智能化采煤工作面分类、分级评价指标体系.pdf

第45卷第9期 2020年 9月 煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY Vo l . 45 No .9 Sep. 2020 移动阅读 王国法，徐亚军,孟祥军，等.智能化采煤工作面分类、分级评价指标体系[J].煤炭学报,2020,4593033- 3044. WANG Gu o fa, XU Ya ju n , MENG Xia n g ju n , et a l . Spec ific a t io n, c l a ssific a t io n a n d g r a din g ev a l u a t io n in dex fo r sma r t l o n g wa l l min in g fa c e [J]. Jo u r n a l o f Ch in a Co a l So c iet y, 2020,45 9 3033-3044. 智能化采煤工作面分类、分级评价指标体系 王国法徐亚军123，孟祥军4，范京道5 ,吴群英6,任怀伟庞义辉123 , 杜毅博1，2,3，赵国瑞1，2,3，李明忠1，2,3，马英1，2,3，张金虎1，2,3 1.中煤科工开采研究院有限公司，北京100013； 2.煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013； 3.天地科技股份有限公司开采设计 事业部，北京100013； 4.兖矿集团有限公司，山东邹城273500； 5.陕西煤业化工集团有限责任公司，陕西西安710065； 6.陕西陕煤陕北矿 业有限公司，陕西神木719301 摘要摘要针对我国智能化工作面尚没有统一标准, ,无法对煤矿智能化建设和发展水平进行科学合理 定量评价问题， ，开展了智能化工作面分类、 、分级与评价指标体系研究， ，给出了智能化采煤工作面定 义， ，建立了智能化工作面指标体系数学模型， ，提出了智能化工作面分类、 、分级评价指标体系与评价 方法， ，开发了智能化采煤工作面分类、 、分级评价软件， ，结合具体案例， ，验证了评价方法与评价结果的 科学合理性。。首先对智能化采煤工作面、 、工作面智能集控中心、 、智能化开采模式等术语进行定义， ， 提出智能化采煤工作面一般技术要求与系统配套条件， ，根据工作面煤层厚度、 、赋存条件、 、采煤方法 和开采技术参数对智能化采煤工作面开采模式进行分类， ，将智能化采煤工作面分为薄煤层和中厚 煤层智能化有人巡视无人操作、 、大采高煤层人-机-环智能耦合高效综采和综放工作面智能化操控 与人工干预辅助放煤3种模式。。然后以煤层赋存条件为基本指标、 、开采技术参数为参考指标， ，建立 智能化采煤工作面分类评价指标体系， ，将采煤工作面煤层开采条件分为I类、、□类、 、皿类； ；将智能化 采煤工作面系统细分为智能割煤、 、智能支护、 、智能运输、 、智能控制、 、网络通讯、 、智能视频、 、智能喷雾、 、 智能供液、 、智能巡检、 、智能供电、 、工作面照明、 、工作面语音、 、通风防灭火和安全监测14个子系统， ，针 对不同类别工作面生产条件， ，分别对其设备性能达标条件和设备运行工况达标条件进行评价， ，建立 适用于不同类别的智能化采煤工作面分级评价指标体系， ，将智能化采煤工作面分为高级、 、中级、 、初 级3个级别， ，综合评价智能化工作面水平。。最后以具体的采煤工作面为例， ，对智能化工作面相关指 标进行具体解析， ，验证评价指标体系与评价方法的合理性与科学性。 。 