復雜條件工作面智能化開采關鍵技術及發展趨勢

張帥，任懷偉，韓安，鞏師鑫

（1.煤炭科學研究總院,北京 100013；2.中煤科工開采研究院有限公司,北京 100013；3.天地（常州）自動化股份有限公司,江蘇 常州 213015）

0 引言

煤炭是我國的基礎能源，是國家能源安全的“壓艙石”[1]。當前，煤礦智能化已成為行業高質量發展的核心技術支撐[2-4]。2020 年2 月，國家發改委、能源局等八部委聯合發布了《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，推動了煤炭行業先進技術的快速落地應用。目前，已經確定71 個煤礦作為國家首批智能化示范建設煤礦。內蒙古、陜西、山西等產煤大省也相繼出臺政策，推動煤礦智能化建設，大幅提升了煤炭生產技術水平。在全礦井智能化建設的同時，智能化開采作為核心工藝環節，面臨著不同的地質條件，其能否實現安全、高效、智能化作業直接決定了全礦井的智能化水平。

在煤層賦存條件相對簡單的條件下，形成了薄、中厚、厚煤層綜采和特厚煤層綜放開采4 種較為成熟的智能化高效開采模式[5]，對同類地質條件的煤層開采具有較強的參考價值。然而，深部復雜條件煤層更需要智能化開采，實現難度也最大。

經歷數十年的持續大規模開采，淺部地質構造簡單、賦存穩定的煤炭資源日益枯竭，深部復雜條件煤層逐步成為某些礦區的主采煤層。復雜條件煤層智能化開采是當前煤炭技術發展迫切需要解決的難題。所謂復雜開采條件是指地質條件在開采過程中發生變化（持續的或突然的），且變化的參數不止1 個，存在疊加效應，例如煤層厚度、傾斜角度、斷層/夾矸、瓦斯涌出、頂板來壓等情況。這些變化會隨著開采深度的增加逐漸增多，且幅度變大，嚴重影響開采的安全。現有的工作面技術及裝備都有一定的正常工作范圍，適應上述這些變化的因素個數或幅度是有限的，因而難以滿足生產需求。

解決復雜條件煤層開采一般有2 種方法：一是采取技術措施減少或降低地質條件變化的程度，例如采取頂底板鉆孔卸壓、瓦斯抽采等方法，但深部礦井技術措施實施的難度越來越大；二是提高工作面開采技術和裝備的適應性，使之具有足夠的工作性能、靈活性及智能控制能力。目前，煤礦智能化發展處于初級階段[6-7]，復雜條件下的智能化開采主要還是沿用簡單地質條件的技術及裝備，例如視頻監控、遠程操作、自動跟機等。對于地質條件變化的感知、預測及自適應控制等技術的研究并不多，也不夠深入，在我國尚未有成熟的工程應用與實踐。

本文在分析我國不同區域煤層賦存特點的基礎上，以淮南地區深部“三軟”煤層開采為典型代表，探討了復雜條件工作面智能化開采面臨的難題及關鍵技術。分析得出了影響工作面開采最為主要的5 個因素及解決難題采取的8 項關鍵技術。通過文獻及工程實踐分析、比較，闡述了已有技術的應用效果及需要繼續解決的問題。對復雜條件工作面智能化開采技術發展趨勢作出了展望，以期推動相關技術發展。

1 我國不同區域煤礦主要地質條件特征

我國不同區域的煤礦地質條件特征不同，煤層賦存及分布也有較大差別，開采所面臨的問題也有所差異。晉陜蒙地區是我國目前的主要產煤地區，煤層埋深淺、煤層厚、煤質硬，常采用大采高開采模式。但隨著開采深度、工作面高度的增加，沖擊地壓開始顯現，厚煤層大采高工作面煤壁片幫嚴重、礦壓顯現劇烈，圍巖控制面臨挑戰。東北地區是我國的老工業基地，開采歷史久遠，現采煤層多處于400～800 m 水平，是我國首次沖擊災害發生的地區[8]，煤層厚度差異大、傾角大。華北地區有我國開采深度最深的煤礦，有的礦井達到千米以上，煤層普遍較薄，受高地溫、高地壓影響，沖擊地壓強烈。兩淮地區屬于典型的“三軟”煤層條件，存在煤壁易片幫、頂底板破碎、超前巷道變形量大等問題。西南地區煤炭儲量低，地質條件差，多為薄煤層和大傾角煤層，開采難度大，經濟效益低，多為小井型煤礦開采。我國不同區域煤礦的主要地質條件特征及面臨的問題見表1。

