我国井工煤矿智能化开发技术现状及发展

雷 毅

(中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013)

综 述

我国井工煤矿智能化开发技术现状及发展

雷 毅

(中国煤炭科工集团有限公司，北京 100013)

总结了“十二五”以来我国井工煤矿智能化开发技术装备取得的最新进展，分析了现阶段我国井工煤矿智能化开发面临的形势和挑战；提出要依靠煤炭科技创新，推动井工煤矿智能化开发技术装备水平的不断进步。同时，针对井工煤矿智能化开发的重点领域和薄弱环节，提出了“十三五”及今后一段时期的科技需求和发展方向。

井工煤矿；智能化；技术进展；发展方向

煤炭高效智能开采具有减人、增效、促安等多重效益，是煤炭工业技术创新的重要方向，也是煤炭工业转型升级发展的必然要求[1-3]。近年来，我国在煤炭智能化开发领域加大政策扶持、资金支持和科技创新的力度，煤炭智能化开发技术得以起步并不断取得突破。但是，当前我国煤炭智能化开发水平整体上仍处于初步阶段，煤炭开发技术装备在可靠性、稳定性、自动化和智能化等方面仍无法完全满足煤炭企业现场需求和煤炭工业转型升级发展的要求[4]。

为实现煤炭资源的安全高效开采，“十三五”期间有必要围绕煤炭智能化开发的重点领域和薄弱环节，依靠技术创新，加大研发力度，强化集成示范，推动煤炭智能化开发技术水平再上新台阶。

为此，笔者在总结分析我国井工煤矿智能化开发技术进展和面临形势的基础上，提出了“十三五”及今后一段时期的技术装备发展方向和建议。

1 我国井工煤矿智能化开发技术进展

“十二五”以来，煤炭行业相关科研院所、高等院校、煤炭企业注重产学研用相结合，以实施“973”计划、“863”计划、国家科技支撑计划等国家科技计划为契机，广泛开展科技合作和技术创新，在煤炭智能化开发基础理论、关键技术、重大装备和工程示范等领域取得了重要突破，为促进我国煤炭智能化开发提供了重要科技支撑[5]。特别是科技部启动实施的“863”计划重大项目“煤炭智能化掘采技术与装备”围绕我国井工煤矿安全高效开采，突破了大直径竖井掘进机、智能化超重型岩巷掘进机、综采智能控制系统、全自动化刨煤机、自动化高可靠性巷道带式输送机、自动化控制大型提升系统等一大批重大关键技术和装备，显著提升了我国井工煤矿智能化掘采技术装备水平，不断推动井工煤矿逐步实现少人甚至无人开采。

1.1 矿井建设

研制出我国首台套有导孔条件下的竖井掘进机，钻井直径5.8～6.4m，钻进深度800m，最大推进力6000kN，最大扭矩1000kN·m，总重量约170t。首创利用井底岩石、掘进机支撑系统的移步式钻机结构，形成机械破岩、导孔溜渣、掘进支护平行作业的竖井掘进机凿井新工艺[6]。开发出远程控制和钻进方向智能控制系统，减少井下作业量50%以上。竖井掘进机的成功研发推动竖井凿井由爆破破岩向可控的机械破岩发展，还可广泛应用于矿山及水电、人防、交通、军工等地下工程领域。

研制成功全球首台长距离、大坡度煤矿斜井专用掘进机(TBM)，集斜井施工开挖、衬砌、出渣、运输、通风、排水等功能于一体，能够适应软岩、硬岩和复合地层等不同复杂地质地貌的开挖掘进作业。在神东补连塔煤矿斜井进行了成功应用[7]，开挖直径7.6m，井筒净直径6.6m，斜井长度2744m，创造了单日进尺42m，单周进尺205m，单月进尺639m的纪录。

1.2 巷道掘进

研制成功我国首台截割功率450kW的智能化超重型岩巷掘进机，可截割岩石单轴抗压强度达124MPa。采用截割转矩交流变频调速控制及动载荷识别技术，实现了截割转速自适应调节[8]；基于视觉技术的掘进机位姿检测系统及稳定支撑机构，实现机身姿态精确定位；开发了断面成形控制及状态监测系统，实现巷道断面自动成形。在阳煤集团新元煤矿31009回风巷(岩石单轴抗压强度为80～120MPa)完成井下工业性试验，平均月进尺达342.3m，最高月进尺达381m(标准断面8m2)。

