黃陵礦業公司智能化開采核心技術及其應用實踐

唐恩賢

(1.陜西陜煤黃陵礦業有限公司，陜西省延安市，727307；2.應急管理部煤礦智能化開采技術創新中心，陜西省延安市，727307)

能源是人類社會存在發展的基石，是經濟發展和文明進步的基本條件。煤炭作為我國主體能源和重要工業原料，是我國經濟健康發展的重要支撐。然而，由于煤炭埋藏在地層深處，存在開采條件復雜、作業環境惡劣、勞動強度大以及危險系數高等特點，所以煤炭開采一直以來都被人們視為高危行業。幾百年來，一代又一代的煤炭人嘗試通過不斷創新推動煤炭開采技術的進步，以有效解決煤炭安全高效開采的問題。縱觀我國煤炭開采史，煤炭開采技術主要經歷了人力、炮采、普采和綜采4個發展階段，生產方式也由人工向機械化和綜合機械化不斷進步，安全和經濟效益得到了顯著提升。但不可否認的一點是，相對其他行業，煤炭開采仍然存在用人多、勞動強度大、危險性高等方面的劣勢。

20世紀以來，隨著計算機技術、自動控制技術、網絡技術和通信技術的迅猛發展，我國工業自動化技術發展迅速。目前，在新興網絡技術和傳統工業深度融合的新形勢下，各個行業又迎來產業的巨大變革，其中以智能化技術與傳統成套裝備的融合來實現產業轉型升級正成為越來越重要的發展趨勢。煤炭開采業由于安全、環境等因素的影響，對智能技術與裝備的需求尤為迫切。因此，發展以實現無人化開采為目標的智能化開采技術與裝備研發對煤炭開采業的發展具有重要意義。同時，我國煤炭開采技術及裝備也取得重大進步，推動了煤礦安全高效綠色開采技術的發展，建成了一大批綜合機械化和高自動化程度的現代化礦井，生產效率、安全指標和煤炭產量大幅度提高。同時，綜采成套裝備的技術進步是促進煤炭安全高效綠色開采技術發展的引擎；現代自動化、信息化、智能化技術及先進制造技術與煤炭開采技術的深度融合，使煤礦綜采成套裝備實現自動化、智能化、無人化成為可能。

1 煤炭智能化開采實施背景

黃陵礦業公司煤炭資源豐富，煤田總面積為549 km2，地質儲量為13.4億t，可采儲量為9.6億t。現有4對礦井，核定產能為1550萬t/a，主力礦井為一號煤礦和二號煤礦，核定產能分別為600萬t/a和800萬t/a。礦區煤田位于鄂爾多斯盆地南沿，煤油氣共生，開采技術條件復雜，其中3對礦井為高瓦斯礦井。井田煤層賦存穩定，但厚度變化較大。黃陵礦業公司自成立以來，主采煤層厚度基本在2 m以上，較薄煤層資源長期呆滯，成為影響企業安全、高效、可持續發展的突出問題。薄煤層綜采存在工作面空間低狹、操作人員多、跟機作業難、勞動強度大等問題，容易造成安全生產事故或引發職業病。如果沿襲傳統的生產方式，就必須加快工作面推進速度來保障礦井的高效穩產，但這將激化生產和安全的矛盾。因此，為了保證安全生產，促進煤炭資源高效開發利用，在綜合分析礦井地質條件、系統配套、員工素質和管理水平，以及認真調研國內外智能化開采技術現狀和發展趨勢的基礎上，黃陵礦業公司果斷決策，決定開展國產裝備智能化開采技術研究，主要解決以下幾個方面的問題。

(1)解決礦區可持續發展的問題。黃陵礦區薄煤層儲量較多，一號煤礦礦井可采儲量為3.47億t，其中0.8～1.3 m的煤層占總儲量的35%。從礦井建設初期到2013年，0.8～1.8 m的煤炭資源長期呆滯，為了礦井產能的持續穩定，黃陵礦業公司決定實施“薄厚”搭配開采，既可以有效解決較薄煤層長期呆滯問題，又能最大限度開發利用資源，保障礦井可持續發展。