表1 我國不同區域煤礦的主要地質條件特征及面臨的問題Table 1 Main characteristics of geological conditions and problems of coal mines in different regions of China

煤層地質條件的不同會影響實現工作面智能化開采的原則、路徑及目標[9]。相較于綜合機械化采煤，智能化開采對地質保障度的要求更高。地質條件越復雜，控制系統就越需要更精準的感知、更快速的分析與決策、更高的數據傳輸速率。以安徽阜陽中煤新集口孜東礦為例，該礦是典型的“三軟”煤層，正在開采的140502 工作面處于-967 m 水平，工作面長為266 m，采高為4～6 m。煤層存在起伏，呈現回風巷和運輸巷兩端高、工作面中間低的特點。煤層走向傾角為8～15°，局部為17°以上。開采過程中存在煤壁頻繁片幫、刮板輸送機上竄下滑、相鄰支架錯位及咬合不緊密、護幫板不整齊、支架扎底、超前巷道變形等一系列嚴重問題，如圖1-圖3 所示。

圖1 140502 工作面傾向起伏情況Fig.1 Tendency fluctuation of 140502 working face

圖2 工作面煤壁片幫情況Fig.2 Coal wall spalling of working face

圖3 超前巷道Fig.3 Advance roadway

圍巖（頂底板、煤壁）條件決定了液壓支架支護的穩定性、有效性，如果條件較差就會導致片幫、漏矸、扎底等問題。煤層走向/傾向角度變化造成了液壓支架、采煤機及刮板輸送機空間相對位姿的變化，由于重力作用會導致倒架、上竄下滑、采煤機割頂/割底等一系列問題。礦壓是影響工作面開采的重要因素，來壓規律不同會影響開采工藝的安排、支護策略、移架速度等。超前巷道穩定性不佳會影響整個工作面推進效率，超前支護、巷道返修等工作用人多、效率低，直接影響工作面自動化水平。基于工作面技術裝備與煤層條件的適應性及多數煤層賦存條件變化情況的分析可得出，圍巖（頂底板、煤壁）條件、煤層走向/傾向角度、礦壓及超前巷道穩定性是保障工作面正常連續開采的主要因素。

當上述因素參數變化時，就會給原有開采系統帶來問題，導致開采過程不能順利進行。一般情況下，在地質條件較好的工作面，這些參數只有其中1 個或2 個變化，或變化范圍都不大，可近似認為不變。而對于復雜地質條件煤層，從中煤新集口孜東礦的例子可看出，全部參數都有變化，從而導致了開采困難。為解決圍巖（頂底板、煤壁）條件、煤層走向/傾向角度、礦壓、超前巷道穩定性這5 個因素參數變化帶來的問題，需要從圍巖參數感知、趨勢分析、精細化控制、動力系統適應、自適應決策等方面展開研究，從而研發出解決復雜條件工作面智能化開采的關鍵核心技術。

2 復雜條件工作面智能化開采關鍵技術

針對復雜條件工作面智能化開采技術，目前已經開展了大量的研究，部分成果已成為減少事故、提高開采效率和技術水平的關鍵性技術。智能感知、智能決策、智能控制是實現煤礦智能化開采的三要素[10-11]，對于復雜地質條件，這三者的實現難度要遠大于淺部簡單條件煤層開采。如前文所述的中煤新集口孜東礦，由于頂底板軟、煤質軟、煤層厚等特性，出現煤壁片幫、工作面直線度較差、油缸推移不到位、感知匱乏無法形成有效決策、超前巷道變形等問題。本文通過總結已有研究成果，分析了已有解決復雜條件工作面智能化開采的8 項關鍵技術的應用效果及需要繼續解決的問題。工作面三機裝備布置及關鍵技術如圖4 所示，復雜條件工作面智能化開采關鍵技術部分研究成果見表2。

表2 復雜條件工作面智能化開采關鍵技術部分研究成果Table 2 Some research results on key technologies of intelligent mining under complex conditions working face

