機割頂/割底等一系列問題。礦壓是影響工作面開采的重要因素，來壓規(guī)律不同會影響開采工藝的安排、支護策略、移架速度等。超前巷道穩(wěn)定性不佳會影響整個工作面推進效率，超前支護、巷道返修等工作用人多、效率低，直接影響工作面自動化水平?；诠ぷ髅婕夹g(shù)裝備與煤層條件的適應(yīng)性及多數(shù)煤層賦存條件變化情況的分析可得出，圍巖（頂?shù)装?、煤壁）條件、煤層走向/傾向角度、礦壓及超前巷道穩(wěn)定性是保障工作面正常連續(xù)開采的主要因素。

當上述因素參數(shù)變化時，就會給原有開采系統(tǒng)帶來問題，導(dǎo)致開采過程不能順利進行。一般情況下，在地質(zhì)條件較好的工作面，這些參數(shù)只有其中1 個或2 個變化，或變化范圍都不大，可近似認為不變。而對于復(fù)雜地質(zhì)條件煤層，從中煤新集口孜東礦的例子可看出，全部參數(shù)都有變化，從而導(dǎo)致了開采困難。為解決圍巖（頂?shù)装?、煤壁）條件、煤層走向/傾向角度、礦壓、超前巷道穩(wěn)定性這5 個因素參數(shù)變化帶來的問題，需要從圍巖參數(shù)感知、趨勢分析、精細化控制、動力系統(tǒng)適應(yīng)、自適應(yīng)決策等方面展開研究，從而研發(fā)出解決復(fù)雜條件工作面智能化開采的關(guān)鍵核心技術(shù)。

2 復(fù)雜條件工作面智能化開采關(guān)鍵技術(shù)

針對復(fù)雜條件工作面智能化開采技術(shù)，目前已經(jīng)開展了大量的研究，部分成果已成為減少事故、提高開采效率和技術(shù)水平的關(guān)鍵性技術(shù)。智能感知、智能決策、智能控制是實現(xiàn)煤礦智能化開采的三要素[10-11]，對于復(fù)雜地質(zhì)條件，這三者的實現(xiàn)難度要遠大于淺部簡單條件煤層開采。如前文所述的中煤新集口孜東礦，由于頂?shù)装遘洝⒚嘿|(zhì)軟、煤層厚等特性，出現(xiàn)煤壁片幫、工作面直線度較差、油缸推移不到位、感知匱乏無法形成有效決策、超前巷道變形等問題。本文通過總結(jié)已有研究成果，分析了已有解決復(fù)雜條件工作面智能化開采的8 項關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用效果及需要繼續(xù)解決的問題。工作面三機裝備布置及關(guān)鍵技術(shù)如圖4 所示，復(fù)雜條件工作面智能化開采關(guān)鍵技術(shù)部分研究成果見表2。

表2 復(fù)雜條件工作面智能化開采關(guān)鍵技術(shù)部分研究成果Table 2 Some research results on key technologies of intelligent mining under complex conditions working face

圖4 工作面三機裝備布置及關(guān)鍵技術(shù)Fig.4 Three machines equipment layout and key technologies in working face

2.1 液壓支架護幫板精準控制及快速跟機技術(shù)

煤壁片幫是工作面開采后，上覆巖層的直接頂難以及時垮落且冒落后的矸石無法充分充填采空區(qū)，形成“短懸臂梁-鉸接巖梁”的力學結(jié)構(gòu)，當頂板來壓時，超前壓力作用在煤壁上，煤體受力發(fā)生破壞，在推進前方形成松塌區(qū)和塑性區(qū)。研究表明：距離頂板0.35 倍采高處煤壁水平位移量最大，片幫發(fā)生的頻率最高，所以距離頂部0.4 倍采高煤壁是液壓支架護幫板的重點防護區(qū)域[12]。