(2)解決煤礦安全生產的問題。黃陵礦區煤、油、氣共生，水、火、瓦斯、煤塵、頂板以及油型氣、油氣井“七害”俱全，加之薄煤層開采存在跟機作業難、勞動強度大、生產環境惡劣等諸多問題，容易造成安全事故或引發職業病。因此，通過智能化開采可以把礦工從艱苦危險的環境和高強度體力勞動中解放出來，實現“無人則安、少人則安”，確保礦井安全生產。

(3)解決企業高效發展的問題。傳統的薄煤層開采技術用人多、效率低、成本高。為此解放思想、超前謀劃、瞄準智能化無人開采技術作為主攻方向勢在必行。從而依靠科技進步，實現煤炭企業高效綠色發展。

(4)解決煤炭企業用人難的問題。隨著人們生活水平的提高，從事高危險、高強度體力勞動意愿降低，人們普遍有改善勞動強度和勞動環境的強烈需求。同時，由于社會對傳統煤礦的認識，嚴重影響煤炭企業用工，招工難度日益增大，倒逼煤炭企業必須依靠機械化、自動化和智能化來解決煤炭企業用人難的問題。

2 煤炭智能化開采技術應用現狀

2.1 智能化開采技術實踐情況

2014-2015年，黃陵礦業公司聯合中煤科工集團等科研單位，先后完成了較薄煤層與中厚煤層智能化無人開采技術的研究與應用，目前已形成“一井兩區兩面智能化開采”的生產格局，首創了地面遠程操控采煤模式，實現了國產綜采成套裝備地面采煤的常態化；2016-2017年，黃陵礦業公司二號煤礦開展了大采高(厚煤層)智能化綜采技術研究，重點攻克了煤壁片幫、底軟拉架、頂板破碎、視頻效果差、煤油氣耦合災害等技術難題，實現了智能化開采技術在厚煤層復雜地質條件下的常態化應用，成果達到國際領先水平；2018年，黃陵礦業公司雙龍煤礦和瑞能煤礦智能化開采推廣應用已全面啟動，已經實現智能化開采技術在較薄煤層、中厚煤層到厚煤層的全覆蓋。黃陵礦業公司智能化綜采工作面現場圖如圖1所示。

2.2 核心技術介紹

2.2.1 關鍵技術應用分析

智能化無人開采技術是指在傳統綜采技術基礎上，采用具有感知能力、記憶能力、學習能力和決策能力的液壓支架、采煤機、刮板輸送機等開采裝備，以自動化控制系統為核心，以可視化遠程監控為手段，實現工作面采煤全過程“無人跟機作業，有人安全巡視”的安全高效開采模式。智能化采煤技術是實現生產過程工作面無人的主要技術手段，關鍵在于采用遠程操控技術控制采煤工藝的全過程，從而實現綜采工作面生產這一隨機動態過程的自動化操控。

圖1 黃陵礦業公司智能化綜采工作面現場圖

采煤機記憶截割技術是目前實現綜采工作面采煤機割煤自動化的一種有效手段，并已取得很大進展，在采煤機較短時段的割煤自動化方面取得了較好效果。但是由于綜采工作面生產過程中地質環境條件等時空條件的隨機性、動態性和不確定性，采煤機在割煤過程中由于煤體截割阻力變化等因素引起的抖動以及工作面底板不平整造成的刮板輸送機不平直等情況影響，均可能造成作為采煤機運行軌道的刮板輸送機軌面起伏不平。在常規綜采工作面采煤機割煤過程中，采煤機司機需要根據工作面頂底板狀況和采煤機運行狀態不斷進行調控操作，以實現工作面的“三直兩平”。當前采煤機記憶截割等自動化控制技術還不具備司機操控所具有的及時調整和適應能力，因此，實際上從采煤工藝過程控制的角度看，目前的采煤機記憶截割等自動化控制技術還難以完全滿足綜采工作面采煤機長時間自動化割煤的要求。

