李首濱

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京市朝陽區(qū)，100013)

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)煤炭開采技術(shù)及裝備發(fā)展迅速，綜采工作面生產(chǎn)先后經(jīng)歷了機(jī)械化和自動(dòng)化這2個(gè)階段，目前正處于朝智能化開采轉(zhuǎn)型時(shí)期。技術(shù)與裝備的發(fā)展為開采效率與產(chǎn)量帶來了巨大提升，同時(shí)創(chuàng)造了良好的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益。但近年來，隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)綠色、清潔能源的呼聲日益提高，結(jié)合長(zhǎng)期以來對(duì)煤礦安全生產(chǎn)的迫切需求，研究安全智能、綠色高效的開采技術(shù)勢(shì)在必行，煤炭開采必須由勞動(dòng)密集型升級(jí)為技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，發(fā)展智能、無人、安全的煤炭開采道路。如何將智能化的技術(shù)與裝備應(yīng)用到煤炭開采中以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化、無人化與高效化，已經(jīng)成為擺在每位煤炭科技從業(yè)者面前的一項(xiàng)重要課題。

國(guó)際上對(duì)煤炭智能化開采技術(shù)的研究始于20世紀(jì)90年代，德國(guó)、美國(guó)、澳大利亞等都先后提出了自己的技術(shù)方案，其思路均是依賴工業(yè)自動(dòng)化基礎(chǔ)，結(jié)合遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤機(jī)、支架等裝備的控制。1990年，德國(guó)推出綜采電液控制自動(dòng)化系統(tǒng)，其特點(diǎn)是裝備程序化控制。2000年之后，隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織(CSIRO)開發(fā)了以設(shè)備定位技術(shù)為核心的LASC長(zhǎng)壁自動(dòng)化系統(tǒng)，美國(guó)JOY公司推出了以實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程監(jiān)控為目標(biāo)的虛擬采礦方案，而德國(guó)艾柯夫公司著力于智能化煤機(jī)的研發(fā)，聚焦于提供具有防碰撞、智能控制、截割模版等高級(jí)功能的智能煤機(jī)裝備以及相關(guān)行業(yè)方案。

我國(guó)對(duì)煤炭智能化開采技術(shù)及裝備的研究起步較晚，2007年才研制出首套國(guó)產(chǎn)電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品的替代，奠定了綜采自動(dòng)化系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的基礎(chǔ)。近10年來，我國(guó)加大了投入力度，在“863項(xiàng)目”、“973計(jì)劃”及智能制造專項(xiàng)支持下，我國(guó)的煤炭智能化開采技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了“液壓支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)記憶截割與可視化遠(yuǎn)程干預(yù)控制”相結(jié)合的智能化無人開采技術(shù)模式，攻克了液壓支架自適應(yīng)控制、工作面“三機(jī)”協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)化放煤等關(guān)鍵技術(shù)難題，建設(shè)了以陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司黃陵一號(hào)煤礦(以下簡(jiǎn)稱黃陵一礦)為代表的一系列智能化開采示范項(xiàng)目。截至目前，“綜采自動(dòng)化與可視化遠(yuǎn)程干預(yù)”的智能化無人開采模式在國(guó)內(nèi)已經(jīng)基本成型，正在全國(guó)范圍內(nèi)由簡(jiǎn)單地質(zhì)條件向復(fù)雜地質(zhì)條件下推廣應(yīng)用，而針對(duì)煤炭智能自適應(yīng)開采模式的真正無人化開采技術(shù)研究也在積極推進(jìn)中。

2 國(guó)外煤炭智能化無人開采技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

在煤炭智能化開采技術(shù)方面，澳大利亞、美國(guó)與德國(guó)處于國(guó)際領(lǐng)先地位，主流思路是通過地質(zhì)鉆探資料結(jié)合掘進(jìn)數(shù)據(jù)形成基礎(chǔ)地質(zhì)條件數(shù)據(jù)，以此規(guī)劃掘進(jìn)與工作面開采過程，實(shí)現(xiàn)煤炭智能化開采。