关键词关键词智能化采煤工作面； ；分类； ；分级; ;评价指标体系； ；技术条件 中图分类号中图分类号TD823 文献标志码文献标志码A 文章编号文章编号0253-9993 202009-3033-12 Specification, classification and grading uation index for smart longwall mining face WANG Gu o fa123 ,XU Ya ju n123 ,MENG Xia n g ju n4,FAN Jin g da o5 ,WU Qu n yin g6,REN Hu a iwei1“, P ANG Yih u i-2-3,DU Yibo1-2-3 ,ZHAO Gu o r u i1-2-3 ,LI Min g zh o n g23,MA Yin g1-2-3 ,ZHANG Jin h u13 1. Coa l Mining Resea rch Institute, China Coa l Technology c l a ssific a t io n; g r a din g; ev a l u a t io n in dex syst em; t ec h n ic a l c o n dit io n s 智能化开采是煤炭安全高效开采的发展方向 和必然趋势已成为行业共识［l-3］o为了加快煤矿 智能化发展,全面提升我国煤矿智能化技术水平, 2020年3月份国家发展改革委等8部委推出了 关于加快煤矿智能化发展的指导意见，提出了 将煤矿智能化作为煤炭工业高质量发展的核心技 术支撑,制定了煤矿智能化发展的原则、目标、任 务和保障措施。为了配合国家8部委的智能化发 展指导意见,受国家能源局委托,笔者团队开展了 “智能化采煤工作面分类、分级技术条件与评价指 标体系”标准的制定。鉴于我国煤矿智能化建设 尚处于初级阶段［4-6］,以国内现有工作面智能化开 采技术和装备为基础,根据智能化采煤工作面生 产实际,结合我国煤层赋存条件多样性特点,对智 能化工作面进行了定义,提出了智能化采煤工作 面通用要求与系统配套条件,给出了智能化工作 面分类、分级评价指标体系与评价方法,指导煤矿 因地制宜地分类、分级建设智能化采煤工作面,推 进煤矿智能化高质量发展。 1智能化开采定义 智能化开采的显著特点是工作面装备与系统具 有智能感知、智能控制和智能决策3个智能化要 素⑴，智能感知是基础［8］,智能决策是重点，智能控 制是结果。三者关系如图1所示［9-10］ o 目前我国煤矿智能化开采尚处于初级阶段,其经 历了 3个发展步骤，每个步骤都是着重解决智能化3 要素中某些内容。先是在2014年解决了基于视频监 控的智能感知问题［1T］,以黄陵煤矿为代表,实现了 基于采煤机记忆截割、综采装备可视化远程干预的初 步智能化开采［13-14］（图2）。然后在2016年解决了基 于惯性导航的工作面直线度智能控制问题，以兖矿集 第9期王国法等智能化采煤工作面分类、分级评价指标体系3035 智能智能控制中心智能 *智能控制 图1智能化开采3要素 Fig . 1 Th r ee el emen t s o f in t el l ig en t min in g 团转龙湾煤矿为代表，采用LASC技术实现工作面设 备自动找直（图3）[|5],将智能化开采技术推向深入o 目前主要解决智能决策问题。以大数据分析和 深度学习为基础,通过系统的自主学习与数据训练形 成自主分析与决策机制,解决智能控制系统自主决策 难题。由于基于神经网络的深度学习模型数学机理 不清晰,相关研究正在深入，距离实际应用尚有差距。 现阶段，切实可行的方法是在智能感知、智能控制技 术基础上，建立协同联动机制，通过各设备的协同控 制，智能协调工作面各设备自动运行,解决工作面装 备智能决策缺失难题,实现工作面智能化开采。 监测专线 工作面巷道 地面分扌仝屮心 工作面 丁作血以太环网 智能感知 远程监控 图2可视化远程干预的智能开采 Fig . 2 In t el l ig en t min in g o f v isu a l r emo t e in t er v en t io n 井下曲控屮心 云台摄像仪 可视化 远程干预 水平曲线 调直刖 绝对定位调直后 轴编惯性车矗编 码器导航码器 81 號 SI 行走轨迹 截割轨迹 图3基于惯导的工作面自动调直 Fig . 3 Au t o ma t ic a l ig n men t o f min in g fa c e ba sed o n INS 以综放工作面为例，目前采煤机、刮板输送机、液 压支架、工作面视频与远程控制都进行了 一定程度的 智能化开发，由于缺乏协同联动机制，各系统之间相互 独立，不能协同作业。