2.2.2 黃陵礦業公司智能化開采技術路徑

以往智能化綜采工作面采煤工藝過程操作是將液壓支架電液控的控制器延伸到監控中心來，實現基本的單架控制、成組控制以及跟機控制；綜采工作面生產過程中的關鍵設備——采煤機的自動化操控則主要由記憶截割實現。從綜采工作面采煤工藝過程分析可以看出，要實現綜采工作面智能化采煤工藝過程的常態化，其關鍵是必須要有與采煤工藝這一隨機動態過程相適應的技術。黃陵礦業公司“可視化遠程干預型”智能化開采技術，是通過智能化控制軟件和工作面高速以太環網將采煤機控制系統、支架電液控制系統、工作面運輸控制系統、三機控制系統、泵站控制系統及供電系統有機融合，輔以工作面煤壁和液壓支架高清晰視頻系統，實現對綜合機械化采煤工作面設備的協調管理與集中控制的。其主要目標是實現工作面液壓支架電液控制系統跟機自動化與遠程人工干預控制、采煤機記憶截割與遠程人工干預控制技術相結合的自動化采煤工作模式。該系統可以在順槽或地面指揮控制中心對采煤機工況和液壓支架工況監測與遠程集中控制，實時監控工作面綜采設備運行工況和煤壁及頂底板的空間狀況。當設備運行異常或工作面空間形態異常時，可以在指揮控制中心通過遠程人工干預手段對設備進行遠程調控，如采煤機搖臂調整、液壓支架動作調整等。

需要強調的是工作面煤壁和支架高清晰視頻系統及高速以太網信息平臺是實現人工遠程調控工作面采煤機和液壓支架運行的基礎，工作面高效除塵降塵措施也是高清晰視頻系統能夠有效發揮遠程“眼睛”作用的保障，這樣在監控中心操作臺通過視頻系統和有關監測數據就可以像人工親臨工作面現場一樣有效操控采煤機和液壓支架。“可視化遠程干預型”智能化開采控制原理示意圖如圖2所示。

圖2 “可視化遠程干預型”智能化開采控制原理示意圖

2.2.3 核心技術介紹

黃陵礦業公司采用“可視化遠程干預型”智能化開采技術路徑，有效避開了“煤巖識別”等世界性難題的束縛，解決了傳統智能化開采普遍面臨的技術難題。其核心技術為：液壓支架自動跟機+采煤機記憶截割+可視化遠程干預控制。

(1)液壓支架全工作面自動跟機技術。自動跟機技術是指綜采工作面液壓支架以采煤機位置及運行方向為根據，通過電液控技術跟隨采煤機完成工作面自動移架、自動推刮板輸送機、自動噴霧、“三機”聯動等成組或單架控制功能。

(2)采煤機全工作面記憶截割技術。記憶截割技術是指采煤機在示教過程中，實時采集工作面相應位置上的采高、傾角、俯仰角、速度和方向等信息，并以5 cm為間隔做一一映射，同時將映射數據發送到控制器的數據存儲區，并生成截割曲線模型；完成一個循環后切換到自動運行模式，采煤機

以控制器存儲的曲線模型為依據進行自動導航、自動截割、自動清浮煤、自動斜切進刀等工藝流程，即“信息采集→數據存儲→建立曲線模型→復制割煤”4個主要流程。

(3)可視化遠程干預控制技術。在高清晰無盲區視頻監控系統和智能監控系統的基礎上，通過人工操作遠程控制臺來實現工作面設備的實時干預調整。采煤機遠程干預控制為：當工作面出現條件變化時，可通過人工干預調整采煤機左右滾筒截割高度，在干預的同時對曲線模型進行修正。液壓支架遠程干預控制為：當工作面液壓支架在自動跟機作業時出現丟架或動作執行不到位時，遠程干預控制液壓支架的升柱、降柱、抬底、推溜等動作。

2.3 實施效果

2.3.1 減員效果明顯

黃陵礦業公司實施智能化無人開采技術后，工作面減員效果顯著，其中一號煤礦較薄及中厚煤層智能化工作面與傳統開采相比，生產期間工作區域由原來的9人聯合操作減至1人安全巡視，超前支護區域由原來的8人單體支護減至4人遙控操作，單班作業人數由原來的19人減至7人，每個生產班可減少12人，每天減少24人，每年可節約人工成本約800萬元/面；二號煤礦大采高智能化開采技術應用后，單班作業人數由原來的20人減至9人，每個生產小班將節省11人，每日將節省人工22人，每年可節約人工總費用700萬元/面。黃陵礦業公司智能化工作面減員對比見表1。