2.1 LASC技術(shù)

澳大利亞綜采長(zhǎng)壁工作面自動(dòng)控制委員會(huì)(Longwall Automation Steering Committee，簡(jiǎn)稱LASC)開展了煤礦綜采自動(dòng)化與智能化技術(shù)的研究，將高精度光纖陀螺儀與定制導(dǎo)航定位算法應(yīng)用于工作面裝備的定位與控制，取得了3項(xiàng)主要成果，即采煤機(jī)三維精確定位(誤差小于10 cm)、工作面校直(誤差小于50 cm)與工作面水平控制，創(chuàng)建了工作面自動(dòng)化系統(tǒng)原型，同時(shí)增加了采煤機(jī)自動(dòng)控制、煤流負(fù)載均衡、巷道集中監(jiān)控等功能，該研究在澳大利亞應(yīng)用狀況良好。LASC智能化開采技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用情況如圖1所示。

圖1 LASC智能化開采技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用情況

在LASC技術(shù)中，開采前通過鉆探與掘進(jìn)數(shù)據(jù)獲知工作面煤層的賦存狀態(tài)，采用陀螺儀獲知采煤機(jī)的三維空間坐標(biāo)，二者結(jié)合實(shí)現(xiàn)工作面的全自動(dòng)化割煤。LASC核心技術(shù)包括采煤機(jī)三維空間定位、工作面自動(dòng)找直、工作面水平控制、煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高、三維可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控等。北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院積極合作，成功為我國(guó)引進(jìn)了LASC技術(shù)，從而全面提高了我國(guó)智能化開采技術(shù)水平。

國(guó)外煤礦通過應(yīng)用LASC系統(tǒng)，礦井產(chǎn)量提高了5%～25%，有效降低了開采人員暴露在危險(xiǎn)工作環(huán)境的時(shí)長(zhǎng)，顯著提高了礦井安全水平。同時(shí)也穩(wěn)定了煤炭產(chǎn)量波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了均衡生產(chǎn)。

2.2 IMSC技術(shù)

美國(guó)JOY公司推出了一種名為煤炭智能開采服務(wù)中心的長(zhǎng)壁工作面遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控井下裝備的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)工作面的預(yù)警和故障信息，通過電話或郵件及時(shí)通知開采人員進(jìn)行處理。煤炭智能開采服務(wù)中心每日、周、月和季度向煤礦提交運(yùn)行分析報(bào)告，指導(dǎo)煤礦提高運(yùn)行管理水平，合理安排設(shè)備檢修。比如，澳大利亞布里斯班的Anglo礦業(yè)公司在其總部中設(shè)置調(diào)度室，能夠?qū)λ牭V井進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并通過數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)地分析設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，給予礦井生產(chǎn)指導(dǎo)，在提高產(chǎn)能的同時(shí)獲得取更多的經(jīng)濟(jì)效益。

3 國(guó)內(nèi)煤炭智能化無人開采技術(shù)進(jìn)展

“十二五”期間，我國(guó)加大了煤炭智能化開采技術(shù)的研發(fā)力度，取得了一系列突破性進(jìn)展，引領(lǐng)了煤炭智能化無人開采的方向。以智能控制軟件為核心，通過采煤機(jī)記憶截割、液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化與可視化遠(yuǎn)程干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了開采人員在地面或巷道監(jiān)控中心內(nèi)對(duì)綜采裝備的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，確保開采工藝中割煤、推溜、移架、運(yùn)輸、降塵等操作智能化運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了工作面連續(xù)、安全高效開采，為煤炭智能化無人開采技術(shù)指明了當(dāng)下一條確實(shí)可行之路。

3.1 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)

通過在采煤機(jī)牽引部安裝位置傳感器，在控制器中利用位移信息計(jì)算采煤機(jī)位置，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)精確定位。研發(fā)出了符合煤礦實(shí)際生產(chǎn)工序的采煤機(jī)記憶截割程序，有效解決了回刀掃煤不徹底、三角煤截割與端頭支架自動(dòng)跟機(jī)拉架、推溜等問題，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)在工作面內(nèi)自動(dòng)記憶截割。

