煤炭智能化无人开采的现状与展望

李首滨

(北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京市朝阳区，100013)

1 引言

进入21世纪后，我国煤炭开采技术及装备发展迅速，综采工作面生产先后经历了机械化和自动化这2个阶段，目前正处于朝智能化开采转型时期。技术与装备的发展为开采效率与产量带来了巨大提升，同时创造了良好的社会与经济效益。但近年来，随着经济与社会的发展，人们对绿色、清洁能源的呼声日益提高，结合长期以来对煤矿安全生产的迫切需求，研究安全智能、绿色高效的开采技术势在必行，煤炭开采必须由劳动密集型升级为技术密集型产业，发展智能、无人、安全的煤炭开采道路。如何将智能化的技术与装备应用到煤炭开采中以实现生产过程的智能化、无人化与高效化，已经成为摆在每位煤炭科技从业者面前的一项重要课题。

国际上对煤炭智能化开采技术的研究始于20世纪90年代，德国、美国、澳大利亚等都先后提出了自己的技术方案，其思路均是依赖工业自动化基础，结合远程可视化监控，实现对煤机、支架等装备的控制。1990年，德国推出综采电液控制自动化系统，其特点是装备程序化控制。2000年之后，随着计算机与网络技术的进步，澳大利亚联邦科学与工业组织(CSIRO)开发了以设备定位技术为核心的LASC长壁自动化系统，美国JOY公司推出了以实现地面远程监控为目标的虚拟采矿方案，而德国艾柯夫公司着力于智能化煤机的研发，聚焦于提供具有防碰撞、智能控制、截割模版等高级功能的智能煤机装备以及相关行业方案。

我国对煤炭智能化开采技术及装备的研究起步较晚，2007年才研制出首套国产电液控制系统，实现了对国外进口产品的替代，奠定了综采自动化系统国产化的基础。近10年来，我国加大了投入力度，在“863项目”、“973计划”及智能制造专项支持下，我国的煤炭智能化开采技术取得了突飞猛进的进展，实现了“液压支架电液控制系统、采煤机记忆截割与可视化远程干预控制”相结合的智能化无人开采技术模式，攻克了液压支架自适应控制、工作面“三机”协调联动、自动化放煤等关键技术难题，建设了以陕西陕煤黄陵矿业有限公司黄陵一号煤矿(以下简称黄陵一矿)为代表的一系列智能化开采示范项目。截至目前，“综采自动化与可视化远程干预”的智能化无人开采模式在国内已经基本成型，正在全国范围内由简单地质条件向复杂地质条件下推广应用，而针对煤炭智能自适应开采模式的真正无人化开采技术研究也在积极推进中。

2 国外煤炭智能化无人开采技术发展状况

在煤炭智能化开采技术方面，澳大利亚、美国与德国处于国际领先地位，主流思路是通过地质钻探资料结合掘进数据形成基础地质条件数据，以此规划掘进与工作面开采过程，实现煤炭智能化开采。

2.1 LASC技术

澳大利亚综采长壁工作面自动控制委员会(Longwall Automation Steering Committee，简称LASC)开展了煤矿综采自动化与智能化技术的研究，将高精度光纤陀螺仪与定制导航定位算法应用于工作面装备的定位与控制，取得了3项主要成果，即采煤机三维精确定位(误差小于10 cm)、工作面校直(误差小于50 cm)与工作面水平控制，创建了工作面自动化系统原型，同时增加了采煤机自动控制、煤流负载均衡、巷道集中监控等功能，该研究在澳大利亚应用状况良好。LASC智能化开采技术的发展与应用情况如图1所示。

图1 LASC智能化开采技术发展与应用情况

在LASC技术中，开采前通过钻探与掘进数据获知工作面煤层的赋存状态，采用陀螺仪获知采煤机的三维空间坐标，二者结合实现工作面的全自动化割煤。LASC核心技术包括采煤机三维空间定位、工作面自动找直、工作面水平控制、煤机滚筒自动调高、三维可视化远程监控等。北京天地玛珂电液控制系统有限公司与澳大利亚联邦科学院积极合作，成功为我国引进了LASC技术，从而全面提高了我国智能化开采技术水平。

国外煤矿通过应用LASC系统，矿井产量提高了5%～25%，有效降低了开采人员暴露在危险工作环境的时长，显著提高了矿井安全水平。同时也稳定了煤炭产量波动，实现了均衡生产。

