蔡 峰

(中國中煤能源集團(tuán)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100120)

1 研究背景

煤礦智能化建設(shè)已經(jīng)成為國家能源安全穩(wěn)定的重要保障，是煤炭工業(yè)持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[1-4]。智能化開采是煤礦開采技術(shù)創(chuàng)新的重要研究領(lǐng)域，大力推進(jìn)“機(jī)械化換人、自動化減人”，已成為煤炭企業(yè)實現(xiàn)安全、高效和高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。近年來，隨著礦井開采強(qiáng)度和深度的加大，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動力災(zāi)害的威脅加大，導(dǎo)致各種安全事故頻繁發(fā)生。將新型信息技術(shù)與現(xiàn)代采礦工程技術(shù)相結(jié)合，利用機(jī)器視覺、數(shù)字孿生和智能控制技術(shù)實現(xiàn)無人工作面智能化采煤工藝與技術(shù)創(chuàng)新[5-8]，開展復(fù)雜地質(zhì)條件的典型中厚煤層智能化工作面關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，對全面提升綜采工作面智能化水平、實現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)、促進(jìn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

蒙陜地區(qū)煤炭資源具有高地壓、強(qiáng)擾動、復(fù)合型厚煤層等特征，礦井開采易受突水、覆巖堅硬頂板、采空煤柱集中應(yīng)力、長-大工作面高強(qiáng)度開采擾動等復(fù)雜因素影響，加之厚煤層一次采全高含多層夾矸等復(fù)雜結(jié)構(gòu)分布廣泛，巷道頂板下沉、底鼓、片幫嚴(yán)重，發(fā)生沖擊地壓危險性較高。同時，也有個別煤層沖擊危險程度相對較低，具備開采保護(hù)層的客觀條件。目前針對蒙陜地區(qū)礦井保護(hù)層開采理論與技術(shù)以及典型中厚煤層智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步研究，因此，在蒙陜地區(qū)開展典型中厚煤層智能化綜采工作面技術(shù)研究與應(yīng)用具有重要意義。

中煤集團(tuán)西北能源公司納林河二號煤礦(以下簡稱納林河二號煤礦)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，其煤層具有典型的蒙陜地區(qū)中厚煤層賦存特性。以納林河二號煤礦中厚煤層智能化綜采工作面為研究目標(biāo)，聚焦典型中厚煤層智能化開采工作面技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用示范，基于人工智能和數(shù)字孿生技術(shù)，開展智能綜采工作面數(shù)字模型構(gòu)建、多源數(shù)據(jù)融合數(shù)字孿生以及采煤機(jī)調(diào)高軌跡預(yù)測等關(guān)鍵技術(shù)研究。融合“智能傳感、慣性導(dǎo)航、智能控制、數(shù)字孿生”等核心技術(shù)，突破典型中厚煤層智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)問題和共性問題，該智能化綜采工作面可實現(xiàn)“無人操作、遠(yuǎn)程干預(yù)、安全高效、綠色節(jié)能”的運(yùn)行模式。

2 智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)

2.1 中厚煤層三維數(shù)字模型構(gòu)建技術(shù)

復(fù)雜地質(zhì)條件下典型中厚煤層三維數(shù)字模型是實現(xiàn)智能化開采的基礎(chǔ)[9]。在智能化綜采工作面開采推進(jìn)過程中，首先根據(jù)回采工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷鉆探數(shù)據(jù)和回采工作面頂?shù)装鍞?shù)據(jù)，并基于已有礦井地質(zhì)地理信息數(shù)據(jù)，利用動態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動生成初始工作面三維模型，采煤機(jī)利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、脈沖編碼器和搖臂高度傳感器來精確計算滾筒截割軌跡信息。其中慣性導(dǎo)航系統(tǒng)直接固定連接在采煤機(jī)機(jī)身并通過RFID射頻進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，脈沖編碼器安裝在采煤機(jī)牽引部上方，搖臂高度傳感器安裝在采煤機(jī)搖臂調(diào)高油缸內(nèi)。煤層三維模型構(gòu)建優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 煤層三維模型構(gòu)建優(yōu)化流程

(1)先利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測量采煤機(jī)角速度和角加速度，然后再利用脈沖編碼器測量采煤機(jī)位移增量信息，解算出采煤機(jī)的實時三維位置，最后再結(jié)合搖臂高度傳感器確定采煤機(jī)滾筒的截割上下軌跡信息。

(2)融合工作面支架采集已截割頂?shù)装鍞?shù)據(jù)，采用一種混沌粒子群算法對最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)參數(shù)優(yōu)化方法，對曲面模型進(jìn)行比對計算偏離差異，并輸出煤層三維模型局部誤差的精確修正值。

(3)利用克里格空間曲面插值法把修正值插入到初始煤層三維模型中，實現(xiàn)對煤層三維模型局部誤差的精確動態(tài)修正。

2.2 多源數(shù)據(jù)融合的數(shù)字孿生構(gòu)建技術(shù)

