蔡 峰

(中國(guó)中煤能源集團(tuán)有限公司，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100120)

1 研究背景

煤礦智能化建設(shè)已經(jīng)成為國(guó)家能源安全穩(wěn)定的重要保障，是煤炭工業(yè)持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[1-4]。智能化開采是煤礦開采技術(shù)創(chuàng)新的重要研究領(lǐng)域，大力推進(jìn)“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”，已成為煤炭企業(yè)實(shí)現(xiàn)安全、高效和高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。近年來(lái)，隨著礦井開采強(qiáng)度和深度的加大，地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，沖擊地壓、煤與瓦斯突出等動(dòng)力災(zāi)害的威脅加大，導(dǎo)致各種安全事故頻繁發(fā)生。將新型信息技術(shù)與現(xiàn)代采礦工程技術(shù)相結(jié)合，利用機(jī)器視覺、數(shù)字孿生和智能控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)無(wú)人工作面智能化采煤工藝與技術(shù)創(chuàng)新[5-8]，開展復(fù)雜地質(zhì)條件的典型中厚煤層智能化工作面關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，對(duì)全面提升綜采工作面智能化水平、實(shí)現(xiàn)煤礦安全高效生產(chǎn)、促進(jìn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展具有重要意義。

蒙陜地區(qū)煤炭資源具有高地壓、強(qiáng)擾動(dòng)、復(fù)合型厚煤層等特征，礦井開采易受突水、覆巖堅(jiān)硬頂板、采空煤柱集中應(yīng)力、長(zhǎng)-大工作面高強(qiáng)度開采擾動(dòng)等復(fù)雜因素影響，加之厚煤層一次采全高含多層夾矸等復(fù)雜結(jié)構(gòu)分布廣泛，巷道頂板下沉、底鼓、片幫嚴(yán)重，發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)性較高。同時(shí)，也有個(gè)別煤層沖擊危險(xiǎn)程度相對(duì)較低，具備開采保護(hù)層的客觀條件。目前針對(duì)蒙陜地區(qū)礦井保護(hù)層開采理論與技術(shù)以及典型中厚煤層智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)有待進(jìn)一步研究，因此，在蒙陜地區(qū)開展典型中厚煤層智能化綜采工作面技術(shù)研究與應(yīng)用具有重要意義。

中煤集團(tuán)西北能源公司納林河二號(hào)煤礦(以下簡(jiǎn)稱納林河二號(hào)煤礦)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，其煤層具有典型的蒙陜地區(qū)中厚煤層賦存特性。以納林河二號(hào)煤礦中厚煤層智能化綜采工作面為研究目標(biāo)，聚焦典型中厚煤層智能化開采工作面技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用示范，基于人工智能和數(shù)字孿生技術(shù)，開展智能綜采工作面數(shù)字模型構(gòu)建、多源數(shù)據(jù)融合數(shù)字孿生以及采煤機(jī)調(diào)高軌跡預(yù)測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)研究。融合“智能傳感、慣性導(dǎo)航、智能控制、數(shù)字孿生”等核心技術(shù)，突破典型中厚煤層智能化開采的關(guān)鍵技術(shù)問題和共性問題，該智能化綜采工作面可實(shí)現(xiàn)“無(wú)人操作、遠(yuǎn)程干預(yù)、安全高效、綠色節(jié)能”的運(yùn)行模式。

2 智能化綜采工作面關(guān)鍵技術(shù)

2.1 中厚煤層三維數(shù)字模型構(gòu)建技術(shù)

復(fù)雜地質(zhì)條件下典型中厚煤層三維數(shù)字模型是實(shí)現(xiàn)智能化開采的基礎(chǔ)[9]。在智能化綜采工作面開采推進(jìn)過程中，首先根據(jù)回采工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷鉆探數(shù)據(jù)和回采工作面頂?shù)装鍞?shù)據(jù)，并基于已有礦井地質(zhì)地理信息數(shù)據(jù)，利用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生成初始工作面三維模型，采煤機(jī)利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、脈沖編碼器和搖臂高度傳感器來(lái)精確計(jì)算滾筒截割軌跡信息。其中慣性導(dǎo)航系統(tǒng)直接固定連接在采煤機(jī)機(jī)身并通過RFID射頻進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，脈沖編碼器安裝在采煤機(jī)牽引部上方，搖臂高度傳感器安裝在采煤機(jī)搖臂調(diào)高油缸內(nèi)。煤層三維模型構(gòu)建優(yōu)化流程如圖1所示。

