王國(guó)法，徐亞軍，孟祥軍，范京道，吳群英，任懷偉，龐義輝，杜毅博，趙國(guó)瑞，李明忠，馬 英，張金虎

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013; 2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)研究分院，北京 100013; 3.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013; 4.兗礦集團(tuán)有限公司，山東 鄒城 273500; 5.陜西煤業(yè)化工集團(tuán)有限責(zé)任公司，陜西 西安 710065; 6.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719301)

智能化開采是煤炭安全高效開采的發(fā)展方向和必然趨勢(shì)已成為行業(yè)共識(shí)[1-3]。為了加快煤礦智能化發(fā)展，全面提升我國(guó)煤礦智能化技術(shù)水平，2020年3月份國(guó)家發(fā)展改革委等8部委推出了《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，提出了將煤礦智能化作為煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐，制定了煤礦智能化發(fā)展的原則、目標(biāo)、任務(wù)和保障措施。為了配合國(guó)家8部委的智能化發(fā)展指導(dǎo)意見，受國(guó)家能源局委托，筆者團(tuán)隊(duì)開展了“智能化采煤工作面分類、分級(jí)技術(shù)條件與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系”標(biāo)準(zhǔn)的制定。鑒于我國(guó)煤礦智能化建設(shè)尚處于初級(jí)階段[4-6]，以國(guó)內(nèi)現(xiàn)有工作面智能化開采技術(shù)和裝備為基礎(chǔ)，根據(jù)智能化采煤工作面生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合我國(guó)煤層賦存條件多樣性特點(diǎn)，對(duì)智能化工作面進(jìn)行了定義，提出了智能化采煤工作面通用要求與系統(tǒng)配套條件，給出了智能化工作面分類、分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系與評(píng)價(jià)方法，指導(dǎo)煤礦因地制宜地分類、分級(jí)建設(shè)智能化采煤工作面，推進(jìn)煤礦智能化高質(zhì)量發(fā)展。

1 智能化開采定義

智能化開采的顯著特點(diǎn)是工作面裝備與系統(tǒng)具有智能感知、智能控制和智能決策3個(gè)智能化要素[7]，智能感知是基礎(chǔ)[8]，智能決策是重點(diǎn)，智能控制是結(jié)果。三者關(guān)系如圖1所示[9-10]。

目前我國(guó)煤礦智能化開采尚處于初級(jí)階段，其經(jīng)歷了3個(gè)發(fā)展步驟，每個(gè)步驟都是著重解決智能化3要素中某些內(nèi)容。先是在2014年解決了基于視頻監(jiān)控的智能感知問題[11-12]，以黃陵煤礦為代表，實(shí)現(xiàn)了基于采煤機(jī)記憶截割、綜采裝備可視化遠(yuǎn)程干預(yù)的初步智能化開采[13-14](圖2)。然后在2016年解決了基于慣性導(dǎo)航的工作面直線度智能控制問題，以兗礦集團(tuán)轉(zhuǎn)龍灣煤礦為代表，采用LASC技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備自動(dòng)找直(圖3)[15]，將智能化開采技術(shù)推向深入。

圖1 智能化開采3要素

目前主要解決智能決策問題。以大數(shù)據(jù)分析和深度學(xué)習(xí)為基礎(chǔ)，通過系統(tǒng)的自主學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)訓(xùn)練形成自主分析與決策機(jī)制，解決智能控制系統(tǒng)自主決策難題。由于基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)模型數(shù)學(xué)機(jī)理不清晰，相關(guān)研究正在深入，距離實(shí)際應(yīng)用尚有差距?，F(xiàn)階段，切實(shí)可行的方法是在智能感知、智能控制技術(shù)基礎(chǔ)上，建立協(xié)同聯(lián)動(dòng)機(jī)制，通過各設(shè)備的協(xié)同控制，智能協(xié)調(diào)工作面各設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行，解決工作面裝備智能決策缺失難題，實(shí)現(xiàn)工作面智能化開采。

圖2 可視化遠(yuǎn)程干預(yù)的智能開采

圖3 基于慣導(dǎo)的工作面自動(dòng)調(diào)直

以綜放工作面為例，目前采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架、工作面視頻與遠(yuǎn)程控制都進(jìn)行了一定程度的智能化開發(fā)，由于缺乏協(xié)同聯(lián)動(dòng)機(jī)制，各系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，不能協(xié)同作業(yè)。如圖4所示切實(shí)可行的方法是以煤流量智能檢測(cè)為基礎(chǔ)，形成基于帶式輸送機(jī)、前后部刮板輸送機(jī)煤流監(jiān)測(cè)的智能決策機(jī)制，實(shí)現(xiàn)液壓支架、采煤機(jī)和前后部刮板輸送機(jī)等綜采設(shè)備協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)。