構(gòu)建數(shù)字孿生工作面精準(zhǔn)三維模型，以實現(xiàn)對智能綜采設(shè)備的實時監(jiān)測、精確定位與預(yù)測性健康維護(hù)，達(dá)到虛實融合、以虛控實的目的[10]。工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測系統(tǒng)所有設(shè)備模型均采用1∶1進(jìn)行精準(zhǔn)三維建模，利用建模軟件進(jìn)行模型網(wǎng)格優(yōu)化、貼圖、烘培處理，設(shè)計能夠滿足數(shù)字孿生監(jiān)測，同時提高系統(tǒng)調(diào)用、工作面搭建和數(shù)據(jù)驅(qū)動效率的工作面設(shè)備三維模型。數(shù)字孿生工作面三維可視化模型如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生工作面三維可視化模型

通過研究構(gòu)建數(shù)字孿生綜采工作面環(huán)境模型，建立數(shù)字孿生綜采工作面模型及安全智能監(jiān)測平臺；開發(fā)三維模型對象資源庫模塊、實時交互功能模塊，實現(xiàn)可視化數(shù)字孿生監(jiān)測；基于SLAM構(gòu)建綜采工作面三維地圖，將綜采工作面實時數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)字鏡像模型相結(jié)合，通過邊緣計算、云數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行特征提取與多源數(shù)據(jù)融合，實現(xiàn)對綜采工作面數(shù)字孿生平臺的智能控制與狀態(tài)實時監(jiān)測，達(dá)到虛實融合、以虛控實的目的。

2.3 液壓支架智能化控制研究

(1)提出了刮板輸送機(jī)自動調(diào)直方法。在回采時，上位機(jī)根據(jù)慣導(dǎo)與里程計的位姿檢測系統(tǒng)形成的刮板輸送機(jī)曲線，與由液壓支架推移桿形成的液壓支架曲線對比計算下一刀的液壓支架推移補(bǔ)償量，從而實現(xiàn)工作面自動調(diào)直。經(jīng)井下試驗，工作面自動調(diào)直的最大直線度誤差為30 cm，攻克了因刮板輸送機(jī)推移量小導(dǎo)致采煤機(jī)滾筒與支架頂梁干涉的難題。

(2)提出了自動加刀和甩刀方法。通過及時安排加刀和甩刀來調(diào)整工作面推進(jìn)方向和推進(jìn)度，保證了工作面液壓支架齊直。

(3)首創(chuàng)了自動擺底調(diào)控技術(shù)。通過人工巡檢或機(jī)器人巡檢掌握工作面推進(jìn)時刮板輸送機(jī)竄動、液壓支架架間距等情況，根據(jù)采煤工作面的實際情況，在上位機(jī)選擇合適的支架擺底調(diào)控功能和控制模式對液壓支架進(jìn)行調(diào)整。

(4)提出了兩巷超前支架與端頭支架自動跟機(jī)移架方法。通過工作面滑移支架和垛式支架，實現(xiàn)兩巷超前支架與端頭支架根據(jù)采煤機(jī)預(yù)定模式向前自移。

2.4 采煤機(jī)調(diào)高軌跡預(yù)測與路徑規(guī)劃技術(shù)

目前，煤巖識別難題仍未解決，而“采煤機(jī)記憶割煤為主與人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔”的割煤模式難以適應(yīng)煤層起伏變化，基于三維地質(zhì)模型的采煤機(jī)調(diào)高軌跡預(yù)測與路徑規(guī)劃是智能化綜采工作面的關(guān)鍵技術(shù)之一[11-12]。采煤機(jī)調(diào)高軌跡預(yù)測是基于滑動窗口的灰色馬爾科夫鏈預(yù)測方法，利用灰色預(yù)測理論和馬爾科夫鏈各自的優(yōu)點(diǎn)和互補(bǔ)性，根據(jù)建立的工作面三維數(shù)字模型和前6～8刀截割軌跡對下一刀采煤機(jī)截割軌跡進(jìn)行預(yù)測，從而實現(xiàn)采煤機(jī)路徑規(guī)劃和程序割煤，如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)路徑規(guī)劃和程序割煤流程

2.5 綜采工作面遠(yuǎn)程智能化控制技術(shù)

研發(fā)了集本地控制、巷道集中控制和地面遠(yuǎn)程控制于一體的工作面智能化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了采煤機(jī)精確定位、路徑規(guī)劃和程序割煤，液壓支架自動找直跟機(jī)、自動加刀甩刀、自動擺底，帶式輸送機(jī)自移，設(shè)備列車自移以及綜采工作面設(shè)備故障預(yù)警、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程智能監(jiān)測監(jiān)控和一鍵啟停等功能。

綜采工作面遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 綜采工作面遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.6 工作面帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾和糾偏技術(shù)

