鄔喜倉， 張學(xué)亮， 阮進林， 王志強

（1. 國家能源集團神東煤炭集團有限責任公司 保德煤礦，山西 忻州 036600；2. 煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100120；3. 北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 101399）

0 引言

我國煤炭產(chǎn)量中約有44%是來自3.5 m 以上的厚煤層，除大采高綜采外，綜放開采是我國厚煤層開采的主要方法。近年來，煤炭開采智能化水平不斷提升，依托智能綜放工作面建設(shè)，實現(xiàn)安全高效智能綜放開采是當前煤炭行業(yè)亟需解決的問題[1-5]。

我國綜放開采先后經(jīng)歷了綜合機械化、自動化和智能化等發(fā)展階段，目前處于智能化初級階段，正在由單機自動化、系統(tǒng)集成化向單機智能化、系統(tǒng)智能化方向發(fā)展[6-7]。智能綜放工作面建設(shè)是實現(xiàn)智能綜放開采的必要途徑，對于全新設(shè)計的智能綜放工作面，可以進行一步到位的系統(tǒng)裝備配置，進而完成智能綜放工作面建設(shè)目標；現(xiàn)有的綜放工作面可以借鑒煤礦智能開采技術(shù)與裝備，采取技術(shù)升級改造等措施，達到智能綜放工作面建設(shè)要求，進而實現(xiàn)智能綜放開采的目的。

目前，國內(nèi)外專家學(xué)者已對智能綜放工作面建設(shè)及相關(guān)技術(shù)進行了廣泛研究，并取得豐碩的成果。在智能采煤（含綜放）工作面概念模式方面，葛世榮[8]基于時間維度梳理了智能化采礦概念，提出智采工作面定義——一個在不同程度上無需人工干預(yù)而獨立完成采煤作業(yè)的生產(chǎn)系統(tǒng)，指出智采工作面的基礎(chǔ)是智能機器，其特征是自主感控，功能是獨立作業(yè)，目的是無人化開采。王國法等[9]給出了智能化采煤工作面的定義，建立了智能化工作面指標體系數(shù)學(xué)模型，提出了智能化工作面分類、分級評價指標體系與評價方法，將智能化采煤工作面分為高級、中級、初級3 個級別。王國法等[10]針對不同煤層賦存條件，提出了薄及中厚煤層智能化無人開采模式、大采高工作面智能耦合人機協(xié)同高效綜采模式、綜放工作面智能化操控與人工干預(yù)輔助放煤模式、復(fù)雜條件機械化+智能化開采模式等4 種煤礦智能化開采模式，分析了放頂煤工作面與一次采全高工作面智能化開采模式的差異，提出了基于時序控制放煤、自動記憶放煤、煤矸識別放煤等智能化放煤控制邏輯與工藝流程。在智能綜放工作面開采理論與技術(shù)方面，于斌等[11]對特厚煤層智能化綜放開采理論與關(guān)鍵技術(shù)架構(gòu)進行了探討，指出智能化綜放開采是未來綜放開采技術(shù)發(fā)展的重要方向，提出了要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和技術(shù)構(gòu)想。張守祥等[12]針對智能綜放開采控制問題，按照放煤過程“放煤前、放煤中和放煤后”3 個階段對所需的技術(shù)裝備進行了探討，放煤前采用透地雷達探測頂煤厚度以確定放煤基點，放煤中采用三維雷達掃描未放頂煤空間，放煤后采用煤矸識別技術(shù)檢測煤矸比例，為綜放開采放煤口開口大小及關(guān)閉提供控制信號，達到綜放開采放煤無人操作的目標。張學(xué)亮等[13]對厚煤層智能放煤工藝及精準控制關(guān)鍵技術(shù)進行了探討，闡述了基于振動信號檢測、音視頻檢測、灰分在線檢測的智能放煤工藝原理，通過相關(guān)技術(shù)裝備的應(yīng)用實現(xiàn)總體采放效率提升約20%。秦文光[14]對山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司王家?guī)X礦綜放工作面智能化協(xié)同控制方案進行了研究，實現(xiàn)了工作面各系統(tǒng)監(jiān)控信息的全面融合與智能匹配。韓秀琪等[15]對綜放工作面自動運行與人工干預(yù)分析系統(tǒng)進行了研究，定義了智能綜放工作面自動化率及放煤工作面控制系統(tǒng)開機率、液壓支架自動跟機移架率、采煤機記憶割煤率、自動放頂煤率等關(guān)鍵指標，建立相應(yīng)知識庫，并分析人工干預(yù)原因，為生產(chǎn)系統(tǒng)控制邏輯的優(yōu)化提供依據(jù)。王家臣等[16]研究了圖像識別智能放煤技術(shù)原理及應(yīng)用，針對混矸率識別問題，將混矸率細化為透明面積混矸率、表面體積混矸率、內(nèi)部體積混矸率，建立輕量級的煤矸識別邊界測量模型，提出了快速寫意重建和精準重建2 種煤矸石塊體三維重建方法，提出了適應(yīng)低照度高粉塵環(huán)境的立體視覺照度智能監(jiān)測與自適應(yīng)調(diào)節(jié)方法及相應(yīng)的去粉塵算法，提高了放煤工序的智能化水平。袁源等[17]針對頂煤放落過程煤矸聲信號特征提取與分類進行了研究，構(gòu)建了放頂煤聲信號分類樣本庫，研究了6 種常用機器學(xué)習(xí)分類方法對樣本的分析特征，指出基于小波包分解與隨機森林算法的分類器性能最好，準確率達到93.06%。曹貫強等[18]研究了用于煤矸識別的振動傳感器，利用加速度計采集尾梁振動信號，并對采集數(shù)據(jù)進行濾波處理，利用傅里葉變換對數(shù)據(jù)進行功率譜分析，測試表明傳感器測量誤差在1%以內(nèi)，現(xiàn)場實測表明該傳感器能夠識別出頂煤和矸石。