圖4 基于煤流識(shí)別的協(xié)調(diào)運(yùn)行機(jī)制

綜上，對(duì)智能化采煤工作面定義如下:應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進(jìn)技術(shù)，使工作面采煤機(jī)、液壓支架、輸送機(jī)(含刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、可伸縮帶式輸送機(jī))及電液動(dòng)力設(shè)備等形成具有自主感知、自主決策和自動(dòng)控制運(yùn)行功能的智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作面落煤(截割或放頂煤)、裝煤、支護(hù)、運(yùn)煤作業(yè)工況自適應(yīng)和工序協(xié)同控制的開采方式(作業(yè)空間)。

2 智能化采煤工作面通用要求

智能化采煤工作面通用要求主要是對(duì)智能化采煤工作面煤層地質(zhì)條件、設(shè)備智能化功能、系統(tǒng)配套特性提出一般性規(guī)定與要求，以界定智能化采煤工作面適用條件、考評(píng)內(nèi)容與規(guī)范性要求。為了便于理解和操作，將智能化采煤工作面分為智能化采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)和智能化采煤工作面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)兩大系統(tǒng)，各系統(tǒng)組成如圖5所示。

2.1 煤層地質(zhì)條件

較一般綜采而言，智能化采煤工作面對(duì)煤層地質(zhì)保障要求較高。因?yàn)槊簩訔l件越復(fù)雜，分析決策周期就越長(zhǎng)，系統(tǒng)控制流程就越繁瑣，需要不停的調(diào)整工藝流程與運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)安全高效智能化開采難度越大。為此，要求智能化采煤工作面必須有專項(xiàng)總體設(shè)計(jì)、地質(zhì)保障準(zhǔn)備和設(shè)備總體選型配套研究，應(yīng)根據(jù)具體的煤層賦存條件，選擇合適的智能化開采模式。

2.2 各子系統(tǒng)通用要求

當(dāng)前基于視頻圖像和設(shè)備運(yùn)行參數(shù)檢測(cè)的智能感知技術(shù)應(yīng)用最為普遍，基于各類傳感器的智能控制也開始廣泛應(yīng)用，而智能決策系統(tǒng)應(yīng)用相對(duì)滯后，考慮到標(biāo)準(zhǔn)的可操作性，現(xiàn)階段主要對(duì)智能感知和智能控制性能進(jìn)行考評(píng)，隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，后期再將智能決策納入考評(píng)范圍。為此，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智能感知和智能控制提出了明確規(guī)定，要求智能化采煤工作面必須具有智能感知能力，對(duì)智能決策系統(tǒng)則提出非強(qiáng)制性要求，要求智能化采煤工作面宜有智能決策系統(tǒng)，以符合目前智能化工作面的發(fā)展現(xiàn)狀。

2.2.1生產(chǎn)系統(tǒng)通用要求

(1)智能割煤子系統(tǒng)通用要求。智能割煤子系統(tǒng)主要是對(duì)采煤機(jī)的智能化提出了相關(guān)要求，包括強(qiáng)制性要求和非強(qiáng)制性要求兩方面內(nèi)容。① 強(qiáng)制性要求:采煤機(jī)必須具備運(yùn)行工況及位姿檢測(cè)、機(jī)載無線遙控、精準(zhǔn)定位、滾筒切割軌跡路徑記憶、工作面中部記憶截割、“三角煤”機(jī)架協(xié)同控制割煤、遠(yuǎn)程控制、故障診斷和環(huán)境安全瓦斯聯(lián)動(dòng)控制等功能與自動(dòng)化控制系統(tǒng)，所有控制功能應(yīng)向工作面智能集控中心開放，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的啟停、牽引速度和運(yùn)行方向的遠(yuǎn)程控制。② 非強(qiáng)制性要求:主要包括采煤機(jī)的慣性導(dǎo)航、智能調(diào)高、防碰撞檢測(cè)等智能感知和煤流平衡控制等智能控制功能。

(2)智能支護(hù)子系統(tǒng)通用要求。智能支護(hù)子系統(tǒng)規(guī)定了液壓支架必備的基本功能，給出了相關(guān)推薦性要求，并對(duì)大采高液壓支架、放頂煤液壓支架、超前液壓支架的智能化分別進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。要求液壓支架必須配備電液控制系統(tǒng)，宜配備高度檢測(cè)、姿態(tài)感知、工作面直線度調(diào)直、壓力超前預(yù)警、群組協(xié)同控制、自動(dòng)超前跟機(jī)支護(hù)等智能感知與控制功能，實(shí)現(xiàn)液壓支架的智能控制。大采高液壓支架宜有頂板狀態(tài)實(shí)時(shí)感知、煤壁片幫預(yù)測(cè)、伸縮梁(護(hù)幫板)防碰撞等智能感知功能，放頂煤液壓支架應(yīng)采用智能化割煤結(jié)合自動(dòng)放煤或人工輔助干預(yù)進(jìn)行放煤控制，超前液壓支架應(yīng)配備電液控制系統(tǒng)，具有就地控制與遠(yuǎn)程遙控功能，宜有狀態(tài)智能感知和自主行走功能。

