煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望.pdf

第 4 4卷 第 2期 2 0 1 8年 2月 工矿 自 动化 I n d u s t c y a n d M i n e Au t o ma t i o n V01 ． 4 4 NO ． 2 Fe b ．2 01 8 ’ ” “ 科研成果 { -_ ，◆ ． ． 1．◆ l’ 文章 编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 8 0 2 0 0 0 5 0 8 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 1 7 3 0 7 煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望 王 国法 ， 范 京道 ， 徐 亚 军 ， 任 怀伟 。 1 ． 天 地科 技股 份有 限公 司 开采 设 计事 业部 ，北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 煤炭科学研究总院 开采设计研究 院， 北京1 0 0 0 1 3 ； 3 ． 国家安全生产监督管理总局 煤矿智能化开采技术创新中心技术委员会 ， 陕西 黄陵7 2 7 3 0 0 ； 4 ． 陕西煤业化工集团有限责任公司 黄陵矿业集团有限责任公司 ， 陕西 黄陵 7 2 7 3 0 0 摘要 全面总结 了薄煤层和较薄煤层智能化开采 、 厚煤层大采高和超 大采 高智能化 开采、 特厚煤层综放 开采 智 能化技 术的创 新 与 实践 ， 分 析 了存 在 的 不足 ； 提 出了综 采 装备适 应 围岩 活动 及环 境动 态变化 所 需攻克 的 采煤机 智 能调 高控 制 、 液压 支 架群组 与 围岩 的智 能耦 合 自适 应 控 制 、 工作 面直 线度 智 能控 制 、 基 于 系统 多 信 息融合 的协 同控 制 、 超 前 支护及 辅助 作业 的 智能化 控 制 5项 关键 技 术 ， 为将 智 能开采 由 目前 的初级 阶段 升 级 为 自学 习 、 自决策 、 自修 正 的 高级阶段 奠 定技 术基 础 ； 对 煤炭 行 业 近期 、 中期 和远 期 提 出 了智 能化 、 有 限无 人化 和 流 态化 的技 术发 展 方 向和 目标 ， 展 望 了可能 的发展 路径 及 需要 突破 的 关键 技 术 和发展 方向 。 关 键词 煤 炭 开采 ；智 能化 开采 ；无人化 开采 ；流 态 化 开采 ；采 煤 机 智 能 调 高；智 能耦 合 自适 应 控 制 ； 工作 面直线度 智能控 制 ；协 同控 制 中图分类号 T D8 2 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 8 0 1 1 1 1 4 1 6 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ k n s ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 8 0 1 0 9 ． 1 8 4 9 ． 0 0 3 ． h t ml 收稿 日期 2 0 1 7 1 2 - 2 8 ； 修 回日期 2 0 1 7 0 1 0 8 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 国家重点基础研 究发展计 划 9 7 3 计划 资助项 目 2 O 1 4 C B O 4 6 3 O 2 ； 国家 自然科 学基金 重点支 持项 目 U1 6 1 0 2 5 1 。 作者简介 王国法 1 9 6 0 一 ， 男 ， 山东文登 人 ， 中国工程院院士， 研 究员 ， 博士研 究生导 师 ， 中国煤 炭科工 集团首席 科学 家 ， E ma i l wa n g g u o f a t d k c ． c o m。 引用格式 王国法 ， 范京道 ， 徐亚军 ， 等． 