摘要：分析了厚及特厚煤層智能化綜放工作面圍巖控制技術(shù)與智能化放頂煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，從巷道圍巖高效支護(hù)、工作面超前支護(hù)、堅(jiān)硬特厚頂煤冒放性、液壓支架位姿監(jiān)測(cè)及智能化放頂煤5 個(gè)方面提出了工程實(shí)際需求。針對(duì)綜放工作面實(shí)現(xiàn)安全、高效、智能化開(kāi)采存在的技術(shù)難題與工程需求，對(duì)綜放工作面圍巖控制技術(shù)、智能化放煤技術(shù)進(jìn)行了研究：構(gòu)建了堅(jiān)硬特厚煤層頂煤懸臂梁力學(xué)模型，研發(fā)了提高頂煤冒放性及放出率關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了堅(jiān)硬特厚煤層超大采高綜放開(kāi)采；研發(fā)了單元式超前液壓支架頂梁可旋轉(zhuǎn)自復(fù)位裝置，實(shí)現(xiàn)了液壓支架頂梁根據(jù)巷道頂板傾斜角度自動(dòng)旋轉(zhuǎn)支護(hù)，有效提高了單元式超前液壓支架對(duì)巷道頂?shù)装宓倪m應(yīng)性；提出了采用巷道支護(hù)液壓支架替代傳統(tǒng)錨網(wǎng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的思路，具有支護(hù)效率高、成本低、節(jié)省工作面超前支護(hù)等優(yōu)點(diǎn)；開(kāi)發(fā)了基于立柱與尾梁千斤頂行程的綜放液壓支架支護(hù)姿態(tài)監(jiān)測(cè)裝置與算法，提高了液壓支架支護(hù)姿態(tài)解算效率與精度；提出了基于透明地質(zhì)模型、煤量監(jiān)測(cè)裝置與煤矸識(shí)別裝置融合的智能放煤控制方法，可有效解決多夾矸層特厚頂煤智能化放煤技術(shù)難題。提出智能地質(zhì)保障技術(shù)、機(jī)器視覺(jué)精準(zhǔn)測(cè)量與智能感知技術(shù)、綜放工作面設(shè)備智能精準(zhǔn)自適應(yīng)控制技術(shù)、綜放工作面數(shù)字孿生技術(shù)等是智能化綜放開(kāi)采技術(shù)與裝備的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：特厚煤層；綜放開(kāi)采；綜放工作面；圍巖控制；智能化放煤

中圖分類號(hào)：TD823.49 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，煤炭一直是保障我國(guó)能源安全穩(wěn)定供給的壓艙石與穩(wěn)定器。2023 年我國(guó)原煤產(chǎn)量達(dá)47.1 億t，進(jìn)口煤炭4.74 億t，分別同比增長(zhǎng)3.4% 與61.8%[1-2]。厚及特厚煤層的產(chǎn)量占比超過(guò)50%，因此，實(shí)現(xiàn)厚及特厚煤層智能、安全、高效開(kāi)采是保障我國(guó)煤炭穩(wěn)定供給的關(guān)鍵。

綜采放頂煤開(kāi)采方法是實(shí)現(xiàn)厚及特厚煤層安全高效開(kāi)采的有效技術(shù)途徑之一。我國(guó)自1982 年首次引進(jìn)綜放開(kāi)采技術(shù)裝備以來(lái)，在綜放工作面圍巖穩(wěn)定控制、提高頂煤冒放性、煤壁片幫防控、放煤工藝參數(shù)優(yōu)化等方面取得了顯著成效[3-5]，實(shí)現(xiàn)了綜放開(kāi)采技術(shù)裝備由引進(jìn)到自主研發(fā)再到出口的階段性跨越。單個(gè)綜放工作面年生產(chǎn)能力超過(guò)1 500 萬(wàn)t，但綜放工作面仍然存在用人較多、工人勞動(dòng)強(qiáng)度較大、自動(dòng)化和智能化水平較低等問(wèn)題，尤其是放煤工藝流程難以實(shí)現(xiàn)智能化，人工放煤不僅效率低、作業(yè)環(huán)境差，還極易發(fā)生欠放或過(guò)放等情況，導(dǎo)致煤炭資源回收率低且煤質(zhì)難以保障[6-7]。綜放工作面放煤工藝流程智能化已經(jīng)成為現(xiàn)階段制約厚及特厚煤層實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采的技術(shù)瓶頸。