如图4所示切实可行的方法是 以煤流量智能检测为基础,形成基于带式输送机、前后 部刮板输送机煤流监测的智能决策机制，实现液压支 架、采煤机和前后部刮板输送机等综采设备协调联动。 煤速调蜓 智能调速 米煤机 - W冃匕市耳 输送机 带式输送机辱量监吵/能控制系冷7」板输送机煤量监啓 图4基于煤流识别的协调运行机制 Fig . 4 Co o r din a t ed mec h a n ism ba sed o n c o a l q u a n t it y iden t ific a t io n 综上,对智能化采煤工作面定义如下应用物联 网、云计算、大数据、人工智能等先进技术，使工作面 采煤机、液压支架、输送机（含刮板输送机、转载机、 破碎机、可伸缩带式输送机）及电液动力设备等形成 具有自主感知、自主决策和自动控制运行功能的智能 3036煤 炭 学 报2020年第45卷 系统，实现工作面落煤截割或放顶煤、装煤、支护、 运煤作业工况自适应和工序协同控制的开采方 式作业空间。 2智能化采煤工作面通用要求 智能化采煤工作面通用要求主要是对智能化采 煤工作面煤层地质条件、设备智能化功能、系统配套 特性提出一般性规定与要求，以界定智能化采煤工作 面适用条件、考评内容与规范性要求。为了便于理解 和操作,将智能化采煤工作面分为智能化采煤工作面 生产系统和智能化采煤工作面辅助生产系统两大系 统，各系统组成如图5所示。 智能化采煤工作面系统组织架构 Or g a n iza t io n a l st r u c t u r e o f sma r t min in g fa c e 图5 Fig . 5 2.1煤层地质条件煤层地质条件 较一般综采而言,智能化采煤工作面对煤层地质 保障要求较高。因为煤层条件越复杂，分析决策周期 就越长，系统控制流程就越繁琐，需要不停的调整工 艺流程与运行参数，实现安全高效智能化开采难度越 大。为此,要求智能化采煤工作面必须有专项总体设 计、地质保障准备和设备总体选型配套研究，应根据 具体的煤层赋存条件，选择合适的智能化开采模式。 2.2各子系统通用要求各子系统通用要求 当前基于视频图像和设备运行参数检测的智能 感知技术应用最为普遍，基于各类传感器的智能控制 也开始广泛应用，而智能决策系统应用相对滞后，考 虑到标准的可操作性，现阶段主要对智能感知和智能 控制性能进行考评，随着技术的进步与发展，后期再 将智能决策纳入考评范围。为此，标准对智能感知和 智能控制提出了明确规定，要求智能化采煤工作面必 须具有智能感知能力，对智能决策系统则提出非强制 性要求，要求智能化采煤工作面宜有智能决策系统, 以符合目前智能化工作面的发展现状。 2. 2.1生产系统通用要求 1智能割煤子系统通用要求。智能割煤子系 统主要是对采煤机的智能化提出了相关要求,包括强 制性要求和非强制性要求两方面内容。①强制性要 求采煤机必须具备运行工况及位姿检测、机载无线 遥控、精准定位、滚筒切割轨迹路径记忆、工作面中部 记忆截割、“三角煤”机架协同控制割煤、远程控制、 故障诊断和环境安全瓦斯联动控制等功能与自动化 控制系统,所有控制功能应向工作面智能集控中心开 放，实现采煤机的启停、牵引速度和运行方向的远程 控制。②非强制性要求主要包括采煤机的惯性导 航、智能调高、防碰撞检测等智能感知和煤流平衡控 制等智能控制功能。 2 智能支护子系统通用要求。智能支护子系 统规定了液压支架必备的基本功能，给出了相关推荐 性要求,并对大采高液压支架、放顶煤液压支架、超前 液压支架的智能化分别进行了详细规定。要求液压 支架必须配备电液控制系统，宜配备高度检测、姿态 感知、工作面直线度调直、压力超前预警、群组协同控 制、自动超前跟机支护等智能感知与控制功能，实现 液压支架的智能控制。大采高液压支架宜有顶板状 态实时感知、煤壁片帮预测、伸缩梁护帮板防碰撞 等智能感知功能， 放顶煤液压支架应采用智能化割煤 结合自动放煤或人工辅助干预进行放煤控制,超前液 压支架应配备电液控制系统，具有就地控制与远程遥 控功能，宜有状态智能感知和自主行走功能。 3 智能运输子系统通用要求。智能运输子系 统主要是对工作面刮板输送机和可伸缩带式输送机 提出了相关要求。