范京道等[9]分析了工作面煤壁的應(yīng)力狀態(tài)，將片幫分為拉裂破壞與滑移失穩(wěn)2 個階段，提出在不同的煤壁片幫階段采取不同的方式進行防護。王國法等[12]重點優(yōu)化了護幫板的結(jié)構(gòu)，提出采用鉸接在伸縮梁上的三級護幫結(jié)構(gòu)形式（圖5），采用一級與二級護幫板雙向聯(lián)動液壓鎖控制方式，大幅提升了護幫板末端支護力。同時，優(yōu)化調(diào)整液壓支架跟機自動化工藝，精確控制采煤機截割前后液壓支架伸縮護幫板的時間順序，在避免采煤機截割部與支架干涉的同時，盡可能增加護幫時間。

圖5 液壓支架三級護幫板Fig.5 Three-level guard plate of hydraulic support

采高增加可提高開采效率及煤炭采出率，但也會增加圍巖控制的難度，頂板壓力顯現(xiàn)及煤壁片幫都會加劇。增加護幫高度會影響伸收護幫板的速度，大尺寸、大質(zhì)量的護幫板精準控制難度也大大增加。因而，研究新型的護幫結(jié)構(gòu)、護幫板精準快速控制技術(shù)是后續(xù)煤壁片幫防治的關(guān)鍵。

2.2 頂板分區(qū)協(xié)同支護技術(shù)

當前，煤礦開采深度、工作面長度和推進長度、采高均日益增加。工作面長度增加可減少搬家倒面次數(shù)，是提高采出率的重要途徑，但隨著工作面長度增加，頂板來壓增大，來壓步距減小，故選取合適的工作面長度尤為重要。王國法等[13]采用彈性支座模型分析得到超長工作面礦壓規(guī)律呈現(xiàn)馬鞍形三峰值“M”型特性，即靠近兩端的壓力峰值比中間峰值大，且液壓支架大部分區(qū)域都位于高應(yīng)力區(qū)，首次提出采用工作面應(yīng)力是否出現(xiàn)三峰值“M”型作為超長工作面的判據(jù)。

根據(jù)工作面頂板來壓三峰值特性，提出采用主動支護和非等強支護理念。中部支架受壓力值高，承受沖擊載荷概率大，故以提高支架的強度和剛度為主，即同時提高支架的初撐力和工作阻力（安全閥開啟壓力）。工作面兩側(cè)支架承受偏載力，為使其具有足夠的變形空間并保證穩(wěn)定性，應(yīng)適當降低工作阻力（安全閥開啟壓力）。同時，通過中煤新集口孜東礦的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，超長工作面中部和兩端作用在支架上的合力作用點的位置也不同，中部支架合力作用點位置靠近煤壁，兩端則偏向支架頂梁后部。為此，現(xiàn)場選型了四柱式液壓支架來適應(yīng)合力作用點前后范圍變化大的特點[14]。

此外，在推進工藝上提出采用工作面分區(qū)推進協(xié)同控制的優(yōu)化模型，即兩端頭區(qū)域截割三角煤，礦壓顯現(xiàn)小、推進速度慢，工作面采高適當增加從而滿足推進工藝需求；在工作面中部則加快采煤機采煤速度，適當降低采高，加快移架速度，從而避免強烈來壓及煤壁片幫。

通過頂板分區(qū)支護及協(xié)同推進，對不同位置的圍巖進行精細化控制，從而有利于工作面連續(xù)、快速推進，實現(xiàn)復(fù)雜條件工作面高效安全生產(chǎn)。后續(xù)研究應(yīng)通過對工作面礦壓、空間態(tài)勢的感知，自動生成最優(yōu)工藝，實現(xiàn)自主調(diào)節(jié)和控制。

2.3 工作面裝備姿態(tài)監(jiān)測技術(shù)