圖4 工作面三機裝備布置及關鍵技術Fig.4 Three machines equipment layout and key technologies in working face

2.1 液壓支架護幫板精準控制及快速跟機技術

煤壁片幫是工作面開采后，上覆巖層的直接頂難以及時垮落且冒落后的矸石無法充分充填采空區，形成“短懸臂梁-鉸接巖梁”的力學結構，當頂板來壓時，超前壓力作用在煤壁上，煤體受力發生破壞，在推進前方形成松塌區和塑性區。研究表明：距離頂板0.35 倍采高處煤壁水平位移量最大，片幫發生的頻率最高，所以距離頂部0.4 倍采高煤壁是液壓支架護幫板的重點防護區域[12]。

范京道等[9]分析了工作面煤壁的應力狀態，將片幫分為拉裂破壞與滑移失穩2 個階段，提出在不同的煤壁片幫階段采取不同的方式進行防護。王國法等[12]重點優化了護幫板的結構，提出采用鉸接在伸縮梁上的三級護幫結構形式（圖5），采用一級與二級護幫板雙向聯動液壓鎖控制方式，大幅提升了護幫板末端支護力。同時，優化調整液壓支架跟機自動化工藝，精確控制采煤機截割前后液壓支架伸縮護幫板的時間順序，在避免采煤機截割部與支架干涉的同時，盡可能增加護幫時間。

圖5 液壓支架三級護幫板Fig.5 Three-level guard plate of hydraulic support

采高增加可提高開采效率及煤炭采出率，但也會增加圍巖控制的難度，頂板壓力顯現及煤壁片幫都會加劇。增加護幫高度會影響伸收護幫板的速度，大尺寸、大質量的護幫板精準控制難度也大大增加。因而，研究新型的護幫結構、護幫板精準快速控制技術是后續煤壁片幫防治的關鍵。

2.2 頂板分區協同支護技術

當前，煤礦開采深度、工作面長度和推進長度、采高均日益增加。工作面長度增加可減少搬家倒面次數，是提高采出率的重要途徑，但隨著工作面長度增加，頂板來壓增大，來壓步距減小，故選取合適的工作面長度尤為重要。王國法等[13]采用彈性支座模型分析得到超長工作面礦壓規律呈現馬鞍形三峰值“M”型特性，即靠近兩端的壓力峰值比中間峰值大，且液壓支架大部分區域都位于高應力區，首次提出采用工作面應力是否出現三峰值“M”型作為超長工作面的判據。

根據工作面頂板來壓三峰值特性，提出采用主動支護和非等強支護理念。中部支架受壓力值高，承受沖擊載荷概率大，故以提高支架的強度和剛度為主，即同時提高支架的初撐力和工作阻力（安全閥開啟壓力）。工作面兩側支架承受偏載力，為使其具有足夠的變形空間并保證穩定性，應適當降低工作阻力（安全閥開啟壓力）。同時，通過中煤新集口孜東礦的實際監測數據可發現，超長工作面中部和兩端作用在支架上的合力作用點的位置也不同，中部支架合力作用點位置靠近煤壁，兩端則偏向支架頂梁后部。為此，現場選型了四柱式液壓支架來適應合力作用點前后范圍變化大的特點[14]。

此外，在推進工藝上提出采用工作面分區推進協同控制的優化模型，即兩端頭區域截割三角煤，礦壓顯現小、推進速度慢，工作面采高適當增加從而滿足推進工藝需求；在工作面中部則加快采煤機采煤速度，適當降低采高，加快移架速度，從而避免強烈來壓及煤壁片幫。

通過頂板分區支護及協同推進，對不同位置的圍巖進行精細化控制，從而有利于工作面連續、快速推進，實現復雜條件工作面高效安全生產。后續研究應通過對工作面礦壓、空間態勢的感知，自動生成最優工藝，實現自主調節和控制。

