于 斌，徐 剛，黃志增，郭金剛，李 政，李東印，王世博，孟二存，潘衛(wèi)東，牛劍峰，薛吉?jiǎng)?，趙鐵林

(1.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003; 2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013; 3.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013; 4.兗礦集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)寧 273500; 5.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000; 6.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008; 7.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院,北京 100083; 8.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013)

煤炭是我國(guó)的主體能源，特厚煤層儲(chǔ)量豐富且主要采用綜放開采方法，實(shí)現(xiàn)特厚煤層安全高效開采對(duì)保障我國(guó)煤炭持續(xù)供應(yīng)意義重大。經(jīng)過國(guó)家“九五”、“十五”、“十一五”技術(shù)攻關(guān)，我國(guó)綜放開采技術(shù)已達(dá)到世界領(lǐng)先水平[1-5]，出現(xiàn)了潞安、兗州、陽泉、大同等以綜放開采為主的大型高產(chǎn)高效礦區(qū)，部分綜放工作面年產(chǎn)量已達(dá)到1 000萬t。國(guó)家“十三五”規(guī)劃將“加快推進(jìn)煤炭無人開采技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用”列入能源領(lǐng)域重點(diǎn)工程，國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局開展的“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”科技強(qiáng)安專項(xiàng)行動(dòng)為煤炭行業(yè)科技創(chuàng)新指明了方向，特厚煤層實(shí)現(xiàn)智能化綜放開采將成為重要的發(fā)展趨勢(shì)[6-12]。

目前綜放開采仍采用人工放煤方式，放煤的智能化是制約智能化綜放開采的主要技術(shù)瓶頸，由于國(guó)內(nèi)外在智能放煤理論、煤矸智能識(shí)別、智能放煤控制等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域尚未取得突破，亟待研發(fā)新技術(shù)和新裝備解決這些難題。為此，本文基于國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“千萬噸級(jí)特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及示范”，分析了特厚煤層智能化綜放開采技術(shù)現(xiàn)狀及存在的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，提出智能化綜放開采理論與技術(shù)構(gòu)想及研發(fā)思路。

1 智能化綜放開采技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

綜放開采技術(shù)20世紀(jì)50年代末起源于歐洲，此后由于各種原因在國(guó)外逐漸消失。目前國(guó)外僅在土耳其、孟加拉國(guó)、澳大利亞等少數(shù)幾個(gè)國(guó)家有相關(guān)應(yīng)用且大多為國(guó)內(nèi)綜放技術(shù)的輸出應(yīng)用，如兗礦集團(tuán)有限公司將綜放開采技術(shù)應(yīng)用到其澳大利亞澳思達(dá)礦并探索了基于時(shí)間控制的自動(dòng)化放煤方式。因此，國(guó)外在智能化綜放開采領(lǐng)域鮮有開展相關(guān)研究。相反，國(guó)外自21世紀(jì)初至今，以慣性導(dǎo)航技術(shù)、熱紅外線煤巖識(shí)別技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、多傳感器技術(shù)為代表的綜采工作面自動(dòng)化技術(shù)使綜采工作面的智能化成為可能，也為智能化綜放開采技術(shù)的研究提供了一定的技術(shù)借鑒[13]。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

綜放開采技術(shù)在我國(guó)真正獲得發(fā)展并逐步成熟，從20世紀(jì)80年代的引進(jìn)試驗(yàn)，驗(yàn)證了放頂煤開采實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的可行性，到90年代初期以兗礦興隆莊礦綜放面年產(chǎn)突破300萬t及復(fù)雜煤層綜放開采技術(shù)的應(yīng)用為標(biāo)志，綜放開采技術(shù)在國(guó)內(nèi)快速發(fā)展應(yīng)用;從“十五”期間兗州礦區(qū)“600萬t綜放工作面設(shè)備配套與技術(shù)研究”項(xiàng)目的完成，創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)外綜放開采單產(chǎn)、工效和采出率的最高記錄，到“十一五”期間針對(duì)14～20 m特厚煤層開發(fā)的大采高綜放開采成套技術(shù)與裝備，工作面年產(chǎn)達(dá)到1 000萬t，我國(guó)綜放開采技術(shù)水平已處于國(guó)際領(lǐng)先水平。目前綜放開采技術(shù)已經(jīng)成為我國(guó)特厚煤層礦區(qū)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的主要技術(shù)途徑[14-20]。