煤 炭智能化开采关键技术 创新 进展与展望[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 8 ， 4 4 2 5 - 1 2 ． WANG Gu o f a ， F AN J i n g d a o ， XU Ya j u n ， e t a 1 ． I n n o v a t i o n p r o g r e s s a n d p r o s p e c t o n k e y t e c h n o l o g i e s o f i n t e l l i g e n t c o a l mi n i n g [ J ] ． I n d u s t r y a nd Mi ne Au t o ma t i o n， 2 01 8， 4 4 2 5 - 1 2 ． [5 ] [6] [7] [8] 姚健铨 ， 丁恩杰 ， 张 申 ， 等 ． 感知 矿 山物联 网愿景 与发 展趋势r j ] ． 工 矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 9 1 - 4 ． YAO J i a n q u a n， DI NG En j ，Z HANG S h e n，e t a 1 ． Pr o s pe c t o f pe r c e pt i o n mi ne I nt e r ne t o f t h i n gs a n d i t s d e v e l o p me n t t r e n d [J] ． I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n， 2 0 1 6 ， 4 2 9 1 - 4 ． 张 申， 刘 鹏 ， 张 彭． 感知 矿 山物联 网云计 算 应用 探 索 E J ] ． 煤炭 科学技术 ， 2 0 1 2 ， 4 0 9 7 2 7 5 ． ZHANG She n，LI U Pe n g，ZH ANG Pe ng．App l i e d d i s c o v e r y o n c l o u d c o mp u t a t i o n o f s e n s o r y mi n e I n t e r n e t o f t h i n g s [ J ] ．C o a l S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ， 2 0 1 2 ， 4 O 9 7 2 7 5 ． GB ／ T 3 4 6 7 9 --2 0 1 7智慧矿 山信息 系统通用技术 规范 [ S ] ． 陈铎 ， 王 刚． 基 于矿 山物联 网的 设备 动 态 管 理 系 统 [ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 3 ， 3 9 5 1 6 1 8 ． [ 9] E l O ] CHEN Du o．W ANG Ga ng． Dy na mi c ma n a ge me nt s y s t e m o f d e v i c es b a s e d on mi ne I n t e r n et of t hi ngs E J ] ．I n d u s t r y a n d Mi n e Au t o ma t i o n ， 2 0 1 3 ， 3 9 5 1 6 一 l 8． 时于珏 ， 刘 混举． 物联 网技术 在矿 山设 备状 态监 测 中 的应用探讨E J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 1 3 ， 3 4 7 2 3 9 2 4 1 ． S HI Yu j u e ，LI U Hu n j u ．Di s c u s s i o n o f I n t e r n e t o f t h i n g s t e c h n o l o g y i n mi n i n g e q u i p me n t [ J ] ． C o a l Mi n e M a c h i n e r y， 2 0 1 3 ， 3 4 7 2 3 9 2 4 1 ． 李世银 ， 徐 若锋 ， 宋金 玲 ， 等 ． 基 于物联 网的综采 面智 能化资源调度 系统解决方 案研 究E J ] ． 