天玛智控王峰副研究员：煤矿无人化智能开采控制技术装备与应用示范
为宣传推广我国煤矿智能化建设取得的新进展和新成果，推动我国煤矿智能化建设进程，《智能矿山》杂志策划出版了“2023年煤矿智能化重大进展成果特刊”，刊登代表新时代煤矿人创造性实践和智慧结晶的11项智能化建设成果，以飨读者。
文章来源：《智能矿山》2024年第3期重大进展特刊
作者简介：王峰，副研究员，硕士，从事煤矿综采无人化智能开采控制技术与装备研发，现任北京天玛智控科技股份有限公司科技发展部主任
作者单位：北京天玛智控科技股份有限公司；国能神东煤炭集团榆家梁煤矿；陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿
引用格式：王峰，刘清，白正平，等.煤矿无人化智能开采控制技术装备与应用示范[J].智能矿山，2024，5（3）：12-15.
研究背景、意义及主要内容
无人化智能采煤是煤炭行业贯彻落实国家“四个革命、一个合作”能源安全新战略与“以人民为中心”的发展思想的重要手段，也是提升煤矿工人安全感与幸福感，实现煤矿转型升级和高质量发展的必由之路。近年来，围绕煤矿无人化智能开采系统理论与技术开展了大量的研发与工程实践。2014年陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿（简称黄陵一号煤矿）以采煤机记忆截割，液压支架自动跟机以及可视化远程监控等技术为核心建成首个有人巡视、无人操作的“智能＋可视化远程干预”采煤新模式，开创了我国煤矿智能化开采1.0阶段；2016年兖矿能源鄂尔多斯公司转龙湾煤矿、国能宁煤红柳煤矿等通过引进澳大利亚联邦科学与研究组织的LASC技术，实现综采工作面直线度自动找直控制，在相对复杂的地质工作面实现了以“采煤机记忆截割+液压支架全工作面自动跟机＋工作面自动找直”为核心技术特征的“2~3人巡视，1人远程调度指挥”的常态化生产模式，形成了我国煤矿智能化开采2.0阶段；2018年依托国家重点研发计划项目“煤矿智能开采安全技术与装备研发”，开展基于“透明工作面”的智能化开采技术研究，国能神东煤炭榆家梁煤矿（简称神东榆家梁煤矿）实现了基于工作面地质赋存精细化探测和采场开采条件智能感知构建透明自主开采模型的“1人巡视、自主割煤”无人化智能开采模式，形成了我国煤矿智能化开采3.0阶段。通过煤矿智能化开采的不断发展，从2010年至今我国智能化采煤工作面已建成超400个，推动了煤矿采煤工作面少人化、自动化、智能化阶段性发展，一方面大幅减少了工作面作业人员，降低劳动强度，另一方面有效提升了工作面生产效率、安全生产水平。
但是，现有无人化智能开采模式仍停留在“有人巡视＋远程干预”阶段，工作面仍至少需要1人开展跟机作业，以便对采煤生产过程进行实时监控，必要时进行就地操作。究其原因：①无人化采煤控制系统未与采煤工艺充分融合，使采煤过程自动化程度低，阻碍无人化采煤工程实践；②可视化远程干预控制技术对无人化采煤模式支撑不足，在音视频监视、人机交互操控等少人化开采保障技术领域缺少突破，无法支撑工作面内常态化无人跟机作业；③地质赋存精细化探测成本高，限制了透明化开采技术的发展，导致地质条件探测技术对无人化采煤指导不足。针对上述限制无人化采煤进一步发展的问题，势必要开展新一代无人化采煤控制技术研发。
2021年7月，北京天玛智控科技股份有限公司设立“无人化采煤控制系统研发与应用”项目，以采煤生产时无人进入采煤机、刮板输送机及液压支架联合作业区，实现无人化采煤为目标，围绕综采工作面智能无人化建设需求与关键卡脖子问题，创新提出“规划割煤＋可视化远程干预”的无人化开采控制技术方案，基于高可靠的综采成套装备，形成了以设备自动、协同作业为主，人员远程干预控制为辅的工作面无人化采煤新模式。该项目以黄陵一号煤矿627工作面、神东榆家梁矿43207工作面为示范工程，创建了“地面规划采煤、装备自动执行、面内无人作业”的无人化采煤新模式，建设成为行业无人化采煤示范标杆。
关键技术突破与创新
提出“123”主从调度控制方法，开发了综采工作面采煤工艺驱动引擎，实现灵活编制、调整和在线切换工艺，满足多种作业场景工艺需求，设备协同作业率达到100%，解决了综采装备群复杂工序控制难题。
针对传统工作面以单机设备自动控制为主，采煤机、液压支架间协同控制能力弱的问题，系统地提出了基于“1套采煤工艺、2道控制工序、3项控制参量”的综采工作面采煤工艺驱动引擎主从调度控制方法（图1）。其中：“1套工艺”是指自动化采煤工艺；“2道工序”包括了采煤机割煤工序和支架支护工序；“3项控制参量”是指煤层顶板、底板截割高度控制量，液压支架推进控制量。为实现上述方法的工程化应用，开发了采煤工艺驱动引擎软件平台，通过图像化界面可灵活编辑采煤工艺，形成工艺文件，并由工艺引擎在线调用执行，解决了开采过程无法及时调整采煤工序，需要依赖生产人员就地操控的问题。
