煤矿智能化开采模式与技术路径_王国法.pdf

第 2 卷第 1 期 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2 No. 1 2020 年 2 月 JOURNAL OF MINING AND STRATA CONTROL ENGINEERING Feb. 2020 013501-1 王国法， 庞义辉， 任怀伟. 煤矿智能化开采模式与技术路径[J]. 采矿与岩层控制工程学报， 2020， 2 1 013501. WANG Guofa， PANG Yihui， REN Huaiwei. Intelligent coal mining pattern and technological path[J]. Journal of Mining and Strata Control Engineering， 2020， 2 1 013501. 煤矿智能化开采模式与技术路径 王国法 1,2， 庞义辉1,2， 任怀伟1,2 1. 天地科技股份有限公司 开采设计事业部， 北京 100013； 2. 煤炭科学研究总院 开采研究分院， 北京 100013 摘 要 基于煤矿智能化发展现状与要求， 系统阐述了煤矿智能化开采模式的定义、 技术内涵与 特征。针对不同煤层赋存条件， 提出了薄及中厚煤层智能化无人开采模式、 大采高工作面智能 耦合人机协同高效综采模式、 综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤模式、 复杂条件机械 化智能化开采模式等4种煤矿智能化开采模式。根据截割工艺、 工序与装备的差异， 将薄及中 厚煤层智能化无人开采模式细分为刨煤机智能化无人开采模式、 滚筒采煤机智能化无人开采 模式， 详细阐述了滚筒采煤机定位导航与智能调高技术、 半截深高速截割工艺等薄及中厚煤层 智能化开采模式关键技术。分析了大采高工作面智能化开采的主要技术瓶颈， 论述了基于液 压支架与围岩耦合关系的围岩智能耦合控制逻辑、 重型装备群的分布式协同控制逻辑等大采 高智能化开采模式关键技术。分析了放顶煤工作面与一次采全高工作面智能化开采模式的差 异， 提出了基于时序控制放煤、 自动记忆放煤、 煤矸识别放煤等智能化放煤控制逻辑与工艺流 程。针对复杂煤层条件， 提出了采用局部智能化开采降低工人劳动强度、 提高作业环境安全水 平的技术思路。 关键词 煤矿智能化； 开采模式； 开采工艺； 协同控制； 智能放煤 中图分类号 TD 82 文献标志码 A 文章编号 2096-7187202001-3501-15 Intelligent coal mining pattern and technological path WANG Guofa ， PANG Yihui， REN Huaiwei 1. Coal Mining and Designing Department， Tiandi Science Technology Co. ， Ltd.， Beijing 100013， China； 2. Coal Mining Branch， China Coal Research Institute， Beijing 100013， China Abstract The definition， technical connotation and characteristics of coal mine intelligent were systematically expounded based on the current status and requirements of intelligent development of coal mine. According to different coal seam occurrence conditions， intelligent unmanned mining pattern for thin and medium thick coal seam， intelligent and efficient man-machine collaborative inspection pattern for large mining working face， intelligent control and