煤 炭经济研 究 ， 2 0 1 4， 3 4 7 5 - 7 ． LI S h i y i n ， XU Ru o f e n g， S ONG J i n l i n g， e t a 1 ． S t u d y o n s o l u t i o n p l a n o f i n t e l l i g e n t r e s o u r c e d i s p a t c h i n g s y s t e m a p p l i e d t o f u l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g [ J ] ． Co a l E c o n o mi c Re s e a r c h， 2 0 1 4 ， 3 4 7 5 - 7 ． 6 工矿 自动化 2 0 1 8年 第 4 4卷 I n no v a t i o n pr o g r e s s a n d pr o s pe c t o n ke y t e c h n o l o gi e s o f i nt e l l i g e nt c o a l mi ni n g WANG Gu o f a ， 。 一， F AN J i n g d a o 。 一， XU Ya j u n 一， REN Hu a i we i ， 1． Co a l M i ni ng a n d De s i g ni ng De pa r t m e nt ，Ti a nd i Sc i e nc e a n d Te c hn o l og y Co． ，Lt d． ， Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a ；2 ． Co a l Mi n i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Be i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a ；3 ． I n n o v a t i o n C e n t e r o f I n t e l l i g e n t Mi n i n g Te c h n o l o g y i n Co a l Mi n e ， St a t e Ad m i ni s t r a t i on o f W o r k Sa f e t y，H u a ng l i ng 72 7 3 0 0，Chi na；4． H u a ng l i n g M i n i ng Gr ou p Co． ，Lt d S h a a n x i Co a l a n d Ch e mi c a l I n d u s t r y Gr o u p Co ． ，Lt d ． ，Hu a n g l i n g 7 2 7 3 0 0，Ch i n a Ab s t r a c t I nn o va t i o n a n d p r a c t i c e we r e s umma r i z e d ov e r a l l a b o ut i n t e l l i g e n t f u l l y me c ha n i z e d c o a l mi ni n g i n t h i n c o a l s e a m a nd t hi nn e r c oa l s e a m ，i n t e l l i g e n t f u l l y me c ha ni z e d c oa l m i n i n g o f l a r g e mi n i ng he i g ht a n d s up e r l a r g e mi ni ng he i g ht i n t hi c k c oa l s e a m ， a n d i n t e 1 1 i g e n t i z a t i o n t e c hn o l o gy of f u l l y me c ha n i z e d t op c o a l m i ni n g i n s u pe r t h i c k c o a l s e a m ， a nd s ho r t c omi n gs o f t he a b o ve t e c h no l o g i e s we r e a n a l y z e d．