煤炭智能化無人開采的現狀與展望

李首濱

(北京天地瑪珂電液控制系統有限公司，北京市朝陽區，100013)

1 引言

進入21世紀后，我國煤炭開采技術及裝備發展迅速，綜采工作面生產先后經歷了機械化和自動化這2個階段，目前正處于朝智能化開采轉型時期。技術與裝備的發展為開采效率與產量帶來了巨大提升，同時創造了良好的社會與經濟效益。但近年來，隨著經濟與社會的發展，人們對綠色、清潔能源的呼聲日益提高，結合長期以來對煤礦安全生產的迫切需求，研究安全智能、綠色高效的開采技術勢在必行，煤炭開采必須由勞動密集型升級為技術密集型產業，發展智能、無人、安全的煤炭開采道路。如何將智能化的技術與裝備應用到煤炭開采中以實現生產過程的智能化、無人化與高效化，已經成為擺在每位煤炭科技從業者面前的一項重要課題。

國際上對煤炭智能化開采技術的研究始于20世紀90年代，德國、美國、澳大利亞等都先后提出了自己的技術方案，其思路均是依賴工業自動化基礎，結合遠程可視化監控，實現對煤機、支架等裝備的控制。1990年，德國推出綜采電液控制自動化系統，其特點是裝備程序化控制。2000年之后，隨著計算機與網絡技術的進步，澳大利亞聯邦科學與工業組織(CSIRO)開發了以設備定位技術為核心的LASC長壁自動化系統，美國JOY公司推出了以實現地面遠程監控為目標的虛擬采礦方案，而德國艾柯夫公司著力于智能化煤機的研發，聚焦于提供具有防碰撞、智能控制、截割模版等高級功能的智能煤機裝備以及相關行業方案。

我國對煤炭智能化開采技術及裝備的研究起步較晚，2007年才研制出首套國產電液控制系統，實現了對國外進口產品的替代，奠定了綜采自動化系統國產化的基礎。近10年來，我國加大了投入力度，在“863項目”、“973計劃”及智能制造專項支持下，我國的煤炭智能化開采技術取得了突飛猛進的進展，實現了“液壓支架電液控制系統、采煤機記憶截割與可視化遠程干預控制”相結合的智能化無人開采技術模式，攻克了液壓支架自適應控制、工作面“三機”協調聯動、自動化放煤等關鍵技術難題，建設了以陜西陜煤黃陵礦業有限公司黃陵一號煤礦(以下簡稱黃陵一礦)為代表的一系列智能化開采示范項目。截至目前，“綜采自動化與可視化遠程干預”的智能化無人開采模式在國內已經基本成型，正在全國范圍內由簡單地質條件向復雜地質條件下推廣應用，而針對煤炭智能自適應開采模式的真正無人化開采技術研究也在積極推進中。

2 國外煤炭智能化無人開采技術發展狀況

在煤炭智能化開采技術方面，澳大利亞、美國與德國處于國際領先地位，主流思路是通過地質鉆探資料結合掘進數據形成基礎地質條件數據，以此規劃掘進與工作面開采過程，實現煤炭智能化開采。

2.1 LASC技術

澳大利亞綜采長壁工作面自動控制委員會(Longwall Automation Steering Committee，簡稱LASC)開展了煤礦綜采自動化與智能化技術的研究，將高精度光纖陀螺儀與定制導航定位算法應用于工作面裝備的定位與控制，取得了3項主要成果，即采煤機三維精確定位(誤差小于10 cm)、工作面校直(誤差小于50 cm)與工作面水平控制，創建了工作面自動化系統原型，同時增加了采煤機自動控制、煤流負載均衡、巷道集中監控等功能，該研究在澳大利亞應用狀況良好。LASC智能化開采技術的發展與應用情況如圖1所示。

