厚煤层大采高智能化综采工作面关键技术研究与应用

孙延斌，陈宝东，吴 涛，王百晓

(枣矿集团付村煤业有限公司，山东 枣庄 277615)

当前，安全、智能、绿色、高效是我国煤矿发展的大趋势[1]。综采工作面作为整个煤炭开采系统中的重中之重，其设备选型、工艺技术等方面相较于其他环节更为复杂，同时，综采工作面各系统关联性差、信息透明度低、作业人员多且杂等诸多问题已成为制约煤炭资源安全高效开采的瓶颈。随着智能化与信息技术的迅猛发展，加快推动建立智能化综采工作面，引进装备智能化、自动化控制技术，实现工作面采场信息的全方位感知与动态预测预报、各工艺设备工作群实时监测与协同控制，是煤炭企业面临工业技术革新的必然选择[2，3]。

1995年，冯夏庭和王泳嘉指出煤矿智能化开采是21世纪我国采矿科学发展的新方向，并从矿山控制系统、智能采矿岩石力学模型、智能矿山机器人三个方面探讨了煤矿智能化开采的发展方向[4，5]，煤矿智能化开采开始在我国受到关注。进入21世纪后，以数字化、网络化、智能化为标志的第四次工业革命为煤炭开发探索出了新技术、新模式[6，7]。王国法院士等总结了我国现代煤炭资源开采现状及智能化发展进程，进一步明确了煤矿智能化开采的概念与内容，详细阐述了其关键理论、技术、装备[8-11]，并对煤矿智能开采的目标及发展路径进行了预计[12]。袁亮院士等提出了煤矿精准开采理念，认为智能化是实现煤矿高效开采与灾害防控的关键技术[13-15]。李梅等[16]阐述了当前数字矿山建设的主要内容，提出了智慧矿山的技术框架，并围绕安全、管理、效益等方面探讨了智慧矿山建设涉及的关键技术，对智慧矿山建设具有重要指导意义。任怀伟等[17-18]针对大采高工作面的开采过程控制需求，开展了超大采高工作面智能化控制技术研究，实现了各系统间的互补与校正，并在兖矿集团有限公司金鸡滩煤矿成功应用。黄陵矿业经过多年产学研技术攻关，成功将智能化开采研究成果推广至矿山生产活动，实现了煤炭资源的智能化开采[19]，在我国煤炭开采史上具有划时代的意义。

目前，国内外对于智慧矿山的探索仍处于初级阶段，综采工作面生产过程仍是人为主导，期间反复进行人工判断在一定程度上阻碍了生产过程的连续性，制约了生产效率，且装备的生产能力未能得到充分的发挥。鉴于此，本文以付村煤矿为工程背景，依据付村煤矿3上煤层赋存环境与开采条件，开展了厚煤层大采高智能化综采工作面关键技术研究。

1 智能化工作面概况

付村煤矿位于山东省枣庄市微山县境内，核定生产能力为270万t/a，井田面积约为24.91 km2，井田内主采煤层为3#煤层，赋存条件简单，煤层厚度较稳定，平均煤厚约5.7 m。3上1008工作面位于东十采区南部，采区面积179722.8 m2，主采煤层3上煤层，煤层底板标高-498.6～-536.5 m，平均煤厚约5.36 m，工作面可采走向长度750 m，倾斜长度238.4 m，煤层倾角0～6°。

3上1008智能化综采工作面基本顶为厚度9.8 m灰白色中粒砂岩，f=6～8，直接顶为厚度5 m深灰色致密状粉砂岩，f=4～6，直接底为厚度0.45 m黑灰色砂质泥岩，f=3～4，基本底为4.67 m深灰色粉砂岩，f=4～6。

付村煤矿现有采高最大的液压支架为ZY6400/25/53型再制造支架，该支架服务时长已达10 a，若该支架在东十采区3上1008工作面继续使用，该工作面造成34万t煤炭资源损失，不仅造成巨大的经济损失，同时，老旧设备的高额维修费用将极大增加开采成本。