3.2 液壓支架跟機(jī)自動(dòng)化技術(shù)

在采煤機(jī)上安裝紅外線發(fā)射器發(fā)射數(shù)字信號(hào)，每臺(tái)支架上均安裝一個(gè)紅外線接收器，用以接收來自煤機(jī)紅外線發(fā)射器的數(shù)字信息，以此來檢測(cè)煤機(jī)位置與方向信息，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同環(huán)境條件對(duì)應(yīng)的采煤工藝，開發(fā)液壓支架自動(dòng)跟機(jī)軟件。控制系統(tǒng)識(shí)別采煤機(jī)位置與方向信息，實(shí)現(xiàn)工作面液壓支架跟隨采煤機(jī)作業(yè)的自動(dòng)化控制功能，包括跟機(jī)自動(dòng)移架、自動(dòng)推溜、跟機(jī)噴霧自動(dòng)化功能，從而完成液壓支架動(dòng)作與采煤機(jī)運(yùn)行位置動(dòng)態(tài)匹配，實(shí)現(xiàn)工作面液壓支架與刮板輸送機(jī)跟隨采煤機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行。通過分析端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)的動(dòng)作邏輯與時(shí)間差異，優(yōu)化控制程序，實(shí)現(xiàn)了端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)連鎖自移程序化控制。

3.3 煤流負(fù)荷反饋采煤控制技術(shù)

我國(guó)自主研發(fā)了“高壓變頻器、高壓電機(jī)、摩擦限矩陣與行星減速器”相結(jié)合驅(qū)動(dòng)的刮板輸送機(jī)，配套開發(fā)了專用智能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了跟隨煤流負(fù)荷大小自動(dòng)調(diào)節(jié)刮板輸送機(jī)速度，具備了智能啟動(dòng)、煤量檢測(cè)與智能調(diào)速、鏈條自動(dòng)張緊控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控與功率協(xié)調(diào)等功能?？筛鶕?jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的刮板輸送機(jī)煤流負(fù)載，利用變頻器控制技術(shù)自動(dòng)協(xié)調(diào)工作面采、裝、運(yùn)的運(yùn)行。

3.4 遠(yuǎn)程控制技術(shù)

我國(guó)成功發(fā)明了地面遠(yuǎn)程干預(yù)型綜采控制系統(tǒng)，包括綜采裝備控制系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)視系統(tǒng)、井上井下數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)與地面監(jiān)控系統(tǒng)。地面監(jiān)控系統(tǒng)包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、地面語音系統(tǒng)；綜采裝備控制系統(tǒng)安裝于井下綜采工作面；綜采裝備信息及監(jiān)視視頻圖像信息通過井下數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)經(jīng)由井上井下環(huán)網(wǎng)傳輸?shù)降孛姹O(jiān)控系統(tǒng)中，地面監(jiān)控系統(tǒng)據(jù)此對(duì)井下綜采裝備進(jìn)行控制，包括啟?？刂?、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)化開采、遠(yuǎn)程干預(yù)、故障診斷及報(bào)警、歷史數(shù)據(jù)分析等。該系統(tǒng)有效地將井下監(jiān)控中心功能轉(zhuǎn)移至地面，極大地提高了開采人員的安全性。地面遠(yuǎn)程干預(yù)型綜采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 兩種煤炭智能化無人開采技術(shù)模式

通過國(guó)外和國(guó)內(nèi)煤炭智能化開采技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r可以看出，國(guó)外和國(guó)內(nèi)都在理論與實(shí)踐領(lǐng)域進(jìn)行了大量的探索與嘗試，其目標(biāo)均是將開采工人從危險(xiǎn)的工作面甚至是井下環(huán)境解放出來，并且保證開采過程的安全與高效。根據(jù)所采用技術(shù)策略與路線的差異，煤炭智能化無人開采可被總結(jié)歸納為兩種模式：一種是工作面綜采自動(dòng)化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)的技術(shù)模式；另一種是智能自適應(yīng)開采的技術(shù)模式。煤炭智能化無人開采的兩種技術(shù)路線如圖3所示。