针对大型矿井高效集约化生产采掘失调的难题，开发了由八臂锚杆钻车、破碎转载机、自移胶带转载机、迈步式自移机尾等设备组成的煤巷高效快速掘进系统，首次实现了掘支运平行连续作业[9]。在神东大柳塔矿进行为期10个月的工业性试验，累计掘进巷道14933m，日最高进尺102m，月最高进尺达到2516m。

1.3 煤炭开采

研制出MG900/2400-WD型高速高可靠性电牵引采煤机，装机功率达2400kW，可适应2.5～5.2m煤层的高效开采需要。首次采用截割振动与负荷信息融合的分析方法，开发出煤岩识别装置，初步实现煤岩界面智能识别；首次开发出采煤机机载嵌入式摇臂智能故障诊断与预测系统，故障诊断平均识别率达到80%以上。在陕西神木汇森凉水井矿进行了工业性试验，煤岩识别率达到78.6%，最大截割牵引速度达到17.5m/min，整机使用率达96.8%。

研制了ZFY18000/29/55D 型两柱式强力放顶煤液压支架，工作阻力18000kN，最大支撑高度5.5m，试验寿命大于60000次循环加载，满足特厚煤层安全、高效和高回收率开采的需求；研究了放顶煤液压支架围岩作用规律及动态载荷变化特征，首次开发出支架与围岩耦合控制系统；开发出基于分段多窗口多轮放煤工艺的时序控制自动化放煤系统，有效提升了放煤效率及资源回收率[10]。在西安朗意神树畔煤矿进行了工业性试验，支架状态调节与放煤控制自动化程度大幅提高，三班作业人数较手动控制工作面减少21人，回采工效提高38.9%。

攻克了综采工作面开采场景实时再现、智能矫直、实时控制等关键技术；研制了人员感知、激光矩阵、高清摄像仪、高性能服务器、一体式监控中心等20种产品；开发了“机—架”协同智能联动控制软件，形成了国内首套煤炭综采成套装备智能系统[11-14]。首创了“智能+远程干预”采煤新方法，实现了工作面内“无人操作，有人巡视” 智能采煤。在山东能源淄博矿业集团巴彦高勒煤矿311102工作面进行连续3个月的井下工业性试验，作业人员从原来的12人减少到5人，满足年产10Mt生产能力的要求；在陕西黄陵一号煤矿实现了地面控制割煤常态化，显著提升了我国煤矿综采工作面智能开采水平。

1.4 运输提升

研制成功国内首台综合参数最大的DSJ160型自动化高可靠性巷道带式输送机，带宽1.6m，运量3200t/h，运输长度5300m，驱动功率3000kW。开发出具有自主知识产权的带式输送机动态分析软件，实现整机布置优化，确定合理的启动、停机曲线；研发了KHP328带式输送机综合保护装置，实现了4km无中继的本安型语音传输；基于云计算技术开发了自主知识产权的带式输送机故障诊断系统，实现了输送机机械、电气系统的智能诊断和远程监控；开发了煤流均衡控制系统，可预测运输系统整体运量，实现了煤流量智能调节和整个运输系统的节能运行。相关成果已在同忻煤矿进行了应用，大幅度提高了带式输送机煤流运输系统运行效率，降低了故障停机时间，日均开机时间增加1.5h。

研制了国内首台50t双腔结构箕斗，箕斗自重68t，载重50t，适应速度12～18m/s，已经在葫芦素煤矿完成工业性试验，试验载荷50t，运行速度16m/s，箕斗运行平稳，无明显结构变形[15]。研制了提升系统全自动化智能控制装置，电机功率4200kW，速度13.43m/s，调速范围100∶1，已在梧桐庄煤矿进行示范应用，实现了提升机无人值守自动运行，行程控制精度达0.01m。同时开发了提升电控故障智能诊断及健康管理系统，已在梧桐庄煤矿进行示范应用，故障诊断谎报率<5%，成败型故障诊断漏报率为0，性能退化早期模拟检测成功率>90%。