表1 黃陵礦業公司智能化工作面減員對比

2.3.2 生產效率提升

智能化綜采的生產過程主要以設備自主感知運行和智能控制為主，減少了人工作業和多工種之間的交叉作業，降低了職工勞動強度，提高了生產效率。其中，1.4～2.2 m煤層智能化工作面生產能力達到17萬t/月，回采工效由79 t/工提升至133 t/工；1.5～2.8 m煤層智能化工作面生產能力達到23萬t/月，回采工效由117 t/工提升至149 t/工；大采高智能化工作面生產能力達到50萬t/月，回采工效由136 t/工提升至216 t/工，生產效率提升平均達到15%以上。

2.3.3 安全生產保障能力提高

在地面或井下巷道遠程操控作業可以將礦工從艱苦危險的環境中解放出來，從高強度體力勞動中解放出來，保護了從業人員的安全健康，提高了煤礦工人的素質，體現了“以人為本、安全發展”理念。工作面實現了無人跟機作業，現場1人巡檢，實現了“少人則安、無人則安”。同時，隨著裝備技術和監測監控系統的升級以及管理水平和員工素質的提升，礦井安全可靠性進一步增強。

3 智能化開采技術發展的思考

據了解，目前全國已經建成145個智能化采煤工作面，但實現智能化無人綜采技術常態化應用的礦井并不多，其根本原因是目前智能化開采技術尚處于起步階段，在技術、工藝和管理上還存在許多未解的難題，制約了智能化無人開采技術的發展和應用。因此，應亟需開展裝備可靠性、系統穩定性和先進實用技術等研究，不斷推動煤炭智能化開采技術向高級階段邁進。

3.1 智能化開采技術適應性條件分析

3.1.1 地質條件

智能化開采技術對地質、煤層條件有一定要求。以成功應用的黃陵礦業公司一號煤礦1001工作面為例，該工作面煤層較為平緩，煤層傾角為0～5°，煤層厚度為1.4～2.2 m，硬度系數為3左右，頂、底板為泥質砂巖且較穩定平整，采面長度為235 m，走向長度為2271 m，這些條件為實施智能化無人開采提供了地質保障。

3.1.2 系統配套

智能化開采技術離不開機械化、自動化、信息化等高新技術和裝備的支撐。2009年以來，黃陵礦業公司始終堅持科技創新驅動發展，加強數字化礦井建設，先后完成了礦井萬兆環網改造和主系統自動化升級改造，實現了井下供電、供排水、主通風等生產系統地面集中控制和井下無人值守，為智能化開采技術實踐奠定了基礎。

3.1.3 災害治理

安全生產是智能化開采技術應用的前提。黃陵礦業公司針對礦井水、火、瓦斯、煤塵、頂板等諸多災害，樹立了“安全至高無上”的理念，狠抓災害超前治理，實施科技興安戰略，扎實推進了災害防治技術研究，夯實了安全生產基礎。

3.2 智能化開采技術未來研究重點和發展趨勢

3.2.1 裝備免維護研究

目前，國產煤炭智能化開采裝備在使用過程中仍存在諸多問題。首先，國產裝備在材質和制造工藝等方面與進口裝備相比存在較大差距，機械可靠性較差、設備故障較多、日常維護量較大、檢修人員較多；其次，配套使用的高精度傳感器時常會出現采煤機采高數據監測不穩、液壓支架立柱壓力及推移行程不準等現象。這些問題直接影響智能化綜采設備智能運行和遠程干預控制的精準性。因此，需加大智能化裝備免維護研究，為智能化控制系統可靠運行提供裝備保障。

3.2.2 系統穩定性研究

智能化綜采控制系統是多個系統的耦合，各系統內大量運行數據交互使用率較高，一個潛在的不確定因素即可導致智能控制系統決策進程執行不到位。目前開發應用的智能化綜采控制系統偶爾仍會出現通訊狀態不穩、控制命令發送丟失、視頻卡頓及瞬間黑屏等現象，因此必須不斷采用新技術、新算法，以逐步提高系統的動態響應能力和穩定性。