在智能化綜放開采相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，近年來國(guó)內(nèi)進(jìn)行了初步的探索試驗(yàn)，如:兗礦興隆莊煤礦試驗(yàn)程序控制與人工補(bǔ)放結(jié)合的放煤方式;潞安王莊煤礦試驗(yàn)研究了聲音頻譜煤矸識(shí)別技術(shù);中國(guó)礦業(yè)大學(xué)進(jìn)行了基于聲波的放頂煤過程自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究;北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司試驗(yàn)了記憶放頂煤方式。這些試驗(yàn)研究雖取得了一定的認(rèn)識(shí)，但在關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域未取得實(shí)質(zhì)性的突破，不能適應(yīng)智能化綜放開采現(xiàn)場(chǎng)需求。

綜上，綜放開采的智能化尚處于試驗(yàn)探索階段，主要存在智能放煤理論空白，煤矸智能識(shí)別、放煤智能控制等關(guān)鍵技術(shù)尚未突破，亟待研發(fā)新技術(shù)和新裝備解決這些難題。

2 特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題

項(xiàng)目以“智能群組放煤機(jī)理—智能放煤方法—煤矸精準(zhǔn)識(shí)別技術(shù)—智能放煤控制技術(shù)及裝備—工程示范”為主線，將采礦學(xué)、人工智能、機(jī)械工程等學(xué)科有機(jī)結(jié)合，圍繞關(guān)鍵科學(xué)問題，開發(fā)千萬噸級(jí)特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及裝備，并進(jìn)行工程示范，研究方法和思路如圖1所示。采用理論分析、實(shí)驗(yàn)?zāi)M、數(shù)值仿真和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的綜合研究方法，研究以下幾個(gè)方面的科學(xué)技術(shù)問題:

(1)特厚煤層智能化綜放開采大尺度頂煤體破碎與冒放機(jī)理。研究智能綜放工作面覆巖結(jié)構(gòu)破斷規(guī)律影響下的大尺度頂煤體運(yùn)移規(guī)律、破碎機(jī)理，進(jìn)而分析煤矸塊度分布特征及煤矸分界面形態(tài)，結(jié)合智能群組放煤規(guī)律揭示頂煤體冒放機(jī)理。

(2)特厚煤層智能化采放協(xié)調(diào)控制機(jī)理。開展特厚煤層綜放面在不同開采環(huán)境下的采放高度協(xié)調(diào)與放煤步距協(xié)調(diào)研究;研究特厚頂煤采放工藝流程與采放工藝各工序受控因素、觸發(fā)條件、運(yùn)行過程;研究多放煤口群組放煤過程與煤矸界面形態(tài)演變映射關(guān)系;研究多變量、多約束條件下，運(yùn)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)特厚煤層采放協(xié)調(diào)控制、群組協(xié)同放煤的原理。

(3)特厚煤層智能綜放開采群組放煤過程控制原理。建立綜放支架放煤機(jī)構(gòu)開口度與放煤量的控制算法模型，以后部刮板輸送機(jī)運(yùn)輸量為設(shè)計(jì)依據(jù)，建立多放煤口的群組放煤量與后部刮板輸送機(jī)總體運(yùn)量的關(guān)系模型，以后部刮板輸送機(jī)總體運(yùn)量為控制目標(biāo)，建立智能化放煤自適應(yīng)控制模型，以激光掃描煤流量信息為檢測(cè)手段，通過機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，使控制目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化。

(4)特厚煤層群組協(xié)同智能放煤工藝決策技術(shù)。創(chuàng)建基于放煤環(huán)境多變量綜合感知與分析的多源信息數(shù)據(jù)庫(kù),運(yùn)用大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)分析采放協(xié)調(diào)具體關(guān)系，研究多放煤口不同群組配合關(guān)系，建立基于深度學(xué)習(xí)的特厚煤層采放協(xié)調(diào)智能放煤工藝模型,通過放煤工藝模型在線學(xué)習(xí)與優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)特厚煤層采放協(xié)調(diào)控制、群組協(xié)同放煤。