Fi v e k e y t e c hno l o gi e s we r e pr o po s e d f or f u l l y m e c ha ni z e d c oa l mi ni ng e qu i p m e nt s t o a d a p t t o s u r r o u n d i n g r o c k mo v e me n t a n d d y n a mi c e n v i r o n me n t v a r i e t y ，wh i c h we r e i n t e l l i g e n t h e i g h t a d j u s t me n t c on t r o l o f s he a r e r ， i nt e l l i ge nt c o up l i n g s e l f a da p t i v e c o n t r ol o f hy d r a ul i c s up po r t u ni t s a nd s ur r o un di n g r o c k，i nt e l l i g e n t a l i g n m e nt c on t r ol o f wo r k i ng f a c e，c o op e r a t i v e c o nt r ol ba s e d o n m u l t i i n f o r m a t i o n f us i o n a n d i nt e l l i g e nt c o nt r o l o f a d v a n c e s u pp o r t a nd a s s i s t a nt o pe r a t i o n．The ke y t e c hn o l og i e s l a y t e c hni c a l ba s e f o r i n t e l l i g e n t mi n i n g p r o g r e s s i n g t o s e n i o r s t a g e o f s e l f l e a r n i n g ，s e l f d e c i s i o n ma k i n g a n d s e l f a d j u s t me n t f r o m c ur r e n t i ni t i a l s t a g．Te c hn i c a l d e v e l o p m e nt di r e c t i o ns a nd t a r g e t s o f c o a l i nd us t r y i n t h e s ho r t t e r m ， me d i u m t e r m a n d l o n g t e r m we r e p r o p o s e d，n a me l y i n t e l l i g e n t mi n i n g，l i mi t e d u n ma n n e d mi n i n g a n d f l u i d i z e d mi n i n g， a n d d e v e l o p me n t r o u t e ， k e y t e c h n o l o g i e s a n d d e v e l o p me n t d i r e c t i o n we r e a l s o pr o s p e c t e d． Ke y wo r d s c o a l mi n i ng；i nt e l l i g e n t mi ni n g； u nma nn e d mi ni ng； f l ui d i z e d mi n i ng； i nt e l l i ge nt h e i g ht a d j u s t me n t o f s h e a r e r ；i n t e l l i g e n t c o u p l i n g s e l f a d a p t i v e c o n t r o l ；i n t e l l i g e n t a l i g n me n t c o n t r o l o f wo r k i n g f a c e；c o o pe r a t i v e c on t r o 1 0引言 2 1世纪 以来 ， 我国安全高效高端综采技术与装 备研 发 突飞猛 进 ， 取 得大 批重要 成果 ， 推动 煤炭行 业 机 械化 、 自动 化程度 大 幅提升 ， 安全保 障程 度大 幅提 高 ， 许多 重点 矿 区连 续 实 现 亿 吨 无 死 亡 ， 如 图 1 所 示 。