圖1 LASC智能化開采技術發展與應用情況

在LASC技術中，開采前通過鉆探與掘進數據獲知工作面煤層的賦存狀態，采用陀螺儀獲知采煤機的三維空間坐標，二者結合實現工作面的全自動化割煤。LASC核心技術包括采煤機三維空間定位、工作面自動找直、工作面水平控制、煤機滾筒自動調高、三維可視化遠程監控等。北京天地瑪珂電液控制系統有限公司與澳大利亞聯邦科學院積極合作，成功為我國引進了LASC技術，從而全面提高了我國智能化開采技術水平。

國外煤礦通過應用LASC系統，礦井產量提高了5%～25%，有效降低了開采人員暴露在危險工作環境的時長，顯著提高了礦井安全水平。同時也穩定了煤炭產量波動，實現了均衡生產。

2.2 IMSC技術

美國JOY公司推出了一種名為煤炭智能開采服務中心的長壁工作面遠程智能控制系統，能夠實時監控井下裝備的運行狀態，根據工作面的預警和故障信息，通過電話或郵件及時通知開采人員進行處理。煤炭智能開采服務中心每日、周、月和季度向煤礦提交運行分析報告，指導煤礦提高運行管理水平，合理安排設備檢修。比如，澳大利亞布里斯班的Anglo礦業公司在其總部中設置調度室，能夠對所轄礦井進行實時監控，并通過數據監測分析系統地分析設備的運行狀態，給予礦井生產指導，在提高產能的同時獲得取更多的經濟效益。

3 國內煤炭智能化無人開采技術進展

“十二五”期間，我國加大了煤炭智能化開采技術的研發力度，取得了一系列突破性進展，引領了煤炭智能化無人開采的方向。以智能控制軟件為核心，通過采煤機記憶截割、液壓支架跟機自動化與可視化遠程干預，實現了開采人員在地面或巷道監控中心內對綜采裝備的遠程智能監控，確保開采工藝中割煤、推溜、移架、運輸、降塵等操作智能化運行，實現了工作面連續、安全高效開采，為煤炭智能化無人開采技術指明了當下一條確實可行之路。

3.1 采煤機記憶截割技術

通過在采煤機牽引部安裝位置傳感器，在控制器中利用位移信息計算采煤機位置，實現了采煤機精確定位。研發出了符合煤礦實際生產工序的采煤機記憶截割程序，有效解決了回刀掃煤不徹底、三角煤截割與端頭支架自動跟機拉架、推溜等問題，實現了采煤機在工作面內自動記憶截割。

3.2 液壓支架跟機自動化技術

在采煤機上安裝紅外線發射器發射數字信號，每臺支架上均安裝一個紅外線接收器，用以接收來自煤機紅外線發射器的數字信息，以此來檢測煤機位置與方向信息，根據現場不同環境條件對應的采煤工藝，開發液壓支架自動跟機軟件?？刂葡到y識別采煤機位置與方向信息，實現工作面液壓支架跟隨采煤機作業的自動化控制功能，包括跟機自動移架、自動推溜、跟機噴霧自動化功能，從而完成液壓支架動作與采煤機運行位置動態匹配，實現工作面液壓支架與刮板輸送機跟隨采煤機自動化運行。通過分析端頭支架與轉載機的動作邏輯與時間差異，優化控制程序，實現了端頭支架與轉載機連鎖自移程序化控制。

3.3 煤流負荷反饋采煤控制技術

我國自主研發了“高壓變頻器、高壓電機、摩擦限矩陣與行星減速器”相結合驅動的刮板輸送機，配套開發了專用智能控制系統，實現了跟隨煤流負荷大小自動調節刮板輸送機速度，具備了智能啟動、煤量檢測與智能調速、鏈條自動張緊控制、遠程監控與功率協調等功能?？筛鶕崟r檢測到的刮板輸送機煤流負載，利用變頻器控制技術自動協調工作面采、裝、運的運行。