2 煤矿智能化开发面临形势

煤矿智能化开发是煤炭工业技术创新的重要方向，也是煤炭工业转型升级发展的必然要求。目前，煤矿智能化开发既面临诸多机遇，也面临严峻挑战。

(1)煤炭工业转型升级发展的需要 在当前推动供给侧改革和行业发展面临困局的条件下，煤炭行业必须依靠科技创新走出一条转型升级发展之路。煤炭行业要实施创新驱动发展战略，推动煤炭生产、消费、技术和体制革命，加强国际合作，推动行业发展从高强度资源投入型、劳动密集型发展向资源节约型、人才技术密集型和两化深度融合型转变。随着煤矿机械化、信息化和自动化程度的提高，通过持续提高煤矿开采技术装备水平，实现煤矿安全、绿色、高效、智能生产是必然趋势。

(2)保障煤矿安全生产的需要 “减人促安”和“无人则安”被广泛认同，通过提升煤矿机械化、自动化、信息化、智能化水平，可在提高煤炭生产效率的同时显著提升煤矿安全生产水平。为此，国家安全监管总局组织开展了“机械化换人、自动化减人”科技强安专项行动，发布了《关于减少井下作业人数提升煤矿安全保障能力的指导意见》，在煤矿领域重点推动煤(岩)巷掘进机械化自动化、煤矿综采工作面机械化自动化、煤矿井下辅助运输自动化、煤矿生产保障系统智能监测控制，大力提高煤矿生产的“四化”水平，保障煤矿安全生产形势持续稳定好转。

(3)煤矿高端技术装备投入面临困局 当前，煤炭总量控制取得初步成效，市场供大于求的态势有所缓解，企业效益有所好转。但是，我国煤炭产能严重过剩、供大于求的趋势目前没有根本改变，煤炭经济低位运行的态势短期内也较难改变，煤炭市场仍存在较大的不确定和不稳定性因素。煤炭企业在前期经济效益普遍下滑亏损条件下，债务问题严重，资金周转困难，科技投入难以保证，煤矿技术装备的经济性和实用性成为煤炭企业关注的重点。

(4)煤矿智能化技术瓶颈仍待攻克 煤矿智能化技术装备对煤层赋存条件要求相对苛刻，技术装备适应性亟待加强。尽管近年来我国在井工煤矿智能化开发技术装备领域取得较大进展，但仍然存在诸多技术瓶颈尚未攻克。如电牵引采煤机具备了远程控制、温度压力监测和过负荷降速等功能，但在智能调高、自动化控制及可靠性等方面仍存在差距。液压支架在最大高度、工作阻力等方面领先于国外产品，但可靠性和智能化水平仍与国外先进水平存在差距。岩巷掘进机机电一体化程度大幅度提升，但在硬岩截割工况识别、智能判断、截割转速和切深智能调速等方面还与现场需求存在差距。

3 煤矿智能化开发急需突破的核心技术

《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》指出，2030年要实现智能化开采，重点煤矿区基本实现工作面无人化，巷道集中控制，全国煤矿采煤机械化程度达到95%以上，掘进机械化程度达到80%以上。为确保规划目标的实现，有必要针对井工煤矿开采的重点领域和薄弱环节开展技术装备研发。当前急需突破的核心技术主要包括以下几个方面：

(1)信息精准感知技术 地质条件、开采条件、设备状态的精准感知是实现煤矿智能化开发的重要前提[16-17]，重点攻克地质条件超前精细探测、开采条件实时预测与处置、设备位置及姿态精准感知等技术。

(2)设备智能控制技术 工作面设备智能控制是煤矿智能化开发的核心，重点攻克液压支架围岩耦合自适应控制、煤岩界面智能识别、煤岩高效自适应截割、多机协同控制、故障智能诊断处理等技术。

(3)稳定性可靠性技术 装备运行的稳定性和可靠性是煤矿智能化开发的关键，重点研究关键元部件失效模式与故障机理，构建关键部件及系统可靠性评价体系，攻克关键元部件材料和制造工艺，为工作面自动化、智能化和无人化提供可靠保障[18]。

4 结束语

煤矿智能化开发是煤炭工业转型升级发展的必然要求，井工煤矿智能化开发以信息化、数字化、自动化为手段，以无人化开采为目标，必将有力推动煤矿安全高效矿井建设[19]。但目前的智能化开采技术整体上仍处于起步阶段，仅在条件较好的部分矿区得到实现，还达不到严格意义上的智能化开采水平。目前，以信息技术为代表的现代科学技术日新月异，煤矿智能化开发技术装备必须固本拓新，进一步攻克信息精准感知、设备智能控制以及稳定性可靠性等方面的关键技术，全面提升煤矿智能化开发技术装备水平，最终实现煤矿工作面开发无人化。

[1]谢和平，王金华，姜鹏飞，等.煤炭科学开采新理念与技术变革研究[J].中国工程科学，2015，17(9):36-41.