manual intervention to aid caving in fully mechanized caving face， mechanization and intelligent mining pattern for complex coal seam condition were proposed. The intelligent unmanned mining pattern for thin and medium thick coal seam was subdivided into the intelligent unmanned mining pattern of coal planer and the intelligent unmanned mining pattern of drum shearer， which depends on the difference of cutting process， working procedure and equipment. The key technologies of intelligent mining pattern of thin and medium thick coal seam， 收稿日期 2019-05-24 修回日期 2019-06-18 责任编辑 施红霞 基金项目 国家重点研发计划资助项目2017YFC0603005， 2017YFC0804305； 中国工程院咨询研究资助项目2019-XZ-14 作者简介 王国法1960， 男， 山东文登人， 中国工程院院士， 博士生导师。E-mail wangguofa ChaoXing 王国法等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 1 2020 013501 013501-2 such as positioning， navigation and intelligent heightening technology of drum shearer， and high-speed cutting technology of half depth， were described in detail. The main technical bottleneck of intelligent mining of large mining height working face was analyzed. The key technologies of intelligent mining pattern such as intelligent coupling control logic of surrounding rock based on the coupling relationship between hydraulic support and surrounding rock and distributed cooperative control logic of heavy equipment group were discussed. The difference of intelligent mining mode between caving top coal face and full height caving face was analyzed， and the intelligent caving control logic and technological process based on time sequence control caving， automatic memory caving， coal and gangue identification caving were put forward. In view of the complex coal seam conditions， the technical ideas of using local intelligent mining to reduce the labor intensity of workers and improve the safety level of the operating environment were put forward. Key words coal mine intelligent； mining pattern； mining technology； cooperative control； intelligent caving 我国煤炭工业经过改革开放40 a的不断创新与 发展， 逐步从人工采煤、 半机械化采煤向机械化、 综 合机械化、 自动化采煤发展， 并已开始由自动化开 采向智能化开采迈进， 建成了一批具有世界领先水 平的现代化大型煤矿。