2 厚煤层大采高智能液压支架关键技术

2.1 大采高液压支架智能化电控系统

在改善支护效果、提高工作面自动化程度等方面，综采工作面液压支架电液控制系统具有手动液压控制支架其无法比拟的优点。为实现电控系统常态化的需求，3上1008智能化工作面采用ZY9000/27/60型掩护式液压支架，搭载新型电控系统，其单元结构采用控制器与驱动器分离的设计，如图1所示，选用ZDYZ-Z(A)型控制器，保留红外、压力、位移及倾角等基础传感器采集接口，另预留一路传感器总线接口，用于扩展传感器采集装置，由于煤矿综采自动化工作面监测与控制数据传输速度理论峰值在10 kb/s，选取CAN作为液压支架电控系统总线通信技术。控制器内置无线通信模块，与安装在液压支架顶梁、护帮板及采煤机机身上的无线传感器维持正常无线通信，结合定位距离、功耗与无线通信的要求，采用Zigbee无线通信技术，实现了无线遥控、人员定位及无线通信。通过井下实际应用，该智能化电控系统满足了智能化工作面电控常态化的要求。

图1 电控系统网络网格构成Fig.1 Electric control system network grid structure diagram

2.2 大采高液压支架在线压力监测系统

针对工作面液压支架压力监测数据采集传输无法满足实时性要求，3上1008工作面采用分布式压力动态监测系统，系统设计每架液压支架布置安装一台ZDYZ-Z(A)型控制器与至少3个传感器，包括压力传感器，推移传感器与红外传感器等，另每隔8架安装一组3个倾角传感器，如图2所示，每架液压支架安装的传感器通过4芯线与本架的控制器连接，压力传感器将采集到的工作面压力模拟电流变化，经ZDYZ-Z(A)型控制器中A/D转换器转化为压力信号，通过CAN总线通信技术与井下集控中心计算机进行直接通讯，井下工作面集控中心主机将初步处理后的数据存储至本地数据库，同时通过光纤以太网将井下采集的实时数据传输至井上调度室主机，如图3所示。通过井下实际应用，该系统实现了对液压支架工况压力的实时监测。

图2 大采高液压支架传感器配置Fig.2 Sensor configuration diagram of large mining high hydraulic support

图3 压力监测系统通信链路Fig.3 Communication link diagram of pressure monitoring system

2.3 大采高液压支架智能跟机移架姿态控制技术

以往综采工作面液压支架跟机移架自动化控制往往依赖单一的时间参数，存在咬架丢架、立柱支撑力不足等问题，影响跟机自动化应用。3上1008综采工作面在支架自动移架时引入姿态控制，设计每隔八架安装一组3个倾角传感器，实时采集支架倾角、俯仰采支架姿态以及支架支护高度等数据，在支架立柱降柱卸压与升柱初撑阶段，平衡千斤顶根据支架顶梁的俯仰角度实时调整伸收状态，使支架顶梁的角度始终处于设定的范围内，支架控制器根据倾角传感器反馈角度计算出支架的高度，当支撑高度超过允许的最大支撑高度时，支架控制器会进行自动调整，同时侧护板千斤顶根据支架底座的横滚角实时调整伸收状态，防止处于倾斜状态的支架在移架过程中发生咬架，姿态监控参数见表1，3上1008工作面采用采煤工艺升级支架控制嵌入式软件，增加端头斜切功能，完善跟机算法最终实现全工作面常态化自动跟机功能。通过现场实际应用，该技术保证了单架自动降-移-升时间在10 s内，3架同时移架总时间在27 s内，满足了液压支架跟机自动化控制，实现了对液压支架的闭路控制。

表1 大采高液压支架姿态监控Table 1 Attitude monitoring of hydraulic support for large mining height