随着我国经济发展方式 的转变 ， 煤炭行业也 由 粗 放 的生产方 式 向集 约化 、 精 细化方 向转 型 ， 智 能化 开采成为煤炭安全高效 开采 的发展 方 向与必然趋 势 。 国家能源技术革命创新行动计划 、 国家安全生 O0 8 O 6 0 4 0 2 O O l 9 8 4 1 9 8 9 1 9 9 4 1 9 9 9 2 0 0 4 2 0 0 9 2 0 1 4 2 01 9 年份 图 1 煤炭综合机械化程度及产 量和安全指标 Fi g ． 1 Fu l l y me c h a n i z e d c o a l mi n i n g d e g r e e ，c o a l o ut pu t a nd s a f e t y i n de x 产监督管理总局“ 机械化换人、 自动化减人” 科技强 安专项行动都将煤炭智能化开采技术列为重点研究 方 向 。 国外从 2 0世纪 9 O年代 开始研究智能采矿技 术 ， 芬兰 、 瑞典 、 澳大利亚等都提 出了 自己的技术方 案 ， 主要是 以工业 自动 化 技术 为 基 础 实现 煤 机 装备 的程序控制、 远程可视化监控 、 装备状态监测 等功 能。2 0 0 0年之后 ， 计算机及互联 网技术快速发展 ， 澳 大利亚 联邦 科学 与 工 业研 究 组 织 C S I R O 、 美 国 久益 集 团 J OY 、 德 国艾柯 夫 公 司 E I C KHOF F 等 都推 出了自动化和智能化开采技术与装备， 美国和 澳大利亚在开采条件好的中厚煤层实现 了长工作面 高速截割 、 高速运输、 高度 自动化采煤。 我国智能化开采技术起步较晚 ， 2 0 0 7年才实现 了电液控制系统的国产化 。但相关技术研究发展迅 速 ， 在国家高技术研究发展计划 8 6 3计划 、 国家重 点基 础研 究发 展计划 9 7 3计 划 及智 能 制造 专 项 的 支 持下 ， 天地科 技股 份 有 限公 司等 单 位先 后 研 发 了 采掘装备远程遥控 、 自动化放煤 、 直线度控制、 采煤 褂 l 留 陋 ＼ 哪 ＼ 瓣 警基啦 2 0 1 8年 第 2期 王 国法 等 煤 炭 智能化 开 采 关键 技 术创 新进展 与展 望 7 机 自动调高等技术 ， 在 实现单机装备智能化的基 础 上 ， 实现了工作面“ 三机” 采煤机 、 刮板输送机 、 液压 支架 的协调联动控制、 可视化远程干预控制 ， 建设 了黄陵一矿等智能化开采示范项 目。 智 能化 开 采是 在 自动化 系统 中加 入 自主决 策 功 能， 使其能够实时感 知围岩条件及外部环境的变化 并 自动调整开采参数 ， 智能感知 、 智能决策和智能控 制是智能化开采的三要素。智能化开采的特点是设 备具有 自主学习和 自主决策功能， 具备 自感知 、 自控 制 、 自修正 的能力， 进而实现 自适应开采 。其 中， 自 感知是进行必要 的信息获取 ， 为 自控制提供依据； 自 控 制 是通 过 收集 和分 析 实 时 运 行 数 据 ， 自主 决 策 控 制方案 ； 自修正是 在控制装备 运行过程 中， 不断 学 习、 修改和完善控制参数 ， 以实时响应环境变化 。智 能化开采 目前还处于初级阶段 ， 正进入技术创新 发 展 的关键阶段 ， 需要对工作面采高、 支护系统与围岩 智能耦合群组 自适应控制、 工作面直线度智能导航 、 系统多信息融合协 同、 超前支护及辅助作业 的智 能 化 等 技术进 行 攻关 研 发 ， 通 过 解 决 综 合 机 械 化设 备 的环境参数 自主感知实现开采行为的 自主调控 ， 进 而实现智能化开采技术升级 。 I 煤炭智能化开采关键技术与装备研发 1 ． 1 薄煤层和较薄煤层智能化开采 1 ． 3 m 以下 的薄煤层和 1 ． 7 m 以下的较薄煤层 在我国煤炭资源中占有很大 比重 ， 但 由于煤层薄、 空 间小 ， 难以提升装备功率和性 能， 开采效率低 、 效益 差 ， 成 为制 约 煤 炭 企 业 发 展 的 技 术 瓶 颈 。