4.1 工作面綜采自動(dòng)化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)技術(shù)模式

工作面綜采自動(dòng)化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)的技術(shù)模式依賴于成套裝備及自動(dòng)化技術(shù)。通過傳感設(shè)備采集工作面數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上采取半自動(dòng)化結(jié)合人工干預(yù)的策略，在有限自動(dòng)化開采條件基礎(chǔ)上，通過工作面場(chǎng)景可視化技術(shù)，將工作面環(huán)境與裝備的實(shí)際狀態(tài)迅速、直觀地展現(xiàn)給位于安全位置的遠(yuǎn)程開采人員，開采人員根據(jù)觀察得到的信息進(jìn)行決策并對(duì)開采過程進(jìn)行干預(yù)。我國(guó)目前的絕大多數(shù)智能化開采工作面均采用這種技術(shù)模式。

圖2 地面遠(yuǎn)程干預(yù)型綜采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖3 煤炭智能化無人開采的兩種技術(shù)路線

通過廣泛采用工作面綜采自動(dòng)化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)的技術(shù)模式，我國(guó)的煤炭智能化開采技術(shù)水平在控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制方式、響應(yīng)時(shí)間、智能功能、工作面人數(shù)與生產(chǎn)效率等主要指標(biāo)方面都處于國(guó)際領(lǐng)先地位，率先實(shí)現(xiàn)采煤過程中工作面內(nèi)無人操作，引領(lǐng)了煤炭智能化開采技術(shù)的變革。這種技術(shù)模式打破了傳統(tǒng)以單機(jī)裝備為主、總體協(xié)調(diào)的技術(shù)思路，構(gòu)建了以成套裝備總控網(wǎng)絡(luò)信息綜合決策為主、單機(jī)裝備執(zhí)行的體系架構(gòu)。通過將采煤機(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)、供電供液系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合起來，構(gòu)成了一個(gè)統(tǒng)一的采煤裝備及控制系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)控制決策模型分析結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采成套裝備的協(xié)調(diào)管理與集中控制。

4.2 智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式

近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新型技術(shù)的興起，將新型技術(shù)應(yīng)用到煤炭智能化開采中以提升智能與自動(dòng)化程度成為了一股不可阻擋的趨勢(shì)。隨著傳感技術(shù)與計(jì)算科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，一種更加高級(jí)的煤炭智能化無人開采理念應(yīng)運(yùn)而生——智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式。智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式依賴于綜采成套裝備及自動(dòng)化技術(shù)，通過感知技術(shù)形成對(duì)環(huán)境、裝備狀態(tài)的認(rèn)知，通過系統(tǒng)集成控制技術(shù)達(dá)成對(duì)執(zhí)行裝備的操控。在此基礎(chǔ)上，采取“感知-分析-決策-控制”全自動(dòng)化開采策略，采用機(jī)器視覺、多源信息融合與三維物理仿真等技術(shù)對(duì)所采集數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，使系統(tǒng)能夠自主認(rèn)知并理解工作面環(huán)境與裝備的實(shí)際狀態(tài)，在此基礎(chǔ)之上通過采煤機(jī)滾筒自適應(yīng)調(diào)高、直線度控制與“上竄下滑”控制等智能決策控制技術(shù)進(jìn)行開采決策與執(zhí)行控制，從而實(shí)現(xiàn)真正的煤炭全自動(dòng)化開采。