3 厚煤层工作面采煤机智能化控制技术

3.1 采煤机机载智能化控制技术

目前国内采煤机控制主要停留在人工现场操作阶段，由于现场环境复杂多变，操作人员很难及时准确判断采煤机的工作状态，为实现对采煤机的工况监测与定姿定位，设计3上1008综采工作面采用基于DSP控制器与CAN总线技术的电牵引采煤机专用控制装置，该装置由多个智能功能模块、多总线控制通信网、传感监测系统与人工显示操作接口构成，主要功能模块均以TMS320系列高性能DSP控制器为核心，该系列DSP控制器CPU采用超级哈佛结构，集成了诸如高级事件管理器、高速多通道模数转换器、CAN总线控制器、SPI总线和SCI通信接口等多个模块，各模块硬件大量采用可编程逻辑器件CPLD，利用高度灵活的可编程器件简化电路设计，将部分控制逻辑以硬件电路的形式在CPLD中实现，红外传感监测器根据采煤机的结构特点安装分布在采煤机不同位置，实时采集采煤机左右摇臂高度、采煤机行走位置、机身倾斜度等工况信息，在现有采煤机必备电缆的基础上，增加2芯的总线通信电缆，将两条完全独立的CAN线通道作为重要模块之间的控制通信网，实现了与工作巷集控中心甚至地面调度中心的直接通讯。

3.2 大采高工作面采煤机自动割煤技术

“记忆截割”技术来源自机器人控制方面的“示教跟踪”策略，目前大采高工作面的采煤机机载控制系统的采样频率已高达亿万级，庞大的数据无法完整记录分析[20]。针对上述问题，将3上1008工作面采煤机截割路径记忆点分为常规记忆点与关键记忆点。设置常规记忆点采集间距为1 m，整个综采工作面共设置248个记忆点，以记录采煤机整个工作过程中的设备状态，当采煤机接收来自外部的控制命令而改变自身工作状态与姿态时，将该点设置为关键记忆点。采煤机操作人员控制采煤机根据煤层变化调节滚筒高度，并结合液压支架移架速度及刮板机负载能力调整采煤机牵引速度，完成一个割煤循环。在此过程中，采煤机的控制器将记录采煤机行程位置、牵引速度、姿态角度与滚筒高度等工况信息，并对监测数据进行整理分析并压缩存储。为更好地执行记忆截割，系统预留14个工艺段，如图4所示，系统默认采煤机记忆学习为第一个工艺段，当司机改变采煤机牵引方向，系统会增加一个工艺段(工艺段序号自动+1)，当完成一个割煤循环，系统自动结束记忆学习，以自由曲线的模式将采煤机截割循环作业工艺过程完成地记忆下来，并在自动模式下复刻截割过程。通过现场实际应用，3上1008工作面采煤机最高牵引割煤速度可达12 m/min，滚筒截割高度的稳态重复误差不大于4 cm，实现了智能化工作面采煤机的自适应循环作业。

图4 采煤机记忆截割工艺段划分Fig.4 Section division diagram of coal mining machine memory cutting process

4 智能化工作面其他关键技术与工业应用

4.1 智能化工作面设备集成控制

智能化工作面设备集成控制系统用于实现在工作面巷道的监控中心对综采设备进行统一自动化控制，并通过井下环网与地面调度中心通讯，做到地面对综采工作面的远程监控。3上1008智能化工作面基于智能化开采集控配套设计理念，建立了由智能化工作面、井下工作面监控中心与地面调度中心构成的三级控制框架，从而确保各设备协调、连续、高效、安全运行，如图5所示，达到了智能化工作面减员增效的目的。

图5 工作面巷道集控系统示意Fig.5 Schematic diagram of entry centralized control system

4.2 可视化远程协同控制技术

为实现工作面主要综采设备视频监控以及工作面视频辅助自动化跟机的目的，在3上1008工作面安装一套视频监控系统，如图6所示，工作面每6架安装一台枪机摄像头，139台支架共需安装23个枪机摄像头，实现了在高粉尘、高水雾、光线差的情况下面向煤壁监控采煤机前后滚筒截割状态、支架护帮伸收及煤壁状态。同时，为了实现工作面远景监测，在工作面支架上每隔23架安装一个球机摄像头，以充分监测采煤机实时工况和工作面直线度。