上述成果對智能綜放工作面建設(shè)具有重要的指導(dǎo)意義，但是沒有針對某個綜放工作面進行系統(tǒng)化建設(shè)實施的研究。本文以國家能源集團神東煤炭保德煤礦81309 智能綜放工作面建設(shè)為研究背景，系統(tǒng)闡述該智能綜放工作面中高級智能化建設(shè)過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)，為類似條件的智能綜放工作面建設(shè)提供借鑒。

1 綜放工作面概況

保德煤礦為高瓦斯礦井，生產(chǎn)能力為800 萬t/a。81309 綜放工作面開采8 號煤層，地面標高為+908～+1 134 m，底板標高為+607.5～+650.1 m。工作面傾向長度為240 m，推進平均長度為2 575 m。煤層平均厚度為7 m，煤層傾角為3～6°。工作面采高為3.7 m，放煤高度為3.3 m，采放比為1∶0.89。工作面上巷、下巷均采用兩巷布置，設(shè)備列車與轉(zhuǎn)載機、破碎機、帶式輸送機布置在運輸巷道內(nèi)。

工作面采用ZFY18000/25/39D 型支架109 臺，過渡支架2 臺，排頭支架9 臺，端頭支架1 組。ZFY18000/25/39D 液壓支架為兩柱掩護式，中心距為2 050 mm，支護強度為1.5 MPa。選用7LS6C?LWS636 型采煤機，采用國產(chǎn)化改造電控系統(tǒng)。采用SGZ1000/2×1200 型前部刮板輸送機和后部刮板輸送機，機頭、機尾平行布置，前后刮板輸送機與轉(zhuǎn)載機采用端卸布置。采用SZZ1350/700 型橋式轉(zhuǎn)載機和PCM700型破碎機。采用DSJ140/300/3×500 型帶式輸送機，其運輸距離為6 000 m，帶速為4 m/s。