智能感知是實現(xiàn)采煤工作面智能化運行的基礎(chǔ)[15]，而工作面裝備姿態(tài)監(jiān)測既能夠了解裝備的工作狀態(tài)是否正常，又能夠反映工作面總體空間態(tài)勢信息，是最為重要的感知內(nèi)容。目前，對工作面設(shè)備的監(jiān)測傳感體系研究已經(jīng)較為廣泛。方新秋等[16]從傳感器工作原理出發(fā)，分析了光纖光柵作為新型傳感元件的可行性。周凱等[17]、韓哲等[18]采用傾角、位移傳感器感知液壓支架空間角度和油缸行程等數(shù)據(jù)，通過LoRaWAN 通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至上位機，結(jié)合液壓支架本身結(jié)構(gòu)尺寸反算出液壓支架的位姿及工作狀態(tài)。李帥帥等[19]分析了工作面多傳感器感知數(shù)據(jù)不全面和整體可靠性差的問題，將視覺測量技術(shù)引入煤礦領(lǐng)域。王淵等[20]將視覺測量技術(shù)和圖像清晰算法應(yīng)用到支架護幫板收回狀態(tài)監(jiān)測。張旭輝等[21]采用安裝在采煤機機身的深度相機采集支架上的LED 標志板特征點，通過視覺測量方式監(jiān)測液壓支架的角度和直線度。任懷偉等[22]針對中煤新集口孜東礦條件，研發(fā)了開采裝備全位姿測量系統(tǒng)（圖6），通過多數(shù)據(jù)融合推算和反演出工作面支架姿態(tài)及總體空間態(tài)勢。

圖6 開采裝備全位姿測量系統(tǒng)Fig.6 Full position and pose measurement system of mining equipment

當前，工作面裝備姿態(tài)測量存在傳感器數(shù)量多、可靠性低、參數(shù)不全面、數(shù)據(jù)難以融合分析決策等問題，而復(fù)雜地質(zhì)條件開采對工作面裝備姿態(tài)感知又提出了更高要求，增加傳感器數(shù)量不再是可行方案。后續(xù)研究應(yīng)聚焦于3 個方面：一是多測量參數(shù)傳感器研發(fā)，減少傳感器數(shù)量；二是通過視覺等新型傳感手段一次性測量多個數(shù)據(jù)；三是通過與已知先驗信息（例如設(shè)備尺寸）融合的方式實現(xiàn)間接測量。只有更加全面、可靠、快速的監(jiān)測數(shù)據(jù)才能為智能決策提供數(shù)據(jù)支撐。

2.4 工作面調(diào)直技術(shù)

工作面“三直兩平”是智能化開采的基本要求。對于復(fù)雜條件工作面，一方面工作面直線度受到煤層走勢的影響，為了盡可能提高采出率，裝備緊跟煤層變化，造成直線度低；另一方面人工操作精度低，持續(xù)誤差累計造成工作面彎曲。工作面直線度測量方法目前主要有3 種：一是引進的澳大利亞LASC慣導(dǎo)系統(tǒng)，可實現(xiàn)工作面自動找直[23]，通過安裝在采煤機上的航空激光陀螺儀測量繪制刮板輸送機彎曲曲線，如圖7 所示。之后通過研制的高精度磁致伸縮行程傳感器和雙速控制閥實現(xiàn)液壓支架自動精確推溜拉架，從而解決工作面直線度控制難題。二是采用激光對位傳感器實現(xiàn)工作面直線度控制[24]。經(jīng)現(xiàn)場試驗，相鄰液壓支架推進方向位置誤差最大為34 mm，最小為2 mm，傳感器及其控制功能穩(wěn)定，滿足相鄰支架間距不超過50 mm 的要求，如圖8 所示。三是采用光纖光柵方法測量工作面直線度[16]?；诠饫w光柵曲率傳感原理設(shè)計光纖光柵三維曲率傳感器，進行刮板輸送機三維彎曲度測量。

圖7 基于慣導(dǎo)系統(tǒng)的工作面自動找直Fig.7 Automatic alignment of working face based on inertial navigation system

圖8 基于激光對位傳感器的工作面直線度控制方法Fig.8 Straightness control method of working face based on laser alignment sensor

上述3 種方法，第1 種最為成熟，已經(jīng)在國外商業(yè)化應(yīng)用，引入國內(nèi)也超過30 套，但價格較高；第2 種方法易受到粉塵、障礙物阻擋，可靠性不高；第3 種方法只是完成了實驗室實驗，并未投入實際應(yīng)用。后續(xù)研究重點是解決光纖光柵的安裝問題，光纖光柵方法有望成為一種低成本、高精度（三維測量）的直線度測量方法。