3.4 遠程控制技術

我國成功發明了地面遠程干預型綜采控制系統，包括綜采裝備控制系統、工作面視頻監視系統、井上井下數據通訊系統與地面監控系統。地面監控系統包括遠程控制系統、地面語音系統；綜采裝備控制系統安裝于井下綜采工作面；綜采裝備信息及監視視頻圖像信息通過井下數據通訊系統經由井上井下環網傳輸到地面監控系統中，地面監控系統據此對井下綜采裝備進行控制，包括啟停控制、運行狀態監測、自動化開采、遠程干預、故障診斷及報警、歷史數據分析等。該系統有效地將井下監控中心功能轉移至地面，極大地提高了開采人員的安全性。地面遠程干預型綜采控制系統結構如圖2所示。

4 兩種煤炭智能化無人開采技術模式

通過國外和國內煤炭智能化開采技術的發展狀況可以看出，國外和國內都在理論與實踐領域進行了大量的探索與嘗試，其目標均是將開采工人從危險的工作面甚至是井下環境解放出來，并且保證開采過程的安全與高效。根據所采用技術策略與路線的差異，煤炭智能化無人開采可被總結歸納為兩種模式：一種是工作面綜采自動化結合遠程可視化干預的技術模式；另一種是智能自適應開采的技術模式。煤炭智能化無人開采的兩種技術路線如圖3所示。

4.1 工作面綜采自動化結合遠程可視化干預技術模式

工作面綜采自動化結合遠程可視化干預的技術模式依賴于成套裝備及自動化技術。通過傳感設備采集工作面數據，在此基礎上采取半自動化結合人工干預的策略，在有限自動化開采條件基礎上，通過工作面場景可視化技術，將工作面環境與裝備的實際狀態迅速、直觀地展現給位于安全位置的遠程開采人員，開采人員根據觀察得到的信息進行決策并對開采過程進行干預。我國目前的絕大多數智能化開采工作面均采用這種技術模式。

圖2 地面遠程干預型綜采控制系統結構

圖3 煤炭智能化無人開采的兩種技術路線

通過廣泛采用工作面綜采自動化結合遠程可視化干預的技術模式，我國的煤炭智能化開采技術水平在控制系統架構、控制方式、響應時間、智能功能、工作面人數與生產效率等主要指標方面都處于國際領先地位，率先實現采煤過程中工作面內無人操作，引領了煤炭智能化開采技術的變革。這種技術模式打破了傳統以單機裝備為主、總體協調的技術思路，構建了以成套裝備總控網絡信息綜合決策為主、單機裝備執行的體系架構。通過將采煤機、液壓支架、刮板輸送機、轉載機、破碎機、帶式輸送機、供電供液系統有機結合起來，構成了一個統一的采煤裝備及控制系統，根據系統控制決策模型分析結果，實現對綜采成套裝備的協調管理與集中控制。

4.2 智能自適應開采技術模式

近年來，隨著物聯網、虛擬現實、人工智能等新型技術的興起，將新型技術應用到煤炭智能化開采中以提升智能與自動化程度成為了一股不可阻擋的趨勢。隨著傳感技術與計算科學技術的發展，一種更加高級的煤炭智能化無人開采理念應運而生——智能自適應開采技術模式。智能自適應開采技術模式依賴于綜采成套裝備及自動化技術，通過感知技術形成對環境、裝備狀態的認知，通過系統集成控制技術達成對執行裝備的操控。在此基礎上，采取“感知-分析-決策-控制”全自動化開采策略，采用機器視覺、多源信息融合與三維物理仿真等技術對所采集數據進行智能分析，使系統能夠自主認知并理解工作面環境與裝備的實際狀態，在此基礎之上通過采煤機滾筒自適應調高、直線度控制與“上竄下滑”控制等智能決策控制技術進行開采決策與執行控制，從而實現真正的煤炭全自動化開采。