81309 綜放工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)型控制器，工作面內(nèi)設(shè)備通過統(tǒng)一協(xié)議接入SAM 型綜采自動化系統(tǒng)中，系統(tǒng)配置地面太空艙式集控中心。81309 綜放工作面智能綜放控制系統(tǒng)由液壓支架電液控制系統(tǒng)、綜采自動化系統(tǒng)（含三機集控系統(tǒng)、視頻監(jiān)視系統(tǒng)、煤矸識別系統(tǒng)等）、地面太空艙式集控中心（位于地面調(diào)度室）等組成，如圖1所示。

圖1 智能綜放控制系統(tǒng)基本配置Fig. 1 Basic configuration of intelligent fully mechanized Caving control system

2 智能綜放工作面建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

在液壓支架電液控制系統(tǒng)及綜采自動化系統(tǒng)配置的基礎(chǔ)上，重點對設(shè)備升級改造、有限透明開采模型、智能放煤工藝決策、煤矸識別方法優(yōu)化、多模式融合集成控制等關(guān)鍵技術(shù)進行研究，以促進綜放工作面各項技術(shù)指標滿足中高級智能化建設(shè)要求。

2.1 設(shè)備升級改造

保德煤礦綜放工作面裝備老舊、不同裝備供應(yīng)商不統(tǒng)一，多數(shù)設(shè)備自身性能及自動化、智能化程度不符合智能化開采要求，工作面設(shè)備無法實現(xiàn)系統(tǒng)集成。對現(xiàn)有設(shè)備按照統(tǒng)一標準進行升級改造并實現(xiàn)集成控制，是智能綜放工作面建設(shè)的最優(yōu)選擇。

保德煤礦81309 綜放工作面采用的進口采煤機受電控系統(tǒng)數(shù)據(jù)不開放等因素制約，因此，需對其進行國產(chǎn)化智能改造，采用完全國產(chǎn)化的電控系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)集中控制，通過加裝慣導(dǎo)系統(tǒng)，配套光纖復(fù)合電纜與5G 相結(jié)合的通信方式，實現(xiàn)信號有線/無線雙通道傳輸，提高采煤機割煤控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

采煤機主體控制信號采用采煤機電纜內(nèi)置光纖進行通信，當光纖通信發(fā)生故障時，采煤機可采用5G 信號進行通信，通過在工作面及運輸巷道內(nèi)布置5G 基站，將無線信號傳輸至綜放工作面集控中心5G 信號終端設(shè)備，并通過礦用萬兆環(huán)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳及采煤機的遠程控制。采煤機5G 通信系統(tǒng)如圖2 所示。

圖2 采煤機5G 無線通信系統(tǒng)Fig. 2 Shearer 5G wireless communication system

為提高設(shè)備列車拉移效率，采用邁步式自移設(shè)備列車系統(tǒng)并配套管纜伸縮裝置（圖3）。自移設(shè)備列車系統(tǒng)由1 套錨固裝置、12 節(jié)滑靴式板車和17 節(jié)輪式板車組成，加裝電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)遠程操作，拉移速度約為20 m/h。管纜伸縮裝置由1 臺滑靴式絞車、19 臺輪式管纜伸縮車和1 組管纜懸移梁組成。管纜伸縮裝置纜線、液管儲存量為50 m。通過實際應(yīng)用，可實現(xiàn)設(shè)備列車常態(tài)化拉移由1～2 人完成，效率較之前提升一倍，人員減少一半。

圖3 邁步式自移設(shè)備列車及管纜伸縮裝置Fig. 3 Step-type self-shift equipment train and pipe and cable expansion device

2.2 有限透明開采模型

智能綜放透明開采地質(zhì)模型屬于智能規(guī)劃協(xié)同開采系統(tǒng)（圖4）智能規(guī)劃中心的一部分。智能規(guī)劃中心數(shù)據(jù)源由地質(zhì)三維模型數(shù)據(jù)、歷史截割數(shù)據(jù)、采高傳感數(shù)據(jù)等組成，將數(shù)據(jù)源中各類數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一抽象建模，并對各類模型進行融合處理，對地質(zhì)模型進行迭代修正的同時生成截割模板，按照截割模板對采煤機路徑、支架跟機、煤流負荷等進行規(guī)劃，為開采控制中心提供生產(chǎn)效率最優(yōu)規(guī)劃方案。經(jīng)過一系列換算和多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合，最終形成有限透明開采地質(zhì)模型（圖5）。