要求刮板输送机应具有智能变频 软启动控制、运行状态监测、链条自动张紧、断链保 护、故障诊断、远程控制以及与工作面智能集控中心 第9期王国法等智能化采煤工作面分类、分级评价指标体系3037 双向通信功能，宜有煤流负荷检测功能,实现采、运协 同控制。要求工作面可伸缩带式输送机必须具有综 合保护与运行工况监控功能,实时监测带式输送机运 行工况和预警，宜有煤流量监测、异物识别和自动变 频速度调节功能，能够根据煤流量大小自动控制带 速，实现节能运行。 4 智能控制子系统通用要求。根据控制地点 和控制要求的不同，将智能控制子系统分为工作面智 能集控中心和地面监控中心，要求工作面智能集控中 心必须具有集中、就地和远程控制功能，能够实现采 煤机、液压支架、刮板输送机、破碎机、转载机、可伸缩 带式输送机、转载机、破碎机、乳化液泵站协同控制。 考虑到通讯的时效性和生产的安全性,对地面监控中 心没有提出详细的控制要求,仅要求地面监控中心具 备工作面设备具有一键启停功能，能够在地面对采煤 工作面生产系统远程监控和采煤工作面辅助生产系 统进行远程监视。 5 网络通讯子系统通用要求。智能化采煤工 作面有线网络传输速率宜不低于1 000 Mbps,无线通 讯带宽不低于100 Mbps,无线通讯系统具有工作面 数据通信、语音视频通信、视频监控、人员定位、语音 广播等功能。 6 智能视频子系统通用要求。要求矿用本质 安全型高清摄像仪必须具有视频增强、跟随采煤机自 动切换视频画面和自动清洗功能,视频传输速率不低 于100 Mbps,对云台摄像仪云台水平旋转角度、光学 变焦、最低像素和水平广角进行了规定，智能摄像仪 宜有特征信息识别、自动特征提取和预警功能。 7 智能喷雾降尘子系统通用要求。智能喷雾 降尘子系统包括工作面智能喷雾降尘分系统和煤流 运输智能喷雾降尘分系统，要求工作面采煤机割煤 点、刮板输送机卸煤点、转载机落煤点、可伸缩带式输 送机搭接点、液压支架降移升动作和放煤点等工作面 尘源位置都应设有智能喷雾装置,实现工作面全方位 喷雾降尘。 8 智能供液子系统通用要求。智能供液子系 统应具有反渗透水处理、清水过滤、自动配比补液、多 级过滤、高压自动反冲洗、高低液位自动控制、乳化液 浓度在线监控、单泵或多台泵的单动与自动运行、系 统运行信息检测与上传功能，宜与液压支架用液量协 同联动,实现工作面供液系统的智能控制。 9 智能巡检子系统通用要求。智能巡检子系 统包括工作面智能巡检系统和主煤流运输智能巡检, 利用巡检机器人实现工作面设备运行状况、开采环 境、煤流状态的例行巡检和异常情况实地巡查。 10智能供电子系统通用要求。要求工作面智 能供电子系统能够对整个工作面电力系统进行监控, 动态显示警示、预警和报警信息,能够显示开关分合 闸状态，并在权限允许的范围内对开关分合闸进行操 作,宜有防越级自动跳闸、故障精准定位功能,实现工 作面供电系统的智能控制。 2.2.2辅助生产系统通用要求 智能化采煤工作面辅助生产系统主要对工作面 照明、工作面语音、工作面通风和防灭火、智能安全监 测子系统进行了规定。对采煤工作面照明灯形式、照 明灯照度与后备电源、工作面语音系统功能、工作面 通风和防灭火的实时监测地点、监测装置与监测内容 以及智能安全监测子系统的实时监测内容与监测功 能提出了具体要求。 2.3系统配套要求系统配套要求 智能化采煤工作面系统配套主要对0.8含 1. 3 m薄煤层、1.3含3.5 m中厚煤层、3. 5 m 以上厚煤层、煤层倾角大于25含的大倾角工作 面开采方式和配套模式进行规范，要求薄煤层和中 厚煤层采用有人巡视无人操作模式进行开采, 3. 5 m以上厚煤层采用大采高煤层人-机-环智能 耦合高效综采模式或综放工作面智能化操控与人 工干预辅助放煤模式进行开采。要求所有智能化 工作面超前支护都应采用超前液压支架,建立信息 安全保障体系[16-17],同时对工作面智能化集控中心 建设内容进行了规定。 考虑到目前智能化开采技术尚处于初级阶段，现 阶段对于煤层倾角大于25含的大倾角工作面很 难实现智能化开采,标准规定煤层倾角大于25含 的大倾角工作面宜采用智能化机械化相结合的开 采技术进行开采，采用推荐的方式进行要求，不做强 行规定。 