煤矿智能化研究与实践.pdf

书书书 第 47 卷第 8 期 煤 炭 科 学 技 术 Vol. 47No. 8 2019 年8 月 Coal Science and TechnologyAug．2019 特约综述 王国法 1960 ， 山东文登人， 中国工程院院土， 煤炭开采技术与装备专家， 研究 员， 博士生导师。1982 年 1 月毕业于山东工学院 现山东大学 机械系， 1985 年东北工 学院 现东北大学 研究生毕业。现任中国煤炭科工集团有限公司首席科学家 ， 煤炭 科学技术 杂志主编， 天地科技股份有限公司开采设计事业部总工程师。兼任煤矿智 能化创新联盟理事长， 中国煤炭工业协会支护专业委员会专家委员会副主任、 采场支 护专家组组长， 中国煤炭工业技术委员会委员， 国家安全生产专家委员会成员， 国家应 急管理部煤矿智能化开采技术创新中心技术委员会主任。 王国法院士是我国煤炭高效综采技术与装备体系的主要开拓者之一， 煤矿智能化 的科技领军者， 创新提出了液压支架与围岩 “强度耦合、 刚度耦合、 稳定性耦合” 的“三耦合” 原理和设计方法; 创立了综采配套、 液压支架和煤矿智能化系统的理论、 设计方法和标准体系; 主持设计研发了薄煤层自动化综 采、 中厚煤层智能化综采、 厚煤层大采高综采、 大倾角综采、 特厚煤层综放等系列首台 套 综采成套技术与装 备， 推动了煤炭开采技术装备变革， 为煤炭工业发展做出了贡献。 王国法院士被评为全国劳动模范、 中央企业劳动模范、 国家新世纪百千万人才工程煤炭行业专业技术拔尖 人才、 国家有突出贡献中青年专家、 中央直接掌握联系的高级专家。荣获国务院政府特殊津贴 1993 年 、 全国 杰出工程师奖、 孙越崎能源大奖。荣获国家科技进步一等奖 1 项、 二等奖 4 项、 三等奖 1 项， 省部级科技进步奖 30 余项。出版专著 6 部， 发表论文 100 余篇， 以第一发明人获发明专利 20 余项。 移动扫码阅读 王国法， 刘峰， 孟祥军， 等．煤矿智能化 初级阶段 研究与实践［ J］ ．煤炭科学技术， 2019， 47 8 1－36．doi 10. 13199/j. cnki. cst. 2019. 08. 001 WANG Guofa， LIU Feng， MENG Xiangjun， et al．Ｒesearch and practice on intelligent coal mine construction primary stage ［ J］ . Coal Science and Technology， 2019， 47 8 1－36．doi 10. 13199/j. cnki. cst. 2019. 08. 001 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践 王国法1， 2 ， 刘 峰3， 4， 孟祥军5， 范京道6， 吴群英7， 任怀伟1， 2， 庞义辉1， 2， 徐亚军1， 2， 赵国瑞1， 2， 张德生1， 2， 曹现刚8， 杜毅博1， 2， 张金虎1， 2， 陈洪月9 ， 马 英1， 2 ， 张 坤9 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; 3．中国煤炭工业协会， 北京 100013; 4．中国煤炭学会， 北京100013; 5．兖矿集团有限公司，山东 邹城 273500; 6．陕西煤业化工集团有限责任公司， 陕西 西安710065; 7．陕西陕煤陕北矿业有限公司， 陕西 神木719301; 8．西安科技大学， 陕西 西安710054; 9．辽宁工程技术大学， 辽宁 阜新 123000 目录 摘要 2 0引言 3 1我国煤矿综合机械化、 自动化和智能化发展 现状 4 1．1我国煤矿综合机械化发展历程 1．2液压支架电液控制系统发展历程 1．3高可靠性煤机装备发展历程 1．4薄煤层自动化、 智能化开采实践 1．5中厚煤层智能化开采实践 1．6大采高和超大采高智能化开采实践 1．7特厚煤层智能化综采放顶煤开采实践 2煤矿智能化定义及发展原则、 目标和任务 9 2．1煤矿智能化相关术语定义 2．2煤矿智能化发展原则与目标 2．3煤矿智能化发展的主要任务 3煤矿智能化基础理论研究 11 3．1煤矿智能化基础理论研究难点 3．