針對(duì)綜放工作面智能化放煤技術(shù)難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了深入研究，部分學(xué)者采用視頻、音頻、射線、超聲波等傳感技術(shù)[8-12]對(duì)綜放工作面后部刮板輸送機(jī)上的煤矸進(jìn)行識(shí)別，從而控制放煤口的關(guān)閉，在工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得了一定效果，但受制于井下綜放工作面煤層厚度變化大、夾矸層多、高粉塵、低照度等復(fù)雜惡劣環(huán)境，智能化放煤仍難以實(shí)現(xiàn)常態(tài)化應(yīng)用。本文從圍巖控制、智能割煤、智能放煤等方面分析了智能化綜放開(kāi)采技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，提出了智能化綜放開(kāi)采技術(shù)裝備的發(fā)展趨勢(shì)。

1 智能化綜放開(kāi)采技術(shù)難題與工程需求

我國(guó)綜采放頂煤開(kāi)采技術(shù)于1982 年從國(guó)外引進(jìn)，并針對(duì)國(guó)內(nèi)煤層賦存條件進(jìn)行了改進(jìn)，1984 年在沈陽(yáng)焦煤股份有限公司蒲河煤礦特厚煤層進(jìn)行實(shí)驗(yàn)[13]，但工程實(shí)踐效果不佳。在充分吸收蒲河煤礦綜放開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，于1984 年在甘肅蘭州窯街礦務(wù)局急傾斜特厚煤層首次成功實(shí)施了水平分段放頂煤開(kāi)采，取得了較好的應(yīng)用效果。此后逐漸將特ium38wcDgtLD9I7dDS/TCQ==厚煤層綜放開(kāi)采技術(shù)在國(guó)內(nèi)進(jìn)行了大范圍推廣應(yīng)用[14]。

經(jīng)過(guò)四十余年的開(kāi)采實(shí)踐，綜放工作面一次開(kāi)采煤層厚度越來(lái)越大，如在鄂爾多斯市國(guó)源礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司龍王溝煤礦實(shí)現(xiàn)了近30 m 特厚煤層大采高綜放開(kāi)采；綜放工作面的機(jī)采高度越來(lái)越大，如在兗礦能源金雞灘煤礦實(shí)現(xiàn)了綜放工作面最大機(jī)采高度6.5 m，液壓支架最大支撐高度達(dá)7.0 m，單個(gè)工作面的年生產(chǎn)能力超過(guò)1 500 萬(wàn)t；綜放液壓支架的架型結(jié)構(gòu)逐漸由四柱支撐掩護(hù)式向兩柱掩護(hù)式發(fā)展，后部刮板輸送機(jī)逐漸由端卸向交叉?zhèn)刃哆^(guò)渡，控制方式逐漸由手動(dòng)控制向電液控制邁進(jìn)。綜放工作面智能化放煤的探索實(shí)踐取得了一定應(yīng)用效果，但仍然存在諸多不足，主要表現(xiàn)在以下方面。

1） 綜放工作面普遍存在巷道掘進(jìn)效率低、圍巖控制效果差等問(wèn)題，受頂煤厚度大、穩(wěn)定性差等因素影響，需要布設(shè)較多錨桿、錨索，傳統(tǒng)錨桿、錨索施工工藝復(fù)雜，施工效率低，且極易發(fā)生冒頂?shù)劝踩鹿?，工程現(xiàn)場(chǎng)亟需開(kāi)展巷道圍巖安全高效控制技術(shù)裝備研發(fā)，提高巷道圍巖控制與支護(hù)效率。

2） 綜放工作面回采過(guò)程中需要進(jìn)行超前支護(hù)，傳統(tǒng)單體液壓支柱支護(hù)方式存在支護(hù)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、有效支護(hù)力低、支護(hù)效果差等問(wèn)題，傳統(tǒng)“兩片式”結(jié)構(gòu)的超前液壓支架則存在整體頂梁面積大的問(wèn)題，難以避開(kāi)錨桿、錨索等主動(dòng)支護(hù)結(jié)構(gòu)，在移架過(guò)程中易對(duì)頂板錨桿、錨索及圍巖結(jié)構(gòu)造成破壞，極易導(dǎo)致圍巖發(fā)生損傷破壞失穩(wěn)，工程現(xiàn)場(chǎng)亟需開(kāi)發(fā)對(duì)頂板無(wú)反復(fù)支撐破壞的高效支護(hù)裝置。