(5)融合煤矸沖擊振動(dòng)和高光譜的煤矸精準(zhǔn)識(shí)別技術(shù)。建立強(qiáng)噪聲環(huán)境下煤矸沖擊振動(dòng)信號(hào)特征參量識(shí)別技術(shù)，建立基于高光譜煤矸識(shí)別技術(shù)，通過融合煤矸沖擊振動(dòng)與高光譜信號(hào)，形成“耳聽、目測(cè)”的煤矸仿生識(shí)別技術(shù)體系。

(6)基于激光三維掃描的放煤量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)?；诩す馊S掃描方法精確測(cè)量高煤塵、低照度環(huán)境下放煤口煤流動(dòng)態(tài)信息，建立放煤口煤流運(yùn)動(dòng)速度、刮板機(jī)堆煤幾何信息與放煤量間的動(dòng)態(tài)耦合模型，實(shí)現(xiàn)放煤量的智能監(jiān)測(cè)。

(7)基于探地雷達(dá)的頂煤厚度在線探測(cè)技術(shù)。確定探地雷達(dá)信號(hào)在煤層中傳播時(shí)的最優(yōu)中心頻率，創(chuàng)建基于探地雷達(dá)信號(hào)的頂煤厚度精確計(jì)算方法，建立頂煤厚度精確計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)頂煤厚度的準(zhǔn)確探測(cè)。

(8)多模式融合的智能化放煤裝備及控制技術(shù)。智能化放煤裝備包括智能放煤控制器、隔爆電源、高效放煤機(jī)構(gòu)、高精度傾角傳感裝置、行程傳感裝置、壓力傳感器、測(cè)高傳感器、快慢速液壓閥、煤矸識(shí)別傳感器、視頻監(jiān)控裝置、隔爆計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程操作臺(tái)等。基于采煤工藝的自動(dòng)化放煤控制模式、煤矸識(shí)別信息的自動(dòng)化放煤控制模式和基于采放協(xié)調(diào)智能放煤工藝模型的自動(dòng)化放煤控制模式進(jìn)行系統(tǒng)融合，形成多種控制模式相融合的智能化放煤控制方法與控制技術(shù)。

3 特厚煤層智能化放煤理論探討

3.1 特厚煤層智能化綜放工作面群組放煤理論

特厚煤層智能綜放開采工作面，在開采效率的大幅提升的同時(shí)，工作面存在采場(chǎng)空間大、開采強(qiáng)度高、頂煤體尺度大等特點(diǎn)[21-23]，目前的理論不能科學(xué)解釋大尺度頂煤體的破碎機(jī)理及智能化群組放煤規(guī)律。對(duì)特厚煤層智能化綜放工作面覆巖結(jié)構(gòu)破斷演化過程、頂煤體運(yùn)移規(guī)律及破碎機(jī)理、煤矸混移規(guī)律及相互作用機(jī)理、大尺度頂煤體智能群組放煤規(guī)律方面開展研究，構(gòu)建特厚煤層智能化綜放開采群組放煤理論，為實(shí)現(xiàn)智能化放煤提供理論支撐，為此將開展4個(gè)方面研究工作。

(1)通過開發(fā)特厚煤層綜放開采覆巖破斷模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖2)，研究大采場(chǎng)空間、高強(qiáng)度開采條件下覆巖結(jié)構(gòu)破斷演化過程，并與現(xiàn)場(chǎng)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證(圖3);建立采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，研究覆巖結(jié)構(gòu)破斷失穩(wěn)形式及失穩(wěn)判據(jù);基于覆巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型建立頂煤體動(dòng)載荷計(jì)算方法，研究在覆巖結(jié)構(gòu)破斷動(dòng)載荷影響下頂煤體中應(yīng)力分布規(guī)律。

圖3 微震事件與頂板破壞特征對(duì)應(yīng)關(guān)系[24]Fig.3 Microseismic event corresponds to the roof failure feature[24]