图1 主从调度控制技术的3项控制参量示意
采煤机可依据采煤工艺驱动引擎中预设的采煤工艺，执行割煤工序控制、截割高度调整，大幅提升采煤机对采煤工艺、煤层赋存的适应性。采煤工艺驱动引擎作为液压支架控制系统的决策中心，依据预设的采煤工艺，调度液压支架电液控制单元执行自动移架、推移刮板输送机等任务，更新采煤工艺文件后可实时调整液压支架跟机控制工序，从而大幅提升支架的自动化控制适应性。
构建截割参数预测模型，设计截割导航路径可视化调控方法，采用“地面规划路径＋地质写实验证”相结合的作业模式，实现采煤机沿煤层精准割煤控制。截割模板有效率达到95%以上，截割高度控制精度可达3cm。
开发了采煤机截割模板全局预测规划技术。基于连续多个割煤循环滚筒的历史采高数据，通过归一化、均值平滑等算法处理，预测后续割煤循环采煤机滚筒截割高度与挖底量。图2a展示的是预测规划示意，图2b展示的是实际生产规划割煤效果，白色线为规划采高线、红色散点为实际采高数据记录，可以看出规划的截割模板满足采高控制需求。
图2 采煤工艺编辑与执行示意
提出了地质写实＋实时修正割煤规划作业模式。为了进一步提升预测的截割模板数据的准确度，煤矿无人化智能开采控制技术实践了1种井下工作面写实技术，可为截割高度修正提供建议，地面人工确认实时修正参数调整截割模板的工程作业模式。在生产班交接班时安排人员进行工作面写实，将写实数据录入移动端软件，地面人员接收到写实数据，通过交互界面对截割模板进行局部修正。截割参数预测模型流程如图3所示。
图3 截割参数预测模型流程
同时，针对工作面顶、底板出现坑、包等异常工程状态，不及时处理容易导致顶板、底板工程质量加速变差的情况，笔者开发了采煤机滚筒与煤岩分界线的轨迹碰撞算法，精准计算采煤机在通过顶板、底板有包坑情况时的滚筒控制高度数据，并可实现对下一割煤循采煤机自动化截割过程预演，直观展示针对包、坑异常工程区域的处理方式，进一步提升了在异常工况下规划截割模板的准确度。研发了液压支架多模式自动跟机移架，加减刀/反推移刮板输送机、工作面推进度连续动态调控技术，创建了“工作面端自动＋巷道联动＋自适应纠偏”的工作面自动循环推进模式。液压支架群推进度与目标线偏差≤50cm，人工远程干预率<10%。
针对矿用控制单元应用软件需大量定制开发的情况，笔者提出了液压支架控制软件组态化编辑方法，实现控制器应用参数配置，配置文件下载、上传。同时，使用“组态配置＋控制器文件解析”的方式，可实现与控制器应用功能代码开发等效功能。
针对常规工况和底板松软等特殊工况，分别设计了2种移架工艺，分别为标准移架工艺与特性移架工艺，2种移架工艺可以设置不同的移架顺序动作，并可以一键切换指定范围内液压支架动作模式，以适应采场不断变化下的自动控制。
通过构建液压支架推进度散点模型，融合两巷伪斜量、输送机“上窜下滑”状态量、工作面直线度数据的动态调控需求，对每个割煤循环综采工作面液压支架推进控制量进行定量分析，从而得到液压支架推进控制行程目标，每台液压支架按照接收到的行程目标设置量执行移架控制，从而通过整体调控液压支架群组的推进状态实现工作面连续推进过程可控（图4）。
图4 液压支架直线度与伪斜调控过程
针对现场工作物理空间位置，以及不同的控制方法，研究实现“三机一架”协同控制功能开发，实现“三机一架”功能联动，将原来需要3~4人的工作，减少到只需1人就可控制“三机一架”动作。操作人员可在上位机上操作实现“三机一架”联动。同时，使用“三机一架”工艺，能够在跟机时，使端头架和转载机自移装置能够协同推动、自移前进，减少人工操作。榆家梁煤矿43207工作面地面控制中心割煤实景和黄陵一号煤矿627工作面地面调度中心割煤实景分别如图5、图6所示。
图5 榆家梁煤矿43207工作面地面控制中心割煤实景
图6 黄陵一号煤矿627工作面地面调度中心割煤实景
应用效果
煤矿无人化智能开采控制技术成果在榆家梁煤矿和黄陵一号煤矿落地应用，首创了“地面规划采煤、装备自动执行、面内无人作业”的无人化采煤新模式，实现生产期间工作面内无人的连续工业应用，且采煤效率相比传统模式有大幅提升，为煤矿综采无人化采煤提供了首套工业化、常态化应用解决方案。
黄陵一号煤矿627工作面建成“0＋3”模式，即工作面内0人，地面3人远程作业的无人化生产模式，常态化运行超4个月，最高单班割煤8.5刀，生产效率提高13.81%；榆家梁煤矿43027工作面建成“0＋2＋2”模式，即工作面内0人，井运输巷2人监护，地面2人远程监护的无人化生产模式，且常态化运行超6个月，生产效率提升16.67%。
来源：智能矿山杂志