2基于智能感知的数字煤矿智慧逻辑模型 收稿日期 2019－07－05; 责任编辑 赵瑞 基金项目 国家重点研发计划资助项目 2017YFC0603005， 2017YFC0804305 ; 国家自然科学基金重点资助项目 51834006 作者简介 王国法 1960 ， 男， 山东文登人， 中国工程院院士， 首席科学家， 博士生导师。E－mail wangguofa tdkcsj．com 3．3智慧逻辑模型框架下的开采系统智能化 1 2019 年第 8 期煤 炭 科 学 技 术 第 47 卷 控制 3．4开采系统健康状态评价、 寿命预测与维护 决策 4智能化煤矿顶层设计与关键技术 15 4．1智能化煤矿总体架构 4．2煤矿智能系统组成 4．3智能系统关键技术与实现路径 4．4煤矿机器人 4．5技术短板与工程难题 5煤矿智能化开采模式与技术路径 21 5．1薄及中厚煤层智能化无人开采模式 5．2大采高工作面智能耦合人工协同高效开采 模式 5．3综放工作面智能化操控与人工干预辅助放 煤模式 5．4复杂条件机械化智能化开采模式 6煤矿智能快速掘进关键技术与模式 25 6．1煤矿智能掘进装备关键技术与研发进展 6．2巷道快速支护技术研发现状 6．3锚钻装备与支护关键技术 6．4快速掘进装备总体配套技术与工艺研发 进展 6．5智能化快速掘进技术 7煤矿智能化发展问题思考与政策建议 30 7．1条件多样性与区域不平衡相关问题的思考 7．2政策建议 8结语 31 参考文献 31 摘要 煤炭是我国能源的基石， 是可以实现清洁高效利用的最经济、 可靠的能源， 煤矿智能化是实现 煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。系统阐述我国煤炭工业发展历程， 分析煤矿综合机械化、 自动 化、 智能化的发展过程与现状， 列举了部分典型成功案例。详细阐述煤矿智能化的发展理念、 特征、 技 术路径与阶段目标， 分析煤矿智能化基础理论与关键技术研究现状， 从数据采集与应用标准、 装备群 智能协同控制、 健康状态诊断与维护等方面， 分析了实现煤矿智能化开采需要解决的 3 个关键基础理 论难题。从感知层、 传输层、 平台层和应用层等方面， 分析了智能化煤矿的主体系统架构， 研究了煤矿 智能化建设的主要技术路径。针对不同煤层赋存条件工作面智能化开采的技术要求， 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工协同高效开采模式、 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 种开采模式， 研究了不同开采模式 的核心关键技术与实施效果。介绍了我国煤矿掘进技术与装备发展现状， 分析了制约巷道实现快速 掘进的关键难题， 提出了智能快速掘进的研发方向及技术路径。提出了我国煤矿智能化发展的基本 原则， 分析不同地域条件煤矿智能化发展模式及评价标准， 提出新建矿井智能化建设路径， 以及现有 生产矿井进行智能化改造的主要任务， 从法规体系、 财税政策、 人才培养等方面提出了保障煤矿智能 化建设顺利实施的政策建议。 关键词 煤矿智能化; 智能开采; 智能掘进; 系统架构; 智能化开采模式; 智能矿山 中图分类号 TD67文献标志码 A 文章编号 0253－2336 2019 08－0001－36 Ｒesearch and practice on intelligent coal mine construction primary stage WANG Guofa1， 2， LIU Feng3， 4， MENG Xiangjun5， FAN Jingdao6， WU Qunying7， ＲEN Huaiwei1， 2， PANG Yihui1， 2， XU Yajun1， 2， ZHAO Guorui1， 2， ZHANG Desheng1， 2， CAO Xiangang8， DU Yibo1， 2， ZHANG Jinhu1， 2， CHEN Hongyue9， MA Ying1， 2， ZHANG Kun9 1．Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science ＆ Technology Co．