智能采煤工作面協同開采技術研究及應用

牟國禮，李 強

(山東能源棗莊礦業(yè)(集團)付村煤業(yè)有限公司，山東省濟寧市，277605)

隨著我國工業(yè)化與信息化融合的推進[1]，煤礦智能化開采已成為我國煤炭工業(yè)的發(fā)展趨勢，而煤炭資源賦存空間的透明化不僅可顯著提高煤炭資源的安全高效開采水平，還進一步豐富與完善了煤礦智能化開采技術的內涵。智能化透明精準開采逐漸成為我國煤炭工業(yè)實現行業(yè)轉型、產能調控、綠色開發(fā)的重要技術支撐。

王國法等[2-3]結合我國煤炭資源開采現狀及智能化發(fā)展進程，明確了煤礦智能化開采的概念與內涵，對其關鍵理論、技術、裝備進行了科學論述，并對煤礦智能開采的目標及發(fā)展路徑進行了展望。在國家相關部門、高校科研院所、煤炭企業(yè)等共同努力下，煤礦智能化開采技術取得了一定的成就與進步[4]，但仍存在煤巖智能識別困難[5-6]、液壓支架難以自我調整與移架[7-8]、巷道掘進支護智能化程度較低[9-10]、復雜地質構造下難以智能開采[11-13]等問題，嚴重制約了煤礦智能化開采水平的提高，而“透明地球”被認為是解決上述問題的有效途徑之一。

20世紀末，美國副總統戈爾[14]認為以計算機、多媒體與大規(guī)模存儲技術為基礎，以寬帶網為紐帶構建的多分辨率、多維度、多種類的數字化地球模型可為人類可持續(xù)發(fā)展與社會進步提供高質量的服務，并創(chuàng)造性地提出了“數字地球”的概念；1999年，澳大利亞學者卡爾(Carr)博士首次提出“玻璃地球(透明地球)”的概念，希望通過遙感或地球物理手段使得地表下1 km范圍內變得“透明”[15]；袁亮[16-19]首次提出煤炭精準開采科學構想，將“透明地球”理念引入智能開采實際工作中，認為透明地質是實現煤炭精準開采的重要基礎，并對實現礦山透明地質條件的多種關鍵技術手段進行了詳細的闡釋與分析；盧新明等[20]論述了精準開采地質保障技術的內涵、科學難題及解決方案，推進了煤炭透明精準開采技術體系的發(fā)展與成熟。相關研究表明，“透明地球”的構建可為礦山開采、地下水資源保護、地下空間利用等奠定堅實基礎。

但是，目前仍存在智能開采理念與工程實踐結合不夠密切、透明化與智能化開采協調度不高等問題。針對上述問題，本文以棗莊礦區(qū)付村煤礦為工程背景，采用基于三維精準地質模型的透明開采技術，結合現場工程闡釋協同開采關鍵技術體系。

1 協同開采技術思路

在回采工作面三維精準地質模型的基礎上，以智能監(jiān)控系統為輔助手段，建立集采煤機精準控制與液壓支架精準控制等技術為一體的多源異構數據共享、互饋平臺；利用采煤機實際揭露信息、液壓支架的姿態(tài)信息、采煤機運行學及動力學信息、帶式輸送機實際輪廓信息等實時動態(tài)優(yōu)化工作面的三維模型，即結合工作面當前截割的頂底板曲線，規(guī)劃形成下一刀截割頂底板曲線，再轉換成采煤機前后滾筒在工作面每個位置的采高、臥底量，下發(fā)給采煤機控制系統，使采煤機按照預剖頂底板曲線進行自動割煤，結合刮板輸送機自動調直技術，實現智能化透明精準開采，其技術路線如圖1所示。

圖1 智能化透明精準開采技術路線

基于三維精準地質模型的透明開采技術體系包含三維精準地質建模技術、采煤機精準控制技術與液壓支架精準控制技術。其中，三維精準地質建模技術可對煤層及工作面區(qū)域的地質情況進行三維建模，經計算優(yōu)化后由以太網傳輸至采煤機，為采煤機提供自動截割路徑(后期采煤機自動截割過程中，上一次割煤路徑又可由以太網反饋至三維模型，修正優(yōu)化后指導下一次精準割煤，并重復這一過程直至工作面回采完畢)；而采煤機精準控制技術包含感知與監(jiān)控系統、控制與遠程設計系統、自動截割系統、GMP地質模型接口系統，可以與液壓支架精準控制技術等融合，從而實現煤炭資源的遠程控制采出以及工作面無人化或少人化。