2.5 上竄下滑控制技術(shù)

長壁綜采方式中，工作面刮板輸送機是彎曲蛇形推進的。在平行煤層傾斜方向受到煤體對其的摩擦力、采煤機對其的作用力和自身重力的分力的影響，煤層傾角越大，刮板輸送機受沿平行煤層傾斜方向向下的分力越大，易造成刮板輸送機下滑，嚴重威脅工作人員的安全和影響正常生產(chǎn)。

通過對刮板輸送機受力分析可知，可采取增加向上的受力或減小向下的受力策略補償刮板輸送機的受力不平衡。張科學等[25]提出為使采煤機截割過程中對刮板輸送機僅有向上的力，采用單向割煤控制技術(shù)、反向推移刮板輸送機控制技術(shù)、加減刀控制技術(shù)、外力干預(yù)控制技術(shù)，比如在機頭機尾錨固液壓缸，采用鏈條將刮板輸送機和液壓支架連接起來。梅伏萍等[26]提出可增加刮板輸送機與底板、液壓支架的接觸面積提高摩擦力，中部槽規(guī)格采用較寬規(guī)格，在其底部安裝防滑肋板。針對采煤機電纜下滑問題，研發(fā)電纜小車控制系統(tǒng)，使其自動跟隨采煤機運動，防止下滑。

2.6 穩(wěn)壓供液控制技術(shù)

供液系統(tǒng)的穩(wěn)定性與快速性密切關(guān)系到工作面支架支護和跟機自動化效果，是實現(xiàn)智能化工作面所面臨的一項“卡脖子”技術(shù)。井下普遍采用額定供液方式，時常出現(xiàn)供液不足和供液過足的問題，影響油缸動作的快速性和精準度。有學者提出采用多泵聯(lián)合的方式，即每個泵站為固定的幾個設(shè)備供液，減少管路過長的動力損耗，動作速度快但精度低。采用單泵變頻、單泵分級控制方式來改善支架供液的過足與不足問題，提高了控制精度，但應(yīng)力突變時反響時間較長。

王然風等[27]、付翔等[28]基于液壓支架動作的負載特性，提出了適應(yīng)液壓支架動作的穩(wěn)壓供液技術(shù)，根據(jù)液壓支架不同動作特征和預(yù)先設(shè)定的動作順序，提前控制多級泵站輸出所需的穩(wěn)壓供液流量，在保障供液速度的情況下盡可能提高供液精度。但目前穩(wěn)壓供液技術(shù)仍處于時序開環(huán)控制階段，實現(xiàn)根據(jù)實時動作狀態(tài)反饋進行控制是未來研究的重點。

2.7 仿真決策系統(tǒng)平臺

深部開采圍巖環(huán)境更為復(fù)雜，隨機干擾更多，與常規(guī)地質(zhì)條件采用機器代替人工，以時序開環(huán)控制來實現(xiàn)智能化開采的技術(shù)路徑不同，復(fù)雜條件面臨更多程序預(yù)設(shè)之外的情況，每隔稍長時間就需要人工干預(yù)，影響智能化技術(shù)的應(yīng)用效果。

任懷偉等[29]指出復(fù)雜條件工作面開采，除成套裝備功能、參數(shù)與圍巖條件相匹配外，控制系統(tǒng)能否適應(yīng)環(huán)境動態(tài)變化、控制圍巖穩(wěn)定并驅(qū)動裝備跟隨煤層自動推進是影響開采效率和安全、減少作業(yè)人員、降低勞動強度的關(guān)鍵，分析決策系統(tǒng)根據(jù)當前的圍巖環(huán)境和煤層賦存狀態(tài)，通過預(yù)演來獲取最佳行走路徑，將控制參數(shù)集傳送給各個執(zhí)行機構(gòu)予以參考，可實現(xiàn)工作面設(shè)備與環(huán)境間安全聯(lián)動運行。