遠(yuǎn)程可視化干預(yù)技術(shù)模式是感知與計(jì)算能力受限條件下的產(chǎn)物，可以被視為是向智能自適應(yīng)開采模式發(fā)展過程中的過渡階段，正是由于傳感、分析與決策計(jì)算技術(shù)手段的限制，導(dǎo)致無法采集到自主開采分析與決策計(jì)算所需的數(shù)據(jù)，或是因缺乏有力的計(jì)算方法導(dǎo)致無法基于所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地分析和決策，從而無法形成自主的“感知-分析-決策-控制”閉環(huán)，因而需要人工干預(yù)開采的決策與操作。而隨著物聯(lián)網(wǎng)與人工智能技術(shù)的發(fā)展，煤炭智能化無人開采技術(shù)必定會(huì)朝著“傳感器替換眼睛”、“電腦替代人腦”的智能自適應(yīng)開采方向進(jìn)步；兩種技術(shù)模式最大的區(qū)別就是智能自適應(yīng)開采模式采用更多的傳感、智能分析與決策手段，從而替代了操作人員的“眼”與“腦”。

5 我國(guó)煤炭智能化無人開采實(shí)踐

自2000年以來，我國(guó)就開始了煤炭智能化開采的實(shí)踐工作，“十二五”期間，隨著我國(guó)在煤炭智能化開采技術(shù)方面加大對(duì)研發(fā)投入力度，取得了突破性進(jìn)展，在國(guó)際上引領(lǐng)了煤炭工業(yè)智能化開采的方向。煤炭智能化開采先后在神東煤炭集團(tuán)、寧夏煤業(yè)集團(tuán)、中煤集團(tuán)、陜西煤業(yè)化工集團(tuán)、同煤集團(tuán)、陽泉煤業(yè)集團(tuán)、中國(guó)平煤神馬集團(tuán)、晉煤集團(tuán)、冀中能源集團(tuán)等40多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)與生產(chǎn)。下面就一些具有代表性的智能化工作面進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

(1)2014年，黃陵一礦1001工作面率先應(yīng)用綜采智能控制系統(tǒng)(SAM)實(shí)現(xiàn)了智能化開采。該工作面煤層厚度為1.1～2.75 m、平均采高為2.22 m、工作面長(zhǎng)度為235 m、走向長(zhǎng)度為2280 m?？刂葡到y(tǒng)配套使用液壓支架電液控制系統(tǒng)(SAC型)和采煤機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了“無人操作、一人巡視”可視化遠(yuǎn)程干預(yù)型智能化開采，達(dá)到了“工作面運(yùn)輸巷監(jiān)控中心2人可視化遠(yuǎn)程干預(yù)控制，工作面內(nèi)1人巡視”常態(tài)化運(yùn)行的效果，月產(chǎn)量達(dá)17.03萬t，年生產(chǎn)能力達(dá)200萬t以上，生產(chǎn)效率提高了25%，生產(chǎn)作業(yè)人員由11人遞減至3人，年節(jié)約人工成本700多萬元，安全生產(chǎn)水平獲得較大提升。黃陵一礦井下工作面運(yùn)輸巷監(jiān)控中心工作現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示。

圖4 黃陵一礦井下工作面運(yùn)輸巷監(jiān)控中心

(2)2016年，在山東能源棗礦集團(tuán)濱湖煤礦16108工作面，通過采用SAC型支架電液控制系統(tǒng)、TDECS采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)與工作面視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了薄煤層條件下綜采自動(dòng)化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)的智能開采。該工作面煤層厚度為1.25～1.50 m、采高為1.35 m、傾斜長(zhǎng)度為139 m、走向長(zhǎng)度為953 m。通過將液壓支架電液控制系統(tǒng)、采煤機(jī)記憶截割系統(tǒng)、工作面視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)和影像上傳到位于運(yùn)輸巷的監(jiān)控中心，使操作人員能夠在監(jiān)控中心內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面支架自動(dòng)跟機(jī)運(yùn)行、采煤機(jī)智能化記憶截割的“一鍵啟、?！币约皩?duì)支架和采煤機(jī)所有動(dòng)作的遠(yuǎn)程控制，月均生產(chǎn)原煤達(dá)10.5萬t，相較于非智能化工作面多出產(chǎn)原煤4.5萬t，工作面生產(chǎn)人員由原來的2名采煤司機(jī)跟機(jī)操作、6名支架工分段跟機(jī)拉架變成1人遠(yuǎn)程操控、2人工作面巡視，年節(jié)約人工成本達(dá)115.2萬元，安全生產(chǎn)水平顯著提高。