2.3 工作面裝備姿態監測技術

智能感知是實現采煤工作面智能化運行的基礎[15]，而工作面裝備姿態監測既能夠了解裝備的工作狀態是否正常，又能夠反映工作面總體空間態勢信息，是最為重要的感知內容。目前，對工作面設備的監測傳感體系研究已經較為廣泛。方新秋等[16]從傳感器工作原理出發，分析了光纖光柵作為新型傳感元件的可行性。周凱等[17]、韓哲等[18]采用傾角、位移傳感器感知液壓支架空間角度和油缸行程等數據，通過LoRaWAN 通信方式將數據傳輸至上位機，結合液壓支架本身結構尺寸反算出液壓支架的位姿及工作狀態。李帥帥等[19]分析了工作面多傳感器感知數據不全面和整體可靠性差的問題，將視覺測量技術引入煤礦領域。王淵等[20]將視覺測量技術和圖像清晰算法應用到支架護幫板收回狀態監測。張旭輝等[21]采用安裝在采煤機機身的深度相機采集支架上的LED 標志板特征點，通過視覺測量方式監測液壓支架的角度和直線度。任懷偉等[22]針對中煤新集口孜東礦條件，研發了開采裝備全位姿測量系統（圖6），通過多數據融合推算和反演出工作面支架姿態及總體空間態勢。

圖6 開采裝備全位姿測量系統Fig.6 Full position and pose measurement system of mining equipment

當前，工作面裝備姿態測量存在傳感器數量多、可靠性低、參數不全面、數據難以融合分析決策等問題，而復雜地質條件開采對工作面裝備姿態感知又提出了更高要求，增加傳感器數量不再是可行方案。后續研究應聚焦于3 個方面：一是多測量參數傳感器研發，減少傳感器數量；二是通過視覺等新型傳感手段一次性測量多個數據；三是通過與已知先驗信息（例如設備尺寸）融合的方式實現間接測量。只有更加全面、可靠、快速的監測數據才能為智能決策提供數據支撐。

2.4 工作面調直技術

工作面“三直兩平”是智能化開采的基本要求。對于復雜條件工作面，一方面工作面直線度受到煤層走勢的影響，為了盡可能提高采出率，裝備緊跟煤層變化，造成直線度低；另一方面人工操作精度低，持續誤差累計造成工作面彎曲。工作面直線度測量方法目前主要有3 種：一是引進的澳大利亞LASC慣導系統，可實現工作面自動找直[23]，通過安裝在采煤機上的航空激光陀螺儀測量繪制刮板輸送機彎曲曲線，如圖7 所示。之后通過研制的高精度磁致伸縮行程傳感器和雙速控制閥實現液壓支架自動精確推溜拉架，從而解決工作面直線度控制難題。二是采用激光對位傳感器實現工作面直線度控制[24]。經現場試驗，相鄰液壓支架推進方向位置誤差最大為34 mm，最小為2 mm，傳感器及其控制功能穩定，滿足相鄰支架間距不超過50 mm 的要求，如圖8 所示。三是采用光纖光柵方法測量工作面直線度[16]。基于光纖光柵曲率傳感原理設計光纖光柵三維曲率傳感器，進行刮板輸送機三維彎曲度測量。

圖7 基于慣導系統的工作面自動找直Fig.7 Automatic alignment of working face based on inertial navigation system

圖8 基于激光對位傳感器的工作面直線度控制方法Fig.8 Straightness control method of working face based on laser alignment sensor

上述3 種方法，第1 種最為成熟，已經在國外商業化應用，引入國內也超過30 套，但價格較高；第2 種方法易受到粉塵、障礙物阻擋，可靠性不高；第3 種方法只是完成了實驗室實驗，并未投入實際應用。后續研究重點是解決光纖光柵的安裝問題，光纖光柵方法有望成為一種低成本、高精度（三維測量）的直線度測量方法。

2.5 上竄下滑控制技術

長壁綜采方式中，工作面刮板輸送機是彎曲蛇形推進的。在平行煤層傾斜方向受到煤體對其的摩擦力、采煤機對其的作用力和自身重力的分力的影響，煤層傾角越大，刮板輸送機受沿平行煤層傾斜方向向下的分力越大，易造成刮板輸送機下滑，嚴重威脅工作人員的安全和影響正常生產。

通過對刮板輸送機受力分析可知，可采取增加向上的受力或減小向下的受力策略補償刮板輸送機的受力不平衡。張科學等[25]提出為使采煤機截割過程中對刮板輸送機僅有向上的力，采用單向割煤控制技術、反向推移刮板輸送機控制技術、加減刀控制技術、外力干預控制技術，比如在機頭機尾錨固液壓缸，采用鏈條將刮板輸送機和液壓支架連接起來。梅伏萍等[26]提出可增加刮板輸送機與底板、液壓支架的接觸面積提高摩擦力，中部槽規格采用較寬規格，在其底部安裝防滑肋板。針對采煤機電纜下滑問題，研發電纜小車控制系統，使其自動跟隨采煤機運動，防止下滑。