3智能化采煤工作面分类与分级 3.1智能化采煤工作面分类智能化采煤工作面分类 3.1.1开采模式划分 开采模式是以煤层厚度和采高为主要决定因素 结合煤层赋存条件而形成的具有相同或相近开采方 法、采煤工艺、配套模式、控制方式和智能决策逻辑的 开采方式。根据工作面煤层厚度、采煤方法和开采技 术参数的不同将智能化采煤工作面分3种开采模式, 类别代号及名称见表1。 3. 1. 2 分类指标量化评价 将煤层厚度、煤层倾角、煤层稳定性、瓦斯、水文 等煤层赋存条件作为基本指标,工作面走向长度、倾 3038煤 炭 学 报2020 年第 45 卷 斜宽度、可布置工作面数量等采煤工作面开采技术参 数作为参考指标对不同开采模式的采煤工作面进行 分类评价。分类指标见表2。 表表1智能化采煤工作面开采模式智能化采煤工作面开采模式 Table 1 Mining mode of smart longwall mining face 类别代号 1类2类3类 煤煤智能化有大采高煤层人- 名称总无人操机黑能耦合 综放工作面智 能化操控与人 工干预辅助放 煤模式 表表2智能化采煤工作面分类评价指标量化评价智能化采煤工作面分类评价指标量化评价 Table 2 Classified uation index quantification 评价条件因素 1级2级3级 煤层厚度/m1. 3 6.0M6.0W1.3 煤层倾角/。 W1010 25M25 煤层硬度中等硬度煤硬煤或软煤特硬或特软煤 节理裂隙发育不发育较发育发育 煤层稳定性稳定或较稳定不稳定极不稳定 直接顶稳定程度 2类、3类4类1类 基本顶板级别 I级II 级III级、IV级 底板稳定程度 N类、V类U类、皿类I类 褶曲影响程度 01 2M2 断层影响程度 W0. 60.61M1 陷落柱影响程度/ W5515M15 矿井瓦斯等级低瓦斯矿井高瓦斯矿井突出矿井 煤层自燃倾向不易自燃自燃易自燃 水文地质复杂程度简单或中等复杂非常复杂 煤尘爆炸倾向 1 级或 2 级3级4级 工作面俯仰角/。 W5515M15 伪顶厚度/mW0. 10. 1 0.5M0. 5 工作面走向长度/mM1 500500 1 500W500 工作面倾斜宽度/mM200100 200W100 可布置工作面个数 M52 5W2 采用模糊综合评价方法对智能化采煤工作面条 件进行综合评价,将各因素的评价结果按一定算法映 射为可计算的综合评价值，采用百分制原则进行评 判。评价方法的本质是模糊评定［18］,因为若将各映 射函数除以100,则百分制评价结果就变为隶属度， 相应的映射函数便成为隶属函数。采用百分制是为 了便于考评和操作。下文对几个主要指标评价方法 进行说明。 1煤层厚度。煤层厚度在区间［1.3,6］的得分 为［85,100］,考虑到3.5 m以上煤层需要设置护帮 板，将3.5 m煤层设为100分,然后随着煤层厚度变 薄或变厚，分值逐渐降低。采用式1所示的分段函 数作为映射算法计算不同厚度煤层得分 「63 ,x 0. 6 10 x 57,0. 6 x W1.3 fx - 2. 73x2 19. 91 63.73,1. 3 4为特硬煤［19］。 采用式3所示的分段函数计算不同煤层硬度得分 「70 x ,0 W x 1 55 15x, 1 W x 2 fx 25 30 x ,2 W x 2.5 3 175 - 30 x ,2. 5 W x 3 ［130 - 30 x ,x M 3 分值曲线如图6c 所示。 4 工作面断面影响程度。采用式4所示的分 段函数作为映射算法计算工作面不同工作面断面影 响程度得分断层影响程度超过2. 86,分值为0 100 - 25 x,0 W x 0. 6 f x 4 107.5 - 37.5x ,x M0.6 分值曲线如图6d所示。 5陷落柱影响程度。采用式5所示的分段函 数计算工作面不同陷落柱影响程度得分 100 - 300 x ,0 W x 5 f x { 5 92.5 - 150 x ,5 W x W61.67 分值曲线如图6e 所示。 6工作面俯仰采角度。采用式6所示的分段 函数计算工作面仰俯角得分 100 - 3 x,0 W x 5 f x { 6 95 - 1.5x ,5 W x W90 分值曲线如图6f所示。 