3） 西部礦區(qū)淺埋深、堅(jiān)硬、特厚煤層的頂煤冒放性差，傳統(tǒng)綜放開(kāi)采技術(shù)與裝備適應(yīng)性差，導(dǎo)致煤炭資源回采率低，頂煤冒放結(jié)構(gòu)與煤壁片幫機(jī)理不清晰，導(dǎo)致綜放開(kāi)采效果不理想。工程現(xiàn)場(chǎng)亟需揭示淺埋深、堅(jiān)硬、特厚煤層頂煤冒放機(jī)理，優(yōu)化綜放工作面開(kāi)采工藝參數(shù)，提高頂煤冒放性及放出效率。

4） 綜放工作面前部基本實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)記憶截割、刮板輸送機(jī)智能變頻調(diào)速運(yùn)輸，但液壓支架的支護(hù)姿態(tài)監(jiān)測(cè)困難，難以對(duì)液壓支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行智能調(diào)控。工程現(xiàn)場(chǎng)亟需研發(fā)綜放液壓支架支護(hù)姿態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)液壓支架的支護(hù)姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為實(shí)現(xiàn)液壓支架自適應(yīng)控制提供決策支撐。

5） 由于受工作面煤層厚度變化、高粉塵、低照度等因素影響，綜放工作面實(shí)現(xiàn)常態(tài)化智能放煤難度較大，傳統(tǒng)綜放工作面放煤過(guò)程主要依靠工人經(jīng)驗(yàn)，即工人采用聽(tīng)聲音或固定時(shí)間間隔等方式進(jìn)行放煤，放煤效率低，極易發(fā)生過(guò)放或欠放。工程現(xiàn)場(chǎng)亟需研發(fā)綜放工作面智能放煤技術(shù)裝備，實(shí)現(xiàn)頂煤垮落放出的智能控制。

針對(duì)綜放工作面實(shí)現(xiàn)安全、高效、智能化開(kāi)采存在的技術(shù)難題與工程需求，筆者及研發(fā)團(tuán)隊(duì)對(duì)綜放工作面圍巖控制技術(shù)、智能化放煤技術(shù)進(jìn)行了研究，為綜放工作面實(shí)現(xiàn)安全、高效、智能化開(kāi)采提供技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)借鑒。

2 綜放工作面圍巖控制技術(shù)

采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定控制是實(shí)現(xiàn)綜放工作面安全高效開(kāi)采的基礎(chǔ)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)綜放工作面覆巖斷裂結(jié)構(gòu)及頂煤放出體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，提出了組合懸臂梁?鉸接巖梁結(jié)構(gòu)[15]、“臺(tái)階巖梁”結(jié)構(gòu)[16]、“切落體”結(jié)構(gòu)[17]等，并基于頂煤冒放結(jié)構(gòu)研究了煤巖分界線移動(dòng)規(guī)律、放煤步距、放煤方式等[18-21]，對(duì)提高放頂煤開(kāi)采效率、資源回采率、安全開(kāi)采水平等具有重要意義，但對(duì)西部淺埋深、堅(jiān)硬、特厚煤層頂煤冒放結(jié)構(gòu)及提高資源回采率技術(shù)研究較少，相關(guān)技術(shù)亟待突破。

2.1 堅(jiān)硬煤層頂煤冒放結(jié)構(gòu)與冒放性

我國(guó)西部神府礦區(qū)賦存有大量埋深較淺、煤質(zhì)堅(jiān)硬、厚度較大的煤層，采用傳統(tǒng)綜放開(kāi)采技術(shù)存在頂煤冒放性差、放出塊度大、放煤效率低、回采率低等問(wèn)題，如圖1 所示。

分析淺埋深、堅(jiān)硬、特厚煤層賦存情況及頂煤冒放結(jié)構(gòu)可知，由于煤層埋深較淺、頂煤硬度較大，傳統(tǒng)綜放開(kāi)采技術(shù)在工作面前方形成的支承壓力難以對(duì)頂煤造成破壞，液壓支架上方頂煤仍然保持較好的完整狀態(tài)，形成了懸臂梁結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。