(3)智能運(yùn)輸子系統(tǒng)通用要求。智能運(yùn)輸子系統(tǒng)主要是對(duì)工作面刮板輸送機(jī)和可伸縮帶式輸送機(jī)提出了相關(guān)要求。要求刮板輸送機(jī)應(yīng)具有智能變頻軟啟動(dòng)控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、鏈條自動(dòng)張緊、斷鏈保護(hù)、故障診斷、遠(yuǎn)程控制以及與工作面智能集控中心雙向通信功能，宜有煤流負(fù)荷檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)采、運(yùn)協(xié)同控制。要求工作面可伸縮帶式輸送機(jī)必須具有綜合保護(hù)與運(yùn)行工況監(jiān)控功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)帶式輸送機(jī)運(yùn)行工況和預(yù)警，宜有煤流量監(jiān)測(cè)、異物識(shí)別和自動(dòng)變頻速度調(diào)節(jié)功能，能夠根據(jù)煤流量大小自動(dòng)控制帶速，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

(4)智能控制子系統(tǒng)通用要求。根據(jù)控制地點(diǎn)和控制要求的不同，將智能控制子系統(tǒng)分為工作面智能集控中心和地面監(jiān)控中心，要求工作面智能集控中心必須具有集中、就地和遠(yuǎn)程控制功能，能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、破碎機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、可伸縮帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、乳化液泵站協(xié)同控制?？紤]到通訊的時(shí)效性和生產(chǎn)的安全性，對(duì)地面監(jiān)控中心沒有提出詳細(xì)的控制要求，僅要求地面監(jiān)控中心具備工作面設(shè)備具有一鍵啟停功能，能夠在地面對(duì)采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控和采煤工作面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。

(5)網(wǎng)絡(luò)通訊子系統(tǒng)通用要求。智能化采煤工作面有線網(wǎng)絡(luò)傳輸速率宜不低于1 000 Mbps，無線通訊帶寬不低于100 Mbps，無線通訊系統(tǒng)具有工作面數(shù)據(jù)通信、語音視頻通信、視頻監(jiān)控、人員定位、語音廣播等功能。

(6)智能視頻子系統(tǒng)通用要求。要求礦用本質(zhì)安全型高清攝像儀必須具有視頻增強(qiáng)、跟隨采煤機(jī)自動(dòng)切換視頻畫面和自動(dòng)清洗功能，視頻傳輸速率不低于100 Mbps，對(duì)云臺(tái)攝像儀云臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)角度、光學(xué)變焦、最低像素和水平廣角進(jìn)行了規(guī)定，智能攝像儀宜有特征信息識(shí)別、自動(dòng)特征提取和預(yù)警功能。

(7)智能噴霧降塵子系統(tǒng)通用要求。智能噴霧降塵子系統(tǒng)包括工作面智能噴霧降塵分系統(tǒng)和煤流運(yùn)輸智能噴霧降塵分系統(tǒng)，要求工作面采煤機(jī)割煤點(diǎn)、刮板輸送機(jī)卸煤點(diǎn)、轉(zhuǎn)載機(jī)落煤點(diǎn)、可伸縮帶式輸送機(jī)搭接點(diǎn)、液壓支架降移升動(dòng)作和放煤點(diǎn)等工作面塵源位置都應(yīng)設(shè)有智能噴霧裝置，實(shí)現(xiàn)工作面全方位噴霧降塵。

(8)智能供液子系統(tǒng)通用要求。智能供液子系統(tǒng)應(yīng)具有反滲透水處理、清水過濾、自動(dòng)配比補(bǔ)液、多級(jí)過濾、高壓自動(dòng)反沖洗、高低液位自動(dòng)控制、乳化液濃度在線監(jiān)控、單泵或多臺(tái)泵的單動(dòng)與自動(dòng)運(yùn)行、系統(tǒng)運(yùn)行信息檢測(cè)與上傳功能，宜與液壓支架用液量協(xié)同聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作面供液系統(tǒng)的智能控制。