2 0 0 1年 ， 铁法煤业 集团 有限责任公司引进了德国全套刨煤 机组配套国产液压支架 ， 在小青矿和 晓南矿成功实 现了薄煤层 自动化开采 ， 引起 了全 国煤炭企业的极 大关注。大同煤矿集 团有限责任公司晋华宫矿_ 1 ] 、 山西焦煤集团有限责任公 司马兰矿[ 3 ] 、 山西晋城无 烟煤矿业集 团有限责任公司凤凰山矿[ 4 等单位先后 引进了 5套刨煤机组。但除了铁法煤业 集团 有限 责任 公 司外 ， 其他 矿 区实 际应 用 效果 都不 理想 ， 原 因 在于进 口自动 化刨煤机组对煤层 赋存条件要求 较 高 ， 适应赋存稳定 、 硬度不高、 顶底板条件较好 的1 ～ 1 ． 7 m煤层， 而我国大部分矿 区煤层赋存条件复杂 ， 因而刨煤机在我国难以全面推广。 为此 ， 我国重点开展了基于滚筒采煤机 的薄煤 层 自动化综采成套技术和装备研发。2 0 0 4年 ， 兖州 矿业 集团 有限公司与天地科技股份有限公司等单 位合作研发了基于 MG2 1 2 5 ／ 5 5 6 一 WD型薄煤层 滚筒采煤机的薄煤层综采 自动化 系统 ， 在济 宁二号 煤 矿实 现 了 1 ． 2 ～ 1 ． 8 m 煤 层 的高 效 开 采 。2 O O 7 2 0 1 3年 ， 冀 中能源 峰 峰集 团有 限公 司与 天 地科 技 股 份有限公司等单位合作研发 了 0 ． 6 ～1 ． 3 m 复杂薄 煤层 自动化综采成套技术与装备 ， 发明 了基 于滚筒 采煤机的薄煤层无人 自动化开采模式 、 生产方法 ， 创 新 自动化控制系统、 超大伸缩 比薄煤层液压支架 、 犁 式装煤和分段调斜多轮推溜、 工作面智能视频 和安 全预警系统 、 综采工作 面智能控制中心等关键技术 ， 突破了最小高度制约， 解决了设备小尺寸、 大功率和 自动跟 机移 架及 斜 切进 刀割 三角 煤等 自动 化采 煤工 艺 难题 ， 首 次研 发 成 功 0 ． 6 ～ 1 ． 3 m 薄 煤 层 全 自动 化综采成套技术与装备 ， 在冀 中能源峰峰集 团有 限 公司薛村煤矿等 1 2个煤矿成功应用， 获 2 0 1 3年 国 家科技进步二等奖[ 5 ] 。 2 0 1 2 --2 0 1 5年， 陕西煤业化工集 团有限责任公 司黄陵矿业集团有限责任公司与天地科技股份有限 公 司等 单 位 合 作 ， 针 对 黄 陵一 号 煤 矿 1 ． 4 ～ 2 ． 2 m 较 薄 中厚煤 层进 行 了智 能化综 采 系统研 发 和工 程示 范 ， 首 次实现 了工作 面 常态化 一人 巡视 、 地 面调 度 中 心 或巷 道集 控 中心 监 控 的 智 能化 开采 ， 实 现 了煤 炭 无人开采技术的新突破 ， 获 2 0 1 6年中国工业大奖。 薄煤层和较薄煤层智能化开采在解决好设备能 力与狭小空间的矛盾基础上 ， 重点是完成工作面装 备间的协调控制和工艺过程 自动化、 无人操作 ， 而顶 板及煤壁控制 、 液压支架稳定性 比较厚煤层智能化 开 采相 对容 易解 决 。 1 ． 2厚煤 层 大采 高和超 大采 高智能化 开 采 厚煤层是我国大型煤炭基地 的优势资源 ， 大采 高 综 采 是 8 m 以 下 厚 煤 层 最 理 想 的 开 采 方 式 。 2 0 1 0 -- 2 0 1 2年 ， 天 地科 技股 份 有 限公 司首 次 成 功研 发 了 7 m超大采高综采成套技术和装备 ， 并在陕西 煤业化工集 团有限责任公司红柳林煤矿实施了国家 智能制造专项煤炭综采成套装备智能系统 ， 采 用 自顶 向下设计方式 ， 将现有单级控制 网络升级为 系统一 设备两级控制体系， 实现层级控制 ； 建立了系 统 级别 的互 联 协议 和 控 制 机 制 ， 实 现 了 液 压 支架 跟 机 自动化 、 煤流平衡 等设备 间的逻辑控制和整体协 调执行功能， 建立了单机 自动控制及基于感知系统 反馈的动态决策机制 ， 研制了倾角传感器 、 振动传感 器 、 激光测距仪 、 铁相谱检测仪、 综合接人器、 隔爆服 务器 、 远 程 操 作 台 等 感 知 元 件 和 控 制 装 置[ 6 ] 。 2 0 1 4 --2 0 1 6年， 兖州矿业 集团 有 限公 司与天地科 技股份有限公 司等单位合作 攻克 了 8 ． 