遠程可視化干預技術模式是感知與計算能力受限條件下的產物，可以被視為是向智能自適應開采模式發展過程中的過渡階段，正是由于傳感、分析與決策計算技術手段的限制，導致無法采集到自主開采分析與決策計算所需的數據，或是因缺乏有力的計算方法導致無法基于所采集到的數據進行有效地分析和決策，從而無法形成自主的“感知-分析-決策-控制”閉環，因而需要人工干預開采的決策與操作。而隨著物聯網與人工智能技術的發展，煤炭智能化無人開采技術必定會朝著“傳感器替換眼睛”、“電腦替代人腦”的智能自適應開采方向進步；兩種技術模式最大的區別就是智能自適應開采模式采用更多的傳感、智能分析與決策手段，從而替代了操作人員的“眼”與“腦”。

5 我國煤炭智能化無人開采實踐

自2000年以來，我國就開始了煤炭智能化開采的實踐工作，“十二五”期間，隨著我國在煤炭智能化開采技術方面加大對研發投入力度，取得了突破性進展，在國際上引領了煤炭工業智能化開采的方向。煤炭智能化開采先后在神東煤炭集團、寧夏煤業集團、中煤集團、陜西煤業化工集團、同煤集團、陽泉煤業集團、中國平煤神馬集團、晉煤集團、冀中能源集團等40多個礦區進行了試驗與生產。下面就一些具有代表性的智能化工作面進行簡要介紹。

(1)2014年，黃陵一礦1001工作面率先應用綜采智能控制系統(SAM)實現了智能化開采。該工作面煤層厚度為1.1～2.75 m、平均采高為2.22 m、工作面長度為235 m、走向長度為2280 m。控制系統配套使用液壓支架電液控制系統(SAC型)和采煤機控制系統，實現了“無人操作、一人巡視”可視化遠程干預型智能化開采，達到了“工作面運輸巷監控中心2人可視化遠程干預控制，工作面內1人巡視”常態化運行的效果，月產量達17.03萬t，年生產能力達200萬t以上，生產效率提高了25%，生產作業人員由11人遞減至3人，年節約人工成本700多萬元，安全生產水平獲得較大提升。黃陵一礦井下工作面運輸巷監控中心工作現場如圖4所示。

圖4 黃陵一礦井下工作面運輸巷監控中心

(2)2016年，在山東能源棗礦集團濱湖煤礦16108工作面，通過采用SAC型支架電液控制系統、TDECS采煤機記憶截割系統與工作面視頻監測系統，實現了薄煤層條件下綜采自動化結合遠程可視化干預的智能開采。該工作面煤層厚度為1.25～1.50 m、采高為1.35 m、傾斜長度為139 m、走向長度為953 m。通過將液壓支架電液控制系統、采煤機記憶截割系統、工作面視頻監測系統采集到的數據和影像上傳到位于運輸巷的監控中心，使操作人員能夠在監控中心內實現對工作面支架自動跟機運行、采煤機智能化記憶截割的“一鍵啟、?！币约皩χЪ芎筒擅簷C所有動作的遠程控制，月均生產原煤達10.5萬t，相較于非智能化工作面多出產原煤4.5萬t，工作面生產人員由原來的2名采煤司機跟機操作、6名支架工分段跟機拉架變成1人遠程操控、2人工作面巡視，年節約人工成本達115.2萬元，安全生產水平顯著提高。

(3)2016年，在兗礦集團轉龍灣煤礦23303工作面，首次采用LASC技術研發了設備運行軌跡檢測技術，實現了液壓支架與刮板輸送機自動校直，可在復雜條件下實現工作面自動化生產模式常態化運行。首次研制出具有慣導特性的智能化采煤機，行走位置控制精度為3 cm，滾筒截割高度穩態重復精度為4 cm，實現了全工作面循環的自動化，并且工作面支架、端頭支架、超前支架自動協調控制系統可遙控超前支架。應用了大功率、高可靠、智能化高效工作面成套裝備，首次在3～4 m煤層條件下達到年產千萬噸級的水平。

