中泰研发｜煤矿智能化开采新技术，推动煤炭能源产业转型升级
能源保供重任之下，山西煤炭地位凸显。如何在保供的同时实现转型发展？山西省委书记林武10日在中共山西省委“中国这十年·山西”主题新闻发布会回应说，山西将持续深化拓展能源革命综合改革试点内涵，加快煤炭和煤电一体化、煤电和新能源一体化、煤炭和煤化工一体化、煤炭产业和数字经济一体化，积极探索转型发展路径。
过去10年，山西累计产煤近100亿吨，约占全国的1/4以上。在中国富煤、贫油、少气的资源禀赋下，山西的煤炭关乎国家能源安全。
林武说，去年下半年以来，山西承担煤炭保供任务，全年煤炭产量达11.93亿吨，约占全国的1/3。今年仍会全力保障煤炭安全稳定供应。
“在确保安全前提下，山西通过加快释放产能、加强生产调度等方式增加煤炭产量。上半年全省煤炭产量达6.41亿吨，预计全年达13亿吨以上。”林武说，山西将严格履约监管，确保按照中长期合同供应的6.2亿吨电煤如数、如期兑现。
进入暑期，能源电力行业“迎峰度夏”成为必考题。对于外界关注，林武回应称，目前，山西煤炭产能利用充分、产量储备充足，电力供应充裕，“山西不会拉闸限电”。
针对煤炭价格，山西将按照长协价履行保供任务，确保山西煤炭价格处在合理区间。
一面是煤炭需求强烈，一面是产业转型迫切。山西的道路怎么走？
林武表示，山西唯有以能源革命应对之。2019年获批能源革命综合改革试点以来，山西区域能耗强度持续下降，超额完成国家下达目标，煤炭先进产能占比超75%，处于全国领先水平，氢能、煤矸石综合利用、能源互联网等技术加快突破，战略性新兴产业市场化电价机制等在全国影响广泛。
对于能源革命的探索，山西正加快实施“四个一体化”。
长期以来，山西煤炭长期以燃料面目示人。对此，林武表示，山西将以高端、多元、低碳为方向，推动煤炭和煤化工一体化，把煤炭从燃料向原料、材料转变，提升煤制油、煤制烯烃、煤制甲醇等现代煤化工产业效益，进而打造煤基新材料产业集群。
近年来，山西在推动煤矿数字化转型方面颇具引领意义。其间，山西新元煤矿开通了国内首个煤矿井下5G网络，42座5G智能煤矿加快建设，1500处智能化采掘工作面全面启动。
林武表示，山西将借助煤炭产业和数字经济一体化，推动煤炭等能源产业数字化转型，利用5G、人工智能等技术，提升煤炭开采全要素生产率和本质安全，今年山西将再建设20座智能化煤矿、500处智能化采掘工作面，进一步提高数字化、智能化、无人化、少人化煤矿占比。
山西中泰机器人作为能源革命的排头兵，积极响应林武书记的号召，在煤矿智能化建设领域积极探索、攻克了无人化、智能化开采技术深水区，创新智能化开采控制技术，助推多家煤矿实现了以支撑煤炭开采由劳动密集型向技术密集型行业的转变，加快了智能、安全、高效的现代煤炭生产体系建设。
玉井煤业
兴陶煤业
中煤平朔井工三矿
麻家梁煤业
01 智能化开采系统架构
智能化开采在传统开采方式的基础上，如果要实现综采装备完全摆脱生产人员直接操控，使综采装备依据开采系统进行自主决策、自动运行，则需解决开采空间多维信息采集及融合，智能开采决策、控制和综采装备群智能化协作3个问题。因此，将可视化远程干预生产模式中生产人员的“看、想、控”拓展为 “感知、决策、执行、运维”4个技术维度，从而构建具备全面感知、自主决策、自动执行、智能运维4种能力的综采生产系统。
智能化开采系统架构如图1所示。该系统以待开采煤层与开采装备之间的相互作用机理为主要研究对象，通过将大数据、人工智能、先进传感等高新技术与煤炭开采工艺、装备充分融合，以实现智能化技术服务于实际煤炭开采，并最终达到综采工作面无人的目的。
（1）全面感知
实现对开采空间内环境、装备工况的实时感知，包括感知待开采煤层赋存条件、围岩特性、开采环境状态及成套装备工况，并实现多维感知数据融合。
（2）自主决策
根据煤层与开采装备群之间的相互耦合、作用机理，建立开采决策控制模型，形成适应煤层赋存、开采空间状态的综采装备自适应控制逻辑。
（3）自动执行
综采装备群在生产过程中可根据自主决策指令，实现准确、稳定、可靠的执行。
（4）智能运维
以大数据分析与历史数据挖掘为支撑，实现对综采装备、控制系统运行状态的有效监护，确保智能化开采系统能够持续良好地运转。
图1 智能化开采系统架构
02 智能化开采核心关键技术
待开采煤层赋存状态感知技术
实现煤矿智能化开采，首先要解决待开采煤层赋存状态不可预知的问题，实现工作面地质条件由“黑箱模型”转变为“透明模型”。
（1）基于地质勘探的煤层赋存感知