截至2018年 ， 我国大型煤 矿的采煤机械化程度超过96％， 工作面单产水平超 过1 500万t/a， 采出工效达到1 050 t/人d， 煤矿百 万吨死亡率降低至0.1以下， 主要智能化开采技术与 装备全部国产化， 实现了由“引进消化吸收， 跟随 国外发展”到“创新引领世界综采技术与装备发 展”的跨越， 煤炭安全、 高效、 智能化开采技术与装 备取得了一批创新成果， 成为煤炭工业高质量发展 的核心技术支撑 。 国内外学者针对煤矿智能化开采技术与装备 进行了积极的研究与探索， 文献[5-8]以峰峰煤矿、 黄陵一号煤矿等薄及中厚煤层赋存条件为工程背 景， 分析了薄及中厚煤层工作面实现自动化、 智能 化、 无人化开采的主要技术瓶颈， 通过研发薄及中 厚煤层自动化、 智能化开采技术与装备， 实现了 “有人巡视、 无人值守”的少人化开采； 文献[9- 11]针对西部矿区厚煤层大采高工作面智能化开采 难题， 通过研发综采工作面液压支架与围岩智能耦 合控制技术、 综采装备群直线度控制技术、 煤流 平衡控制技术等， 实现了超大采高综采工作面的 自动化、 少人化开采； 文献[12-14]针对特厚煤层 综放智能化开采技术难题， 通过研发综放液压支 架智能耦合控制系统及综放工作面放煤工艺时序 控制技术与装备等， 实现了综放工作面的自动化放 煤。 由于我国煤层赋存条件复杂多样， 煤矿智能化 开采尚处于初级阶段， 现有智能化开采技术与装备 主要应用于我国中西部煤层赋存条件较优越的矿 区， 取得了较好的使用效果 ， 而针对赋存条件相 对较复杂的其他类型煤层智能化开采还存在许多 技术难题。由于煤矿智能化发展过程中存在概念 与技术内涵不清晰、 开采模式与技术路径不明确等 问题， 本文基于我国煤矿智能化发展现状及煤炭 产业转型升级的战略方向和发展目标， 提出了煤 矿智能化开采的技术内涵及不同类型煤层赋存 条件的智能化开采模式、 技术路径、 核心关键技 术等。 1 煤矿智能化开采模式的技术内涵 煤矿智能化是采用物联网、 云计算、 大数据、 人 工智能、 自动控制、 移动互联网、 智能装备等技术， 促使煤矿开拓设计、 地测、 采掘、 运通、 洗选、 安全保 障、 生产管理等主要系统形成具有自主感知、 智能 分析与决策、 精准控制与执行的能力。 开采模式是指针对某一类煤层赋存条件与开 采目标设计研发的具有指导意义和实用价值的标 准开采工艺、 工序流程与配套装备系统。煤矿智能 化开采模式则是指针对某一类煤层赋存条件与开 采目标， 基于煤矿智能化开采技术与装备阶段性发 展成果， 创新设计的煤炭资源开采标准工艺流程及 智能化开采装备配套系统， 是一种具有示范性、 典 型性和对同类煤层赋存条件具有普适性的煤矿智 能化开采方案， 能够实现该类煤炭资源开采过程的 自主感知、 智能分析与决策、 自动精准控制与执 行。 基于上述对煤矿智能化开采模式的定义， 煤矿 ChaoXing 王国法等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 1 2020 013501 013501-3 智能化开采模式应具有以下技术内涵与特征 1 煤矿智能化开采模式应具有创新性与多样 性。由于我国煤层赋存条件复杂多样， 应按煤层赋 存条件与开采目标的差异， 建立不同类型的煤矿智 能化开采模式， 且每种类型的煤矿智能化开采模式 均应具有创新性的智能化开采工艺、 技术与装备， 提高对特定煤层赋存条件的适应性。 2 煤矿智能化开采模式应具有较高的可靠性 与可操作性。煤矿智能化开采模式应基于物联网、 云计算、 大数据、 人工智能等创新性发展成果， 选择 稳定、 可靠的工艺、 技术与装备， 提高相关技术与装 备的可靠性与可操作性。 3 煤矿智能化开采模式应力求简单和可复 制、 可推广。