分析堅(jiān)硬特厚煤層頂煤冒放結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)，頂煤厚度越大、懸臂越短、頂板壓力越小，則頂煤形成的懸臂梁結(jié)構(gòu)越難發(fā)生斷裂。因此，應(yīng)采取措施減小頂煤厚度、增加懸臂梁長(zhǎng)度、提高工作面前方的礦山壓力。增加綜放工作面采煤機(jī)的截割高度，不僅可減小支架上方頂煤厚度，增大超大采高綜放支架的掩護(hù)梁長(zhǎng)度，還可增大支架后方的懸臂梁長(zhǎng)度；另外，機(jī)采高度增加還會(huì)導(dǎo)致綜放工作面礦山壓力顯現(xiàn)更加劇烈，有利于提高支架上方頂煤壓力，從而提高頂煤的冒放性。因此，針對(duì)淺埋深、堅(jiān)硬、特厚煤層提出了超大采高綜放開(kāi)采技術(shù)。

頂煤的垮落放出不僅受礦山壓力的影響，還受液壓支架對(duì)頂煤反復(fù)支撐破壞的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，液壓支架對(duì)頂煤的主動(dòng)支護(hù)作用力（初撐力）可對(duì)頂煤產(chǎn)生一定破壞，且破壞深度與塊度受初撐力大小與支撐次數(shù)的影響[22]，如圖3所示。但液壓支架對(duì)頂煤反復(fù)支撐造成頂煤破壞的深度一般不超過(guò)2 m，且支撐次數(shù)應(yīng)大于4 次。

基于上述理論研究成果，針對(duì)金雞灘礦2?2 上堅(jiān)硬特厚煤層研發(fā)了ZFY21000/35.5/70D 型超大采高綜放液壓支架及配套裝備[23]，采用超大采高綜放開(kāi)采技術(shù)，工作面采煤機(jī)最大割煤高度達(dá)6.5 m，有效提高了淺埋深、堅(jiān)硬、特厚煤層的冒放性，工作面年生產(chǎn)能力超過(guò)1 500 萬(wàn)t。

2.2 智能自適應(yīng)支護(hù)超前液壓支架

針對(duì)綜放工作面超前支護(hù)區(qū)域采用單體液壓支柱及“兩片式”超前液壓支架存在的問(wèn)題，綜放工作面逐漸發(fā)展應(yīng)用單元式超前液壓支架。由于巷道頂板與底板一般為非平行狀態(tài)，即頂板相對(duì)底板一般存在一定夾角，導(dǎo)致單元式超前液壓支架的頂梁難以接頂、單元式超前液壓支架的有效支護(hù)力低、頂梁與立柱連接銷軸易發(fā)生損壞等，如圖4 所示。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者研發(fā)了單元式超前液壓支架頂梁可旋轉(zhuǎn)自復(fù)位裝置，如圖5 所示。當(dāng)液壓支架頂梁接觸頂板巖層后，自復(fù)位裝置可根據(jù)頂板巖層的傾斜情況自動(dòng)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，促使支架頂梁與頂板巖層充分接頂，從而提高單元式超前液壓支架對(duì)頂板的有效支護(hù)作用力，同時(shí)避免支架頂梁與立柱的連接銷軸發(fā)生折斷。

在支架頂梁與支撐立柱之間安裝了頂梁固定卡環(huán)、彈性復(fù)位環(huán)，其中頂梁固定卡環(huán)可連接頂梁與立柱球頭，防止二者發(fā)生脫離，彈性復(fù)位環(huán)保證支架頂梁在不受外力作用時(shí)保持與底座平行。當(dāng)頂梁與頂板接觸時(shí)，頂梁固定卡環(huán)壓縮彈性復(fù)位環(huán)，使頂梁發(fā)生一定角度旋轉(zhuǎn)，促使頂梁與頂板充分接觸。當(dāng)單元支架降架后，支架頂梁與頂板脫離，彈性復(fù)位環(huán)驅(qū)動(dòng)頂梁固定卡環(huán)使單元支架的頂梁自動(dòng)轉(zhuǎn)正，防止由于單元支架頂梁歪斜導(dǎo)致傾倒事故。上述研究成果在國(guó)內(nèi)部分礦區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了較好的工程應(yīng)用效果。

2.3 巷道快速掘進(jìn)高效支護(hù)技術(shù)

由于綜放工作面兩側(cè)巷道一般采用沿底掘進(jìn)方式，巷道頂板強(qiáng)度較低、控制困難。為了提高巷道頂板的穩(wěn)定性，需要在巷道頂板布置錨桿、錨索進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，部分錨索的長(zhǎng)度達(dá)8～10 m，巷道掘進(jìn)過(guò)程中施工工藝復(fù)雜，導(dǎo)致掘進(jìn)效率低、支護(hù)難度大。