針對中煤新集口孜東礦條件，任懷偉等[22]開發(fā)了仿真決策平臺（圖9），該平臺具有根據(jù)感知數(shù)據(jù)和裝備固有尺寸反算姿態(tài)的能力，可監(jiān)測支架前后立柱的壓力、推移油缸的行程并將數(shù)據(jù)儲存在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。采用Unity 3D 開發(fā)三維仿真模型，并根據(jù)感知數(shù)據(jù)進行決策。

圖9 仿真決策平臺界面Fig.9 Simulation decision platform interface

2.8 超前支護技術(shù)

巷道端頭支護段設(shè)備眾多，需要在有限的空間實現(xiàn)大塊煤的破碎和轉(zhuǎn)載。隨著工作面產(chǎn)量的增加，裝備的體量也隨之增加，目前針對超前支護技術(shù)少有研究，超前支護技術(shù)已成為制約工作面智能化水平的關(guān)鍵因素[30]。目前普遍采用的超前支護方式有單體液壓支柱和超前液壓支架2 種。單體液壓支柱存在需要人工搬運且支護強度低的缺點，但其對地質(zhì)條件適應(yīng)性強，在復(fù)雜條件的煤礦和機械化程度低的地方煤礦仍在使用。之后借鑒工作面支架，在巷道發(fā)展出邁步式超前支架及單元式超前支架，提高了支護強度并降低了勞動強度，但由于支架與巷道錨護系統(tǒng)匹配性低且對頂板條件要求高，使其的推廣應(yīng)用具有局限性。

徐亞軍等[31]分析了現(xiàn)有超前支架出現(xiàn)過支護和欠支護的原因，提出超前支架自適應(yīng)支護的概念；通過增加限位塊和柱頂銷結(jié)構(gòu)使頂梁實現(xiàn)支架小于10°的前后左右擺動，創(chuàng)新支架行走方式，采用螺旋推進器作為行走部，僅需分別控制兩側(cè)推進器的旋轉(zhuǎn)方向就可實現(xiàn)支架的推移。螺旋行走式超前支架如圖10 所示。李丁一等[32]認為超前支架的工作阻力沿著工作面推進方向呈線性關(guān)系，即越靠近采空區(qū)支護阻力越大。王國法等[33]為了使所有支架都處于合理的工作阻力范圍，預(yù)防過支護，采用“低初撐、高工阻”的支護方法設(shè)計了支護阻力自適應(yīng)系統(tǒng)。李剛[34]提出采用支架運輸車來降低超前支架對錨護系統(tǒng)的干擾，運輸車可前后行駛并具有升降和夾持機構(gòu)，可以實現(xiàn)尾架向首架的搬運，減小反復(fù)支撐對頂板的破壞。張德生等[35]研制出了運輸巷運-支一體化超前支護系統(tǒng)（圖11），在轉(zhuǎn)載機上鋪設(shè)軌道，軌道上安裝可前后行走且具有夾持機構(gòu)、升降機構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的轉(zhuǎn)運小車，由小車夾持運輸支架。

圖10 螺旋行走式超前支架Fig.10 Spiral walking advance support

圖11 運輸巷運-支一體化系統(tǒng)Fig.11 Transportation and support integration system in transportation roadway

隨著采掘機械的大型化，超前段對工作面開采效率的影響日益變大。目前運輸小車已在多個條件良好的煤礦回風巷應(yīng)用，運輸巷尚無工程應(yīng)用的例子。對于復(fù)雜條件煤層，提高對超前支架煤層走向的適應(yīng)性、支架穩(wěn)定性尤為重要。

3 復(fù)雜條件工作面智能化開采技術(shù)發(fā)展趨勢

與常規(guī)條件相比，開采復(fù)雜條件煤層需要更準確的感知狀態(tài)、更迅速的數(shù)據(jù)傳輸、更智能的決策系統(tǒng)、更融洽的協(xié)同運行。對于多種復(fù)雜條件共存的煤層，現(xiàn)有智能化開采系統(tǒng)無法滿足要求，需要在以下幾個方面進一步開展研究。

（1）關(guān)鍵元部件的機電液一體化設(shè)計。控制是“大腦”，機械是“骨骼”、液壓是“肌肉”，發(fā)揮三者的優(yōu)勢，將機械結(jié)構(gòu)、傳感器、動力系統(tǒng)、控制計算單元等集成，形成一體化的新裝置，實現(xiàn)工作面裝備的智能精準控制。