7伪顶厚度。采用式7所示的分段函数计算 工作面伪顶厚度得分 「100 - 150 x ,0 W x 0. 1 fx 100 - 37.5x ,0. 1 W x 8 fx 丄 V n v Q 8 9 10 8 工作面走向长度。采用式8所示的分段函 数计算工作面长度得分 「100,x M 300 fx 55 0. 15x ,100 W x 300 8 [0. 7x ,0 W x 300 fx 55 0. 15x ,100 W x 300 9 [0. 7x ,0 W x 100 60 5 x，0 x W 8 分值曲线如图6j所示。 3.1.3分类方法 将表2所示的20个评价指标向量[w, w2 w20]作为行向量，将评价指标权重向量[r r2 r20]作为列向量,2者向量的积V]为工作面条件分 类依据，计算方法为 V1 [ w1 w2 w20][ r1 r2 r20]T 分值曲线如图6i所示。11 3040煤 炭 学 报2020 年第 45 卷 根据式（11）算出的得分结果对工作面煤层开采 条件进行分类，评判结果集为{I类，n类，皿类丨 {10085（含）,85 70（含）,85分的采煤工作面为高级智能化采煤工作面; 分值为85（含）70分的采煤工作面为中级智能化 采煤工作面;分值为70（含）60分的采煤工作面为 初级智能化采煤工作面，分值低于60分，为未达到智 能化工作面标准。下面对几个主要指标计算方法进 行说明。 （1）采煤工作面条件综合评测方法。利用采煤 工作面条件综合评价得分V1的反比函数主要是基于 以下2点考虑①同样分值条件下，较赋存条件简单 的工作面而言,复杂条件工作面付出的投入和努力更 多;②鼓励复杂条件工作面积极投入到智能化工作 面建设当中。由于V1的权重较小，为了计算结果更 加符合实际，将1 000/ V1作为智能化采煤工作面条 件综合评价分项指标，同时将V1得分小于10分的按 10分进行计算，具体计算结果如图7所示。 图7采煤工作面条件综合评价因素曲线 Fig . 7 Cu r v e o f c o mpr eh en siv e ev a l u a t io n fa c t o r （2）设备性能达标条件评测方法。设备性能达 标条件分值V2由评价指标向量w [ w1 w2 w14]和评价指标权重向量[r] [ r r2r14 ]构 成, 计算方法为 V2 [ w1 w2 w14][ r1 r2 r14]T （13） 设备性能达标条件评价指标向量元素指前面所 述的智能化采煤工作面生产系统中10个智能化子系 统和智能化采煤工作面辅助生产系统中 4 个智能化 子系统设备参数和功能,标准从设备的工况检测、自 动控制、智能感知3个方面界定设备智能化水平,给 出了详细的评分方法。 智能化采煤工作面设备性能达标条件各评价因 素权重元素r（1W/W14）见表4。权重的设置主要向 生产系统倾斜，但又充分考虑到安全生产的重要性, 体现了技术进步与安全生产并重的原则，引导企业进 行安全高效智能化开采。 表表4设备性能达标条件各指标权重设备性能达标条件各指标权重 Table 4 Indicator weight of equipment perance criteria 生产系统指标名称指标权重 智能割煤子系统 0. 12 智能支护子系统 0. 13 智能运输子系统 0. 12 智能控制子系统 0. 11 智能化工作网络通信系统 0. 06 0. 8 面生产系统智能视频系统 0. 08 智能喷雾系统 0. 05 智能供液系统 0. 05 智能巡检系统 0. 03 智能供电系统 0. 05 工作面照明系统 0. 02 智能化工作面工作面语音系统 0. 03 0. 2 辅助生产系统工作面通风防灭火系统 0. 05 智能安全监测系统 0. 10 根据设备性能达标条件评价得分,将设备性能达 标条件分为3个等级V2 {好，中，差} {100 第9期王国法等智能化采煤工作面分类、分级评价指标体系3041 85（含）,85 70（含）,70 60 } o如果分值低于60 分，说明设备性能指标未达到智能化工作面标准。 （3）设备运行工况达标条件评测方法。