(2)建立特厚煤層綜放開采數(shù)值計(jì)算模型，研究大尺度頂煤體的分區(qū)運(yùn)移演化過程結(jié)合新型高精度頂煤運(yùn)移追蹤儀追蹤頂煤運(yùn)移軌跡，揭示頂煤體空間運(yùn)移規(guī)律，頂煤運(yùn)移追蹤儀開發(fā)方案和示意(圖4,5);采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算方法模擬研究真實(shí)采動(dòng)應(yīng)力環(huán)境下頂煤體內(nèi)部的裂隙擴(kuò)展規(guī)律;結(jié)合以上研究成果建立大尺度頂煤體的力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，研究不同分區(qū)頂煤的破壞動(dòng)力機(jī)制，進(jìn)而揭示特厚頂煤體的破碎機(jī)理。

圖4 頂煤運(yùn)移追蹤儀開發(fā)技術(shù)方案Fig.4 Top coal migration tracker development technical plan

圖5 新型高精度頂煤運(yùn)移追蹤儀示意Fig.5 Top-coal movement tracking instrument with high precision

圖6 三維數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺懦鲶w、煤矸分界面反演[25]Fig.6 Three-dimensional numerical simulation model and the inversion of the drawing body and boundary of top-coal[25]

(3)開展頂煤破碎放出實(shí)驗(yàn)，反演放出煤、矸塊體原空間位置，統(tǒng)計(jì)分析放出煤、矸塊度大小，揭示大采場(chǎng)空間、高強(qiáng)度開采條件下特厚煤層綜放開采煤、矸塊度空間分布特征;開展不同煤矸塊度，不同煤巖厚度、不同放煤工藝條件下放煤實(shí)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行離散元模擬，揭示特厚煤層綜放工作面放煤后形成的煤矸分界面空間特征及反演放出體的三維形態(tài)(圖6);基于散體力學(xué)，研究煤矸塊體互相作用機(jī)理。

(4)建立智能化綜放工作面群組放煤分析模型，研究群組放煤口寬度、高度尺寸與待放頂煤體形成的結(jié)構(gòu)以及頂煤采出率的對(duì)應(yīng)關(guān)系(圖7);采用連續(xù)-非連續(xù)數(shù)值模擬軟件，研究頂煤體的介質(zhì)轉(zhuǎn)化全過程，提出一套特厚煤層智能化綜放開采群組極限放煤高度的評(píng)價(jià)方法。

圖7 待放頂煤體形成結(jié)構(gòu)示意[17]Fig.7 Schematic diagram of the structure formed by the caving coal[17]

3.2 特厚煤層智能化采放協(xié)調(diào)控制理論

本部分研究思路如圖8所示，選取典型綜放工作面，找出特厚煤層綜放開采條件下影響采煤效率及頂煤采出率的多種采放工藝模式;針對(duì)每種采放工藝模式，分析各工序基本邏輯關(guān)系與協(xié)調(diào)機(jī)制及影響采放協(xié)調(diào)性及頂煤回收效果的關(guān)鍵影響因素，并衡量各因素影響程度;建立基于各影響因素約束下的局部?jī)?yōu)化理論模型;從智能決策控制角度出發(fā)，利用合適的人工智能技術(shù)，集成各局部理論模型，建立綜合優(yōu)化智能決策理論模型，解決多變量多約束條件下的放煤工藝生成邏輯與智能決策機(jī)制問題，如圖9所示。

3.3 自動(dòng)化群組精準(zhǔn)放煤控制原理

建立綜放支架放煤機(jī)構(gòu)開口度與放煤量的控制算法模型，以后部刮板輸送機(jī)運(yùn)輸量為設(shè)計(jì)依據(jù)，建立多放煤口的群組放煤量與后部刮板輸送機(jī)總體運(yùn)量的關(guān)系模型，以后部刮板輸送機(jī)總體運(yùn)量為控制目標(biāo)，建立智能化放煤自適應(yīng)控制模型，以激光掃描煤流量信息為檢測(cè)手段，通過機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，使控制目標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化(圖10)。

4 特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)構(gòu)想

4.1 特厚煤層群組協(xié)同智能放煤工藝決策技術(shù)