圖4 基于透明地質(zhì)的綜采工作面智能化協(xié)同規(guī)劃開采系統(tǒng)Fig. 4 Intelligent collaborative planning and mining system of fully mechanized mining face based on transparent geology

圖5 有限透明開采地質(zhì)模型Fig. 5 Geological model of limited and transparent mining

2.3 智能綜放工藝決策

智能綜放工作面的建設(shè)效果在很大程度上取決于采放工藝協(xié)同及智能化程度。充分考慮81309 綜放工作面智能化建設(shè)需求，采用千兆綜合接入器（每6 架1 個）搭建高速鏈路，用于后部放煤視頻（每2 架1 個）和后部振動煤矸識別（每架1 個），并預(yù)留其他接口供煤矸識別研究使用，在后部視頻的鄰架配置照明燈（每2 架1 個）。

智能綜放工藝總體上分為10 個階段，81309 綜放工作面為左工作面，總體支架編號為3 號?122 號（1 號、2 號架為端頭支架）。該工作面采用一刀一放2 輪順序放煤方式，正常放煤階段，當采煤機從機頭往機尾割煤時，第1 放煤點從機頭7 號架開始放煤，第2 放煤點從滯后移架工序10 號架向機尾方向放煤，放煤后拉后刮板輸送機機頭，并依次向機尾方向拉后刮板輸送機，2 輪放煤放到機尾116 號架停止；從機尾往機頭割煤時，從機尾116 號架開始放煤，放到機頭7 號架停止；端頭架、排頭架不放煤。

智能綜放回采工藝階段設(shè)置見表1。

表1 智能回采工藝階段Table 1 Intelligent coal mining process stage

2.4 煤矸識別方法優(yōu)化

綜放開采的放煤階段是重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，在綜放自動化生產(chǎn)階段，主要采用基于放煤動作的時間程序控制方法，在智能化放煤階段，需綜合考慮振動、視頻識別等煤矸識別結(jié)果[19-20]，參與自動化放煤階段控制，形成智能放煤控制。保德煤礦采用振動+視頻識別方案進行煤矸識別。在綜放支架尾梁下方安裝加速度傳感器采集放落煤矸的振動信號，通過計算9.5～10.5 kHz 內(nèi)的能量累計值，與基準能量進行對比，超出閾值部分判定為矸石比例超標，得出煤矸識別結(jié)果。加速度傳感器時域能量算法三維圖如圖6 所示。

圖6 加速度傳感器時域能量算法三維圖Fig. 6 Time domain energy algorithm 3D diagram of acceleration sensor

為提高煤矸識別分析判斷的準確性，除采用振動煤矸識別方法外，每2 架后方安裝微型攝像儀并在相鄰支架安裝光源進行煤矸識別。首先，進行初始化，啟動攝像儀和補光燈，相機通信正常時進行圖像獲取與識別，否則提示故障。然后，對獲取的圖像數(shù)據(jù)進行分析，判斷鏡頭是否被污染，當鏡頭未被污染且液壓支架放煤作業(yè)已啟動時，執(zhí)行矸石占比檢測。當出現(xiàn)鏡頭污染報警或到達鏡頭污染檢測周期時，執(zhí)行鏡頭污染檢測算法，若判定鏡頭有污染，則輸出視覺失效信號；若判定鏡頭無污染，則輸出視覺有效信號。最后，在執(zhí)行煤矸占比檢測時，若矸石占比超過閾值，則進行待報警幀計數(shù)，當連續(xù)待報警幀達到一定數(shù)量時，系統(tǒng)輸出煤矸超標報警提示，若此時允許采用此數(shù)據(jù)進行自動操作，則關(guān)閉相應(yīng)的放煤口，實現(xiàn)放煤智能化。