(4)2017年，在寧夏煤業集團紅柳煤礦(以下簡稱紅柳煤礦)I 010305工作面，通過國產電液控制系統結合LASC系統，實現了綜采工作面直線度控制，達到了紅柳煤礦智能化連續開采。該工作面煤層最大厚度為3.8 m、最小厚度為2.7 m、平均厚度為3.38 m、最大采高為3.8 m、最小采高為2.7 m、傾斜長度為220 m、走向長度為1910 m。采煤機通過SPMS系統實現2～3 cm精度的三維空間定位，參考鉆孔地質勘測與掘進數據實現采煤機截割滾筒高度的自動或遠程人工調整。利用LASC系統進行工作面直線度檢測，檢測精度達到10 cm。通過國產電液控制系統實現了工作面直線度控制，工作面直線度平均偏差小于424 mm。工作面直線度控制與視頻監控、集中控制等技術相結合，形成了跟機自動化采煤的常態化應用，提升了工作面自動化開采水平。煤機截割牽引平均速度達到約為10 m/min，最快速度將近12 m/min，工作面支架工人數量由5人跟機作業減少為1人巡檢作業，工人勞動強度大大降低，工作面安全系數顯著提高。

除了紅柳煤礦外，在寧夏煤業集團的金鳳煤礦、麥垛山煤礦、雙馬煤礦等多地都在推廣應用國產電液控結合LASC系統的智能化開采方式。

6 煤炭智能化無人開采技術展望

6.1 智能自適應無人開采控制模型

目前，盡管進行了大量的理論與實踐的探索，受限于當前技術條件水平，煤炭智能化無人開采的實踐經驗仍然以工作面綜采自動化結合遠程可視化干預這種技術模式為主，對智能自適應開采技術模式的探索尚停留在理論層面，鮮有實際可應用的成果問世。根據多年來對煤炭智能化無人開采技術的持續關注，結合近年來國內外相關技術研究與發展動向，筆者提出了一種智能自適應開采技術模式下的控制模型如圖5所示。

圖5 智能自適應無人開采控制模型

由圖5可知，這種控制模型仍然以綜采成套裝備為執行系統，通過大量工況傳感器感知綜采裝備的工作狀態，以激光掃描、可見光/熱紅外視頻、瓦斯傳感器、隨采物探等多種傳感手段，輔以鉆孔、地質勘探以及掘進數據形成對工作面所處地質環境狀態的感知；將大量的傳感數據匯集存儲到統一的數據倉庫中，通過多源信息融合與三維物理仿真的手段在計算機空間內為工作面建立三維物理模型，使機器認知并理解工作面環境與裝備的實際狀態；在此基礎上，應用機器視覺、三維物理計算等智能化方法有針對性地對煤巖識別、工作面找直、“上竄下滑”測量等關鍵問題進行智能化分析；在分析結果之上，通過人工智能機器學習的方法自主決策制定采煤機截割模版與液壓支架全程自適應跟機計劃；最后，通過系統集成控制技術，將控制指令下發給各綜采裝備控制系統，監控生產開采過程，形成“感知-分析-決策-控制”閉環。

6.2 智能自適應開采的關鍵技術

在智能自適應開采模式下，將引入大量新型的傳感與計算手段，以彌補現有感知與分析計算能力的不足。

(1)三維激光掃描技術。該技術作為近年來在地面勘測與無人駕駛等領域興起的非接觸式測量技術，具有傳統測量手段無法比擬的高效率與高精度，可以被作為井下環境與裝備的三維輪廓感知與定位的重要手段。澳大利亞聯邦科學與工業組織已就這項技術推出其第一代井下三維激光掃描設備——ExScan，該設備可用于井下環境三維激光掃描獲取點云圖像，北京天地瑪珂電液控制系統有限公司已經與澳大利亞聯邦科學與工業組織就ExScan在井下的應用研究展開合作，該項技術將在井下環境建模與定位測量領域扮演至關重要的角色。ExScan實物圖如圖6所示，ExScan井下巷道環境三維激光掃描點云圖像如圖7所示。