2.2 IMSC技术

美国JOY公司推出了一种名为煤炭智能开采服务中心的长壁工作面远程智能控制系统，能够实时监控井下装备的运行状态，根据工作面的预警和故障信息，通过电话或邮件及时通知开采人员进行处理。煤炭智能开采服务中心每日、周、月和季度向煤矿提交运行分析报告，指导煤矿提高运行管理水平，合理安排设备检修。比如，澳大利亚布里斯班的Anglo矿业公司在其总部中设置调度室，能够对所辖矿井进行实时监控，并通过数据监测分析系统地分析设备的运行状态，给予矿井生产指导，在提高产能的同时获得取更多的经济效益。

3 国内煤炭智能化无人开采技术进展

“十二五”期间，我国加大了煤炭智能化开采技术的研发力度，取得了一系列突破性进展，引领了煤炭智能化无人开采的方向。以智能控制软件为核心，通过采煤机记忆截割、液压支架跟机自动化与可视化远程干预，实现了开采人员在地面或巷道监控中心内对综采装备的远程智能监控，确保开采工艺中割煤、推溜、移架、运输、降尘等操作智能化运行，实现了工作面连续、安全高效开采，为煤炭智能化无人开采技术指明了当下一条确实可行之路。

3.1 采煤机记忆截割技术

通过在采煤机牵引部安装位置传感器，在控制器中利用位移信息计算采煤机位置，实现了采煤机精确定位。研发出了符合煤矿实际生产工序的采煤机记忆截割程序，有效解决了回刀扫煤不彻底、三角煤截割与端头支架自动跟机拉架、推溜等问题，实现了采煤机在工作面内自动记忆截割。

3.2 液压支架跟机自动化技术

在采煤机上安装红外线发射器发射数字信号，每台支架上均安装一个红外线接收器，用以接收来自煤机红外线发射器的数字信息，以此来检测煤机位置与方向信息，根据现场不同环境条件对应的采煤工艺，开发液压支架自动跟机软件。控制系统识别采煤机位置与方向信息，实现工作面液压支架跟随采煤机作业的自动化控制功能，包括跟机自动移架、自动推溜、跟机喷雾自动化功能，从而完成液压支架动作与采煤机运行位置动态匹配，实现工作面液压支架与刮板输送机跟随采煤机自动化运行。通过分析端头支架与转载机的动作逻辑与时间差异，优化控制程序，实现了端头支架与转载机连锁自移程序化控制。

3.3 煤流负荷反馈采煤控制技术

我国自主研发了“高压变频器、高压电机、摩擦限矩阵与行星减速器”相结合驱动的刮板输送机，配套开发了专用智能控制系统，实现了跟随煤流负荷大小自动调节刮板输送机速度，具备了智能启动、煤量检测与智能调速、链条自动张紧控制、远程监控与功率协调等功能。可根据实时检测到的刮板输送机煤流负载，利用变频器控制技术自动协调工作面采、装、运的运行。

3.4 远程控制技术

我国成功发明了地面远程干预型综采控制系统，包括综采装备控制系统、工作面视频监视系统、井上井下数据通讯系统与地面监控系统。地面监控系统包括远程控制系统、地面语音系统；综采装备控制系统安装于井下综采工作面；综采装备信息及监视视频图像信息通过井下数据通讯系统经由井上井下环网传输到地面监控系统中，地面监控系统据此对井下综采装备进行控制，包括启停控制、运行状态监测、自动化开采、远程干预、故障诊断及报警、历史数据分析等。该系统有效地将井下监控中心功能转移至地面，极大地提高了开采人员的安全性。地面远程干预型综采控制系统结构如图2所示。

4 两种煤炭智能化无人开采技术模式

通过国外和国内煤炭智能化开采技术的发展状况可以看出，国外和国内都在理论与实践领域进行了大量的探索与尝试，其目标均是将开采工人从危险的工作面甚至是井下环境解放出来，并且保证开采过程的安全与高效。根据所采用技术策略与路线的差异，煤炭智能化无人开采可被总结归纳为两种模式：一种是工作面综采自动化结合远程可视化干预的技术模式；另一种是智能自适应开采的技术模式。煤炭智能化无人开采的两种技术路线如图3所示。