， Ltd，Beijing100013，China;2． Coal Mining Branch， China Coal Ｒesearch Institute，Beijing100013， China; 3． China National Coal Association，Beijing100013，China;4． China Coal Society， Beijing100013， China; 5．Yankuang Group Co．，Ltd．，Zoucheng273500，China;6． Shaanxi Coal and Chemical Industry Group Co．，Ltd．， Xi’ an710065，China; 7．Shaanxi Coal North Mining Co．，Ltd．， Shenmu719301，China; 8．Xi’ an University of Science and Technology，Xi’ an710054，China; 9．Liaoning Technical University，Fuxin123000，China Abstract Coal is the cornerstone of China’ s energy， and it is the most economical and reliable energy which can be used cleanly and effi- ciently． The intellectualization of coal mine is the core technology support to realize the high quality development of coal industry． This pa- per systematically expounds the development course of Chinas coal industry，analyzes the development process and present situation of coal mine comprehensive mechanization，automation and intellectualization，and enumerates some typical successful cases． The develop- ment concept，characteristics，technical path and stage goals of intelligent coal mine were introduced． The research status of basic theory and key technology were analyzed． The three key problems to realize the intellectualized coal mine were analyzed from the data acquisition 2 王国法等 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践2019 年第 8 期 and application of standard，equipment group of intelligent coordination control，health diagnosis and maintenance，etc． The main system architecture of intelligent coal mine were analyzed from the aspects of perception layer，transmission layer，plat layer and application layer． The main technical path of intelligent construction were studied． The four mining modes，such as intelligent unmanned mining mode suitable for thin and medium coal seams，intelligent and efficient man－machine cooperative patrol mode suitable for working face with large mining height，intelligent