(3)2016年，在兗礦集團(tuán)轉(zhuǎn)龍灣煤礦23303工作面，首次采用LASC技術(shù)研發(fā)了設(shè)備運(yùn)行軌跡檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了液壓支架與刮板輸送機(jī)自動(dòng)校直，可在復(fù)雜條件下實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化生產(chǎn)模式常態(tài)化運(yùn)行。首次研制出具有慣導(dǎo)特性的智能化采煤機(jī)，行走位置控制精度為3 cm，滾筒截割高度穩(wěn)態(tài)重復(fù)精度為4 cm，實(shí)現(xiàn)了全工作面循環(huán)的自動(dòng)化，并且工作面支架、端頭支架、超前支架自動(dòng)協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)可遙控超前支架。應(yīng)用了大功率、高可靠、智能化高效工作面成套裝備，首次在3～4 m煤層條件下達(dá)到年產(chǎn)千萬噸級(jí)的水平。

(4)2017年，在寧夏煤業(yè)集團(tuán)紅柳煤礦(以下簡(jiǎn)稱紅柳煤礦)I 010305工作面，通過國(guó)產(chǎn)電液控制系統(tǒng)結(jié)合LASC系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面直線度控制，達(dá)到了紅柳煤礦智能化連續(xù)開采。該工作面煤層最大厚度為3.8 m、最小厚度為2.7 m、平均厚度為3.38 m、最大采高為3.8 m、最小采高為2.7 m、傾斜長(zhǎng)度為220 m、走向長(zhǎng)度為1910 m。采煤機(jī)通過SPMS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)2～3 cm精度的三維空間定位，參考鉆孔地質(zhì)勘測(cè)與掘進(jìn)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割滾筒高度的自動(dòng)或遠(yuǎn)程人工調(diào)整。利用LASC系統(tǒng)進(jìn)行工作面直線度檢測(cè)，檢測(cè)精度達(dá)到10 cm。通過國(guó)產(chǎn)電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了工作面直線度控制，工作面直線度平均偏差小于424 mm。工作面直線度控制與視頻監(jiān)控、集中控制等技術(shù)相結(jié)合，形成了跟機(jī)自動(dòng)化采煤的常態(tài)化應(yīng)用，提升了工作面自動(dòng)化開采水平。煤機(jī)截割牽引平均速度達(dá)到約為10 m/min，最快速度將近12 m/min，工作面支架工人數(shù)量由5人跟機(jī)作業(yè)減少為1人巡檢作業(yè)，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低，工作面安全系數(shù)顯著提高。

除了紅柳煤礦外，在寧夏煤業(yè)集團(tuán)的金鳳煤礦、麥垛山煤礦、雙馬煤礦等多地都在推廣應(yīng)用國(guó)產(chǎn)電液控結(jié)合LASC系統(tǒng)的智能化開采方式。

6 煤炭智能化無人開采技術(shù)展望

6.1 智能自適應(yīng)無人開采控制模型

目前，盡管進(jìn)行了大量的理論與實(shí)踐的探索，受限于當(dāng)前技術(shù)條件水平，煤炭智能化無人開采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)仍然以工作面綜采自動(dòng)化結(jié)合遠(yuǎn)程可視化干預(yù)這種技術(shù)模式為主，對(duì)智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式的探索尚停留在理論層面，鮮有實(shí)際可應(yīng)用的成果問世。根據(jù)多年來對(duì)煤炭智能化無人開采技術(shù)的持續(xù)關(guān)注，結(jié)合近年來國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)研究與發(fā)展動(dòng)向，筆者提出了一種智能自適應(yīng)開采技術(shù)模式下的控制模型如圖5所示。