(9)智能巡檢子系統(tǒng)通用要求。智能巡檢子系統(tǒng)包括工作面智能巡檢系統(tǒng)和主煤流運(yùn)輸智能巡檢，利用巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工作面設(shè)備運(yùn)行狀況、開采環(huán)境、煤流狀態(tài)的例行巡檢和異常情況實(shí)地巡查。

(10)智能供電子系統(tǒng)通用要求。要求工作面智能供電子系統(tǒng)能夠?qū)φ麄€(gè)工作面電力系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，動(dòng)態(tài)顯示警示、預(yù)警和報(bào)警信息，能夠顯示開關(guān)分合閘狀態(tài)，并在權(quán)限允許的范圍內(nèi)對(duì)開關(guān)分合閘進(jìn)行操作，宜有防越級(jí)自動(dòng)跳閘、故障精準(zhǔn)定位功能，實(shí)現(xiàn)工作面供電系統(tǒng)的智能控制。

2.2.2輔助生產(chǎn)系統(tǒng)通用要求

智能化采煤工作面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)主要對(duì)工作面照明、工作面語音、工作面通風(fēng)和防滅火、智能安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)進(jìn)行了規(guī)定。對(duì)采煤工作面照明燈形式、照明燈照度與后備電源、工作面語音系統(tǒng)功能、工作面通風(fēng)和防滅火的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)、監(jiān)測(cè)裝置與監(jiān)測(cè)內(nèi)容以及智能安全監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)容與監(jiān)測(cè)功能提出了具體要求。

2.3 系統(tǒng)配套要求

智能化采煤工作面系統(tǒng)配套主要對(duì)0.8(含)～1.3 m薄煤層、1.3(含)～3.5 m中厚煤層、3.5 m以上厚煤層、煤層傾角大于25°(含)的大傾角工作面開采方式和配套模式進(jìn)行規(guī)范，要求薄煤層和中厚煤層采用有人巡視無人操作模式進(jìn)行開采，3.5 m以上厚煤層采用大采高煤層人-機(jī)-環(huán)智能耦合高效綜采模式或綜放工作面智能化操控與人工干預(yù)輔助放煤模式進(jìn)行開采。要求所有智能化工作面超前支護(hù)都應(yīng)采用超前液壓支架，建立信息安全保障體系[16-17]，同時(shí)對(duì)工作面智能化集控中心建設(shè)內(nèi)容進(jìn)行了規(guī)定。

考慮到目前智能化開采技術(shù)尚處于初級(jí)階段，現(xiàn)階段對(duì)于煤層傾角大于25°(含)的大傾角工作面很難實(shí)現(xiàn)智能化開采，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定煤層傾角大于25°(含)的大傾角工作面宜采用智能化+機(jī)械化相結(jié)合的開采技術(shù)進(jìn)行開采，采用推薦的方式進(jìn)行要求，不做強(qiáng)行規(guī)定。

3 智能化采煤工作面分類與分級(jí)

3.1 智能化采煤工作面分類

3.1.1開采模式劃分

開采模式是以煤層厚度和采高為主要決定因素結(jié)合煤層賦存條件而形成的具有相同或相近開采方法、采煤工藝、配套模式、控制方式和智能決策邏輯的開采方式。根據(jù)工作面煤層厚度、采煤方法和開采技術(shù)參數(shù)的不同將智能化采煤工作面分3種開采模式，類別代號(hào)及名稱見表1。

3.1.2分類指標(biāo)量化評(píng)價(jià)

將煤層厚度、煤層傾角、煤層穩(wěn)定性、瓦斯、水文等煤層賦存條件作為基本指標(biāo)，工作面走向長(zhǎng)度、傾斜寬度、可布置工作面數(shù)量等采煤工作面開采技術(shù)參數(shù)作為參考指標(biāo)對(duì)不同開采模式的采煤工作面進(jìn)行分類評(píng)價(jià)。分類指標(biāo)見表2。

表1 智能化采煤工作面開采模式

表2 智能化采煤工作面分類評(píng)價(jià)指標(biāo)量化評(píng)價(jià)

采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)智能化采煤工作面條件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，將各因素的評(píng)價(jià)結(jié)果按一定算法映射為可計(jì)算的綜合評(píng)價(jià)值，采用百分制原則進(jìn)行評(píng)判。評(píng)價(jià)方法的本質(zhì)是模糊評(píng)定[18]，因?yàn)槿魧⒏饔成浜瘮?shù)除以100，則百分制評(píng)價(jià)結(jié)果就變?yōu)殡`屬度，相應(yīng)的映射函數(shù)便成為隸屬函數(shù)。采用百分制是為了便于考評(píng)和操作。下文對(duì)幾個(gè)主要指標(biāo)評(píng)價(jià)方法進(jìn)行說明。