2.6 穩壓供液控制技術

供液系統的穩定性與快速性密切關系到工作面支架支護和跟機自動化效果，是實現智能化工作面所面臨的一項“卡脖子”技術。井下普遍采用額定供液方式，時常出現供液不足和供液過足的問題，影響油缸動作的快速性和精準度。有學者提出采用多泵聯合的方式，即每個泵站為固定的幾個設備供液，減少管路過長的動力損耗，動作速度快但精度低。采用單泵變頻、單泵分級控制方式來改善支架供液的過足與不足問題，提高了控制精度，但應力突變時反響時間較長。

王然風等[27]、付翔等[28]基于液壓支架動作的負載特性，提出了適應液壓支架動作的穩壓供液技術，根據液壓支架不同動作特征和預先設定的動作順序，提前控制多級泵站輸出所需的穩壓供液流量，在保障供液速度的情況下盡可能提高供液精度。但目前穩壓供液技術仍處于時序開環控制階段，實現根據實時動作狀態反饋進行控制是未來研究的重點。

2.7 仿真決策系統平臺

深部開采圍巖環境更為復雜，隨機干擾更多，與常規地質條件采用機器代替人工，以時序開環控制來實現智能化開采的技術路徑不同，復雜條件面臨更多程序預設之外的情況，每隔稍長時間就需要人工干預，影響智能化技術的應用效果。

任懷偉等[29]指出復雜條件工作面開采，除成套裝備功能、參數與圍巖條件相匹配外，控制系統能否適應環境動態變化、控制圍巖穩定并驅動裝備跟隨煤層自動推進是影響開采效率和安全、減少作業人員、降低勞動強度的關鍵，分析決策系統根據當前的圍巖環境和煤層賦存狀態，通過預演來獲取最佳行走路徑，將控制參數集傳送給各個執行機構予以參考，可實現工作面設備與環境間安全聯動運行。

針對中煤新集口孜東礦條件，任懷偉等[22]開發了仿真決策平臺（圖9），該平臺具有根據感知數據和裝備固有尺寸反算姿態的能力，可監測支架前后立柱的壓力、推移油缸的行程并將數據儲存在數據庫內。采用Unity 3D 開發三維仿真模型，并根據感知數據進行決策。

圖9 仿真決策平臺界面Fig.9 Simulation decision platform interface

2.8 超前支護技術

巷道端頭支護段設備眾多，需要在有限的空間實現大塊煤的破碎和轉載。隨著工作面產量的增加，裝備的體量也隨之增加，目前針對超前支護技術少有研究，超前支護技術已成為制約工作面智能化水平的關鍵因素[30]。目前普遍采用的超前支護方式有單體液壓支柱和超前液壓支架2 種。單體液壓支柱存在需要人工搬運且支護強度低的缺點，但其對地質條件適應性強，在復雜條件的煤礦和機械化程度低的地方煤礦仍在使用。之后借鑒工作面支架，在巷道發展出邁步式超前支架及單元式超前支架，提高了支護強度并降低了勞動強度，但由于支架與巷道錨護系統匹配性低且對頂板條件要求高，使其的推廣應用具有局限性。

徐亞軍等[31]分析了現有超前支架出現過支護和欠支護的原因，提出超前支架自適應支護的概念；通過增加限位塊和柱頂銷結構使頂梁實現支架小于10°的前后左右擺動，創新支架行走方式，采用螺旋推進器作為行走部，僅需分別控制兩側推進器的旋轉方向就可實現支架的推移。螺旋行走式超前支架如圖10 所示。李丁一等[32]認為超前支架的工作阻力沿著工作面推進方向呈線性關系，即越靠近采空區支護阻力越大。王國法等[33]為了使所有支架都處于合理的工作阻力范圍，預防過支護，采用“低初撐、高工阻”的支護方法設計了支護阻力自適應系統。李剛[34]提出采用支架運輸車來降低超前支架對錨護系統的干擾，運輸車可前后行駛并具有升降和夾持機構，可以實現尾架向首架的搬運，減小反復支撐對頂板的破壞。張德生等[35]研制出了運輸巷運-支一體化超前支護系統（圖11），在轉載機上鋪設軌道，軌道上安裝可前后行走且具有夾持機構、升降機構、旋轉機構的轉運小車，由小車夾持運輸支架。