由于受煤矿井下恶劣生产环境、 狭小 工作空间等因素制约， 煤矿智能化开采相关技术与 装备应优先采用模块化设计， 简化开采工艺与流 程， 提高智能化开采技术与装备的适用性， 且对不 同区域类似煤层条件具有普适性、 可复制性与可推 广应用价值。 4 煤矿智能化开采模式的发展过程具有阶段 性与动态性。由于受制于煤矿智能化开采技术与 装备的发展水平， 煤矿智能化开采模式并不是一成 不变的， 而是随着煤矿智能化开采技术与装备的不 断进步而发展进步， 具有显著的阶段性与动态发展 特征。 由于我国煤层赋存条件复杂多样， 不同煤炭生 产企业、 矿区对煤矿智能化开采的要求、 技术路径、 发展水平、 发展目标等存在较大差异， 且受制于智 能化开采技术与装备的发展水平， 各类煤矿智能化 开采模式并不是齐头并进同步完成， 而是要针对不 同煤层条件进行分层次、 分阶段、 分目标逐步推进， 通过建设不同类型的煤矿智能化开采模式示范矿 井， 以点带面推进煤矿智能化建设向纵深发展。 2 智慧煤矿建设系统架构 智慧煤矿是煤矿智能化发展的终极目标， 是形 成煤矿“完整智慧系统、 全面智能运行、 科学绿色 开发”的全产业链运行新模式， 随着煤矿智能化技 术与装备的不断发展进步， 智慧煤矿的建设水平也 将逐步提高。 智慧煤矿系统可分为信息感知、 统一操作平 台、 井下系统平台、 井上生产经营管控平台等 ， 如 图1所示。信息感知主要是对井下人、 机、 环、 管等 信息的全面监测， 是进行信息分析、 决策与执行的 基础。统一操作平台主要包括智慧煤矿操作系统、 大数据处理中心、 高速传输网络等， 是信息分析、 决 策与执行的控制中心。根据井上、 井下业务分类与 工艺的差异， 分别设计井下系统平台与井上生产经 营管控平台。井下系统平台包括井下生产、 安全与 保障系统， 是智慧煤矿系统的执行机构； 井上生产 经营管控平台则主要包括井上洗选、 运输、 经营绩 效管理与决策支持等， 是智慧煤矿经营管理的决策 层。 煤炭智能开采是智慧煤矿建设的重要组成部 分， 针对不同煤层赋存条件， 开发适用于不同煤层 条件的智能化开采模式， 是实现煤炭智能化开采的 基础。经过多年的创新与实践， 笔者及其团队针对 不同煤层赋存条件， 提出了薄煤层刨煤机智能化无 人开采模式、 薄及中厚煤层滚筒采煤机智能化无人 开采模式、 大采高工作面智能耦合人机协同高效综 采模式、 综放工作面智能化操控与人工干预辅助放 煤模式、 复杂条件机械化智能化开采模式等， 在黄 陵、 榆北、 神南等矿区得到推广应用， 取得了较好的 技术经济效益。 3 薄及中厚煤层智能化无人开采模式 薄煤层在中国分布广泛， 其储量约占煤炭资源 总储量的20.42％。由于薄煤层普遍存在厚度变化 较大、 赋存不稳定、 工作面作业空间狭小、 设备尺寸 与能力的矛盾突出等问题 ， 导致许多矿区大量弃 采薄煤层， 造成资源浪费。针对薄煤层工作面存在 的上述问题， 开发薄煤层刨煤机智能化无人开采模 式与滚筒采煤机智能化无人开采模式， 可有效改善 井下作业环境， 提高煤炭资源的采出率。 3.1 薄煤层刨煤机智能化无人开采模式 对于煤层厚度小于1.0 m、 赋存稳定、 煤层硬度 不大、 顶底板条件较好的薄煤层， 应优先采用刨煤 机智能化无人开采模式， 如图2所示。 1 工作面两侧巷道一般沿煤层底板布置， 由 于刨煤机的机头尺寸较大， 巷道断面尺寸一般比较 大； 由于刨煤机的截割高度远小于巷道断面高度， 巷道两端头需要采用带侧护板的特殊端头液压支 架进行支护； 为了降低巷道端头与超前液压支架的 作业劳动强度， 可采用基于电液控制系统的遥控式 ChaoXing 王国法等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 1 2020 013501 013501-4 操作， 由端头液压支架发送邻架控制命令， 启动转 载机控制器执行准备阶段动作， 转载机控制器进行 声光报警， 在端头液压支架执行推溜动作与转载机 控制器执行前移阶段动作共同完成转载机自移功 能； 利用超前支架电液控制， 进行超前液压支架的 远程控制， 实现快速移架。 