3.2.3 先進實用技術研究

“可視化遠程干預型”智能化開采技術尚處于智能化初級階段，雖然有效解決了井下采煤工作面用人較多和勞動強度較大等問題，但也存在著智能感知和決策水平較低、遠程干預控制頻繁、記憶截割應用率低等問題。因此，必須加大制約智能化開采技術發展的關鍵難題科研攻關，才能實現煤炭開采技術向高級的人工智能階段邁進。

(1)基于地理地質信息系統的智能化開采技術研究。避開“煤巖識別”和機器人采煤作業等技術難題的束縛，實施基于地理地質信息的“透明工作面”智能化開采技術，應該是實現煤炭智能精準開采的另一有效途徑。通過地測、物探和其他地理信息的手段，可提前建立待采工作面三維模型，再利用慣性導航精準定位技術，將采煤設備精準定位至三維模型中具體的每一個點，這樣就能實現當前煤層條件下的智能精準采煤。該技術將有效適用于煤層賦存變化相對較大及地質條件相對復雜的礦井。

(2)大數據分析決策技術和高效監控平臺研究。智能化開采控制系統中各單機系統數據分散，相互融合應用率較低，精度也不高，且并未對采集到的數據進行分析判斷，易出現數據誤差較大，無法有效指導精準操控，因此需要開展大數據分析決策技術研究。該技術能夠實現各單機系統海量數據的深度融合應用，實現數據的實時糾偏和修正，并對歷史數據進行分析，提前給出采煤機割煤曲線和決策控制信息，指導采煤機和液壓支架進行精準控制。同時還需加強智能開采高效監控平臺研究。目前在用的智能化監控計算機經過防爆處理后，性能大大降低，嚴重影響智能化開采技術的應用效果，亟需建立高效快速的智能化監控平臺，全面提升智能化監控平臺軟硬件水平，實現數據高速分析處理，保障智能控制的實時性和準確性。

(3)系統自適應和故障自診斷技術研究。目前，智能化開采技術在智能感知和自主決策等核心系統技術水平較低，無法在采煤過程中根據工作面地質變化情況完成裝備自適應調整，需在智能探測、智能分析和智能控制技術研究等方面進一步探索，提升設備的智能感知、自主適應和智能控制的能力。尤其在煤巖識別技術探索方面要發散思維和開拓創新，通過多種技術的融合和分析比對來實現煤巖界面的快速精準分辨。同時還需加強對智能化開采裝備的故障自診斷技術研究，通過分析故障類別、故障點、故障時間以及運行周期等因素，不斷完善設備和系統的故障自診斷功能，達到自動分析、自動判斷與指導處理的目的。

(4)工作面復雜環境條件與智能化采煤的耦合應用研究。采煤工作面環境復雜且多變，時刻影響著采煤作業的安全。因此，為了全過程保障智能化開采的安全，就必須將工作面復雜的環境條件與智能化采煤技術進行深度耦合，從而實現人機的安全協調運行。重點研究內容包括：一是研究瓦斯和油型氣濃度與采煤機截割速度聯動控制技術，清除智能開采過程中的瓦斯爆炸隱患；二是研究涌水量與采煤機聯動控制技術，清除智能開采過程中的水害隱患；三是研究CO濃度與采煤機聯動控制技術，清除智能開采過程中的火災隱患；四是研究煤塵濃度與采煤機聯動控制技術研究，清除智能開采過程中的煤塵爆炸隱患。

4 結語

智能化無人開采是煤炭工業發展的重要方向。我國目前的智能化開采技術僅僅是一個起步，距真正的智能化無人開采還有較大的距離。因此，還需要產、學、研、用相結合，共同努力，攻克各種難關，才能更好地推動井下智能化無人采煤技術的發展。下一步黃陵礦業公司將對現有智能化開采技術和裝備進行全面升級，不斷提升礦井智能化水平；同時，加快智能化快速掘進技術研究與探索。目的是進一步實現礦井生產由“少人化”向“無人化”轉型，主供電、主排水、主通風等生產輔助系統由“無人值守、有人巡視”向“既無人值守又無人巡視”轉變，建成“兩智三無”(智能化采煤、智能化掘進，無巷道、無煤柱和工作面無人開采)聯合開采的智慧礦區。