operation and manual intervention coal caving mode suitable for fully mechanized caving working face and mechanization and intelligent combined mining mode for coal seam with complex conditions，were proposed to adopt to different coal seams． The key technologies and implementation effects of different mining modes were studied． This paper introduces the development sta- tus of technology and equipment of China’ s coal mine tunneling，analyzes the key problems that restrict the realization of rapid tunneling， and puts forward the research direction and technical path of intelligent and rapid tunneling． This paper puts forward the basic principles of intelligent development of coal mines in our country，analyzes on the intelligent development mode and uation standard of coal mines under different regional conditions，puts forward the intelligent construction path of new mines and the main tasks of intelligent transa- tion of existing production mines． From the aspects of laws and regulations，fiscal and tax policies，and personnel training，the paper puts forward some policy suggestions to ensure the smooth implementation of the intelligent construction of coal mines． Key words coal mine intelligent;intelligent mining;intelligent tunneling;system architecture;intelligent mining mode; intelligent mine 0引言 能源是人类生存与经济发展的物质基础， 化石 能源在世界一次能源消费占比约为 86， 是世界主 要的一次能源。其中， 石油占比约为 33．1， 煤炭占 比约为28．9， 天然气占比约为 24［1 ］。近年来， 非 化石能源得到快速发展， 但占比仍然较低， 约 为 14。 煤炭是我国一次能源中最经济、 可靠的资源， 且 可以通过科技进步实现煤炭资源的清洁高效利用。 长期以来， 煤炭产量与消费量分别占我国一次能源 生产和消费总量的 70和 60以上， 2018 年其占比 首次下降至 69．1和 59．0［2－4 ］。目前， 清洁高效燃 煤发电技术取得重要进展［5－6 ］， 超 超 临界发电、 循 环流化床 CFB 发电、 整体煤气化联合循环 IGCC 发电等均可以实现有害气体的近零排放， 煤炭清洁 转化技术、 高效燃煤锅炉等污染物控制也取得了重 要突破， 为煤炭清洁高效利用提供了有效技术支撑。 基于世界能源格局和我国富煤、 贫油、 少气的能源资 源禀赋， 可以断定， 在相当长时间内， 煤炭仍将在世 界一次能源消费中占有较大比例， 仍将是我国的主 体基础能源。通过科技进步实现煤炭安全、 高效、 智 能、 绿色开采和清洁高效利用是我国煤炭工业高质 量发展的方向。 