设备运 行工况达标条件分值V3由设备运行工况达标条件评 价指标向量w [ w1 w2w14]和设备运行工况 达标条件评价指标权重向量r [ r1 r2r14 ]构 成， 计算方法为 V3 [ w1 w2 w14][ r1 r2 r14]T （14） 同设备性能达标条件评价指标向量元素一样，设 备运行工况达标条件评价指标向量也是指智能化采 煤工作面生产系统中10个智能化子系统和智能化采 煤工作面辅助生产系统中4个智能化子系统设备实 行运行状态，标准从设备的运行状况、智能感知、智能 控制、日常管理与维护几个方面界定设备智能化运行 能力，给出了具体的评分方法。 智能化采煤工作面设备运行工况达标条件各评 价因素权重r”（1Wn W14）见表5。权重的设置充分 考虑各系统的重要性，引导企业树立全局生产观，充 分进行智能化采煤工作面各个环节的建设,全面提升 智能化采煤工作面整体生产技术水平。 表表5设备运行工况达标条件各指标权重设备运行工况达标条件各指标权重 Table 5 Indicator weight of equipment cooperation condition 生产系统指标名称指标权重 智能割煤子系统 0. 12 智能支护子系统 0. 13 智能运输子系统 0. 12 智能控制子系统 0. 11 智能化工作网络通信子系统 0. 05 0. 77 面生产系统智能视频子系统 0.06 智能喷雾子系统 0. 05 智能供液子系统 0. 05 智能巡检子系统 0. 03 智能供电子系统 0. 05 工作面照明子系统 0. 03 智能化工作面工作面语音子系统 0. 04 0. 23 辅助生产系统工作面通风防灭火子系统 0. 06 智能安全监测子系统 0. 10 将设备运行工况达标条件评价指标向量w [ w1 w2w14 ]中评价元素（1WmW14）和设备运行 工况达标条件评价指标权重向量r [ r1 T2 r14 ]中评价权重元素r”（1Wn W14）代入式（19），得出 设备运行工况达标条件分值,划分工作面设备运行工 况达标条件优劣区间。根据设备运行工况得分，将设 备运行工况达标条件分为3个等级V3 {好，中, 差} {100 85,85（含）70,70（含）60丨。分值低 于60分,设备运行工况未达到智能化工作面运行标 准。 4智能化工作面评价指标体系 4.1评价指标体系评价指标体系 智能化采煤工作面指标体系由分项指标和分项 指标权重构成。各级指标分别设置相应的权重，各级 指标权重之和等于100。智能化采煤工作面评价 水平总得分为所有一级指标与权重得分之和；级指 标得分应为其下层2级指标得分之和;2级指标得分 应为其下层2级指标分项及相应的权重得分之和。 各级指标的得分在计算时,四舍五入取整数。 4.2指标体系框架指标体系框架 智能化采煤工作面评价指标体系包括工作面条 件、设备性能达标条件、设备运行工况达标条件3部 分指标。具体评价指标体系框架如图8所示。 图8智能化采煤工作面评价指标体系框架 Fig . 8 Fr a mewo r k o f ev a l u a t io n in dex syst em 4.3指标体系矩阵结构指标体系矩阵结构 如图 9 所示，智能化采煤工作面评价指标体系数 学模型是多维矩阵数据结构。上一级数据建立在下 一级数据指标向量和指标向量权重矩阵基础上，通过 指标向量和指标向量权重矩阵运算构成上一级向量 的评价元素。评价结果M为维度为（1,1,3）的阵列, 指标向量V（ V [1 000/V1 V3]）为维度为（1, 3,2）的阵列。其中，向量V中的阵列元素V1是基于 维度（1,20,1）和（20,1,1）的阵列运算结果,V2, V3是 基于维度（1,14,1）和（14,1,1）的阵列运算结果。通 过阵列的嵌套，层层迭代，建立完整的智能化采煤工 作面评价指标数据结构。 3042煤 炭 学 报2020 年第 45 卷 图9智能化采煤工作面评价指标体系阵列结构 Fig . 9 Ar r a y st r u c t u r e o f ev a l u a t io n in dex syst em 5评价体系验证 为了验证评价方法的科学合理性,开发智能化采 煤工作面分类、分级评价软件VI. 