薄煤层自动化智能化开采技术探索及应用

文/马成珠

基于三维数字模型的智能化割煤技术是煤炭开采信息化与工业化深度融合的一次变革，为解决长期困扰智能化开采中煤岩无法识别的技术难题提供了有效途径，为采煤工作面智能化发展提供了全新选择

2004年以来，国家能源神东煤炭集团开始探索研发采煤工作面自动化开采技术，先后形成了采煤机记忆割煤、液压支架联动跟机拉架推溜的自动化生产模式，在此基础上，通过在采煤机机身加装摄像头，将采煤工作面视频信息和采煤机、液压支架等主要综采设备操作功能以及主要显示参数等信息外移至运输顺槽集中控制室，形成了可视化远程集中控制干预的生产模式。但采用这两种模式割煤时，一个共同的问题就是采煤机对工作面煤层顶底变化没有识辨调整功能，并且由于电磁干扰等因素对记忆参数产生漂移现象，所以一般只能进行两个循环作业后再由人工参与割一个循环，以此循环往复进行，采煤设备运行还没有摆脱人工直接参与操作。此外，在采用远程集中控制和干预模式进行生产时，由于摄像头在有煤尘、喷雾水的工作面工作，视频图像模糊不清，从而影响了使用效果。

从2018年开始，神东煤炭集团在采煤机记忆割煤、支架自动跟机拉架推溜和可视化远程集中控制干预的自动化开采模式基础上，充分借鉴澳大利亚、德国和美国等发达国家领先的煤炭开采技术，进行新的探索创新，在榆家梁煤矿43101薄煤层长距离综采工作面，探索应用了基于三维数字模型的智能化割煤技术，取得良好应用效果。

一、榆家梁煤矿43101 综采工作面及设备配套基本情况

1.工作面基本情况

工作面煤层开采厚度1.4～1.6m，赋存稳定，无夹矸。工作面设计长度（实体煤）为351.42m，工作面安装液压支架206台。走向起伏角度不大于9°，一般为3°～5°；倾斜方向起伏角度不大于5°。煤巷断面为矩形断面，机头顺槽净尺寸:宽×高=5500mm×2300mm（平均），最低2200mm；机尾顺槽净尺寸:宽×高=5500mm×2500mm（平均），最低2300mm。

2.工作面主要设备配套情况

采煤机选用MG2×200/890-WD1型，采高范围1.3～2.5m，总装机功率为8 9 0 kW。支架选用Z Y920 0-0 9-18D型二柱掩护式液压支架，支护强度为0.9 9～1.0 6 M P a。刮板机选用S GZ 8 0 0/14 0 0 型，装机功率为2×700kW。转载机选用SZZ1000/400型，装机功率为400kW。破碎机选用PLM2000型破碎机，功率为375kW。

二、43101 采煤工作面智能化割煤技术路线和实施方案

1.构建以太环网通讯网络

从运输顺槽监控中心将光缆敷设至工作面机尾，其中，在工作面每6台支架串接1台1000M综合接入器，接入器与接入器之间采用8芯电缆连接，形成一套大流量、高速稳定的1000兆工业以太环网。

目前，工作面以太网通讯技术以千兆综合接入器为基础，形成总体千兆以太环网为主、多个局部以太环网为辅的多种网络结构融合的通讯网络平台。通过搭建此种拓扑结构网络，充分保障了工作面有线网络通讯的顺畅，解决了一个或者多个网络断点情况下，单一环网无法传输断点间网络数据的问题。在此基础上，工作面配置5.8GHz无线基站作为无线接入站点，实现了工作面的无线WiFi信号全覆盖，并且做到了互为冗余，为工作面无线通讯设备提供远距离无线宽带快速接入网络的通讯环境，这套通讯网络为采煤工作面智能化建设起到基础支撑作用。