改革开放 40 多年来 ［7－8 ］， 我国煤炭工业全面发 展以综合机械化为标志的现代开采技术， 经过多年 的持续科研攻关与创新实践， 我国井工煤矿实现了 由炮采、 普采、 高档普采到综合机械化开采、 自动化 开采的跨越， 并在煤层赋存条件较优越的矿区探索 实践了智能化、 无人化开采技术。与 20 世纪 70 年 代中期相比， 我国原煤产量由4．82 亿t 增至36．8 亿t， 峰值达到 38．7 亿 t， 煤矿百万吨死亡率由 9．98 降低 至 0． 093， 煤矿数量由 8 万多处缩减至约 5 800 处 ［5 ］， 建设了 14 个大型煤炭基地， 创新研发了适用 于不同煤层赋存条件的国产成套高端综采技术与装 备， 形成了具有我国煤炭资源赋存特色的开采理论、 技术与装备体系， 实现了煤炭资源的安全、 高效、 高 采出率开采， 为我国经济社会的快速发展提供了稳 定的能源保障。 我国煤炭以井工开采为主， 经过多年发展， 我国 煤炭综采技术与装备已经从依赖进口到基本全部实 现国产化。煤矿智能化开采是综合机械化开采、 自 动化开采的深入创新与发展， 是煤炭生产方式变革 的新阶段， 将有效支撑我国煤炭工业高质量发 展 ［9 ］。原国家安全生产监督管理总局提出的“机械 化换人、 自动化减人” 科技强安专项行动， 将煤炭智 能化开采列为重点研究方向， 国家能源技术创新行 动计划 20162030 年 将煤矿智能化开采作为重 点研发任务， 明确提出 2030 年重点煤矿区基本实现 工作面无人化开采。为了适应煤矿智能化发展要 求， 国家科技部将“煤矿智能开采安全技术与装备 研发 ” 、 “煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术” 列为 “十三五” 国家重点研发计划， 对智能开采技术 与装备进行重点攻关。 近 10 年来， 通过对智能化开采技术与装备的创 新研发， 突破了多项关键核心技术， 在薄和较薄煤层 智能化综采、 大采高和超大采高智能化综采、 特厚煤 层智能化综放开采技术与装备等方面取得了重要成 果， 在黄陵、 陕北、 山东等矿区一些矿井实现了自动 化、 少人化开采 ［10－11 ］， 为全面推进煤矿智能化发展 积累了宝贵的经验。 目前， 煤矿智能化建设的新高潮正在全国兴起， 3 2019 年第 8 期煤 炭 科 学 技 术 第 47 卷 企业的积极性空前高涨， 但是我国煤矿智能化发展 尚处于初级阶段， 存在发展理念不清晰、 研发滞后于 企业发展需求、 智能化建设技术标准与规范缺失、 技 术装备保障不足、 研发平台不健全、 高端人才匮乏等 问题 ［12 ］， 亟需通过不断地进行理论、 技术与装备创 新， 推动我国煤炭工业快速发展。 在此背景下， 笔者分析了我国煤矿智能化技术 与装备发展现状， 系统阐述了煤矿智能化的定义、 技 术内涵、 发展原则及发展目标， 提出了煤矿智能化发 展过程中需要解决的基础理论难题和关键技术， 研 究了煤矿智能化发展的总体架构与实施技术路径， 探讨了中国煤矿智能化发展战略。 1我国煤矿综合机械化、 自动化和智能化发 展现状 1．1我国煤矿综合机械化发展历程 20 世纪 7080 年代， 我国进行了大规模综采 装备引进， 推动了由人工采煤、 炮采、 普采到综采的 技术革命， 成为中国煤炭工业发展史上具有里程碑 意义的重大事件 ［13 ］。通过消化吸收国外的综采装 备， 逐步开展国产综采技术与装备的研发， 基于大量 现场实测与试验研究， 探索揭示了综采工作面围岩 控制理论、 液压支架与围岩耦合作用关系、 液压支架 设计方法等， 研发了适应不同煤层赋存条件的多种 类型综采液压支架， 并于 1984 年颁布了我国第一部 液压支架标准， MT 861984液压支架型式试验规 范 ， 标志着我国综采技术与装备研发初具雏形。 19852000 年 ［14 ］， 我国综采技术与装备进入 从消化吸收到自主研发的阶段， 针对我国不同矿区 复杂煤层赋存条件， 研发了适用于薄煤层、 中厚煤 层、 厚及特厚煤层的综采 放 技术与装备， 并针对 大倾角、 急倾斜等煤层条件， 开发了大倾角液压支 架、 分层铺网液压支架等特殊类型的液压支架， 逐步 形成了综采液压支架设计理论方法体系， 制定了液 压支架和其他综采装备技术标准， 初步实现了普通 液压支架、 采煤机、 运输设备等的国产化制造。针对 我国分布广泛的特厚煤层赋存条件， 开发了低位高 效综采放顶煤液压支架与综放技术， 实现了厚及特 厚煤层的安全、 高效、 高采出率开发。 