圖10 螺旋行走式超前支架Fig.10 Spiral walking advance support

圖11 運輸巷運-支一體化系統Fig.11 Transportation and support integration system in transportation roadway

隨著采掘機械的大型化，超前段對工作面開采效率的影響日益變大。目前運輸小車已在多個條件良好的煤礦回風巷應用，運輸巷尚無工程應用的例子。對于復雜條件煤層，提高對超前支架煤層走向的適應性、支架穩定性尤為重要。

3 復雜條件工作面智能化開采技術發展趨勢

與常規條件相比，開采復雜條件煤層需要更準確的感知狀態、更迅速的數據傳輸、更智能的決策系統、更融洽的協同運行。對于多種復雜條件共存的煤層，現有智能化開采系統無法滿足要求，需要在以下幾個方面進一步開展研究。

（1）關鍵元部件的機電液一體化設計。控制是“大腦”，機械是“骨骼”、液壓是“肌肉”，發揮三者的優勢，將機械結構、傳感器、動力系統、控制計算單元等集成，形成一體化的新裝置，實現工作面裝備的智能精準控制。

（2）分布式控制方式。革新現有數據處理方式，發展邊緣計算，適應復雜條件工作面不同區域、不同時刻的控制需求，減少數據的傳輸量和提高控制的實時性。在工作面安裝具有邊緣計算功能的攝像頭，可以減少視頻的傳輸，節約寬帶，邊緣側分析工作面生產狀態，將視頻分析的結論傳輸至控制中心，實現邊緣計算。

（3）注重大數據的分析和應用。現階段，工作面安裝了大量傳感器用于感知裝備姿態、圍巖變化、瓦斯、水火等，布置高清攝像頭采集工作面的圖像，這些數據大部分只是起到預警、展示作用，尚未充分挖掘數據間的邏輯關系，沒有對圍巖環境動態變化趨勢進行預測及分析。未來的趨勢是開發大數據分析平臺，改變以往煤礦根據經驗控制裝備的情況，建立以感知數據為控制邏輯的新型控制方式。

（4）裝備群協同快速推進控制。重點在于端頭與超前液壓支架間的協調動作，研究基于非等強支護原理且不反復支撐的單元式超前支架及其控制策略，提高超前支護的效率；研制適應大變形、強動載的端頭支架，滿足深井開采的要求；工作面分區跟機運行，分為超前支護區、中部區、截割區，分析不同區段液壓支架支護和推移動作的時序，提出適用于不同區段的液壓支架支護群組協同控制策略。

（5）實時仿真平臺和智能決策系統開發。現有仿真系統多根據圍巖狀態感知、支架立柱壓力感知、支架傾角感知等數據繪制工作面裝備示意圖、工作面支架壓力柱狀圖等，其實時性較差；另外，現有系統沒有決策功能，絕大部分煤礦的控制平臺都只是起到展示作用。未來發展的重點在于提高數據傳輸與分析的實時性及智能決策算法的開發。

4 結論

（1）分析了我國不同區域煤層賦存的特點及存在的問題，以兩淮地區“三軟”煤層開采為典型代表，探討了影響復雜條件工作面正常連續開采的主要因素，即圍巖（頂底板、煤壁）條件、煤層走向/傾向角度、礦壓及超前巷道穩定性。

（2）分析了實現復雜條件工作面智能化開采的8 項關鍵技術及其研究成果、需要繼續解決的問題及發展趨勢，包括液壓支架護幫板精準控制及快速跟機技術、頂板分區協同支護技術、工作面裝備姿態監測技術、工作面調直技術、上竄下滑控制技術、穩壓供液控制技術、仿真決策系統平臺和超前支護技術等。

（3）展望了復雜條件工作面智能化開采技術的發展趨勢，提出了后續研究的主要方向：關鍵元部件的機電液一體化設計、分布式控制方式的利用、大數據的分析應用、裝備群協同快速推進控制和實時仿真平臺與智能決策系統的開發。