圖5 智能自適應(yīng)無人開采控制模型

由圖5可知，這種控制模型仍然以綜采成套裝備為執(zhí)行系統(tǒng)，通過大量工況傳感器感知綜采裝備的工作狀態(tài)，以激光掃描、可見光/熱紅外視頻、瓦斯傳感器、隨采物探等多種傳感手段，輔以鉆孔、地質(zhì)勘探以及掘進(jìn)數(shù)據(jù)形成對(duì)工作面所處地質(zhì)環(huán)境狀態(tài)的感知；將大量的傳感數(shù)據(jù)匯集存儲(chǔ)到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中，通過多源信息融合與三維物理仿真的手段在計(jì)算機(jī)空間內(nèi)為工作面建立三維物理模型，使機(jī)器認(rèn)知并理解工作面環(huán)境與裝備的實(shí)際狀態(tài)；在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用機(jī)器視覺、三維物理計(jì)算等智能化方法有針對(duì)性地對(duì)煤巖識(shí)別、工作面找直、“上竄下滑”測(cè)量等關(guān)鍵問題進(jìn)行智能化分析；在分析結(jié)果之上，通過人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)的方法自主決策制定采煤機(jī)截割模版與液壓支架全程自適應(yīng)跟機(jī)計(jì)劃；最后，通過系統(tǒng)集成控制技術(shù)，將控制指令下發(fā)給各綜采裝備控制系統(tǒng)，監(jiān)控生產(chǎn)開采過程，形成“感知-分析-決策-控制”閉環(huán)。

6.2 智能自適應(yīng)開采的關(guān)鍵技術(shù)

在智能自適應(yīng)開采模式下，將引入大量新型的傳感與計(jì)算手段，以彌補(bǔ)現(xiàn)有感知與分析計(jì)算能力的不足。

(1)三維激光掃描技術(shù)。該技術(shù)作為近年來在地面勘測(cè)與無人駕駛等領(lǐng)域興起的非接觸式測(cè)量技術(shù)，具有傳統(tǒng)測(cè)量手段無法比擬的高效率與高精度，可以被作為井下環(huán)境與裝備的三維輪廓感知與定位的重要手段。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織已就這項(xiàng)技術(shù)推出其第一代井下三維激光掃描設(shè)備——ExScan，該設(shè)備可用于井下環(huán)境三維激光掃描獲取點(diǎn)云圖像，北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司已經(jīng)與澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)組織就ExScan在井下的應(yīng)用研究展開合作，該項(xiàng)技術(shù)將在井下環(huán)境建模與定位測(cè)量領(lǐng)域扮演至關(guān)重要的角色。ExScan實(shí)物圖如圖6所示，ExScan井下巷道環(huán)境三維激光掃描點(diǎn)云圖像如圖7所示。

圖6 ExScan實(shí)物圖

(2)慣性導(dǎo)航結(jié)合無線定位的復(fù)合導(dǎo)航定位技術(shù)。該技術(shù)將成為井下無GPS輔助定位環(huán)境下綜采裝備定姿定位的主要技術(shù)途徑。慣性導(dǎo)航作為主流的定位技術(shù)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用到航空航天、駕駛等眾多領(lǐng)域，但是由于其誤差會(huì)隨時(shí)間累積的特性，需要其他技術(shù)手段輔助校正。由于井下環(huán)境GPS信號(hào)不可達(dá)，而無線定位技術(shù)因其存在便于部署與擴(kuò)展、定位精度高、成本低等特性進(jìn)入人們的視野當(dāng)中。毫無疑問，基于慣性導(dǎo)航與無線定位技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合導(dǎo)航定位技術(shù)必將成為井下裝備定位的主流方案。但在此前，信號(hào)干擾、基站移動(dòng)重定位等核心問題仍待解決。