2 配套智能截割刨煤机及控制系统， 能够实 现“双刨深”刨煤工艺自动往复进刀刨煤、 两端头 斜切进刀往复刨煤、 混合刨煤、 刨煤速度与深度智 能自适应调整等， 按照提前规划的刨煤机截割路径 进行记忆截割自动控制； 通过与智能变频刮板输送 机进行智能联动控制， 实现刨煤机刨煤速度的智能 调控及刮板输送机的功率协调与智能调速； 通过与 智能自适应液压支架进行智能联动控制， 实现刨煤 机的精准定位及液压支架的自动推移。 3 配套智能自适应液压支架及控制系统， 通 过压力与姿态监测系统、 视频监控系统、 无线传输 系统等实现液压支架支护状态的智能监测； 通过自 适应专家决策系统对监测信息进行智能分析与决 策， 并通过智能补液系统、 智能控制系统等对液压 支架进行智能操控， 实现液压支架对围岩的智能自 适应支护及对刮板输送机的精准推移， 从而对刨煤 机的刨深进行精准控制。 4 配套智能变频刮板输送机及控制系统， 通 过煤量监测系统、 智能变频控制系统对刨煤机截割 后的煤量进行智能监测， 并实现刮板输送机的智能 调速； 通过断链监测与故障诊断系统对刮板输送机 的运行状态进行智能监测， 实现刮板输送机的故障 人员、设备、围岩等水、火、瓦斯、煤尘等 信 息 感 知 智慧煤矿操作系统，大数据处理中心，高速传输网络等 执行 机构 统 一 操 作 平 台 生产 安全 智 能 开 采 智 能 掘 进 水、火、瓦斯、 煤尘、顶板等 供风、供液、供电等 洗选运输经营绩效管理与决策支持 井 下 系 统 平 台 井 上 生 产 经 营 管 控 平 台 保障 图1 智慧煤矿系统架构 Fig. 1 System architecture of intelligent coal mine ChaoXing 王国法等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 1 2020 013501 013501-5 预警与远程运维。 5 按照薄煤层刨煤机斜切进刀割三角煤及双 向割煤的工艺、 工序对刨煤机的截割路径进行超前 规划， 实现刨煤机上行与下行双向自动刨煤； 基于 工作面直线度监测结果， 采用局部刨深自动调控技 术对刨煤机的刨深进行自动修正， 维护工作面的直 线度。 6 配套智能供电系统、 智能供液系统、 智能通 风系统、 智能降尘系统等， 对工作面开采过程提供 综合保障； 将刨煤机、 刮板输送机、 液压支架的监测 数据、 视频、 音频等信息上传至巷道监控中心， 实现 在巷道监控中心对工作面运行状态进行监测与控 制， 并将相关信息通过光纤上传至地面远程监控中 心， 实现井上对井下工作面运行状态的监测与控 制。 由于煤层厚度小于1.0 m的薄煤层工作面空间 狭小、 人工作业困难， 采用薄煤层刨煤机智能化无 人开采模式可以将工人从井下狭小的作业空间中 解放出来， 同时提高工作面的开采效率与采出率。 目前， 薄煤层刨煤机智能化无人开采模式已经在铁 法煤业集团小青煤矿、 临矿集团田庄煤矿等应用， 实现了井下工作面的智能化、 无人化开采， 取得了 很好的技术与经济效益。 3.2 薄及中厚煤层滚筒采煤机智能化无人开采模式 对于煤层厚度大于1.0 m、 赋存条件较优越的薄 及中厚煤层， 则应优先采用滚筒采煤机智能化无人 开采模式， 与刨煤机智能化无人开采模式相比， 主 要采用了基于LASC系统的采煤机定位导航与直线 度自动调控技术、 基于4D-GIS煤层地质建模与随采 辅助探测的采煤机智能截割技术， 实现采煤机对煤 层厚度的自适应截割， 如图3所示。 为了适应薄煤层工作面狭小作业空间对采煤 机尺寸的要求， 采用扁平化设计， 降低采煤机的机 面高度， 并采用扁平电缆装置， 提高采煤机的适应 性。基于矿井地质勘探信息建立待开采煤层的4D- GIS信息模型， 并在巷道掘进过程中采用钻探、 物探 等技术对待开采煤层的煤岩分界面进行辅助探测， 基于实际探测结果对4D-GIS信息模型进行修正， 实 现对煤岩分界面的预知预判； 采用惯性导航技术对 采煤机的行走位置及三维姿态进行实时监测， 并利 用轴编码器对采煤机的位置进行二次校验； 基于上 述煤岩界面预测结果对采煤机的截割路径进行超 智能自适应液压支架 视频监测系统 无线传输系统 压力姿态监测 自适应专家决策系统 智能补液系统 智能控制系统 智能截割刨煤机及控制系统 智能变频刮板输送机 煤量监测与调速 功率协调 智能变 频控制 断链监测与故障诊断 巷道监控中心 智 能 供 电 智 能 供 液 智 能 通 风 智 能 降 尘 智 能 联 动 地面远程监控中心 光纤 