2.建设设备集中控制系统

在工作面顺槽部署了一个将视频采集，音频传输，网络管理，数据分析、集成、存储以及采煤机、液压支架等主要设备的远程干预控制等功能融为一体的集中控制中心，各控制系统支持Ethernet/IP、Modbus-TCP、Modbus-RTU等通讯协议，满足《神东企业标准-矿山机电设备通信接口和协议》标准，可直接接入集控中心，减少了控制层级，提高了系统的可靠性和实时性。集中控制中心作为智能采煤工作面的“集控大脑”，可实现对工作面状况及设备运行状态监视和远程干预控制。

集中控制中心硬件方面有监控主机3台，PAC控制器1台，矿用本安型显示器6台，分别显示支架视频、煤壁视频、支架监控、泵站监控、采煤机监控、集中监控画面；矿用本安型操作台2个（液压支架远程操作台1个、采煤机操作台1个），矿用本安型网络交换机1台，矿用喊话器1部。软件方面开发了集中控制软件，软件架构由驱动层、实时数据库、数据可视化三大部分组成，每个层次独立设置，可以灵活部署，构建了集中式控制系统。在完成整体合理规划布局、简化布线的同时，还充分考虑使用感受等方面，包括外观视觉、工人操作便捷等细节，体现人性化设计。

3. 巡检机构激光扫描和惯性导航技术

在43101采煤工作面布置了一台巡检机器人。机器人在刮板运输机电缆槽的轨道上行走，以电池供电驱动行走机构实现快速移动，最大巡检速度为60m/min，10分钟内可完成全工作面激光扫描。在巡检机器人上搭载了高精度激光扫描器和Lasc惯性导航系统，巡检机器人行走时，利用激光扫描器可实时对工作面采场工况进行三维扫描，获得工作面煤层顶底板煤岩分界线数据，利用惯性导航系统可实时检测工作面刮板运输机的直线度数据，然后巡检机器人通过无线通讯局部网络和1000兆工业以太环网将这些数据准确、快速传输至集控中心，为自主智能化割煤提供基础数据。

4.基于惯性导航Lasc的工作面自动找直

集控中心将巡检机器人上搭载的惯性导航Lasc系统发来的数据发给支架控制主机，然后支架控制主机下发给支架控制器，控制器会根据收到的数据在割下一刀煤时，通过对每个支架推移行程单独闭环控制来实现工作面自动找直（误差±500mm以内），满足了自动化开采模式下综采工作面自动连续推进的要求。

5.构建远程监控系统

工作面安装了适应薄煤层特点的高清晰度的微型摄像仪，工作面每隔3架安装1台朝煤壁方向、每隔6架安装1台朝刮板运输机的固定视频系统，做到了工作面视频全覆盖。巡检机器人上还安装了可见光高清摄像头、红外热成像摄像仪和拾音器等设备。形成了以微型摄像仪为固定监控方式、以巡检机器人摄像仪和拾音器为移动监控方式的工作面视频音频监控体系。其中，巡检机器人搭载的可见光高清摄像仪、红外热成像摄像仪和拾音器，不仅对固定视频监控盲区进行监控，同时能够识别工作面设备异常发热和异响等问题。所有视频音频监控信号均通过工作面工业以太网络系统实时上传至顺槽集控中心和地面服务器，操作人员在顺槽集控中心实现割煤过程的实时监控，实现了代人巡查功能。该系统实现了对工作面生产状况、设备运行情况的全景监控，保证了集控中心工作人员能够及时发现、干预工作面异常状况。

6.构建具有绝对坐标的初始透明工作面数字模型

工作面生产前，将采煤工作面两顺槽揭露的煤层顶底板煤岩分界线标高数据，从回风顺槽超前工作面40～50m处平行于工作面向运输顺槽打定向钻孔或采用物探的方法勘探待开采煤层顶底板煤岩分界线数据，以及在生产过程中每个圆班测得的工作面煤层顶底板煤岩分界线数据，均导入集控中心的地理信息系统（GIS）中，构建出初始透明工作面数字模型，利用机头1号支架安装的高精度三维激光扫描器，扫描6号支架和运输顺槽中由全站仪确定的地理坐标导向点，利用机尾206架固定安装的高精度三维激光扫描器，扫描200号支架和回风顺槽中由全站仪确定的地理坐标导向点，并经以太环网将地理坐标数据传至集控中心，再由集控中心将地理坐标数据与初始透明工作面数字模型集成，构建成具有绝对坐标的初始透明工作面数字模型，实现了将待开采煤层由“不可知”的实体转变为一系列的三维空间坐标数据，并将其保存到集控中心地质模型库中。