(1)煤層厚度。煤層厚度在區(qū)間[1.3，6]的得分為[85，100]，考慮到3.5 m以上煤層需要設(shè)置護(hù)幫板，將3.5 m煤層設(shè)為100分，然后隨著煤層厚度變薄或變厚，分值逐漸降低。采用式(1)所示的分段函數(shù)作為映射算法計(jì)算不同厚度煤層得分:

(1)

1.3～6.0 m煤層厚度分值曲線如圖6(a)所示。

(2)煤層傾角。采用式(2)所示的多項(xiàng)式函數(shù)作為映射算法計(jì)算不同煤層傾角得分:

(2)

分值曲線如圖6(b)所示。

(3)煤層硬度。將煤層普氏系數(shù)f作為煤層硬度計(jì)算依據(jù)。f=2～3為中等硬度煤層，f=1～2為軟煤，f=3～4為硬煤，f<1為特軟煤，f>4為特硬煤[19]。采用式(3)所示的分段函數(shù)計(jì)算不同煤層硬度得分:

(3)

分值曲線如圖6(c)所示。

(4)工作面斷面影響程度。采用式(4)所示的分段函數(shù)作為映射算法計(jì)算工作面不同工作面斷面影響程度得分(斷層影響程度超過2.86，分值為0):

(4)

分值曲線如圖6(d)所示。

(5)陷落柱影響程度。采用式(5)所示的分段函數(shù)計(jì)算工作面不同陷落柱影響程度得分:

(5)

分值曲線如圖6(e)所示。

(6)工作面俯仰采角度。采用式(6)所示的分段函數(shù)計(jì)算工作面仰俯角得分:

(6)

分值曲線如圖6(f)所示。

(7)偽頂厚度。采用式(7)所示的分段函數(shù)計(jì)算工作面?zhèn)雾敽穸鹊梅?

(7)

分值曲線如圖6(g)所示。

圖6 分值曲線

(8)工作面走向長(zhǎng)度。采用式(8)所示的分段函數(shù)計(jì)算工作面長(zhǎng)度得分:

(8)

分值曲線如圖6(h)所示。

(9)工作面傾斜寬度。采用式(9)所示的分段函數(shù)計(jì)算不同工作面傾斜寬度得分:

(9)

分值曲線如圖6(i)所示。

(10)可布置工作面數(shù)量。采用式(10)所示分段函數(shù)計(jì)算可布置工作面?zhèn)€數(shù)得分:

(10)

分值曲線如圖6(j)所示。

3.1.3分類方法

將表2所示的20個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)向量[w1w2…w20]作為行向量，將評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量[r1r2…r20]作為列向量，2者向量的積V1為工作面條件分類依據(jù)，計(jì)算方法為

V1=[w1w2…w20][r1r2…r20]T

(11)

根據(jù)式(11)算出的得分結(jié)果對(duì)工作面煤層開采條件進(jìn)行分類,評(píng)判結(jié)果集為{Ⅰ類，Ⅱ類，Ⅲ類}={100～85(含)，85～70(含)，<70}。

3.2 智能化采煤工作面分級(jí)

3.2.1級(jí)別名稱與代號(hào)

根據(jù)工作面智能化水平高低及其實(shí)現(xiàn)程度，將智能化采煤工作面分為3級(jí)。級(jí)別名稱和代號(hào)見表3。

表3 級(jí)別名稱及代號(hào)

3.2.2分級(jí)評(píng)價(jià)方法

采用模糊綜合評(píng)價(jià)模型對(duì)智能化采煤工作面智能化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)方法是將各評(píng)價(jià)因素按一定算法映射為可計(jì)算的綜合評(píng)價(jià)值，采用百分制原則進(jìn)行評(píng)判。評(píng)判集M由分項(xiàng)指標(biāo)向量V和權(quán)重向量R構(gòu)成，計(jì)算方法如式(12)所示:

(12)

式中，V1為采煤工作面條件綜合評(píng)價(jià)得分;V2為設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件綜合評(píng)價(jià)得分;V3為設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件綜合評(píng)價(jià)得分;R1為采煤工作面條件綜合評(píng)價(jià)權(quán)重，R1=0.1;R2為設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件綜合評(píng)價(jià)權(quán)重，R2=0.2;R3為設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件綜合評(píng)價(jià)權(quán)重,R3=0.7。權(quán)重的設(shè)置在一定程度上鼓勵(lì)復(fù)雜條件工作面投入到智能化采煤工作面建設(shè)當(dāng)中和高新設(shè)備的投入，但不以煤層地質(zhì)條件和設(shè)備的先進(jìn)性為主要考評(píng)依據(jù)，以調(diào)動(dòng)煤礦生產(chǎn)積極性。