基于特厚煤層智能化采放協(xié)調(diào)控制理論，建立采放協(xié)調(diào)智能放煤工藝模型，具體包括搭建多源信息數(shù)據(jù)庫(kù)，運(yùn)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)建立基于采放協(xié)調(diào)與群組協(xié)同的邏輯關(guān)系，運(yùn)用人工智能技術(shù)及工具搭建采放協(xié)調(diào)智能放煤工藝模型(圖11)，研究思路如圖12所示。

圖8 智能化采放協(xié)調(diào)控制研究技術(shù)路線Fig.8 Technology route of research on intelligent coordination control for mining and top coal caving

圖9 智能決策控制算法適應(yīng)性測(cè)試平臺(tái)Fig.9 Adaptability test platform for intelligent decision control algorithms

圖10 智能化放煤控制系統(tǒng)模型Fig.10 Model diagram of coal caving control system

圖12 采放協(xié)調(diào)智能放煤工藝模型及優(yōu)化技術(shù)路線Fig.12 Technology route of coordinated and intelligent model for mining and top coal caving process

4.2 特厚煤層頂煤厚度與放煤量實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)

研究探地雷達(dá)信號(hào)在煤層中傳播時(shí)的最優(yōu)中心頻率，創(chuàng)建基于探地雷達(dá)信號(hào)的頂煤厚度精確計(jì)算方法，建立頂煤厚度精確計(jì)算的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)頂煤厚度的準(zhǔn)確探測(cè)，探地雷達(dá)原理如圖13所示。在實(shí)施智能開采前如何評(píng)價(jià)工作面地質(zhì)賦存條件的適應(yīng)程度，預(yù)判工作面在開采過程中潛在可能出現(xiàn)的問題及相應(yīng)技術(shù)措施?；诩す馊S掃描方法精確測(cè)量高煤塵、低照度環(huán)境下放煤口煤流動(dòng)態(tài)信息，激光掃描技術(shù)如圖14所示，建立放煤口煤流運(yùn)動(dòng)速度、刮板機(jī)堆煤幾何信息與放煤量間的動(dòng)態(tài)耦合模型，實(shí)現(xiàn)放煤量的智能監(jiān)測(cè)，煤量在線監(jiān)測(cè)如圖15所示。

圖13 探地雷達(dá)在煤層、矸石層和巖層中傳播路線示意Fig.13 Diagram of GPR in coal seam,gangue layer and rock layer

4.3 沖擊振動(dòng)和高光譜融合的煤矸識(shí)別技術(shù)

本部分研究思路和技術(shù)路線如圖16所示，煤矸識(shí)別是綜采放頂煤開采的關(guān)鍵核心技術(shù)，對(duì)煤炭采出率及回收煤炭質(zhì)量具有重要影響。通過研究煤矸沖擊振動(dòng)信號(hào)分析方法和特征提取算法，構(gòu)建基于煤矸沖擊振動(dòng)信號(hào)識(shí)別方法和裝置;通過研究煤矸高光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理與光譜特征參量提取算法，構(gòu)建基于高光譜的煤矸識(shí)別方法和裝置(圖17);通過研究煤矸沖擊振動(dòng)與高光譜信號(hào)融合方法，獲得融合煤矸沖擊振動(dòng)與高光譜的煤矸精準(zhǔn)識(shí)別技術(shù)和裝置，實(shí)現(xiàn)放煤過程煤矸混合率“耳聽、目測(cè)”的精準(zhǔn)識(shí)別，識(shí)別率不低于90%。

圖14 激光掃描技術(shù)煤流截面測(cè)量原理Fig.14 Schematic diagram of coal flow section measurement with laser scanning technology

圖15 放煤量在線監(jiān)測(cè)裝置研制原理Fig.15 Schematic diagram of online monitoring device for top coal

圖19 “有人值守、無人操作”生產(chǎn)模式Fig.19 Production mode of “manned and unoperated”

4.4 多模式融合的智能化放煤裝備及控制技術(shù)