在運(yùn)輸巷中，帶式輸送機(jī)機(jī)尾與自移機(jī)尾相連，自移機(jī)尾調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)的縱向位移，使帶式輸送機(jī)可以保持與工作面推進(jìn)步距同步。自移機(jī)尾也可以調(diào)整帶式輸送機(jī)機(jī)尾的橫向位移，防止自移機(jī)尾向前推進(jìn)時因為地勢起伏或設(shè)備動作的不協(xié)調(diào)，造成自移機(jī)尾中心線與帶式輸送機(jī)中心線不對中，從而導(dǎo)致輥筒膠帶撕裂。傳統(tǒng)工序中，帶式輸送機(jī)機(jī)尾的橫向跑偏只能由人工手動操縱設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時人員站在帶式輸送機(jī)旁邊操作設(shè)備，效率低下，同時有被飛濺的煤塊砸中的安全風(fēng)險。

為了使帶式輸送機(jī)橫向跑偏位移自動減少，防止膠帶撕裂，同時提高效率和消除隱患，提出了一種運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)機(jī)尾橫向跑偏自動調(diào)整方法。當(dāng)跑偏傳感器檢測到帶式輸送機(jī)跑偏時，系統(tǒng)將尾端架的滑架收起，通過水平油缸將滑架沿跑偏方向推出并得到相應(yīng)的補(bǔ)償位移，之后將滑架落地并支撐起尾端架，由水平缸推移滑座向偏移方向移動相應(yīng)的補(bǔ)償位移，帶式輸送機(jī)的跑偏位移與尾端架的補(bǔ)償位移相互抵消，從而糾正跑偏。整個過程由系統(tǒng)根據(jù)傳感器的反饋?zhàn)詣舆M(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了效率并降低了工作人員的安全風(fēng)險。運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)機(jī)尾橫向跑偏自動調(diào)整流程如圖5所示。

圖5 運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)機(jī)尾橫向跑偏自動調(diào)整流程

3 工業(yè)性試驗

納林河二號煤礦3-1上煤層一盤區(qū)102智能化綜采工作面的煤層可采厚度為1.66～2.85 m，平均厚度為2.35 m，適合厚煤層一次采全高，設(shè)計生產(chǎn)能力為200萬t/a。經(jīng)過1年多的工業(yè)性測試、調(diào)試和改進(jìn)，102智能化綜采工作面實現(xiàn)了全工作面程序割煤、液壓支架自動跟機(jī)、工作面自動調(diào)直和采煤機(jī)精確定位、綜采工作面設(shè)備集中控制與管理、遠(yuǎn)程智能化監(jiān)測監(jiān)控和一鍵啟停等功能，融合采煤機(jī)自動截割、液壓支架及端頭支架的自動移架、運(yùn)輸系統(tǒng)智能化運(yùn)行、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、工作面遠(yuǎn)程集控等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了整個工作面的“有人巡視、無人操作、遠(yuǎn)程干預(yù)、安全高效、綠色節(jié)能”。工控平臺具備顯示設(shè)備運(yùn)行、環(huán)境和人員動態(tài)等功能，依據(jù)實時數(shù)據(jù)分析，工控平臺具備生成和顯示工作面三維虛擬場景及組件受力狀況、跟機(jī)視頻顯示等功能。

102智能化綜采工作面內(nèi)實現(xiàn)了無操作人員，單班生產(chǎn)人員比改進(jìn)前減少6人，現(xiàn)僅需5人(工作面巡視工1人，班長1人，機(jī)頭，機(jī)尾巡檢各1人，控制臺1人)，每年節(jié)約生產(chǎn)人員工資約725萬元。智能化綜采工作面設(shè)備故障診斷功能較強(qiáng)，不僅能夠及時發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備故障還能杜絕設(shè)備事故發(fā)生，降低了設(shè)備運(yùn)行成本、提高了設(shè)備開機(jī)率。同時，智能化綜采工作面的建設(shè)能將大批現(xiàn)場操作人員從工作面復(fù)雜的工作環(huán)境中解脫出來，大幅降低了現(xiàn)場作業(yè)人員的勞動強(qiáng)度，保障了職工的生命安全，提高了礦工的獲得感、安全感、幸福感，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

4 結(jié)語

通過構(gòu)建“遠(yuǎn)程一鍵式啟停、自動開采為主、遠(yuǎn)程人工干預(yù)為輔，最終實現(xiàn)無人值守”為目標(biāo)的減人、提效開采模式，融合采煤機(jī)自動截割、液壓支架及端頭支架的自動移架、運(yùn)輸系統(tǒng)智能運(yùn)行、工作面遠(yuǎn)程集控、數(shù)字孿生等關(guān)鍵技術(shù)，以工作面人員識別系統(tǒng)、頂板壓力監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷系統(tǒng)和工作面視頻系統(tǒng)為保障，以工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)為通道，以大數(shù)據(jù)分析和處理為依據(jù)，以高端集控設(shè)備為平臺，實現(xiàn)了井下集控、地面遠(yuǎn)控，建成了具有主動感知、自動分析、智能決策的智能化少人工作面，實現(xiàn)了綜采工作面的“有人巡視、無人操作、遠(yuǎn)程干預(yù)、安全高效、綠色節(jié)能”。