根據(jù)式(12)計(jì)算采煤工作面智能化程度分值，分值>85分的采煤工作面為高級(jí)智能化采煤工作面;分值為85(含)～70分的采煤工作面為中級(jí)智能化采煤工作面;分值為70(含)～60分的采煤工作面為初級(jí)智能化采煤工作面，分值低于60分，為未達(dá)到智能化工作面標(biāo)準(zhǔn)。下面對(duì)幾個(gè)主要指標(biāo)計(jì)算方法進(jìn)行說明。

(1)采煤工作面條件綜合評(píng)測(cè)方法。利用采煤工作面條件綜合評(píng)價(jià)得分V1的反比函數(shù)主要是基于以下2點(diǎn)考慮:① 同樣分值條件下，較賦存條件簡(jiǎn)單的工作面而言，復(fù)雜條件工作面付出的投入和努力更多;② 鼓勵(lì)復(fù)雜條件工作面積極投入到智能化工作面建設(shè)當(dāng)中。由于V1的權(quán)重較小，為了計(jì)算結(jié)果更加符合實(shí)際，將1 000/V1作為智能化采煤工作面條件綜合評(píng)價(jià)分項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)將V1得分小于10分的按10分進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 采煤工作面條件綜合評(píng)價(jià)因素曲線

(2)設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件評(píng)測(cè)方法。設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件分值V2由評(píng)價(jià)指標(biāo)向量w=[w1w2…w14]和評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量[r]=[r1r2…r14]構(gòu)成，計(jì)算方法為

V2=[w1w2…w14][r1r2…r14]T

(13)

設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)指標(biāo)向量元素指前面所述的智能化采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)中10個(gè)智能化子系統(tǒng)和智能化采煤工作面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)中4個(gè)智能化子系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)和功能，標(biāo)準(zhǔn)從設(shè)備的工況檢測(cè)、自動(dòng)控制、智能感知3個(gè)方面界定設(shè)備智能化水平，給出了詳細(xì)的評(píng)分方法。

智能化采煤工作面設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件各評(píng)價(jià)因素權(quán)重元素rj(1≤j≤14)見表4。權(quán)重的設(shè)置主要向生產(chǎn)系統(tǒng)傾斜，但又充分考慮到安全生產(chǎn)的重要性，體現(xiàn)了技術(shù)進(jìn)步與安全生產(chǎn)并重的原則，引導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行安全高效智能化開采。

表4 設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件各指標(biāo)權(quán)重

根據(jù)設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)得分，將設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件分為3個(gè)等級(jí):V2={好，中，差}={100～85(含)，85～70(含)，70～60 }。如果分值低于60分，說明設(shè)備性能指標(biāo)未達(dá)到智能化工作面標(biāo)準(zhǔn)。

(3)設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件評(píng)測(cè)方法。設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件分值V3由設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)指標(biāo)向量w=[w1w2…w14]和設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量r=[r1r2…r14]構(gòu)成，計(jì)算方法為

V3=[w1w2…w14][r1r2…r14]T

(14)

同設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)指標(biāo)向量元素一樣，設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)指標(biāo)向量也是指智能化采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)中10個(gè)智能化子系統(tǒng)和智能化采煤工作面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)中4個(gè)智能化子系統(tǒng)設(shè)備實(shí)行運(yùn)行狀態(tài)，標(biāo)準(zhǔn)從設(shè)備的運(yùn)行狀況、智能感知、智能控制、日常管理與維護(hù)幾個(gè)方面界定設(shè)備智能化運(yùn)行能力，給出了具體的評(píng)分方法。

智能化采煤工作面設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件各評(píng)價(jià)因素權(quán)重rn(1≤n≤14)見表5。權(quán)重的設(shè)置充分考慮各系統(tǒng)的重要性，引導(dǎo)企業(yè)樹立全局生產(chǎn)觀，充分進(jìn)行智能化采煤工作面各個(gè)環(huán)節(jié)的建設(shè)，全面提升智能化采煤工作面整體生產(chǎn)技術(shù)水平。

表5 設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件各指標(biāo)權(quán)重

將設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)指標(biāo)向量w=[w1w2…w14]中評(píng)價(jià)元素(1≤m≤14)和設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量r=[r1r2…r14]中評(píng)價(jià)權(quán)重元素rn(1≤n≤14)代入式(19)，得出設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件分值，劃分工作面設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件優(yōu)劣區(qū)間。根據(jù)設(shè)備運(yùn)行工況得分，將設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件分為3個(gè)等級(jí):V3={好，中，差}={100～85，85(含)～70，70(含)～60}。分值低于60分，設(shè)備運(yùn)行工況未達(dá)到智能化工作面運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