2 r n厚煤层 8 工矿 自动化 2 0 1 8 年 第 4 4卷 一 次采 全 高技术 难 题 ， 在 国 内外 首 次 研发 了 8 ． 2 m 综采成套技术和智能化控制系统 ， 在陕西未来能源 化工有 限公 司金 鸡滩 煤 矿成 功实 现 工作 面 月产 1 5 0万 t 以上 ， 达 到 国际领先 水平 _ 7 ] 。 厚 煤层 超大 采高工 作面 智能控 制与薄 煤层 和 中 厚较薄煤层工作面智能控制相 比， 在护帮控制 、 液压 支架姿态控制、 采高智能控制、 两端头大梯度过渡和 斜切工艺智能化控制等方面的难度显著增大l 8 ] ， 目 前 国内外 尚没有 实现工 作面无 人操 作 。 1 ． 3 特厚 煤层 综放 开采智 能化技 术 2 0 0 3 -- 2 0 0 6年 ， 兖州矿 业 集 团 有 限公 司 与煤 炭科学 研究 总 院北京开 采所合 作研 发 了两柱式 放顶 煤液压支架及 自动化放煤技术 ， 在电液控制基础上 ， 试验研究了用声频传感器识别放煤过程煤岩分界 ， 自动控 制放煤 ， 但 是实 际使用 过程 中 ， 传感 器 因受震 动 、 煤 尘 、 水 雾等 因素影 响 ， 识 别可 靠性难 以保 证 ， 并 未 在生 产 中全面应 用 。其他 一些单 位也先 后进 行多 种放煤 过程 煤岩 识别 的试验 ， 取得 一些数 据 ， 但 未应 用于实际生产。2 0 0 9 --2 0 1 2年 ， 天地科技股份有 限 公 司为大同煤矿集团有限责任公司塔山煤矿研发了 特厚煤层大采高综放成套技术与装备 ， 将综放开采 高度由 1 4 m提升到 2 0 m， 获得 国家科技进步一等 奖， 标志着厚煤层开采技术取得重大发展 ， 但是并未 应用智 能 化放煤 技术 。 2 0 1 4年 ，天 地 科 技 股 份 有 限 公 司 承 担 了 “ 十二 五” 国家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 8 6 3计 划 项 目一 一 “ 两 柱式超 强 力 放顶 煤 液 压 支架 研 制 ” ， 发 明 了放顶 煤液 压支 架 智能 控 制 放 煤方 法 ， 通 过 建 立放 顶煤液压支架 自适应控制 的动态约束方程 ， 模拟支 架与围岩和顶煤的耦合行为 ， 自主决策生成支架行 走和放煤机构姿态控制参数 ， 实现放煤过程 自适应 调控 、 时序控 制 和记忆 放煤[ 9 ] 。 由于放顶煤工艺和条件的复杂性， 要全面实现 智能化 综放 还有 许多难 题需 要攻 克 。 2煤炭 智能化 开采关 键技 术难题 与对 策 上述在不同煤层开展的智能化开采研究与实践 取得了很多突破 ， 在条件较好 的煤层能够实现无人 操作 、 有人巡视的常态化生产， 但大部分煤层都不如 预想般 理 想 ， 而且 时常 存 在无 法 预 知 的 围岩 活 动 和 环境 变化 ， 给智 能化 开采带 来 了进 一 步的挑 战 ， 需要 研究装备及开采系统 自身状态调整 、 多设备协调控 制等一系列关键技术 ， 包括采煤机智能调高控制、 液 压支 架群 组与 围岩 的智 能耦 合 自适 应 控 制 、 工 作 面 直线度智能控制、 基于系统多信息融合的协同控制、 超前支护及辅 助作业的智能化控制等 。本 文对这 几 个 问题进行 探讨 。 2 ． 1采煤机 智 能调 高控 制 采煤机智能调高控制是指采煤机能够根据煤层 厚 度及倾 角 的变化 自动 调整 摇 臂 高 度 ， 以实 现 对 煤 层的精准截割 。目前 ， 采煤机主要采用记忆截割方 式 实现 摇臂高 度调 节 ， 即通 过 同 时记 录采 煤 机 的 工 作 面位 置信息 可 通过 在 支 架 上安 装 红 外传 感 器 或 记录行走机构齿轮转数 获得 和该位置的摇臂高度 信息 通过调高油缸行程传感器获得 ， 绘制截割 曲 线并记录， 在后续开采过程 中沿该 曲线 自动截 割。 该方式无法实时响应煤层变化 ， 适用于赋存稳定的 煤 层 。 从控制逻辑的角度 ， 只有实时感知到煤和岩的 分界面， 才能准确有效地控制割煤高度。然而 ， 试 图 将煤和岩严格 区分的煤岩识别技术始终未获得有效 突破。 