智能化放煤裝備包括智能放煤控制器、隔爆電源、高效放煤機(jī)構(gòu)、高精度傾角傳感裝置、行程傳感裝置、壓力傳感器、測(cè)高傳感器、快慢速液壓閥、煤矸識(shí)別傳感器、視頻監(jiān)控裝置、隔爆計(jì)算機(jī)、遠(yuǎn)程操作臺(tái)等。將基于采煤工藝的自動(dòng)化放煤控制模式、基于煤矸識(shí)別信息的自動(dòng)化放煤控制模式和基于采放協(xié)調(diào)智能放煤工藝模型的自動(dòng)化放煤控制模式進(jìn)行系統(tǒng)融合，形成多種控制模式相融合的智能化放煤控制方法與控制技術(shù)(圖18)。

4.5 綜放工作面“采-支-放-運(yùn)”系統(tǒng)智能協(xié)調(diào)控制技術(shù)

開發(fā)特厚煤層智能化綜放工作面基于放煤機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)控制、工作面直線度智能化控制、后部刮板輸送機(jī)煤流量控制[26]，融合煤矸辨識(shí)信息、頂煤體量探測(cè)信息、煤流量激光掃描信息和采放協(xié)調(diào)智能群組放煤工藝模型的智能群組放煤控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜放工作面三機(jī)自動(dòng)化智能協(xié)同，實(shí)現(xiàn)綜放工作面“采-支-放-運(yùn)”系統(tǒng)環(huán)節(jié)智能自適應(yīng)，最終實(shí)現(xiàn)綜放工作面“有人值守、無人操作”(圖19)。

5 結(jié)論與展望

(1)智能化綜放開采是特厚煤層開采技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵方向。針對(duì)特厚煤層綜放開采存在的煤矸智能識(shí)別、智能放煤控制、“采-支-放-運(yùn)”系統(tǒng)智能協(xié)調(diào)等技術(shù)難題，提出了3個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題:特厚煤層智能綜放開采大尺度頂煤體破碎與冒放機(jī)理;特厚煤層智能化采放協(xié)調(diào)控制機(jī)理與方法;特厚煤層智能綜放開采群組放煤過程控制原理。

(2)針對(duì)特厚煤層智能綜放開采工作面存在的采場(chǎng)空間大、開采強(qiáng)度高、頂煤體尺度大等特點(diǎn)，深入研究智能化綜放工作面大采場(chǎng)空間、高強(qiáng)度開采條件下覆巖破斷運(yùn)移規(guī)律、大尺度頂煤體運(yùn)移及破碎機(jī)理、煤矸混移及群組放煤規(guī)律。攻克采放協(xié)調(diào)與群組協(xié)同放煤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多變量條件下的智能化采放協(xié)調(diào)控制與多放煤口群組協(xié)同放煤。

(3)針對(duì)智能化群組放煤工作面存在的放煤狀態(tài)感知難題，開發(fā)以沖擊振動(dòng)與高光譜融合的煤矸精準(zhǔn)識(shí)別技術(shù)、放煤量激光三維掃描實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)和基于探地雷達(dá)的放頂煤厚度在線探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)放煤過程中放煤量和混矸率的智能感知。

(4)針對(duì)智能化綜放工作面放煤工藝的智能決策與控制指令的準(zhǔn)確實(shí)施等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研制高效放煤機(jī)構(gòu)及其精準(zhǔn)控制技術(shù)、綜放工作面后部刮板輸送機(jī)直線度和煤流負(fù)荷平衡協(xié)調(diào)控制技術(shù)、研制智能放煤控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)綜放工作面智能化放煤。

(5)根據(jù)不同采放參數(shù)與頂煤冒放性的關(guān)系，研究多要素驅(qū)動(dòng)的裝備配套方法，研制超大采高綜放開采新型液壓支架，開發(fā)強(qiáng)擾動(dòng)三級(jí)放煤機(jī)構(gòu)，完成大運(yùn)量、高煤流運(yùn)輸效率的設(shè)備選型配套，實(shí)現(xiàn)特厚煤層智能化綜放開采裝備群“采-支-放-運(yùn)”系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行。

致謝本文在完成過程中，得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“千萬噸級(jí)特厚煤層智能化綜放開采關(guān)鍵技術(shù)及示范”(2018YFC0604500)參加單位及相關(guān)人員的大力支持，在此一并表示感謝！