（2）分布式控制方式。革新現(xiàn)有數(shù)據(jù)處理方式，發(fā)展邊緣計算，適應(yīng)復(fù)雜條件工作面不同區(qū)域、不同時刻的控制需求，減少數(shù)據(jù)的傳輸量和提高控制的實時性。在工作面安裝具有邊緣計算功能的攝像頭，可以減少視頻的傳輸，節(jié)約寬帶，邊緣側(cè)分析工作面生產(chǎn)狀態(tài)，將視頻分析的結(jié)論傳輸至控制中心，實現(xiàn)邊緣計算。

（3）注重大數(shù)據(jù)的分析和應(yīng)用?，F(xiàn)階段，工作面安裝了大量傳感器用于感知裝備姿態(tài)、圍巖變化、瓦斯、水火等，布置高清攝像頭采集工作面的圖像，這些數(shù)據(jù)大部分只是起到預(yù)警、展示作用，尚未充分挖掘數(shù)據(jù)間的邏輯關(guān)系，沒有對圍巖環(huán)境動態(tài)變化趨勢進行預(yù)測及分析。未來的趨勢是開發(fā)大數(shù)據(jù)分析平臺，改變以往煤礦根據(jù)經(jīng)驗控制裝備的情況，建立以感知數(shù)據(jù)為控制邏輯的新型控制方式。

（4）裝備群協(xié)同快速推進控制。重點在于端頭與超前液壓支架間的協(xié)調(diào)動作，研究基于非等強支護原理且不反復(fù)支撐的單元式超前支架及其控制策略，提高超前支護的效率；研制適應(yīng)大變形、強動載的端頭支架，滿足深井開采的要求；工作面分區(qū)跟機運行，分為超前支護區(qū)、中部區(qū)、截割區(qū)，分析不同區(qū)段液壓支架支護和推移動作的時序，提出適用于不同區(qū)段的液壓支架支護群組協(xié)同控制策略。

（5）實時仿真平臺和智能決策系統(tǒng)開發(fā)?，F(xiàn)有仿真系統(tǒng)多根據(jù)圍巖狀態(tài)感知、支架立柱壓力感知、支架傾角感知等數(shù)據(jù)繪制工作面裝備示意圖、工作面支架壓力柱狀圖等，其實時性較差；另外，現(xiàn)有系統(tǒng)沒有決策功能，絕大部分煤礦的控制平臺都只是起到展示作用。未來發(fā)展的重點在于提高數(shù)據(jù)傳輸與分析的實時性及智能決策算法的開發(fā)。

4 結(jié)論

（1）分析了我國不同區(qū)域煤層賦存的特點及存在的問題，以兩淮地區(qū)“三軟”煤層開采為典型代表，探討了影響復(fù)雜條件工作面正常連續(xù)開采的主要因素，即圍巖（頂?shù)装?、煤壁）條件、煤層走向/傾向角度、礦壓及超前巷道穩(wěn)定性。

（2）分析了實現(xiàn)復(fù)雜條件工作面智能化開采的8 項關(guān)鍵技術(shù)及其研究成果、需要繼續(xù)解決的問題及發(fā)展趨勢，包括液壓支架護幫板精準控制及快速跟機技術(shù)、頂板分區(qū)協(xié)同支護技術(shù)、工作面裝備姿態(tài)監(jiān)測技術(shù)、工作面調(diào)直技術(shù)、上竄下滑控制技術(shù)、穩(wěn)壓供液控制技術(shù)、仿真決策系統(tǒng)平臺和超前支護技術(shù)等。

（3）展望了復(fù)雜條件工作面智能化開采技術(shù)的發(fā)展趨勢，提出了后續(xù)研究的主要方向：關(guān)鍵元部件的機電液一體化設(shè)計、分布式控制方式的利用、大數(shù)據(jù)的分析應(yīng)用、裝備群協(xié)同快速推進控制和實時仿真平臺與智能決策系統(tǒng)的開發(fā)。