4 智能化工作面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

智能化采煤工作面指標(biāo)體系由分項(xiàng)指標(biāo)和分項(xiàng)指標(biāo)權(quán)重構(gòu)成。各級(jí)指標(biāo)分別設(shè)置相應(yīng)的權(quán)重，各級(jí)指標(biāo)權(quán)重之和等于100%。智能化采煤工作面評(píng)價(jià)水平總得分為所有一級(jí)指標(biāo)與權(quán)重得分之和;一級(jí)指標(biāo)得分應(yīng)為其下層2級(jí)指標(biāo)得分之和;2級(jí)指標(biāo)得分應(yīng)為其下層2級(jí)指標(biāo)分項(xiàng)及相應(yīng)的權(quán)重得分之和。各級(jí)指標(biāo)的得分在計(jì)算時(shí)，四舍五入取整數(shù)。

4.2 指標(biāo)體系框架

智能化采煤工作面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系包括工作面條件、設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件、設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件3部分指標(biāo)。具體評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架如圖8所示。

圖8 智能化采煤工作面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系框架

4.3 指標(biāo)體系矩陣結(jié)構(gòu)

如圖9所示，智能化采煤工作面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系數(shù)學(xué)模型是多維矩陣數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。上一級(jí)數(shù)據(jù)建立在下一級(jí)數(shù)據(jù)指標(biāo)向量和指標(biāo)向量權(quán)重矩陣基礎(chǔ)上，通過指標(biāo)向量和指標(biāo)向量權(quán)重矩陣運(yùn)算構(gòu)成上一級(jí)向量的評(píng)價(jià)元素。評(píng)價(jià)結(jié)果M為維度為(1,1,3)的陣列，指標(biāo)向量V(V=[1 000/V1V2V3])為維度為(1,3,2)的陣列。其中，向量V中的陣列元素V1是基于維度(1,20,1)和(20,1,1)的陣列運(yùn)算結(jié)果，V2,V3是基于維度(1,14,1)和(14,1,1)的陣列運(yùn)算結(jié)果。通過陣列的嵌套，層層迭代，建立完整的智能化采煤工作面評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

圖9 智能化采煤工作面評(píng)價(jià)指標(biāo)體系陣列結(jié)構(gòu)

5 評(píng)價(jià)體系驗(yàn)證

為了驗(yàn)證評(píng)價(jià)方法的科學(xué)合理性，開發(fā)智能化采煤工作面分類、分級(jí)評(píng)價(jià)軟件(V1.0)，以西部某礦為樣本，對(duì)采煤工作面智能化程度進(jìn)行評(píng)價(jià)。該礦位于鄂爾多斯地區(qū)，礦井水文地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，無陷落柱和斷層影響，為低瓦斯礦井。主采Ⅱ-3號(hào)煤層，煤層穩(wěn)定，分布連續(xù)，全區(qū)可采，煤層厚度3.08～4.11 m，平均3.67 m，煤層傾角0°～3°，平均1°，走向傾角1°～2°，煤層普氏系數(shù)f=2～3。煤塵爆炸指數(shù)為39%，屬易爆炸煤層。設(shè)計(jì)布置6個(gè)工作面。工作面走向長(zhǎng)度2 890.50 m，傾向長(zhǎng)度324.75 m。基本頂為灰白色砂巖和中粒至細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，厚度5.27～19.39 m，平均厚度11.48 m。直接頂為灰白色中粒砂狀結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度為30.8～40.8 MPa，厚度1.15～5.32 m，平均厚度3 m。直接底為中細(xì)粒砂狀結(jié)構(gòu)，抗壓強(qiáng)度為20.4～46.2 MPa，厚度9.73～27.23 m，平均厚度18.49。由式(16)求得該采煤工作面條件綜合評(píng)測(cè)結(jié)果為94分，類別為良好，結(jié)果如圖10(a)所示。

圖10 評(píng)價(jià)結(jié)果

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，該工作面煤層賦存條件良好，應(yīng)采用大采高煤層人-機(jī)-環(huán)智能耦合高效綜采模式進(jìn)行智能化開采。但煤層容易自燃，對(duì)工作面安全管理有一定影響。