7.构建具有绝对坐标的实时动态透明工作面数字模型

利用工作面巡检机构搭载的激光扫描器对全工作面进行扫描，将获得的煤层顶底板煤岩分界线数据和安装在液压支架和刮板运输机溜槽上的UWB雷达传感器探测的煤层厚度数据，通过以太环网传输至集控中心，集控中心对初始透明工作面数字模型进行修正和更新，生成具有绝对坐标的实时动态透明工作面数字模型（精度为100mm），为智能化割煤提供基础数据。

8.基于煤机滚筒智能调高的数字化割煤

集控中心在根据其生成的实时动态透明工作面数字模型，获取每个截割位置的顶底板数据基础上，结合巡检机构上Lasc惯性导航系统实时检测的刮板运输机的直线度数据和采煤机上Lasc惯性导航系统实时确定的采煤机动态位置、姿态等关键数据，再通过优化算法，给出采煤机左右滚筒智能调整曲线和液压支架直线度控制策略，实现了智能割煤和跟机自动移架推溜，从而实现综采工作面自动化生产的目的。

三、智能化采煤技术应用效果分析

神东煤炭集团在榆家梁煤矿43101薄煤层综采工作面，对基于三维数字模型的数字化自主智能割煤技术，经过一年多的探索研究取得了一定成效，主要有以下几个方面。

一是该技术解决了长期困扰智能化开采煤岩无法识别的难题，通过预知煤层变化趋势，识别出工作面当前精确坐标信息，实现沿煤层的自主割煤。

二是原先采煤工作面正常生产时，需要2名采煤机司机和2名支架工同时作业，现在只需在远离采煤工作面的进风顺槽监控中心，分别由1名采煤机司机和1名支架工进行可视化监控和远程干预操作，在工作面只有1人进行巡视作业。生产班人数由10人减为6人，直接生产工效提升了15.08%。

三是自主割煤和远程干预技术的应用，工作面没有了直接操作人员，实现了“无人跟机，有人巡视”，将员工从薄煤层工作面空间受限爬行作业困难、粉尘及噪音危害大的艰苦环境中彻底解放出来，从源头上保障了安全。

四、智能化采煤工作面存在的不足

一是由于技术和工艺原因，使用定向钻机超前探测的工作面煤层顶底板标高数据和激光扫描机器人扫描的采煤工作面煤层顶底板标高数据，与实际值还有误差，智能化控制系统集控中心还不能精准控制采煤机进行割煤，还需人工进行远程干预。

二是巡检机构还未实现自主跟机，需要人员远程操作，还需要进一步研究防撞和精确定位技术。

三是综采设备性能的可靠性、稳定性与自动化水平还不匹配，特别是国产设备的可靠性和稳定性仍有待提升。如：设备材料质量不过关，容易变形，紧固件容易松动甚至发生断裂，这些都是制约智能生产连续性的重要因素。

五、结论

神东煤炭集团通过对智能化开采技术的研究和实践，应用采煤机基于三维数字模型的智能化割煤技术，取得了一系列的技术突破，探索出一条全新的智能化割煤工艺和路线。该项技术是煤炭开采信息化与工业化深度融合的一次变革，为解决长期困扰智能化开采中煤岩无法识别的技术难题提供了有效途径，为采煤工作面智能化发展提供了全新选择，为实现真正意义上的智能化工作面迈出了坚实的一步。当然，还有一些需要迫切解决的技术问题，如需要进一步在传感、控制、物联网和开采智能机器人等方面加大研发投入，以适应复杂地质条件下的智能化开采。

总之，这套智能化割煤技术方案在原理上是可行的，只要通过不断进行技术和工艺优化，逐一解决存在的问题，就能不断提升智能化应用水平。