刨程传感器 智能变频控制电机 智能集控系统 无线定位系统 图2 薄煤层刨煤机智能化无人开采模式系统组成 Fig. 2 System composition of intelligent unmanned mining pattern of coal planer ChaoXing 王国法等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 1 2020 013501 013501-6 前规划， 并根据采煤机的精准定位及煤岩界面预测 结果对采煤机摇臂的摆动角度进行控制， 满足工作 面不同位置采煤机截割高度的变化， 实现采煤机截 割高度的智能调整， 如图4所示。 LASC系统 采煤机 位置 煤岩界面精细建模 地质钻 孔数据 巷道掘 进数据 煤层开 挖数据 工作面 直线度 采煤机 姿态 采煤机 截割路 径优化 采煤机 智能截 割 图4 采煤机智能截割控制逻辑 Fig. 4 Intelligent cutting control logic of shearer 采煤机的智能截割还可以通过惯性导航煤岩 界面识别技术实现， 国内外学者曾对煤岩界面识别 技术进行了广泛而深入的研究 ， 提出了振动识 别、 红外识别、 太赫兹识别等技术， 但相关研究成果 尚不能满足井下工业应用的要求。 通过对采煤机的截割高度、 速度、 支架推移量 等信息进行监测， 可以计算获取采煤机的理论瞬时 落煤量及刮板输送机的煤流赋存量。基于监测的 刮板输送机电机输出转矩值， 对刮板输送机进行实 时调速。刮板输送机智能调速控制逻辑如图5所 示。 采煤机 截割煤 量监测 截割高度 截割速度 截割位置 支架推移量 刮板输送机 煤流赋存量 刮板输送机 转矩监测值 刮板输送机 转矩计算值 刮板 输送 机智 能调 整 图5 刮板输送机智能控制逻辑 Fig. 5 Intelligent control logic of scraper conveyer 目前， 综采工作面刮板输送机智能调直系统多 采用基于LASC的刮板输送机三维形态检测技术， 通 过采煤机的运行轨迹检测， 实现刮板输送机平直度 的测量。目前， 有关机构基于平行直线交汇原理， 即图像中相互平行的3条直线必将交汇于一点， 如 图6所示， 正在研发基于图像识别的工作面直线度 检测技术， 但该技术对工作面的光照度、 成像质量 等要求较高， 目前尚未实现工业化应用。 智能视频监测系统是实现对工作面开采工况 进行实时感知的有效方法， 一般每隔10台液压支架 布设2台高清云台摄像仪， 一台照向工作面煤壁方 采煤机智能调高 采煤机精准定位 图3 采煤机定位导航与智能调高技术 Fig. 3 Positioning， navigation and intelligent heightening technology of shearer ChaoXing 王国法等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 1 2020 013501 013501-7 向， 另一台照向采煤机截割方向， 采用视频拼接 技术， 实现对整个工作面作业工况的实时智能感 知。 薄及中厚煤层滚筒采煤机智能化无人开模 式一般采用常规的采煤机斜切进刀割三角煤开采 工艺， 配套的刮板输送机、 液压支架及控制系统等 与刨煤机智能化无人开采模式类似。 针对顶底板赋存条件较好的薄及中厚煤层， 笔 者及其研发团队提出了薄及中厚煤层半截深高速 截割工艺， 如图7所示。这种截割工艺采煤机的截 深为正常截深的一半， 通过降低采煤机的截割深度 来提高采煤机的截割速度。采煤机采用半截深斜 切进刀割煤方式， 进刀完成后直接进行正常割煤， 不返回截割三角煤； 采煤机下行割煤时将上一刀的 三角煤进行全截深截割， 降低了采煤机往返截割三 角煤的时间， 可大幅提高采煤机的截割速度与截割 效率。为实现液压支架快速跟机移架， 液压支架 采用间隔移架的方式， 满足采煤机快速截割的要 求。 下端头 上端头 未割实体煤 待割实体煤 已割三角煤 A B A B 已割三角煤 已割三角煤 待割实体煤 采煤机 刮板输送机 2 1 2 1 2 1 液压支架 2 1 煤壁 图7 半截深高速截割工艺 Fig. 7 Half depth and high speed cutting process 工作面煤流运输采用基于煤量智能监测的智 能调速技术， 通过对采煤机的截割速度、 深度、 位置 等信息进行监测， 计算得出采煤机理论的瞬时落煤 量及刮板输送机的煤流赋存量， 并将计算结果与刮 板输送机的输出转矩值对应的负载进行对比， 从而 对刮板输送机的转速进行智能调控。