图6 工作面视频监控系统Fig.6 Working face video surveillance system

3上1008智能化工作面集控系统对工作面各系统进程与采煤机位置信息进行匹配，对采煤机控制系统、液压支架电液控制系统、转载机控制系统、带式输送机控制系统、泵站控制系统等综采工作面子系统进行集中监控，通过自动化集控平台将各子系统进行融合，并搭配工作面视频监视系统，实现全工作面的综采设备在工作面集控中心与地面调度中心一键启停操控，建立了“可视化远程协同控制”的智能化生产模式。

4.3 智能化综采工作面云平台关键技术

3上1008智能化综采工作面云平台设计是面向全国区域的综采自动化工作面，其整体框架部署构成如图6所示。在付村煤矿现有工业以太网的基础上，利用云计算、物联网、移动互联技术，将综采自动化工作面支架、采煤机、刮板运输机、转载、破碎、胶带、泵站等设备工况信息、生产过程信息、环境信息等生产现场动态实时发布到云端、PC端、移动终端及智能电视，如图7所示，对煤炭企业管理人员随时随地了解自动化工作面现场动态及设备厂家远程故障诊断与分析有着积极的意义。

图7 Web云平台系统架构Fig.7 Web cloud platform system architecture diagram

4.4 工业应用

自2017年11月以来，厚煤层大采高智能化综采工作面关键技术在枣矿集团付村煤矿3上1008工作面进行实施应用，该工作面创新性使用“二八”制劳动组织模式，取消了夜班生产，工作面生产班人员数量由的12人减少为5人巡视检查，减员率达50%以上。日采煤6000 t，技术应用效果显著，实现了6 m厚煤层综采工作面复杂条件下的自动化、少人化的常态开采目标。

5 结 论

1)枣矿集团付村煤矿综合考虑安全、经济、资源回收等多方面因素，提出在3上1008综采工作面建立了厚煤层大采高智能化工作面的构想，并在现场取得了成功实践，资源回收率提升98%，大幅减小工作面作业人员，达到了减员增效的开采目的，并为厚煤层大采高智能化生产系统的发展提供示范基础与指导意义。

2)3上1008工作面采用ZY9000/27/60型掩护式液压支架，搭载新型电控系统，增加多种红外、位移、压力及倾角传感器，实时采集支架倾角、俯仰采支架姿态、支架高度以及支架立柱压力等工况信息，基于支架立柱压力数据、推移量数据、采煤机位置等数据，自动调整液压支架跟机姿态，并增加端头斜切功能，完善跟机算法最终实现全工作面常态化自动跟机功能。通过现场实际应用，该技术保证了单架自动降-移-升时间在10 s以内，3架同时移架总时间不超过27 s内，满足了液压支架跟机自动化控制，实现了对液压支架的闭路控制。

3)采用基于红外传感器与轴编码装置两种煤机位置检测技术相融合的方式，实现了工作面复杂环境下煤机位置的连续输出，通过对采煤机位置、支架位移、支架高度与采煤机滚筒高度等工况信息的综合研判与远程自动干涉，实现了采煤机记忆截割作业，经现场实际应用，3上1008工作面采煤机最高牵引割煤速度可达12 m/min，滚筒截割高度的稳态重复误差小于4 cm，实现了智能化工作面采煤机的自适应循环作业。

4)3上1008工作面集成了液压支架电控系统、采煤机自动化系统、工作面视频辅助系统与工作面集控自动化系统，在地面与井下实现一键自动化顺序启停、液压支架的远程与自动化控制、采煤机的远程与自动化控制、视频辅助干预与自动跟随等核心功能。通过自动化的实施，该工作面开采效率显著提高，现场施工人员的劳动强度大大减少，正常生产人员由12人减少至5人，为付煤公司在取消夜班生产的基础上，实现“朝九晚五、周末集休”的目标创造了条件，极大提高了煤矿工人的幸福指数。