為了簡(jiǎn)化綜放工作面巷道掘進(jìn)支護(hù)工藝流程，筆者提出以巷道支護(hù)液壓支架替代傳統(tǒng)錨網(wǎng)支護(hù)工藝，即當(dāng)掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)一段距離后，在掘進(jìn)工作面安設(shè)巷道支護(hù)液壓支架，如圖6 所示，用巷道支護(hù)液壓支架替代傳統(tǒng)的錨網(wǎng)支護(hù)工藝。

巷道支護(hù)液壓支架可通過(guò)在掘進(jìn)機(jī)上布設(shè)滑道進(jìn)行運(yùn)輸，即掘進(jìn)機(jī)新揭露巷道斷面后，在掘進(jìn)機(jī)上布設(shè)滑道，將巷道支護(hù)液壓支架置于滑道上，通過(guò)滑道將巷道支護(hù)液壓支架運(yùn)輸至新揭露的巷道斷面處，對(duì)巷道頂板與巷幫煤壁進(jìn)行支護(hù)，可有效解決傳統(tǒng)錨桿、錨索支護(hù)方式存在的支護(hù)效率低、支護(hù)工藝復(fù)雜、護(hù)頂護(hù)幫效果差等問(wèn)題。

綜放工作面正?；夭蛇^(guò)程中，巷道支護(hù)液壓支架可充當(dāng)巷道超前液壓支架，即不再需要重新布設(shè)超前液壓支架，節(jié)省了超前液壓支架布設(shè)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)。工作面回采過(guò)后，可對(duì)巷道支護(hù)液壓支架進(jìn)行回收，以方便后續(xù)綜放工作面重復(fù)使用。上述技術(shù)不僅節(jié)約了傳統(tǒng)錨桿錨索支護(hù)時(shí)間與成本，而且對(duì)頂板與巷道的封閉式支護(hù)效果更好，同時(shí)減少了后續(xù)工作面超前支護(hù)工藝環(huán)節(jié)，通過(guò)重復(fù)利用可大幅降低巷道支護(hù)成本，具有顯著的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

3 綜放工作面智能化放煤技術(shù)

智能化放煤技術(shù)主要涉及對(duì)液壓支架支護(hù)狀態(tài)的全面感知及基于煤矸識(shí)別的智能放煤控制。

3.1 綜放液壓支架位姿監(jiān)測(cè)技術(shù)

綜放液壓支架位姿監(jiān)測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綜放工作面圍巖自適應(yīng)控制及智能化放煤的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)液壓支架位姿監(jiān)測(cè)技術(shù)主要通過(guò)液壓支架的結(jié)構(gòu)參數(shù)及不同位置傾角傳感器的監(jiān)測(cè)值進(jìn)行位姿解算。由于傾角傳感器受井下環(huán)境因素影響較大，且掩護(hù)梁或連桿傾角較大時(shí)極易發(fā)生數(shù)據(jù)漂移，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)結(jié)果誤差較大。另外，為了對(duì)液壓支架頂梁前端的支護(hù)高度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，一般還需要在液壓支架頂梁安裝1 個(gè)測(cè)高傳感器。上述傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在傳感器數(shù)量多、成本高、維護(hù)量大、數(shù)據(jù)處理困難等顯著不足[24-27]。

針對(duì)上述傳統(tǒng)液壓支架位姿監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的不足，提出了基于立柱與尾梁千斤頂行程的綜放液壓支架位姿及支護(hù)高度監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)液壓支架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，構(gòu)建了液壓支架主體結(jié)構(gòu)骨架模型，將傳統(tǒng)對(duì)液壓支架主體結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系求解轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)液壓支架主要鉸接點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系求解[28]，得出了液壓支架支護(hù)姿態(tài)、支護(hù)高度求解的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

綜放液壓支架的立柱、尾梁千斤頂行程值與液壓支架的支護(hù)姿態(tài)存在單一的映射關(guān)系，通過(guò)提取綜放液壓支架的骨架結(jié)構(gòu)模型，開(kāi)發(fā)了基于牛頓?拉夫遜方法、弦割法、布羅伊登法的綜放液壓支架支護(hù)姿態(tài)與支護(hù)高度求解算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)綜放液壓支架頂梁、掩護(hù)梁、四連桿、尾梁相對(duì)于底座傾角的高效精準(zhǔn)解算，同時(shí)可解算出液壓支架頂梁前端的支護(hù)高度，有效提高了解算效率與精度，為液壓支架支護(hù)姿態(tài)、支護(hù)高度監(jiān)測(cè)提供了新方法。