圖1 煤層三維模型構(gòu)建優(yōu)化流程

(1)先利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)測(cè)量采煤機(jī)角速度和角加速度，然后再利用脈沖編碼器測(cè)量采煤機(jī)位移增量信息，解算出采煤機(jī)的實(shí)時(shí)三維位置，最后再結(jié)合搖臂高度傳感器確定采煤機(jī)滾筒的截割上下軌跡信息。

(2)融合工作面支架采集已截割頂?shù)装鍞?shù)據(jù)，采用一種混沌粒子群算法對(duì)最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)參數(shù)優(yōu)化方法，對(duì)曲面模型進(jìn)行比對(duì)計(jì)算偏離差異，并輸出煤層三維模型局部誤差的精確修正值。

(3)利用克里格空間曲面插值法把修正值插入到初始煤層三維模型中，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤層三維模型局部誤差的精確動(dòng)態(tài)修正。

2.2 多源數(shù)據(jù)融合的數(shù)字孿生構(gòu)建技術(shù)

構(gòu)建數(shù)字孿生工作面精準(zhǔn)三維模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能綜采設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精確定位與預(yù)測(cè)性健康維護(hù)，達(dá)到虛實(shí)融合、以虛控實(shí)的目的[10]。工作面數(shù)字孿生三維監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所有設(shè)備模型均采用1∶1進(jìn)行精準(zhǔn)三維建模，利用建模軟件進(jìn)行模型網(wǎng)格優(yōu)化、貼圖、烘培處理，設(shè)計(jì)能夠滿足數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)，同時(shí)提高系統(tǒng)調(diào)用、工作面搭建和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)效率的工作面設(shè)備三維模型。數(shù)字孿生工作面三維可視化模型如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生工作面三維可視化模型

通過研究構(gòu)建數(shù)字孿生綜采工作面環(huán)境模型，建立數(shù)字孿生綜采工作面模型及安全智能監(jiān)測(cè)平臺(tái)；開發(fā)三維模型對(duì)象資源庫(kù)模塊、實(shí)時(shí)交互功能模塊，實(shí)現(xiàn)可視化數(shù)字孿生監(jiān)測(cè)；基于SLAM構(gòu)建綜采工作面三維地圖，將綜采工作面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)和數(shù)字鏡像模型相結(jié)合，通過邊緣計(jì)算、云數(shù)據(jù)平臺(tái)進(jìn)行特征提取與多源數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面數(shù)字孿生平臺(tái)的智能控制與狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，達(dá)到虛實(shí)融合、以虛控實(shí)的目的。

2.3 液壓支架智能化控制研究

(1)提出了刮板輸送機(jī)自動(dòng)調(diào)直方法。在回采時(shí)，上位機(jī)根據(jù)慣導(dǎo)與里程計(jì)的位姿檢測(cè)系統(tǒng)形成的刮板輸送機(jī)曲線，與由液壓支架推移桿形成的液壓支架曲線對(duì)比計(jì)算下一刀的液壓支架推移補(bǔ)償量，從而實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)調(diào)直。經(jīng)井下試驗(yàn)，工作面自動(dòng)調(diào)直的最大直線度誤差為30 cm，攻克了因刮板輸送機(jī)推移量小導(dǎo)致采煤機(jī)滾筒與支架頂梁干涉的難題。

(2)提出了自動(dòng)加刀和甩刀方法。通過及時(shí)安排加刀和甩刀來(lái)調(diào)整工作面推進(jìn)方向和推進(jìn)度，保證了工作面液壓支架齊直。