4.1 工作面综采自动化结合远程可视化干预技术模式

工作面综采自动化结合远程可视化干预的技术模式依赖于成套装备及自动化技术。通过传感设备采集工作面数据，在此基础上采取半自动化结合人工干预的策略，在有限自动化开采条件基础上，通过工作面场景可视化技术，将工作面环境与装备的实际状态迅速、直观地展现给位于安全位置的远程开采人员，开采人员根据观察得到的信息进行决策并对开采过程进行干预。我国目前的绝大多数智能化开采工作面均采用这种技术模式。

图2 地面远程干预型综采控制系统结构

图3 煤炭智能化无人开采的两种技术路线

通过广泛采用工作面综采自动化结合远程可视化干预的技术模式，我国的煤炭智能化开采技术水平在控制系统架构、控制方式、响应时间、智能功能、工作面人数与生产效率等主要指标方面都处于国际领先地位，率先实现采煤过程中工作面内无人操作，引领了煤炭智能化开采技术的变革。这种技术模式打破了传统以单机装备为主、总体协调的技术思路，构建了以成套装备总控网络信息综合决策为主、单机装备执行的体系架构。通过将采煤机、液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机、供电供液系统有机结合起来，构成了一个统一的采煤装备及控制系统，根据系统控制决策模型分析结果，实现对综采成套装备的协调管理与集中控制。

4.2 智能自适应开采技术模式

近年来，随着物联网、虚拟现实、人工智能等新型技术的兴起，将新型技术应用到煤炭智能化开采中以提升智能与自动化程度成为了一股不可阻挡的趋势。随着传感技术与计算科学技术的发展，一种更加高级的煤炭智能化无人开采理念应运而生——智能自适应开采技术模式。智能自适应开采技术模式依赖于综采成套装备及自动化技术，通过感知技术形成对环境、装备状态的认知，通过系统集成控制技术达成对执行装备的操控。在此基础上，采取“感知-分析-决策-控制”全自动化开采策略，采用机器视觉、多源信息融合与三维物理仿真等技术对所采集数据进行智能分析，使系统能够自主认知并理解工作面环境与装备的实际状态，在此基础之上通过采煤机滚筒自适应调高、直线度控制与“上窜下滑”控制等智能决策控制技术进行开采决策与执行控制，从而实现真正的煤炭全自动化开采。

远程可视化干预技术模式是感知与计算能力受限条件下的产物，可以被视为是向智能自适应开采模式发展过程中的过渡阶段，正是由于传感、分析与决策计算技术手段的限制，导致无法采集到自主开采分析与决策计算所需的数据，或是因缺乏有力的计算方法导致无法基于所采集到的数据进行有效地分析和决策，从而无法形成自主的“感知-分析-决策-控制”闭环，因而需要人工干预开采的决策与操作。而随着物联网与人工智能技术的发展，煤炭智能化无人开采技术必定会朝着“传感器替换眼睛”、“电脑替代人脑”的智能自适应开采方向进步；两种技术模式最大的区别就是智能自适应开采模式采用更多的传感、智能分析与决策手段，从而替代了操作人员的“眼”与“脑”。

5 我国煤炭智能化无人开采实践

自2000年以来，我国就开始了煤炭智能化开采的实践工作，“十二五”期间，随着我国在煤炭智能化开采技术方面加大对研发投入力度，取得了突破性进展，在国际上引领了煤炭工业智能化开采的方向。煤炭智能化开采先后在神东煤炭集团、宁夏煤业集团、中煤集团、陕西煤业化工集团、同煤集团、阳泉煤业集团、中国平煤神马集团、晋煤集团、冀中能源集团等40多个矿区进行了试验与生产。下面就一些具有代表性的智能化工作面进行简要介绍。

(1)2014年，黄陵一矿1001工作面率先应用综采智能控制系统(SAM)实现了智能化开采。该工作面煤层厚度为1.1～2.75 m、平均采高为2.22 m、工作面长度为235 m、走向长度为2280 m。控制系统配套使用液压支架电液控制系统(SAC型)和采煤机控制系统，实现了“无人操作、一人巡视”可视化远程干预型智能化开采，达到了“工作面运输巷监控中心2人可视化远程干预控制，工作面内1人巡视”常态化运行的效果，月产量达17.03万t，年生产能力达200万t以上，生产效率提高了25%，生产作业人员由11人递减至3人，年节约人工成本700多万元，安全生产水平获得较大提升。黄陵一矿井下工作面运输巷监控中心工作现场如图4所示。