3.2 智能放煤控制方法

目前，制約綜放工作面實(shí)現(xiàn)智能化的主要因素是如何準(zhǔn)確判斷液壓支架放煤口的最佳開(kāi)閉時(shí)間，現(xiàn)有技術(shù)主要依靠放煤過(guò)程中形成的經(jīng)驗(yàn)（如通過(guò)監(jiān)測(cè)放煤過(guò)程中產(chǎn)生的聲音、放煤時(shí)間等差異）來(lái)進(jìn)行控制[29-30]，部分學(xué)者嘗試采用基于機(jī)器視覺(jué)的煤矸識(shí)別裝置、振動(dòng)感知裝置等對(duì)煤矸界面進(jìn)行識(shí)別[31-32]，但由于煤層厚度一般存在一定程度的變化，且頂煤放出過(guò)程一般會(huì)進(jìn)行多次、多輪放煤，放煤口關(guān)閉時(shí)間難以準(zhǔn)確把握，經(jīng)常導(dǎo)致工作面欠放或多放，造成煤炭資源損失或煤炭含矸率較高，難以實(shí)現(xiàn)智能化放煤。

針對(duì)上述問(wèn)題，筆者提出了基于工作面地質(zhì)模型與煤量監(jiān)測(cè)的智能放煤控制方法，主要步驟如下。

1） 在工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷、切眼處向頂煤進(jìn)行鉆探打孔，將運(yùn)輸巷中線與切眼中線交叉點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，運(yùn)輸巷中線的長(zhǎng)軸為x 軸，切眼中線的長(zhǎng)軸為y 軸，與水平面垂直方向?yàn)閦 軸，建立工作面地質(zhì)模型坐標(biāo)系。

2） 根據(jù)頂煤鉆孔獲得的頂煤厚度信息，采用差值計(jì)算方法建立工作面頂煤厚度變化的三維地質(zhì)模型，基于三維地質(zhì)模型信息，采用離散元數(shù)值模擬方法建立頂煤垮落過(guò)程的數(shù)值計(jì)算模型，三維地質(zhì)模型與數(shù)值計(jì)算模型的坐標(biāo)系均采用工作面地質(zhì)模型坐標(biāo)系。

3） 在采煤機(jī)機(jī)身中部位置安裝地質(zhì)雷達(dá)裝置，在液壓支架的尾梁上安裝煤量掃描裝置與煤矸圖像識(shí)別裝置。

4） 在采煤機(jī)割煤移動(dòng)過(guò)程中，利用地質(zhì)雷達(dá)裝置對(duì)頂煤與頂板巖層分界面進(jìn)行探測(cè)，根據(jù)探測(cè)結(jié)果對(duì)三維地質(zhì)模型與數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行超前修正。

5） 采煤機(jī)完成割煤后，開(kāi)啟液壓支架的放煤口進(jìn)行放煤。利用修正后的數(shù)值計(jì)算模型對(duì)液壓支架上方的頂煤垮落體形態(tài)與頂煤放出量進(jìn)行模擬分析，然后利用煤量掃描裝置掃描確定刮板輸送機(jī)上的煤流量。

6） 當(dāng)煤量掃描裝置掃描到的頂煤放出量達(dá)到數(shù)值計(jì)算模型模擬確定的頂煤放出量的80% 時(shí)，啟動(dòng)煤矸圖像識(shí)別裝置對(duì)刮板輸送機(jī)上的煤流進(jìn)行煤矸識(shí)別。若煤矸圖像識(shí)別裝置檢測(cè)到煤流中混有大量矸石，則關(guān)閉放煤口。

7） 當(dāng)煤量掃描裝置掃描到的頂煤放出量達(dá)到數(shù)值計(jì)算模型模擬確定的頂煤放出量時(shí)，無(wú)論是否檢測(cè)到煤流中混有大量矸石，均關(guān)閉放煤口。