在此期间， 国外发达采煤国家研发了以高可靠 性、 大功率综采装备为基础的高效集约化综采模式， 采用高可靠性、 强力液压支架， 大功率采煤机， 重型 刮板输送机等， 大幅提高了综采工作面的产量与效 率。受制于薄弱的工业制造基础， 我国综采装备制 造技术、 设备参数、 检验标准等， 均远落后于发达国 家。从 1995 年起， 神东矿区通过大量引进国外高端 综采成套设备， 实现了工作面的高产高效开采。由 于国产装备与进口装备在生产能力、 可靠性等方面 存在显著差距， 导致德国 DBT、 美国 JOY 等国外煤 机企业长期垄断我国高端综采装备市场。 为了扭转我国高端煤机装备长期依赖进口的局 面， 天地科技股份有限公司开采设计事业部与山西晋 城无烟煤矿业集团合作率先开展国产高端液压支架 的研发， 于 2003 年成功研制了首套支撑高度为5．5 m 大采高电液控制系统液压支架 ZY8640/25．5/55 ， 实 现了工作面日产 3 万 t。2004 年起， 由煤炭科学研究 总院牵头， 全国骨干煤炭科研单位、 装备制造企业、 煤 炭生产企业采用产学研相结合的方式， 进行了 “厚煤 层高效综采关键技术与成套装备 ” 、 “年产 600 万 t 综 采成套装备研制” 等项目的联合攻关， 在充分消化吸 收国外高端综采技术与装备的基础上， 针对我国特殊 的煤层赋存条件， 研发了多种系列的大采高综采 放 高端液压支架及配套装备， 建立和完善了综采 液压支架技术标准体系， 彻底改变了我国高端综采成 套装备长期依赖进口的局面。 2008 年以来， 针对我国西部矿区坚硬厚及特厚 煤层赋存条件， 进行了超大采高综采 放 技术与装 备的研发。中国煤炭科工集团相关院所与大同煤矿 集团等单位合作完成了“十一五” 国家科技支撑计 划重点项目 “特厚煤层大采高综放开采成套技术与 装备研发” ， 解决了大同塔山煤矿 14～20 m 高效综 放开采难题; 与山西西山晋兴能源有限责任公司合 作完成了 “十一五” 国家科技支撑计划课题“年产千 万吨大采高综采技术与装备研制” ， 成功研制了 ZY12000/28/64 型超大采高液压支架， 并在斜沟煤 矿成功应用， 实现了工作面最大采高突破 6 m， 年生 产能力突破1 000万 t。2009 年， 依托中央国有资本 经营预算重大技术创新及产业化项目“7 m 超大采 高综采成套技术与装备研发” ， 研制了世界首套 7．0 m 以上的超大采高液压支架及成套装备， 并在陕煤 集团红柳林煤矿和国家能源投资集团国神公司三道 沟煤矿等成功应用。2014 年， 针对金鸡滩煤矿坚硬 厚煤层条件， 首次研发了最大支撑高度 8．2 m 的超 大采高液压支架 ZY21000/38/82D ， 再次刷新了一 次采全高开采高度的世界纪录。上述超高端成套技 术与装备的成功研发与应用， 标志着我国综采技术 与装备已经由跟随国外发展， 跨越至引领世界综采 技术发展的新阶段。 1．2液压支架电液控制系统发展历程 液压系统是液压支架控制的核心， 电液控制系 4 王国法等 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践2019 年第 8 期 统为液压支架智能自适应控制奠定了基础。20 世 纪 70 年代， 英国提出了液压支架电液控制系统的概 念， 并于 1985 年在井下成功应用了基于微处理机的 控制系统 ［15 ］。我国于 1991 年研制出第一套电液控 制系统， 并进行了井下工业性试验， 受材料、 技术、 制 造工艺等多方面因素的影响， 国产电液控制系统可 靠性无法满足生产要求。 2000 年起， 煤炭科学研究总院开采所与德国 Maco 公司合作成立了北京天地玛珂电液控制系统 有限公司 以下简称天玛公司 ， 合作研发液压支架 电液控制系统， 在中国煤矿推广应用液压支架电液 控制技术， 至 2008 年， 天玛公司研发了具有自主知 识产权的 SAC 型电液控制系统， 经过近 10 年的快 速发展， 我国电液控制系统已经基本国产化， 并广泛 推广应用， 同时基于电液控制系统研发了综采工作 面自动化、 智能化控制系统， 初步实现了综采工作面 设备群的集中控制。 1．3高可靠性煤机装备发展历程 高可靠性采掘装备是实现工作面自动化、 智能 化开采的基本保障。