2 協同開采關鍵技術

2.1 三維地質建模技術

三維精準地質建模技術是煤炭資源智能化開采的基礎，該技術基于鉆探、物探、采掘工程等多源信息數據，由軟件進行自動融合、三維建模和動態(tài)修正，可對工作面、巷道等區(qū)域進行精準預測，形成三維精準地質模型。三維精準地質建模技術如圖2所示。

圖2 三維精準地質建模技術路線

根據鉆孔控制的煤層底板高程和煤厚數據，結合地震剖面的t0值和動力學參數，可以開展煤層底板標高與煤厚預測。沒有鉆孔和地震剖面點的地方，采用勘探數據生成的等高線作參考。綜合這些信息之后，將可利用的數據輸入底板高程數據庫，通過底板高程庫建立煤層精細模型，為設計、生產提供精確的地質信息。付村煤礦3上1006工作面精細建模過程如圖3所示，采用交、并、差布爾運算系統，生成所需三維地質模型，進一步綜合利用鉆孔、巷道素描生成的三維模型與利用地測生產現場實測數據生成的三維模型，得到精準的三維地質模型；將數據通過以太網傳輸給采煤機生成自動截割的軌跡線，同時利用雷達探測技術獲取現場地質數據，動態(tài)優(yōu)化數據模型，形成更加精準的三維模型。

圖3 工作面精細建模過程

2.2 采煤機精準控制技術

采煤機精準控制技術以天地科技上海分公司二代DSP電控系統采煤機為研究載體，融合煤巖識別技術、采煤機記憶截割技術，根據地測數據構建的煤層三維地理模型，通過煤巖識別技術動態(tài)修正工作面煤層三維地質模型，并在煤層三維地理模型的基礎上設計采煤機截割路徑，采煤機電控系統根據工作面總體設計的截割路徑進行精準割煤。

2.2.1 采煤機感知與監(jiān)測系統

采煤機需要與工作面液壓支架、刮板輸送機、轉載機、帶式輸送機等綜采設備進行智能化協同控制。采煤機感知與監(jiān)測系統是采煤機的感官系統，負責采煤機所有運行狀態(tài)的監(jiān)測，并感知采煤機所處的周邊環(huán)境狀況；采集到的數據與控制指令由采煤機的神經系統機載網絡負責傳輸。采煤機設備監(jiān)控感知數據點的組成情況見表1。數據量的采集與監(jiān)控為準確判定采煤機實時運行狀態(tài)提供基本信息，也為后續(xù)采煤機精準控制提供可能。

表1 采煤機設備監(jiān)控參數

2.2.2 采煤機控制與遠程設計系統

采煤機遠程控制主要由采煤機巷道監(jiān)控站實現采煤機數據上傳和上位智能化平臺控制指令接收和精準控制執(zhí)行。智能化工作面的遠程控制是一個協同控制過程，需要將采煤機控制系統、液壓支架電液控制系統、轉載機控制系統、帶式輸送機控制系統、泵站控制系統等綜采工作面子系統進行集中監(jiān)控，通過智能化平臺將各子系統進行融合，并配合工作面視頻監(jiān)視系統，從而實現工作面設備遠程控制。

目前，采煤機巷道遠程監(jiān)控站與上位機智能化平臺通訊主要采用Modbus TCP、Modbus RTU、OPC等，其中OPC是基于微軟的OLE(現在的Active X)、COM (部件對象模型)和DCOM (分布式部件對象模型)技術，具體包括一整套接口、屬性和方法的標準集，且OPC對應用系統環(huán)境要求比較嚴格，應用環(huán)境配置繁瑣，使用不夠靈活，目前在煤礦自動化監(jiān)控系統中多用于數據監(jiān)測，不用于設備控制。通常采煤機巷道遠程監(jiān)控站與第三方集控平臺通訊采用基于以太網口的Modbus TCP通訊協議，或者基于RS485通訊接口Modbus RTU通訊協議。在實現采煤機巷道遠程控制的過程中，采煤機巷道遠程監(jiān)控站作為Modbus從站，而工作面智能化平臺作為Modbus主站，它們之間按照約定的通訊參數和數據格式進行通訊，實現采煤機割煤過程實時監(jiān)視和精準控制。