圖7 ExScan井下巷道環(huán)境三維激光掃描點(diǎn)云圖像

(3)UWB地質(zhì)雷達(dá)等隨采物探裝備技術(shù)。該技術(shù)將廣泛用于開采階段的工作面地質(zhì)環(huán)境感知，以作為指導(dǎo)煤機(jī)滾筒截割的重要支撐數(shù)據(jù)來源。鉆探數(shù)據(jù)的指導(dǎo)意義與鉆孔數(shù)量成正比，但過密的鉆孔又不具有經(jīng)濟(jì)性；而采掘數(shù)據(jù)只能揭露工作面正幫一側(cè)的地質(zhì)情況，這就造成了生產(chǎn)開采具有一定的盲目性，亟需一種能夠精確感知工作面近程地質(zhì)構(gòu)造的技術(shù)手段，為開采生產(chǎn)提供可靠的依據(jù)，而UWB地質(zhì)雷達(dá)因其結(jié)構(gòu)小巧靈活的井下環(huán)境適應(yīng)性，成為了隨采地質(zhì)收集裝備的首選。目前北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司正在研制相關(guān)產(chǎn)品并展開井下工業(yè)性試驗(yàn)，有望在隨采物探領(lǐng)域取得突破。

(4)機(jī)器人技術(shù)。該技術(shù)將廣泛應(yīng)用于井下工作面巡檢與數(shù)據(jù)采集，以形成重要的感知平臺(tái)。目前北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司正在研制井下工作面軌道式巡檢機(jī)器人并展開工業(yè)性實(shí)驗(yàn)，該機(jī)器人運(yùn)行在刮板輸送機(jī)軌道上，能夠搭載LASC、ExScan、高清/紅外攝像頭、拾音器等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)工作面快速巡檢采集數(shù)據(jù)與開采作業(yè)跟機(jī)兩種模式。該款機(jī)器人有望成為薄煤層下智能化無人開采技術(shù)的重要核心裝備。

(5)其它技術(shù)。三維物理仿真計(jì)算方法能夠廣泛用于工作面地質(zhì)環(huán)境建模、截割模板與液壓支架跟機(jī)計(jì)劃的計(jì)算；大量基于人工智能的計(jì)算技術(shù)也將應(yīng)用于智能自適應(yīng)開采模式中，如煤巖識(shí)別的重要手段之一就是通過機(jī)器視覺分析工作面煤壁高清圖像以獲取煤巖分割線的信息；基于滾筒截割過程中熱紅外圖像的機(jī)器視覺分析，能夠?yàn)殚_采過程中滾筒的自適應(yīng)在線控制提供重要決策依據(jù)；而機(jī)器學(xué)習(xí)則能夠被廣泛應(yīng)用于各種開采操作與故障、事故分析決策場(chǎng)景中。

7 結(jié)語

煤炭智能化無人開采是煤炭工業(yè)的重大技術(shù)變革，是行業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)內(nèi)容與方向，無論是國(guó)家還是行業(yè)都給予了高度重視和大力支持，進(jìn)行了大量的理論與實(shí)際的探索與實(shí)踐。但在煤炭智能化無人開采技術(shù)的實(shí)現(xiàn)道路上，仍然存在許多尚未解決的問題：目前的煤炭智能化無人開采仍然處于綜采自動(dòng)化結(jié)合可視化遠(yuǎn)程干預(yù)的半自動(dòng)階段；存在科技成果轉(zhuǎn)化率低、重概念宣傳輕實(shí)際應(yīng)用以及面對(duì)各種復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性差的現(xiàn)象。目前距離真正實(shí)現(xiàn)智能化、無人化、常態(tài)化應(yīng)用尚且遙遠(yuǎn)，仍須在管理觀念、投入力度、研發(fā)團(tuán)隊(duì)建設(shè)等多方面下大工夫。但筆者相信，隨著先進(jìn)制造、傳感、計(jì)算科學(xué)技術(shù)等相關(guān)基礎(chǔ)行業(yè)的發(fā)展，隨著技術(shù)條件水平的不斷提高，煤炭智能化無人開采這條使煤礦開采減員提效、綠色安全的必由之路必將實(shí)現(xiàn)。