图4 黄陵一矿井下工作面运输巷监控中心

(2)2016年，在山东能源枣矿集团滨湖煤矿16108工作面，通过采用SAC型支架电液控制系统、TDECS采煤机记忆截割系统与工作面视频监测系统，实现了薄煤层条件下综采自动化结合远程可视化干预的智能开采。该工作面煤层厚度为1.25～1.50 m、采高为1.35 m、倾斜长度为139 m、走向长度为953 m。通过将液压支架电液控制系统、采煤机记忆截割系统、工作面视频监测系统采集到的数据和影像上传到位于运输巷的监控中心，使操作人员能够在监控中心内实现对工作面支架自动跟机运行、采煤机智能化记忆截割的“一键启、停”以及对支架和采煤机所有动作的远程控制，月均生产原煤达10.5万t，相较于非智能化工作面多出产原煤4.5万t，工作面生产人员由原来的2名采煤司机跟机操作、6名支架工分段跟机拉架变成1人远程操控、2人工作面巡视，年节约人工成本达115.2万元，安全生产水平显著提高。

(3)2016年，在兖矿集团转龙湾煤矿23303工作面，首次采用LASC技术研发了设备运行轨迹检测技术，实现了液压支架与刮板输送机自动校直，可在复杂条件下实现工作面自动化生产模式常态化运行。首次研制出具有惯导特性的智能化采煤机，行走位置控制精度为3 cm，滚筒截割高度稳态重复精度为4 cm，实现了全工作面循环的自动化，并且工作面支架、端头支架、超前支架自动协调控制系统可遥控超前支架。应用了大功率、高可靠、智能化高效工作面成套装备，首次在3～4 m煤层条件下达到年产千万吨级的水平。

(4)2017年，在宁夏煤业集团红柳煤矿(以下简称红柳煤矿)I 010305工作面，通过国产电液控制系统结合LASC系统，实现了综采工作面直线度控制，达到了红柳煤矿智能化连续开采。该工作面煤层最大厚度为3.8 m、最小厚度为2.7 m、平均厚度为3.38 m、最大采高为3.8 m、最小采高为2.7 m、倾斜长度为220 m、走向长度为1910 m。采煤机通过SPMS系统实现2～3 cm精度的三维空间定位，参考钻孔地质勘测与掘进数据实现采煤机截割滚筒高度的自动或远程人工调整。利用LASC系统进行工作面直线度检测，检测精度达到10 cm。通过国产电液控制系统实现了工作面直线度控制，工作面直线度平均偏差小于424 mm。工作面直线度控制与视频监控、集中控制等技术相结合，形成了跟机自动化采煤的常态化应用，提升了工作面自动化开采水平。煤机截割牵引平均速度达到约为10 m/min，最快速度将近12 m/min，工作面支架工人数量由5人跟机作业减少为1人巡检作业，工人劳动强度大大降低，工作面安全系数显著提高。

除了红柳煤矿外，在宁夏煤业集团的金凤煤矿、麦垛山煤矿、双马煤矿等多地都在推广应用国产电液控结合LASC系统的智能化开采方式。

6 煤炭智能化无人开采技术展望

6.1 智能自适应无人开采控制模型

目前，尽管进行了大量的理论与实践的探索，受限于当前技术条件水平，煤炭智能化无人开采的实践经验仍然以工作面综采自动化结合远程可视化干预这种技术模式为主，对智能自适应开采技术模式的探索尚停留在理论层面，鲜有实际可应用的成果问世。根据多年来对煤炭智能化无人开采技术的持续关注，结合近年来国内外相关技术研究与发展动向，笔者提出了一种智能自适应开采技术模式下的控制模型如图5所示。

图5 智能自适应无人开采控制模型

由图5可知，这种控制模型仍然以综采成套装备为执行系统，通过大量工况传感器感知综采装备的工作状态，以激光扫描、可见光/热红外视频、瓦斯传感器、随采物探等多种传感手段，辅以钻孔、地质勘探以及掘进数据形成对工作面所处地质环境状态的感知；将大量的传感数据汇集存储到统一的数据仓库中，通过多源信息融合与三维物理仿真的手段在计算机空间内为工作面建立三维物理模型，使机器认知并理解工作面环境与装备的实际状态；在此基础上，应用机器视觉、三维物理计算等智能化方法有针对性地对煤岩识别、工作面找直、“上窜下滑”测量等关键问题进行智能化分析；在分析结果之上，通过人工智能机器学习的方法自主决策制定采煤机截割模版与液压支架全程自适应跟机计划；最后，通过系统集成控制技术，将控制指令下发给各综采装备控制系统，监控生产开采过程，形成“感知-分析-决策-控制”闭环。