2.2.3 采煤機自動截割系統

該系統主要由記憶學習、自動截割、自動中斷、在線修改等4部分組成。采煤機自動截割系統流程如圖4所示。

圖4 自動截割流程

2.2.4 采煤機地質模型接口系統

采煤機實現自動截割需要提前修正三維地質模型并基于此開展后續(xù)工作。工作面智能化平臺將采煤機記憶截割路線與地質雷達識別的煤巖層分界線實現“雙線”融合，根據地測數據構建煤層三維地質模型；通過煤巖識別技術修正工作面煤層三維地質模型，并在煤層三維地質模型的基礎上設計采煤機截割路徑，最終實現智能化工作面采煤機無人化精準割煤。采煤機GMP地質模型接口系統如圖5所示。

圖5 采煤機GMP地質模型接口系統

2.3 液壓支架控制技術

液壓支架精準控制技術的核心為移架調直技術，其關鍵算法為計算移架目標值，即每臺液壓支架在自動調直過程中的拉架距離，計算時主要考慮2個參數：最大移架距離和最小移架距離。其中最大移架距離是指支架滿量程移架時每個支架所允許的最大移架距離，一般等于采煤機滾筒的截深，對于已確定的工作面，該參數是固定不變的；最小移架距離是人為設定的一個參數，是指調直過程中每一個支架的最小移架距離，該參數的目的是保證工作面的正常推進，防止因為自動調直而嚴重影響產量。支架精準控制移架目標值示意如圖6所示。

圖6 支架精準控制移架目標值

圖6中藍色曲線為工作面當前輪廓曲線，綠色曲線為下一刀工作面預調直的目標輪廓曲線，Dmin為最小移架距離，Dmax為最大移架距離。工作面每臺支架的移架目標值的計算過程如下所述。

(1)確定工作面輪廓最大偏差。最超前的A點和最滯后的B點之間的距離Mmax即為工作面輪廓最大偏差。

(2)確定A、B兩點的移架修正量。移架修正量即支架在滿量程移架基礎上需要的修正值，該值是一個負數。由于B點為滯后點，所以需要滿量程移架，因此B點的移架修正值最大；A點最靠前，因此移架距離最短，移架修正量最小，即為Dmin-Dmax。

(3)對于曲線上的任一點C的移架修正量Yc為：

(1)

(4)C點的移架目標值D為：

D=Dmax+Yc

(2)

3 實際應用效果分析

3.1 工作面概況

選取棗礦集團付村煤礦3上1006工作面為試驗點，通過對工作面設備升級改造，實現三維精準地質模型下工作面智能化開采。3上1006工作面平均煤層厚度5.4 m，地質條件良好，比較適合綜采自動化工作面的建設。工作面設備配置情況如表2所示，工作面配套如圖7所示。

圖7 工作面配套示意

表2 工作面設備配置情況

3.2 應用效果分析

付村煤礦3上1006工作面基于三維精準地質模型的透明開采技術研究已在現場應用，系統運行穩(wěn)定，工作面采煤作業(yè)由原來的采煤機司機現場操作，變?yōu)橄到y自動規(guī)劃頂底板截割曲線、自動調整采高進行割煤、人工地面遠程輔助的開采模式，大大降低了工人勞動強度，有效提高了采煤作業(yè)安全性與生產效率，預計新增產值約5 600萬元，取得了較好的經濟效益及社會效益。基于三維精準地質模型的透明開采技術應用效果如圖8所示。

4 結論

(1)基于三維精準地質模型的透明開采技術包含三維精準地質建模技術、采煤機精準控制技術與液壓支架精準控制技術等，其中三維精準地質建模技術主要利用鉆探、物探、測量、采掘等信息，構建工作面三維地質精準模型。

(2)采煤機精準控制技術包含感知與監(jiān)控系統、控制與遠程設計系統、自動截割系統、GMP地質模型接口系統，通過與液壓支架精準控制技術等協同工作，可以實現工作面的無人化或少人化遠程控制開采。

(3)智能采煤工作面協同開采技術實現了截割曲線自動規(guī)劃、刮板輸送機自動調直、采煤機自動割煤等智能化功能，降低了工人勞動強度，提高了采煤作業(yè)安全性與生產效率，取得了較高的技術經濟及社會效益。