基于刮板输 送机的煤流量监测结果， 采用类似的方法， 可以实 现对带式输送机的变频智能调速。 针对薄煤层工作面开采空间狭小、 人工操作困 难等技术难题， 以峰峰矿区薄煤层赋存条件为基 础， 研发了最小高度为0.45 m的薄煤层液压支架。 针对实现薄煤层工作面自动化控制存在的难题， 研 发了液压支架群组自组织协同控制技术， 发明了基 于采煤机采高记忆联想、 截割功率参数、 振动、 视频 图6 基于图像识别的工作面直线度检测技术 Fig. 6 Working face straightness detection technology based on image recognition ChaoXing 王国法等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 1 2020 013501 013501-8 信息的多指标综合智能调高决策机制和工作面三 维导航自动调直技术， 实现了厚度为0.6～1.3 m薄 煤层最高月产11.8万t， 年生产能力100万t。 针对黄陵一号煤矿薄及中厚煤层赋存条件， 研 发了ZY6800/11.5/24D型液压支架， 并进行了工作面 自动化集成配套设计， 实现了工作面液压支架自动 跟机移架推溜、 采煤机自动记忆截割、 刮板输送机 变频智能调速等， 通过在巷道设置监控中心， 实现 了对工作面设备的远程监控。设备应用后， 黄陵一 号煤矿1001工作面生产作业人员由11人减少至3 人， 工作面月产17.03万t， 年生产能力200万t以上， 生 产效率提高25， 实现了工作面“有人值守、 无人操 作的”智能化开采。 针对转龙湾煤矿23303工作面3～4 m煤层赋存 条件， 设计研发了ZY16000/23/43D型强力液压支 架， 将国产采煤机与LASC技术相融合， 进行采煤机 姿态的精准控制， 刮板输送机采用智能柔性变频控 制， 根据煤量进行刮板输送机的智能调速。设备 应用后， 23303工作面由9人减少至4人， 工作面最 高日产3.78万t， 最高月产90.13万t， 年生产能力达 到千万吨水平， 刷新了中厚煤层工作面生产能力 记录。 4 大采高工作面智能耦合人机协同高效综 采模式 山西、 陕西、 内蒙古是中国的煤炭主产区， 2018 年3个省份的煤炭产量约为24.42亿t， 占煤炭总产量 的68.88％。煤层厚度为6～8 m的坚硬厚煤层是晋 陕蒙大型煤炭基地的优势资源， 其产量约占该区域 总产量的30％。由于煤质坚硬、 埋深比较浅， 采用 综放开采技术存在顶煤冒放性差、 采空区易自然发 火等问题， 这类煤层非常适宜采用大采高一次采全 厚开采技术。 对于煤层厚度较大、 赋存条件较优越、 适宜采 用大采高综采一次采全厚开采方法的厚煤层， 则可 以采用大采高工作面智能耦合人机协同高效综采 模式。由于采煤机一次截割煤层厚度加大， 导致工 作面围岩控制难度增大， 工作面极易发生煤壁片帮 冒顶及强动载矿压等安全事故， 且重型装备群的智 能协同控制难度增大。因此， 大采高工作面智能耦 合人机协同高效综采模式的关键技术为基于液压 支架与围岩耦合关系的围岩智能耦合控制技术与 装备、 重型装备群的分布式协同控制技术与装备 等， 其控制逻辑如图8～9所示。 支架与围岩耦合关 系力学模型 不同地质条件与支 护工况情况下的煤 壁片帮判据 不同地质条件与支 护工况情况下的顶 板来压判据 液压支架支护状态监测 立 柱 压 力 平衡 千斤 顶压 力 护帮 千斤 顶压 力 初 撑 力 支 架 姿 态 立柱 下缩 量 理论 模型 监测 结果 煤 壁 片 帮 工作面围岩控制效 果综合评价模型 顶 板 冒 顶 立 柱 偏 载 阀 体 损 坏 顶 梁 低 头 立 柱 损 坏 结 构 损 坏 支 架 歪 斜 评价 模型 围岩与支架失稳预 测模型 预测 模型 煤 壁 片 帮 顶 板 来 压 阀 体 损 坏 控制 模型 立 柱 损 坏 结 构 损 坏 顶 梁 低 头 支 架 歪 斜 液压支架控制模型 侧护千斤顶 压力调整 护帮千斤顶 