(3)首創(chuàng)了自動(dòng)擺底調(diào)控技術(shù)。通過人工巡檢或機(jī)器人巡檢掌握工作面推進(jìn)時(shí)刮板輸送機(jī)竄動(dòng)、液壓支架架間距等情況，根據(jù)采煤工作面的實(shí)際情況，在上位機(jī)選擇合適的支架擺底調(diào)控功能和控制模式對(duì)液壓支架進(jìn)行調(diào)整。

(4)提出了兩巷超前支架與端頭支架自動(dòng)跟機(jī)移架方法。通過工作面滑移支架和垛式支架，實(shí)現(xiàn)兩巷超前支架與端頭支架根據(jù)采煤機(jī)預(yù)定模式向前自移。

2.4 采煤機(jī)調(diào)高軌跡預(yù)測(cè)與路徑規(guī)劃技術(shù)

目前，煤巖識(shí)別難題仍未解決，而“采煤機(jī)記憶割煤為主與人工遠(yuǎn)程干預(yù)為輔”的割煤模式難以適應(yīng)煤層起伏變化，基于三維地質(zhì)模型的采煤機(jī)調(diào)高軌跡預(yù)測(cè)與路徑規(guī)劃是智能化綜采工作面的關(guān)鍵技術(shù)之一[11-12]。采煤機(jī)調(diào)高軌跡預(yù)測(cè)是基于滑動(dòng)窗口的灰色馬爾科夫鏈預(yù)測(cè)方法，利用灰色預(yù)測(cè)理論和馬爾科夫鏈各自的優(yōu)點(diǎn)和互補(bǔ)性，根據(jù)建立的工作面三維數(shù)字模型和前6～8刀截割軌跡對(duì)下一刀采煤機(jī)截割軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)路徑規(guī)劃和程序割煤，如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)路徑規(guī)劃和程序割煤流程

2.5 綜采工作面遠(yuǎn)程智能化控制技術(shù)

研發(fā)了集本地控制、巷道集中控制和地面遠(yuǎn)程控制于一體的工作面智能化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)精確定位、路徑規(guī)劃和程序割煤，液壓支架自動(dòng)找直跟機(jī)、自動(dòng)加刀甩刀、自動(dòng)擺底，帶式輸送機(jī)自移，設(shè)備列車自移以及綜采工作面設(shè)備故障預(yù)警、視頻監(jiān)控、遠(yuǎn)程智能監(jiān)測(cè)監(jiān)控和一鍵啟停等功能。

綜采工作面遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 綜采工作面遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)架構(gòu)

2.6 工作面帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾和糾偏技術(shù)

在運(yùn)輸巷中，帶式輸送機(jī)機(jī)尾與自移機(jī)尾相連，自移機(jī)尾調(diào)節(jié)帶式輸送機(jī)的縱向位移，使帶式輸送機(jī)可以保持與工作面推進(jìn)步距同步。自移機(jī)尾也可以調(diào)整帶式輸送機(jī)機(jī)尾的橫向位移，防止自移機(jī)尾向前推進(jìn)時(shí)因?yàn)榈貏?shì)起伏或設(shè)備動(dòng)作的不協(xié)調(diào)，造成自移機(jī)尾中心線與帶式輸送機(jī)中心線不對(duì)中，從而導(dǎo)致輥筒膠帶撕裂。傳統(tǒng)工序中，帶式輸送機(jī)機(jī)尾的橫向跑偏只能由人工手動(dòng)操縱設(shè)備進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整時(shí)人員站在帶式輸送機(jī)旁邊操作設(shè)備，效率低下，同時(shí)有被飛濺的煤塊砸中的安全風(fēng)險(xiǎn)。