6.2 智能自适应开采的关键技术

在智能自适应开采模式下，将引入大量新型的传感与计算手段，以弥补现有感知与分析计算能力的不足。

(1)三维激光扫描技术。该技术作为近年来在地面勘测与无人驾驶等领域兴起的非接触式测量技术，具有传统测量手段无法比拟的高效率与高精度，可以被作为井下环境与装备的三维轮廓感知与定位的重要手段。澳大利亚联邦科学与工业组织已就这项技术推出其第一代井下三维激光扫描设备——ExScan，该设备可用于井下环境三维激光扫描获取点云图像，北京天地玛珂电液控制系统有限公司已经与澳大利亚联邦科学与工业组织就ExScan在井下的应用研究展开合作，该项技术将在井下环境建模与定位测量领域扮演至关重要的角色。ExScan实物图如图6所示，ExScan井下巷道环境三维激光扫描点云图像如图7所示。

图6 ExScan实物图

(2)惯性导航结合无线定位的复合导航定位技术。该技术将成为井下无GPS辅助定位环境下综采装备定姿定位的主要技术途径。惯性导航作为主流的定位技术，已经广泛应用到航空航天、驾驶等众多领域，但是由于其误差会随时间累积的特性，需要其他技术手段辅助校正。由于井下环境GPS信号不可达，而无线定位技术因其存在便于部署与扩展、定位精度高、成本低等特性进入人们的视野当中。毫无疑问，基于惯性导航与无线定位技术相结合的复合导航定位技术必将成为井下装备定位的主流方案。但在此前，信号干扰、基站移动重定位等核心问题仍待解决。

图7 ExScan井下巷道环境三维激光扫描点云图像

(3)UWB地质雷达等随采物探装备技术。该技术将广泛用于开采阶段的工作面地质环境感知，以作为指导煤机滚筒截割的重要支撑数据来源。钻探数据的指导意义与钻孔数量成正比，但过密的钻孔又不具有经济性；而采掘数据只能揭露工作面正帮一侧的地质情况，这就造成了生产开采具有一定的盲目性，亟需一种能够精确感知工作面近程地质构造的技术手段，为开采生产提供可靠的依据，而UWB地质雷达因其结构小巧灵活的井下环境适应性，成为了随采地质收集装备的首选。目前北京天地玛珂电液控制系统有限公司正在研制相关产品并展开井下工业性试验，有望在随采物探领域取得突破。

(4)机器人技术。该技术将广泛应用于井下工作面巡检与数据采集，以形成重要的感知平台。目前北京天地玛珂电液控制系统有限公司正在研制井下工作面轨道式巡检机器人并展开工业性实验，该机器人运行在刮板输送机轨道上，能够搭载LASC、ExScan、高清/红外摄像头、拾音器等多种传感器，实现工作面快速巡检采集数据与开采作业跟机两种模式。该款机器人有望成为薄煤层下智能化无人开采技术的重要核心装备。

(5)其它技术。三维物理仿真计算方法能够广泛用于工作面地质环境建模、截割模板与液压支架跟机计划的计算；大量基于人工智能的计算技术也将应用于智能自适应开采模式中，如煤岩识别的重要手段之一就是通过机器视觉分析工作面煤壁高清图像以获取煤岩分割线的信息；基于滚筒截割过程中热红外图像的机器视觉分析，能够为开采过程中滚筒的自适应在线控制提供重要决策依据；而机器学习则能够被广泛应用于各种开采操作与故障、事故分析决策场景中。

7 结语

煤炭智能化无人开采是煤炭工业的重大技术变革，是行业升级转型的重点内容与方向，无论是国家还是行业都给予了高度重视和大力支持，进行了大量的理论与实际的探索与实践。但在煤炭智能化无人开采技术的实现道路上，仍然存在许多尚未解决的问题：目前的煤炭智能化无人开采仍然处于综采自动化结合可视化远程干预的半自动阶段；存在科技成果转化率低、重概念宣传轻实际应用以及面对各种复杂地质条件适应性差的现象。目前距离真正实现智能化、无人化、常态化应用尚且遥远，仍须在管理观念、投入力度、研发团队建设等多方面下大工夫。但笔者相信，随着先进制造、传感、计算科学技术等相关基础行业的发展，随着技术条件水平的不断提高，煤炭智能化无人开采这条使煤矿开采减员提效、绿色安全的必由之路必将实现。