自2 0世 纪 8 0年代起 ， 国内外先后尝试 了雷 达 探测 、 激光 粉尘探 测 、 热 敏测 量 、 振动 检 测 、 射 线 探测、 电子 自旋共振、 图像识别 、 红外线探测等方法 ， 但 由于煤岩形状具有不确定性 、 探测精度差 、 探测范 围小 、 探测厚 度有 限、 信 号 衰减 快 等 原 因 ， 导致 识 别 精度与准确性无法达到控制要求 ， 实际使用效果都 不理想 。 因此 ， 单一基于煤岩界面识别的采煤机摇臂智 能调高并不是最佳的技术途径 ， 应探索基于煤层地 质信息精准预测、 工作面三维精准测量、 数字模型推 演 、 采动应力场和截割参数动态分析 、 最佳截割曲线 拟合等综合智能调高控制决策策略， 从而实现对采 高的精准智能控制 。 2 ． 2 液压 支架群 组与 围岩 的智 能耦 合 自适应控 制 液压支架是煤炭机械化开采的关键性装备 ， 其 与围岩作用状态的好坏直接关系到工作面生产的成 败 。虽然 目前 对 支 架 动 作 的调 整 基 本 实 现 了 自动 化， 但主要 目标是实现工作面装备的高效协同推进 ， 对支架本身支护状态 的调节还是靠人工完成 ， 效率 低， 动作准确性 、 一致性差 ， 不能达到理想效果。因 此 ， 提出液压支架群组与 围岩的智能耦合 自适应控 制方 法 。 支护系统与围岩的智能耦合是指液压支架除了 目前的被动支撑功能外 ， 还应具有 自主感知、 分析处 理、 自主调整参数 、 自主改变支护状态等主动支护功 能 ， 以实现支 护 状态 的最 优 化 。支护 系统 群组 协 同 控制 逻辑如 图 2 所 示 。 2 0 1 8年第 2期 王国法等 煤炭智能化开采关键技 术创新进展与展望 9 架 空 间 l_ - ．． 喜 至 整 埋 自 腱 ． 支 架 空 间 液压支架执行控制机构 图 2 支护 系统群组协 同控制逻辑 Fi g ． 2 C o o p e r a t i v e c o n t r o l l o g i c o f s u p p o r t s y s t e m u n i t s 要 达 到 上 述 目标 ， 需 要 在 以下 方 面 开 展 技 术 创新 。 1 高精度 、 全方位的支架状态 自主感知 。除 了 目前常用 的立柱压力感 知和部件倾 角检测功能 外 ， 还应有支架各 部件关键位 置受力大小 、 工作 面 仰／ 俯角 自动检测 、 端面顶板完整性检测 、 超前压力 预报、 上部岩层破坏程度探测 、 支架后方顶板破断状 况检测等工作面环境与围岩状况感知功能 ， 只有这 样才能全面、 合理地反映支架支护状态 。 2 支架适应性控制。基 于液压支架与 围岩耦 合关系和开采工艺要求 ， 确定支架与围岩耦合适应 性评价指标体系、 指标权重和评价准则 ， 对感知系统 实时监测数据进行分析 ， 得出评价结果 ， 作为 自主调 控的决策依据。应用工作面多应力场耦合围岩稳定 性智能控制方法后 ， 稳定性智能支护单 元产生 的支 护应力场与工作面围岩运移形成的不稳定采动应力 场叠加 ， 在工作面顶板、 煤壁中达到与采动应力的相 对平衡 。支撑应力场基于顶板下沉和煤壁水平移位 的双因素控制方法确定 ， 护帮应力场依 据防止煤壁 “ 破坏一 滑移” 的片帮策略确定 。建立智能支护单元 压力、 姿态等参数变化与顶 板来压 的映射库 。智能 支护单元通过智能控制终端能够感知内部液压支架 姿态、 压力及 围岩中的应力监测装置信号 ， 综合分析 处理后通过 围岩稳定性智能控制中心向液压支架电 液控制系统发出控制、 预警等指令 。 3 基于自主调控 的支架结构创新。液压支架 初撑力 、 工作阻力、 水平力、 合力作用点 顶梁柱窝位 置 、 护帮力 、 梁端距和推移速度是主要可控制参数 ， 为有效实现支架 自适应控制 ， 要进一步创新支架结 构 ， 提高支架的可调节范 围和适应不 同采高和围岩 条 件变 化 的能力 。 4 液压支架群组智能控制。 目前 主要研究单 架的支护状态 ， 很少对工作面液压支架群组 的支护 特性进行研究。由于工作面压力的非均匀性 ， 要实 现整个工作面的合理支护， 必须研究液压支架群组 的支护阻力分布规律 ， 分析单架的支护参数 与支护 应力场分布特性 的关系 ， 研究液压支架群 组支护应 力场与工作面围岩稳定性 的关 系， 建立液压支架群 组与围岩的耦合条件 ， 进而提 出合理的 自适应控制 方法 。 2 ． 3 工作 面 直线度 智 能控 制 由于液压支架推移每次都存在一定误差 ， 加之 推移耳轴的配合间隙、 工作面仰