為了使帶式輸送機(jī)橫向跑偏位移自動(dòng)減少，防止膠帶撕裂，同時(shí)提高效率和消除隱患，提出了一種運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)機(jī)尾橫向跑偏自動(dòng)調(diào)整方法。當(dāng)跑偏傳感器檢測(cè)到帶式輸送機(jī)跑偏時(shí)，系統(tǒng)將尾端架的滑架收起，通過水平油缸將滑架沿跑偏方向推出并得到相應(yīng)的補(bǔ)償位移，之后將滑架落地并支撐起尾端架，由水平缸推移滑座向偏移方向移動(dòng)相應(yīng)的補(bǔ)償位移，帶式輸送機(jī)的跑偏位移與尾端架的補(bǔ)償位移相互抵消，從而糾正跑偏。整個(gè)過程由系統(tǒng)根據(jù)傳感器的反饋?zhàn)詣?dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高了效率并降低了工作人員的安全風(fēng)險(xiǎn)。運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)機(jī)尾橫向跑偏自動(dòng)調(diào)整流程如圖5所示。

圖5 運(yùn)輸巷帶式輸送機(jī)機(jī)尾橫向跑偏自動(dòng)調(diào)整流程

3 工業(yè)性試驗(yàn)

納林河二號(hào)煤礦3-1上煤層一盤區(qū)102智能化綜采工作面的煤層可采厚度為1.66～2.85 m，平均厚度為2.35 m，適合厚煤層一次采全高，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為200萬(wàn)t/a。經(jīng)過1年多的工業(yè)性測(cè)試、調(diào)試和改進(jìn)，102智能化綜采工作面實(shí)現(xiàn)了全工作面程序割煤、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、工作面自動(dòng)調(diào)直和采煤機(jī)精確定位、綜采工作面設(shè)備集中控制與管理、遠(yuǎn)程智能化監(jiān)測(cè)監(jiān)控和一鍵啟停等功能，融合采煤機(jī)自動(dòng)截割、液壓支架及端頭支架的自動(dòng)移架、運(yùn)輸系統(tǒng)智能化運(yùn)行、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、工作面遠(yuǎn)程集控等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)工作面的“有人巡視、無(wú)人操作、遠(yuǎn)程干預(yù)、安全高效、綠色節(jié)能”。工控平臺(tái)具備顯示設(shè)備運(yùn)行、環(huán)境和人員動(dòng)態(tài)等功能，依據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，工控平臺(tái)具備生成和顯示工作面三維虛擬場(chǎng)景及組件受力狀況、跟機(jī)視頻顯示等功能。

102智能化綜采工作面內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無(wú)操作人員，單班生產(chǎn)人員比改進(jìn)前減少6人，現(xiàn)僅需5人(工作面巡視工1人，班長(zhǎng)1人，機(jī)頭，機(jī)尾巡檢各1人，控制臺(tái)1人)，每年節(jié)約生產(chǎn)人員工資約725萬(wàn)元。智能化綜采工作面設(shè)備故障診斷功能較強(qiáng)，不僅能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備故障還能杜絕設(shè)備事故發(fā)生，降低了設(shè)備運(yùn)行成本、提高了設(shè)備開機(jī)率。同時(shí)，智能化綜采工作面的建設(shè)能將大批現(xiàn)場(chǎng)操作人員從工作面復(fù)雜的工作環(huán)境中解脫出來(lái)，大幅降低了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了職工的生命安全，提高了礦工的獲得感、安全感、幸福感，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

4 結(jié)語(yǔ)

通過構(gòu)建“遠(yuǎn)程一鍵式啟停、自動(dòng)開采為主、遠(yuǎn)程人工干預(yù)為輔，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守”為目標(biāo)的減人、提效開采模式，融合采煤機(jī)自動(dòng)截割、液壓支架及端頭支架的自動(dòng)移架、運(yùn)輸系統(tǒng)智能運(yùn)行、工作面遠(yuǎn)程集控、數(shù)字孿生等關(guān)鍵技術(shù)，以工作面人員識(shí)別系統(tǒng)、頂板壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、設(shè)備故障診斷系統(tǒng)和工作面視頻系統(tǒng)為保障，以工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)為通道，以大數(shù)據(jù)分析和處理為依據(jù)，以高端集控設(shè)備為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了井下集控、地面遠(yuǎn)控，建成了具有主動(dòng)感知、自動(dòng)分析、智能決策的智能化少人工作面，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面的“有人巡視、無(wú)人操作、遠(yuǎn)程干預(yù)、安全高效、綠色節(jié)能”。