圖6 ExScan實物圖

(2)慣性導航結合無線定位的復合導航定位技術。該技術將成為井下無GPS輔助定位環境下綜采裝備定姿定位的主要技術途徑。慣性導航作為主流的定位技術，已經廣泛應用到航空航天、駕駛等眾多領域，但是由于其誤差會隨時間累積的特性，需要其他技術手段輔助校正。由于井下環境GPS信號不可達，而無線定位技術因其存在便于部署與擴展、定位精度高、成本低等特性進入人們的視野當中。毫無疑問，基于慣性導航與無線定位技術相結合的復合導航定位技術必將成為井下裝備定位的主流方案。但在此前，信號干擾、基站移動重定位等核心問題仍待解決。

圖7 ExScan井下巷道環境三維激光掃描點云圖像

(3)UWB地質雷達等隨采物探裝備技術。該技術將廣泛用于開采階段的工作面地質環境感知，以作為指導煤機滾筒截割的重要支撐數據來源。鉆探數據的指導意義與鉆孔數量成正比，但過密的鉆孔又不具有經濟性；而采掘數據只能揭露工作面正幫一側的地質情況，這就造成了生產開采具有一定的盲目性，亟需一種能夠精確感知工作面近程地質構造的技術手段，為開采生產提供可靠的依據，而UWB地質雷達因其結構小巧靈活的井下環境適應性，成為了隨采地質收集裝備的首選。目前北京天地瑪珂電液控制系統有限公司正在研制相關產品并展開井下工業性試驗，有望在隨采物探領域取得突破。

(4)機器人技術。該技術將廣泛應用于井下工作面巡檢與數據采集，以形成重要的感知平臺。目前北京天地瑪珂電液控制系統有限公司正在研制井下工作面軌道式巡檢機器人并展開工業性實驗，該機器人運行在刮板輸送機軌道上，能夠搭載LASC、ExScan、高清/紅外攝像頭、拾音器等多種傳感器，實現工作面快速巡檢采集數據與開采作業跟機兩種模式。該款機器人有望成為薄煤層下智能化無人開采技術的重要核心裝備。

(5)其它技術。三維物理仿真計算方法能夠廣泛用于工作面地質環境建模、截割模板與液壓支架跟機計劃的計算；大量基于人工智能的計算技術也將應用于智能自適應開采模式中，如煤巖識別的重要手段之一就是通過機器視覺分析工作面煤壁高清圖像以獲取煤巖分割線的信息；基于滾筒截割過程中熱紅外圖像的機器視覺分析，能夠為開采過程中滾筒的自適應在線控制提供重要決策依據；而機器學習則能夠被廣泛應用于各種開采操作與故障、事故分析決策場景中。

7 結語

煤炭智能化無人開采是煤炭工業的重大技術變革，是行業升級轉型的重點內容與方向，無論是國家還是行業都給予了高度重視和大力支持，進行了大量的理論與實際的探索與實踐。但在煤炭智能化無人開采技術的實現道路上，仍然存在許多尚未解決的問題：目前的煤炭智能化無人開采仍然處于綜采自動化結合可視化遠程干預的半自動階段；存在科技成果轉化率低、重概念宣傳輕實際應用以及面對各種復雜地質條件適應性差的現象。目前距離真正實現智能化、無人化、常態化應用尚且遙遠，仍須在管理觀念、投入力度、研發團隊建設等多方面下大工夫。但筆者相信，隨著先進制造、傳感、計算科學技術等相關基礎行業的發展，隨著技術條件水平的不斷提高，煤炭智能化無人開采這條使煤礦開采減員提效、綠色安全的必由之路必將實現。