2.5 多模式融合集成控制

智能化集中控制系統(tǒng)以SAM 型綜采自動化控制系統(tǒng)為樞紐，通過整合液壓支架電液控制、視頻監(jiān)控、采煤機電控、三機泵站集控構(gòu)建智能化集中控制系統(tǒng)，如圖7 所示。智能化集中控制系統(tǒng)分為決策層、控制層和執(zhí)行層3 個部分。決策層通過智能化放煤決策系統(tǒng)向智能化控制系統(tǒng)、智能化控制中心、智能開采工藝控制中心下發(fā)指令[21]，然后分別向控制層的自動化控制系統(tǒng)、自動化控制中心、電液控制系統(tǒng)等下發(fā)控制指令，控制指令向執(zhí)行層各執(zhí)行設(shè)備下發(fā)并執(zhí)行動作，通過執(zhí)行層智能感知系統(tǒng)向控制層和決策層反饋執(zhí)行結(jié)果，形成閉環(huán)控制。

圖7 智能化集中控制系統(tǒng)Fig. 7 Intelligent and centralized control system

3 應(yīng)用實施

81309 綜放工作面已于2021 年11 月20 日完成自動化調(diào)試，中部實現(xiàn)單班自動控制割煤4 刀，液壓支架實現(xiàn)自動跟機拉架、聯(lián)動收伸護幫/伸縮梁、自主推溜等功能，智能化集中控制系統(tǒng)可一鍵啟停生產(chǎn)系統(tǒng)，對設(shè)備運行數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。配套的地面太空艙式集控中心（圖8）為智能綜放開采一體式交互平臺，可容納1 名支架操作工和1 名采煤機操作工同時工作，用于工作面設(shè)備群遠程集控。

圖8 智能綜放地面分控中心Fig. 8 Intelligent fully mechanized caving ground sub-control center

保德煤礦在2022 年根據(jù)山西省《全省煤礦智能化建設(shè)基本要求及評分方法》進行了智能綜放工作面階段建設(shè)驗收，達到中級智能化，將于2023 年全面建成基于透明開采的“采?支?識?放?運”各環(huán)節(jié)自適應(yīng)的智能綜放工作面。

4 結(jié)論

1） 保德煤礦在智能綜放工作面建設(shè)過程中，對采煤機電控系統(tǒng)進行了國產(chǎn)化升級改造，通過加裝慣導(dǎo)系統(tǒng)，配套光纖復(fù)合電纜與5G 相結(jié)合的通信方式，實現(xiàn)信號有線/無線雙通道傳輸，提高采煤機割煤控制數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。采用了邁步式自移設(shè)備列車系統(tǒng)并配套管纜伸縮裝置，實現(xiàn)設(shè)備列車拉移常態(tài)化1～2 人完成，效率提升1 倍，人員減少一半。

2） 智能規(guī)劃中心對各類模型進行融合處理，構(gòu)建有限透明開采模型，對地質(zhì)模型進行迭代修正的同時生成截割模板，按照截割模板對采煤機路徑、支架跟機、煤流負荷等進行規(guī)劃，為開采控制中心提供生產(chǎn)效率最優(yōu)規(guī)劃方案。

3） 10 個階段智能綜放回采工藝根據(jù)保德煤礦實際支架部署確定具體動作點，實現(xiàn)中部跟機自動化采放、三角煤區(qū)域自動開采。

4） 采用振動和視頻煤矸識別技術(shù)，在綜放支架尾梁下方安裝加速度傳感器，采集放落煤矸的振動信號，通過濾波計算9.5～10.5 kHz 內(nèi)的能量累積值進而識別煤矸界面；通過視頻煤矸識別系統(tǒng)對矸石比例超過閾值情況進行統(tǒng)計報警，建成智能綜放煤矸識別系統(tǒng)。

5） 以SAM 型綜采自動化控制系統(tǒng)為樞紐，通過整合液壓支架電液控制、視頻監(jiān)控、采煤機電控、三機泵站集控，構(gòu)建智能化集中控制系統(tǒng)，初步建成基于透明開采的“采?支?識?放?運”各環(huán)節(jié)智能自適應(yīng)的智能綜放開采工作面。