压力调整 平衡千斤顶 压力调整 立柱 压力调整 支护 高度调整 底调千斤顶 压力调整 图8 基于智能自适应液压支架的围岩智能控制逻辑 Fig. 8 Intelligent control logic of surrounding rock based on intelligent adaptive hydraulic support ChaoXing 王国法等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 1 2020 013501 013501-9 大采高工作面一次开采煤层厚度增大导致煤 壁极易发生片帮并诱发冒顶， 且超大开采空间导致 顶板岩层极易发生滑落失稳， 对工作面形成动载矿 压 。笔者及其团队曾提出了超大采高液压支架 与围岩的耦合动力学模型及煤壁片帮的力学模 型 ， 系统分析了煤体抗拉强度、 煤体黏聚力、 内 摩擦角、 工作面采高、 煤层埋深、 液压支架支护强度 变化对煤壁片帮的影响， 如图10所示。 通过研究发现， 大采高工作面顶板失稳产生的 矿山压力与煤壁片帮冒顶具有内在联系， 大采高工 作面不仅需要对顶板岩层失稳进行有效控制， 还需 要综合考虑对煤壁片帮的控制。通过研究液压支 架支护强度与顶板下沉量及煤壁片帮临界护帮力 的关系， 如图11所示， 提出了大采高工作面液压支 架合理工作阻力确定的“双因素”控制方法 ， 即 首先基于液压支架与顶板岩层的耦合动力学模 型计算液压支架对顶板岩层失稳控制所需要的 支护力， 基于该支护力计算抑制煤壁片帮失稳所 需要的临界护帮力， 只有同时满足对顶板岩层与煤 壁的有效控制， 才能实现对大采高工作面围岩的有 效控制。基于顶板破坏与煤壁片帮的力学模型， 得 出了不同地质条件与支护工况下煤壁片帮及顶 液压支架群协同支护控制 超前 支架 协同 推进 端头 超前 运输 系统 割煤速度 地质条件 分区供液 协同推进 智能调高 智能矫直 速度匹配 强度耦合 刚度耦合 稳定性耦合 ① 单 架 自 适 应 支架煤机 位姿匹配 ②支架组控制 ②支架组控制 功率匹配 图9 重型综采装备群分布式协同控制策略 Fig. 9 Distributed cooperative control strategy for heavy-duty fully mechanized mining equipment group 012345678 2.90 2.95 3.00 3.05 3.10 3.15 3.20 3.25 3.30 煤壁破坏深度及 峰值应力超前距离/ m 煤体抗拉强度/MPa 煤壁破坏深度 峰值应力超前煤壁距离 峰值应力 煤壁破坏深度 峰值应力超前煤壁距离 峰值应力 煤壁破坏深度 峰值应力超前煤壁距离 峰值应力 42.00 42.02 42.04 42.06 42.08 42.10 42.12 42.14 峰值应力/ MPa 0246810 0 2 4 6 8 10 煤壁破坏深度及 峰值应力超前距离/ m 煤体黏聚力/MPa 38 40 42 44 46 48 50 52 54 峰值应力/ MPa 45678 2.00 2.25 2.50 2.75 3.00 3.25 3.50 3.75 4.00 煤壁破坏深度及 峰值应力超前距离/ m 工作面采高/m 38 40 42 44 46 48 峰值应力/ MPa a 煤体抗拉强度变化对煤壁破坏的影响 b 煤体黏聚力变化对煤壁破坏的影响 c 煤体内摩擦角变化对煤壁破坏的影响 d 工作面采高变化对煤壁破坏的影响 -100102030405060 0 5 10 15 20 25 30 35 煤体内摩擦角/ 32 34 36 38 40 42 44 46 煤壁破坏深度及 峰值应力超前距离/ m 峰值应力/ MPa 煤壁破坏深度 峰值应力超前煤壁距离 峰值应力 ChaoXing 王国法等 采矿与岩层控制工程学报 Vol. 2， No. 1 2020 013501 013501-10 板来压的判据， 通过研发的液压支架支护状态监测 系统实现了对液压支架载荷、 三维姿态的动态监 测。 图11 大采高工作面围岩的“双因素”控制方法 Fig. 11 Double-factor control of surrounding rock in large mining height working face 基