20 世纪 80 年代末， 德国、 美国 等发达国家研发了直流电牵引采煤机， 90 年代后期 发展为交流大功率采煤机， 成为主流煤机。我国在 引进国外先进采煤机的基础上， 利用“八五” 、 “九 五 ” 、 “十五” 科技攻关计划， 研发了薄煤层矮机身采 煤机、 中厚煤层采煤机、 大倾角采煤机、 大采高大功 率采煤机等系列采煤机， 但采煤机可靠性长期落后 于国外先进产品。 进入 “十一五” 以来， 国产大型煤机装备发展迅 猛， 采煤机装机总功率突破 2 000 kW， 最大截割高 度突破 6 m， 攻克了一系列制约煤机装备发展的技 术瓶颈 。“十二五” 和“十三五” 期间， 逐步建立了 采、 掘、 运、 支成套装备及关键元部件的试验与检测 标准体系， 成功研发了成套系列化国产煤机装备， 采 煤机装机总功率达到近 3 000 kW， 截割功率达到 1 150 kW， 截割高度突破 8．0 m， 生产能力达到4 500 t/h; 研发了以 DSP 处理器为核心、 基于 CAN－Bus 技 术的新一代分布嵌入式控制系统， 实现了采煤机的 自动化控制， 且随着控制技术、 远程通信技术的不断 发展和日臻完善， 逐步由单机自动化向智能化及综 采设备群智能联动控制方向发展。 1．4薄煤层自动化、 智能化开采实践 1 峰峰集团薄煤层自动化开采实践。峰峰矿 区薄煤层储量约占总储量的 40， 煤层赋存条件差 异较大， 薛村矿 3 号煤层平均厚度为 0．6 m。由于煤 层中含有硬夹矸， 煤层厚度变化较大， 传统液压支架 无法满足这种大伸缩比支护要求， 采煤机也难以解 决矮机身与大功率的矛盾［16 ］。 针对上述难题， 研发了单进回液口双伸缩立柱， 提高了立柱的伸缩比; 采用板式整体顶梁、 双连杆与 双平衡千斤顶叠位布置等新结构， 满足了薄煤层液 压支架的超大伸缩比要求。采煤机采用变径叶片螺 旋式截割原理， 多电动机平行布置、 反装齿轨销排牵 引结构等， 实现了采煤机对含硬夹矸薄煤层的高效 截割。提出了薄煤层工作面在巷道进行集中控制 有人值守 ， 工作面无人操作的全自动化开采模 式， 采用采煤机记忆截割、 工作面低照度高分辨率视 频跟踪等技术， 实现了工作面煤层厚度的自适应截 割， 如图 1 所示， 薛村煤矿开采煤层厚度为 0．6～1．3 m， 实现了工作面月产 11．8 万 t， 年产达到 100 万 t。 图 1薄煤层自动化开采 Fig．1Automated mining of thin coal seams 2 黄陵一号煤矿薄及较薄煤层智能化开采实 践。黄陵一号煤矿主采 2 号煤层， 煤层平均厚度 2．2 m， 煤层倾角一般小于 5， 采用一次采全高开采技 术。20132014 年， 针对黄陵一号煤矿较薄煤层赋 存条件， 进行了智能化开采技术与装备的研发与工 程示范， 在 1001 工作面配套采用 ZY6800/11．5/24 型液压支架、 MG400/925－AWD 型采煤机、 SGZ800/ 1050 型刮板输送机和智能供液系统， 通过采用液压 支架初撑力自动补偿系统， 提高了液压支架对围岩 的适应性; 通过优化采煤机的记忆截割功能， 提高了 采煤机的截割控制精度; 刮板输送机采用变频软启 动， 提高了对瞬时煤量变化的适应性; 优化布置了云 5 2019 年第 8 期煤 炭 科 学 技 术 第 47 卷 台高清摄像仪， 提高了对工作面工作状态的高清无 盲点监测; 超前液压支架采用远程遥控技术， 降低了 两端头超前支护的作业强度， 实现了综采工作面与 巷道超前支护的自动化协同作业［17 ］。在工作面巷 道设置监控中心 图 2 ， 并将数据上传至地面调度 中心， 实现了在工作面巷道监控中心、 地面调度中心对 工作面设备的集中监控， 成为第一个实现了常态化 “有 人巡视、 无人值守” 的智能化开采示范矿井， 为全国推 进煤矿智能化开采提供了很好的示范样板。 图 2工作面巷道监控中心 Fig．2Ｒoadway monitoring center in working face 3 登茂通煤矿薄煤层智能化开采实践。山西 省薄煤层储量约占总储量的 19．2， 阳煤集团在永 兴、 新大地、 石港、 登茂通等矿井均赋存有大量薄煤 层， 由于缺乏高效的薄煤层智能化开采技术与装备， 导致薄煤层开采效率低、 经济效益差， 部分矿井对薄 煤层进行弃采， 导致大量煤炭资源浪费。 