上述智能放煤控制方法將透明地質(zhì)、煤量監(jiān)測(cè)、煤矸識(shí)別技術(shù)進(jìn)行融合，利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)工作面上方較完整的頂煤與頂板巖層界面進(jìn)行識(shí)別，基于識(shí)別結(jié)果對(duì)三維地質(zhì)模型與數(shù)值計(jì)算模型進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，利用離散元數(shù)值計(jì)算模型模擬頂煤放出量，采用煤量掃描裝置確定頂煤實(shí)際放出煤量，輔助采用煤矸圖像識(shí)別裝置對(duì)放出體進(jìn)行智能識(shí)別，從而確定最佳放煤口關(guān)閉時(shí)間，有效解決了現(xiàn)有技術(shù)與裝備難以確定綜放工作面放煤口最佳關(guān)閉時(shí)間的問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)綜采放頂煤工作面智能化、無(wú)人化開(kāi)采提供了一種有效的技術(shù)途徑。

4 結(jié)語(yǔ)與展望

綜放工作面圍巖控制與智能化放煤是實(shí)現(xiàn)厚及特厚煤層安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵，隨著我國(guó)煤炭開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略重心西移，西部礦區(qū)厚及特厚煤層的產(chǎn)量及開(kāi)發(fā)強(qiáng)度將進(jìn)一步增強(qiáng)，智能化綜放開(kāi)采技術(shù)的需求將進(jìn)一步增大。基于我國(guó)智能化綜放開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀、存在的問(wèn)題及工程技術(shù)需求，提出了未來(lái)我國(guó)智能化綜放開(kāi)采技術(shù)與裝備的發(fā)展趨勢(shì)：

1） 我國(guó)西部礦區(qū)賦存有大量特厚煤層，存在地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖控制難度大、地質(zhì)災(zāi)害突出等問(wèn)題，亟需對(duì)大采高綜放工作面采動(dòng)應(yīng)力演化規(guī)律、覆巖斷裂結(jié)構(gòu)、頂煤冒放結(jié)構(gòu)、煤壁片幫防控機(jī)理、近距離多煤層綜放開(kāi)采技術(shù)、煤柱留設(shè)尺寸、綜合防災(zāi)治災(zāi)技術(shù)等進(jìn)行系統(tǒng)研究，保障綜放工作面實(shí)現(xiàn)安全高效開(kāi)采。

2） 智能地質(zhì)保障技術(shù)。智能地質(zhì)保障技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綜放工作面安全高效開(kāi)采的基礎(chǔ)，雖然近年來(lái)提出了“透明地質(zhì)”技術(shù)，但受地質(zhì)探測(cè)技術(shù)裝備探測(cè)精度限制，目前還很難實(shí)現(xiàn)地質(zhì)透明。因此，亟需開(kāi)發(fā)智能地質(zhì)保障技術(shù)，為綜放工作面災(zāi)害超前預(yù)測(cè)預(yù)警、超前治理及智能化開(kāi)采奠定基礎(chǔ)。

3） 機(jī)器視覺(jué)精準(zhǔn)測(cè)量與智能感知技術(shù)。綜放工作面前部需要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能截割，因此需要對(duì)工作面液壓支架的位姿、護(hù)幫板伸縮狀態(tài)、煤壁等進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量感知，開(kāi)發(fā)工作面視頻拼接技術(shù)，以及基于機(jī)器視覺(jué)的空間位姿智能感知技術(shù)，為綜放工作面實(shí)現(xiàn)常態(tài)化智能開(kāi)采提供技術(shù)支撐。

4） 綜放工作面設(shè)備智能精準(zhǔn)自適應(yīng)控制技術(shù)。研發(fā)適用于井下復(fù)雜惡劣作業(yè)環(huán)境的精準(zhǔn)控制裝備，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自適應(yīng)截割、液壓支架智能自適應(yīng)支護(hù)、刮板輸送機(jī)智能調(diào)速運(yùn)輸、頂煤智能高效放煤。

5） 綜放工作面數(shù)字孿生技術(shù)?；诟呔鹊刭|(zhì)模型、綜放工作面裝備模型及圍巖損傷破壞機(jī)理模型， 構(gòu)建綜放工作面數(shù)字孿生模型， 充分結(jié)合5G+VR/AR 等技術(shù)，研發(fā)綜放工作面智能人機(jī)交互模式及遠(yuǎn)程控制方法，實(shí)現(xiàn)綜放工作面智能化開(kāi)采技術(shù)常態(tài)化無(wú)人/少人運(yùn)行。

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