[2]王金华，黄曾华.中国煤矿智能开采科技创新与发展[J].煤炭科学技术，2014，42(9): 1-6，21.

[3]王国法，李占平，张金虎.互联网+大采高工作面智能化升级关键技术[J].煤炭科学技术，2016，44( 7) : 15-21.

[4]申宝宏，雷 毅，刘见中，等.煤炭机械装备国内外技术现状及发展展望[J].煤矿开采，2015，20(1): 1-4.

[5]雷 毅.新形势下煤矿安全科技面临的挑战及对策[J].煤矿开采，2016，21(3)：143-146.

[6]刘志强.矿山竖井掘进机凿井工艺及技术参数[J].煤炭科学技术，2014，42( 12) : 79-83.

[7]王创业，刘 杰.补连塔煤矿2#辅运平硐TBM安全评价研究[J].内蒙古煤炭经济，2016(S2)：15-16.

[8]王焱金，张建广，马 昭.综掘装备技术研究现状及发展趋势[J].煤炭科学技术，2015，43( 11) : 87-90，21.

[9]张忠国.煤巷快速掘进系统的发展趋势与关键技术[J].煤炭科学技术，2016，44( 1) : 55-60.

[10]马端志，王恩鹏，王彪谋.两柱大采高强力放顶煤支架的特点与创新发展[J]. 煤炭科学技术， 2015，43(10):111-115.

[11]王金华，黄乐亭，李首滨，等.综采工作面智能化技术与装备的发展[J]. 煤炭学报，2014,39(8):1418-1423.

[12]黄乐亭,黄曾华,张科学.大采高综采智能化工作面开采关键技术研究[J]. 煤矿开采，2016，21(1):1-6.

[13]张 良，李首滨，黄曾华，等. 煤矿综采工作面无人化开采的内涵与实现[J].煤炭科学技术， 2014，42( 9) : 26-29，51.

[14]田成金.煤炭智能化开采模式和关键技术研究[J].工矿自动化，2016,42(11):28-32.

[15]王洪磊,申 婕,刘 禹.煤矿立井50t提煤箕斗关键技术研究[J]. 煤炭科学技术，2015，43(5):91-94.

[16]葛世荣.智能化采煤装备的关键技术[J].煤炭科学技术，2014，42(9):7-11.

[17]葛世荣，王忠宾，王世博.互联网+采煤机智能化关键技术研究[J].煤炭科学技术，2016，44( 7) : 1-9.

[18]王国法.综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向[J].煤炭科学技术，2014，42( 9) : 30-34，39.

[19]孙继平.煤矿信息化与智能化要求与关键技术[J].煤炭科学技术，2014，42( 9) : 22-25，71.

[责任编辑：李 青]

Present Situation and Development of Underground Mine Intelligent Development Technology in Domestic

LEI Yi

(China Coal Technology & Engineering Group，Beijing 100013，China)

It summarized the newest development of underground mine intelligent development technology equipment since the Twelfth Five-Year Plan period in domestic，and new current situation and challenge that underground mine intelligent development must faced in domestic were analyzed，it put forward continuous progress of underground mine intelligent development technology equipment level should be promoted based on coal technology innovation.At the same time，to important filed and weak link of underground mine intelligent development，sciences and technology demand and development direction of Thirteen Five-Year Plan period and next period were put forward.

underground mine；intelligent；technology development；development direction

2016-10-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.001

“863”计划项目(2012AA06A400)

雷 毅(1979-)，男，四川阆中人，副研究员，从事煤矿开采和煤矿安全相关研究和科技管理工作。

雷 毅.我国井工煤矿智能化开发技术现状及发展[J].煤矿开采，2017，22(2)：01-04.

TD989

A

1006-6225(2017)02-0001-04