为解决薄煤层开采难题， 20162018 年实施了 山西省重点科技创新项目“薄煤层智能化综采成套 装备研发” ， 以登茂通煤矿薄煤层赋存条件为基础， 通过创新薄煤层设备配套模式， 优化工作面开采工 艺， 实现了工作面端部留三角煤小截深双向高效截 割， 有效降低了采煤机截割阻力， 大幅提高了采煤机 截割速度 提高 40 ， 改善了薄煤层工作面装煤效 果。通过研发薄煤层成套装备可靠性监测预警及健 康管理系统， 实现了薄煤层刮板输送机链条自动张 紧、 液压支架支护质量的智能监测、 基于“黑匣子” 的采煤机状态监测与故障诊断等， 如图 3 所示， 全面 增强了设备的可维护性， 实现了综采装备的自动化 管理。通过开发基于激光对位传感器的工作面直线 度控制系统， 保证了工作面的直线度。经现场试验， 相邻液压支架推进方向位置误差最大为 34 mm， 最 小为 2 mm， 传感器及其控制功能稳定， 满足了相邻 液压支架间距不超过 50 mm 的要求。 2018 年， 登茂通煤矿进行了薄煤层智能化开采 井下工业性试验， 实现了巷道集中控制、 工作面无人 操作的智能开采， 工作面每天割煤 10 刀， 平均开采 厚度 1．4 m， 生产能力达到 92 万 t/年。 图 3采煤机黑匣子在线监测系统 Fig．3On－line monitoring system of shearer black box 4 滨湖煤矿薄煤层智能化开采实践。滨湖煤 矿开采 16 号煤层， 煤层平均厚度约为 1．35 m， 煤质 坚硬， 局部有黄铁矿结核， 煤层倾角为 3 ～5， 局部 存在断层、 夹矸等。 工作面采用矮机身大功率截割采煤机， 采煤机 截割高度控制在 1．3 m， 杜绝了割顶、 破底现象。通 过将液压支架监控数据、 采煤机传感监测数据、 视频 监测数据等上传至巷道监控中心， 对监测数据进行 实时处理与展示， 实现了工人在井下巷道监控中心 对工作面设备的操作。 工作面由原来的 2 名采煤机司机、 6 名支架工， 减少至 2 名巡视人员， 实现了有人安全巡视、 无人操 作作业， 工作面回采工效达到 48 t/人天。 5 张家峁煤矿坚硬薄煤层智能化综采装备研 发。陕北地区蕴藏着丰富的侏罗纪优质煤炭资源， 以 4 －3 、 4 －4 煤层为主的薄煤层遍布各个矿区， 约占总 储量的 20。张家峁煤矿 4 －3 号煤层厚度为 0．10～ 1．90 m， 平均厚度 1．28 m， 煤层完整性好、 硬度大， 普 氏系数 f≥2．5～3．0， 传统配套方式及成套装备无法 满足高效开采要求。 为此， 陕煤集团立项开展“陕北侏罗系硬煤薄 煤层智能化综采成套技术与装备研发” 项目， 针对 张家峁煤矿坚硬薄煤层开采难题， 建立了薄煤层设 备高能积比时空协同模型， 针对工作面－巷道布置 特点， 研发了大落差柔性过渡系统; 针对陕北侏罗纪 薄煤层群联合开采支架－围岩耦合关系特点， 建立 了考虑工作面尺度效应的液压支架群组支护机理分 析模型， 研发了高刚度超薄板式整体顶梁液压支架， 解决了超大伸缩比与高强度结构矛盾的难题; 基于 薄煤层工作面设备高能积比时空协同模型， 优化设 计了采煤机滚筒安装结构型式、 挡煤板结构及机身 结构， 研发了半悬机身、 全悬截割系统的大功率薄煤 层采煤机， 装机功率达到 1 050 kW， 满足 1．1 m 坚硬 薄煤层的高效快速截割; 通过进行刮板输送机减阻 6 王国法等 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践2019 年第 8 期 技术研究， 提高了薄煤层超长工作面的运行能力， 降 低功耗和元部件损耗， 研发了适应工作面－巷道大 落差的重叠侧卸技术; 研发了刮板输送机煤流精准 测量技术， 保障采煤机和刮板输送机采运协调运行; 开发了薄煤层三维多源信息真实数据驱动虚拟现实 可视化操控系统， 成套技术和装备在张家峁煤矿进 行工程示范， 生产能力达到 200 万 t/a。 1．5中厚煤层智能化开采实践 1 转龙湾煤矿中厚煤层智能化开采实践。转 龙湾煤矿主采 2 －3 号煤层， 23303 工作面煤层厚度为 3．08～4．11 m， 煤层倾角小于 5， 工作面长度 300 m， 采用综采一次采全厚开采方法。 为了提高工作面智能化开采水平及开采效率， 研 发设计了中心距为 2．05 m、 型号为 ZY16000/23/43 的 强力液压支架， 实现了对围岩的可靠支护与成组快速 推进; 研发了高速高可靠性采煤机， 重载牵引速度达 到 17 m/m