該工作面配套設(shè)備先進(jìn)，智能割煤、智能支護(hù)、智能運(yùn)輸、智能控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、智能視頻、智能噴霧、智能供液8個(gè)智能化生產(chǎn)子系統(tǒng)裝備先進(jìn)，采煤機(jī)具有記憶截割和自動(dòng)截割三角煤功能，液壓支架配備電液控制系統(tǒng)和高清攝像儀，可自動(dòng)跟隨采煤機(jī)切換畫面，刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)具有集中控制功能，采用視頻系統(tǒng)進(jìn)行順槽遠(yuǎn)程監(jiān)控，工作面建有傳輸速率1 000 Mbps工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)，采用LASC自動(dòng)調(diào)直裝置，智能按需供液，上述各系統(tǒng)得分都在80分以上，但是工作面沒有智能巡檢和智能供電系統(tǒng)，影響了其分值。與智能化生產(chǎn)系統(tǒng)相比，智能化輔助化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)備有一定差距，工作面照明系統(tǒng)沒有UPS后備電源，工作面沒有建立4G網(wǎng)絡(luò)，通風(fēng)防滅火系統(tǒng)不具備局部通風(fēng)機(jī)調(diào)速功能，風(fēng)量不足時(shí)不能自動(dòng)閉鎖相關(guān)設(shè)備，人員單兵裝備不能實(shí)時(shí)互聯(lián)和預(yù)警，工作面只能顯示人員區(qū)域定位，無法精確定位，4個(gè)智能化輔助子系統(tǒng)分值都未超過85分。系統(tǒng)設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件評(píng)價(jià)為75分，級(jí)別中等，結(jié)果如圖10(b)所示。

評(píng)價(jià)過程中發(fā)現(xiàn)目前智能化采煤工作面設(shè)備發(fā)展不均衡，工作面生產(chǎn)系統(tǒng)裝備性能普通高于輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，這與企業(yè)以煤炭產(chǎn)量為中心的理念有關(guān)。只要關(guān)系到煤炭產(chǎn)量的環(huán)節(jié)都很重視，也愿意投入裝備，對(duì)于與煤炭產(chǎn)出量關(guān)聯(lián)度不大的環(huán)節(jié)則關(guān)注度不夠。希望通過智能化采煤工作面分類、分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的推行，改變上述現(xiàn)象，以全面提升采煤工作面智能化水平。

6 結(jié) 論

(1)標(biāo)準(zhǔn)給出了智能化采煤工作面相關(guān)術(shù)語與定義，將智能化采煤工作面分為智能化采煤工作面生產(chǎn)系統(tǒng)和智能化采煤工作面輔助生產(chǎn)系統(tǒng)，前者包括智能割煤、智能支護(hù)、智能運(yùn)輸?shù)?0個(gè)智能化子系統(tǒng)，后者包括工作面照明、工作面語音、通風(fēng)防滅火和安全監(jiān)測(cè)4個(gè)智能化子系統(tǒng)，對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)提出了通用要求。

(2)根據(jù)工作面煤層厚度、采煤方法和開采技術(shù)參數(shù)的不同將智能化采煤工作面分為薄煤層和中厚煤層智能化有人巡視無人操作、厚煤層大采高人-機(jī)-環(huán)智能耦合高效綜采、綜放工作面智能化操控與人工干預(yù)輔助放煤3種開采模式，規(guī)定了每種模式具體配套要求。采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法，根據(jù)百分制原則考評(píng)結(jié)果，對(duì)不同模式的智能化采煤工作面進(jìn)行分類評(píng)價(jià)。同時(shí)基于智能化采煤工作面條件、設(shè)備性能達(dá)標(biāo)條件和設(shè)備運(yùn)行工況達(dá)標(biāo)條件，采用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對(duì)不同模式的采煤工作面智能化水平進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)。

(3)工作面煤層條件量化指標(biāo)評(píng)價(jià)方法本質(zhì)上屬于模糊評(píng)價(jià)，構(gòu)建了基于多維矩陣結(jié)構(gòu)智能化采煤工作面評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)學(xué)模型與評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

(4)標(biāo)準(zhǔn)的制定充分考慮了我國(guó)煤層賦存多樣、區(qū)域差異性大的特點(diǎn)，高度重視復(fù)雜條件礦區(qū)智能化采煤工作面的發(fā)展，在具體評(píng)分原則上給予了合理的支持與鼓勵(lì)，以充分調(diào)動(dòng)復(fù)雜條件礦區(qū)發(fā)展智能化開采的積極性。

(5)智能化采煤工作面建設(shè)是一個(gè)長(zhǎng)期發(fā)展、不斷進(jìn)步的過程[20]，考慮到標(biāo)準(zhǔn)的可操作性，標(biāo)準(zhǔn)僅將目前發(fā)展相對(duì)完善的智能化綜采(放)工作面作為主要考評(píng)對(duì)象，而沒有將發(fā)展相對(duì)滯后的智能化充填等采煤工作面納入考評(píng)范疇，隨著智能化采煤工作面的不斷發(fā)展與進(jìn)步，條件成熟時(shí)，再將智能化充填開采等工作面納入評(píng)價(jià)對(duì)象，以豐富和完善智能化采煤工作面技術(shù)體系。