0,以西部某矿为 样本，对采煤工作面智能化程度进行评价。该矿位于 鄂尔多斯地区，矿井水文地质条件简单，无陷落柱和 断层影响，为低瓦斯矿井。主采n -3号煤层，煤层稳 定，分布连续，全区可采，煤层厚度3. 08 4. 11 m,平 均3.67 m,煤层倾角0 3,平均1,走向倾角1 - 2,煤层普氏系数f23。煤尘爆炸指数为39,属 易爆炸煤层。设计布置6个工作面。工作面走向长 度2 890.50 m,倾向长度324. 75 mo基本顶为灰白 色砂岩和中粒至细粒砂状结构，厚度5.27 - 19. 39 m，平均厚度11.48 mo直接顶为灰白色中粒 砂状结构，抗压强度为30. 8 40.8 MP a ,厚度1. 15 - 5. 32 m,平均厚度3 mo直接底为中细粒砂状结构, 抗压强度为 20.4 46. 2 MP a ,厚度 9.73 - 27. 23 m, 平均厚度18. 49。由式16求得该采煤工作面条件 综合评测结果为94分,类别为良好,结果如图10a 所示。 1煤层厚度；2煤层倾角；3煤层硬度；4卡理裂隙发育科度；5煤层稳定性；6直按顶稳定程度； 7基本顶板级別;8底板稳定科度；9褶血影响科度；10断层影响科度；11陷落柱影响科度；12矿井瓦斯等级; 13煤丿* 口燃倾向；14 一水文地质复杂程度；15煤尘爆炸倾向；16工作面俯仰采角度；17伪顶厚度； 18工作而走向长度；19工作而倾斜宽度；20可布詈工作而数虽 a mo 1 单项指标分值未乘权重 1智能割煤了系统；2智能支护了系统；3智能运输了系统；4智能控制了系统；5网络通信系统；6智能视频系统; 7智能喷雾系统；8智能供液系统；9智能巡检系统；10智能供电系统；11工作面照明系统； 12工作面语音系统；13工作面通风防灭火系统；14种能安金监测系统 b 图10评价结果 Fig . 10 Ev a l u a t io n r esu l t s 评价结果表明，该工作面煤层赋存条件良好，应 行智能化开采。但煤层容易自燃，对工作面安全管理 采用大采高煤层人-机-环智能耦合高效综采模式进 有一定影响。 第9期王国法等智能化采煤工作面分类、分级评价指标体系3043 该工作面配套设备先进，智能割煤、智能支护、智 能运输、智能控制、网络通讯、智能视频、智能喷雾、智 能供液8个智能化生产子系统装备先进，采煤机具有 记忆截割和自动截割三角煤功能,液压支架配备电液 控制系统和高清摄像仪，可自动跟随采煤机切换画 面，刮板输送机、转载机和带式输送机具有集中控制 功能，采用视频系统进行顺槽远程监控，工作面建有 传输速率1 000 Mbps工业以太环网，采用LASC自动 调直装置，智能按需供液,上述各系统得分都在80分 以上,但是工作面没有智能巡检和智能供电系统，影 响了其分值。与智能化生产系统相比,智能化辅助化 生产系统设备有一定差距,工作面照明系统没有UP S 后备电源，工作面没有建立4G网络,通风防灭火系 统不具备局部通风机调速功能,风量不足时不能自动 闭锁相关设备，人员单兵装备不能实时互联和预警, 工作面只能显示人员区域定位,无法精确定位,4个 智能化辅助子系统分值都未超过85分。系统设备性 能达标条件评价为75分，级别中等，结果如图10b 所示。 评价过程中发现目前智能化采煤工作面设备发 展不均衡,工作面生产系统装备性能普通高于辅助生 产系统，这与企业以煤炭产量为中心的理念有关。只 要关系到煤炭产量的环节都很重视，也愿意投入装 备,对于与煤炭产出量关联度不大的环节则关注度不 够。希望通过智能化采煤工作面分类、分级评价标准 的推行，改变上述现象，以全面提升采煤工作面智能 化水平。 6结 论 1 标准给出了智能化采煤工作面相关术语与 定义，将智能化采煤工作面分为智能化采煤工作面生 产系统和智能化采煤工作面辅助生产系统，前者包括 智能割煤、智能支护、智能运输等10个智能化子系 统,后者包括工作面照明、工作面语音、通风防灭火和 安全监测4个智能化子系统，对每个子系统提出了通 用要求。 2 根据工作面煤层厚度、采煤方法和开采技术 参数的不同将智能化采煤工作面分为薄煤层和中厚 煤层智能化有人巡视无人操作、厚煤层大采高人- 机-环智能耦合高效综采、综放工作面智能化操控与