通过系统性地开展煤层地质数据收集，实施地质精细化勘探工程，开展地理信息数据解析等工作，构建高精度煤层三维地质模型（图2），为智能化开采控制系统提供煤层赋存数据。通过收集待开采煤层关联地质钻孔、巷道开拓、补充勘探等地质数据，构建工作面的初始三维地质模型。实施精细化勘探工程，如定向钻孔、震波CT等方法，获得用于修正初始三维地质模型的数据，将数据导入初始三维地质模型后获得高精度三维地质模型。高精度三维模型可实现工作面回采前方一定区域待开采煤层赋存的感知，但模型精度受限于地质精细化勘探方法的技术精度及工程实施量。
图2 高精度煤层三维地质模型
（2）基于遥感探测的采场空间感知
采场空间遥感探测方法是以工作面当前揭露煤壁为探测对象，根据煤层和顶底板岩层介电常数等电磁波特征，通过布置煤岩界面智能探测地质雷达，利用电磁波能量聚焦辐射及空气耦合技术穿透煤层来探测煤岩分界位置, 建立采煤工作面煤岩识别的成像模型，实现对当前工作面揭露煤层状态的精细化感知，探测精度可达厘米级。遥感探测结果可用于煤机滚筒的实时智能调控，也可为高精度三维地质模型提供动态更新数据。
综采装备群与采场围岩耦合决策控制技术
智能化开采是以煤层开采空间、待开采煤层及开采空间与开采装备之间耦合关联机制为决策依据，实现采煤机、液压支架、刮板输送机随煤层赋存变化自适应割煤、支护及推进。
（1）采煤机自适应截割控制
以采煤机位姿传感系统测量的位姿状态为基准，可构建定位滚筒截割顶、底边界点的采煤机截割模型。在确定工作面下一割煤循环的煤层模型后，将采煤机截割模型与下一个割煤循环煤层模型进行叠置拟合分析，可提取出下一割煤循环采煤机前后滚筒对应的采高控制参数，控制参数形成的数据集被称为截割模板。截割模板下发给采煤机控制系统后，滚筒实现沿煤层与岩层分界线准确截割。同时，基于单个割煤循环确定的截割模板还需考虑工作面推进过程中的煤层整体变化趋势，通过平滑阶梯多级调整控制算法来进一步修正截割模板，以适应工作面俯仰采变化，确保工作面连续开采。
（2）液压支架连续推进控制
液压支架连续推进控制需要兼顾工作面运输巷、回风巷的推进度要求、工作面直线度情况及刮板输送机上窜下滑的情况。通过分析下一割煤循环煤层的位置信息，解析工作面运输巷、回风巷端头的推进度；通过在采煤机上安装惯性导航系统，并结合采煤机自带的轴编码器，实现刮板输送机的直线度测量；通过超宽带雷达测距装置，实现对刮板输送机上窜下滑状态的检测。
以刮板输送机直线度状态为基准，以2个巷道端头推进状态为依据，并考虑消除刮板输送机上窜下滑状态的液压支架控制工艺，从而确定下一割煤循环过程中每台液压支架的推移步距，实现液压支架群的平行推进，确保工作面连续推进状态可控。
工作面与两巷协同推进控制技术
综采工作面内设备与巷道设备之间分段、分散的控制方式造成工作面推进效率较低，无法实现工作面作业人员进一步减少的目标。因此，需要通过升级改造巷道支护、运输及其他辅助设备的控制技术，提升设备协同控制水平，实现综采工作面快速、高效推进。
（1）巷道设备自移控制技术
研究综采工作面巷道支护、运输及辅助设备的技术特点，以实现设备自动前移为目标，对设备进行设计改型，以实现设备与电液控制系统的有机结合，打破巷道设备“有机无液、有液无控”的技术缺陷，实现设备单机自动前移控制。目前，迈步自移式支护装置、迈步自移式转载机、输送带自移机尾及迈步自移设备列车已实现推广应用。
为进一步完善对巷道设备的监控，可在关键区域布设摄像仪，实时采集现场视频并传输至井下监控中心和地面调度中心，为设备自移提供了远程监控保障。示范工程迈步自移式支护装置如图3所示。
图3 示范工程迈步自移式支护装置
（2）协同推进控制技术
实际生产过程中，工作面的采煤机、液压支架与巷道支护、运输及辅助设备之间存在机械结构或生产控制工序上的关联性。以综采工作面时序协同推进控制流程为决策依据，将各流程中设备需要执行的控制工序转化为协同控制逻辑算法，当采煤机按照生产工艺运行到生产工艺关键点时，触发该生产工艺阶段的控制工序，从而实现工作面与两巷的设备协同推进控制。为确保工作面与两巷的设备能够按照生产控制工序协同作业，需将各类设备的单机自动控制系统集成在同一通信网络内，通过统一的通信标准协议来实现数据交互。
综采智能开采专家决策系统
为充分利用煤矿开采过程中产生的海量数据，实现煤炭复杂开采过程中对潜在知识的挖掘，提出建设综采智能开采专家决策系统，以实现智能开采大数据全样本数据分析采集处理；基于大数据对综采工作面生产过程的效能评价，指导工作面智能化开采，降低割煤循环时间，辅助智能化开采控制系统进行科学决策，保障安全生产。
（1）智能开采效能分析技术
研究综采区域外部涉及的工艺、设备、环境及人员对智能开采效能的影响因素，建立不同的时间尺度（时/日/月/年等）、多因素综合的工作面智能开采效能提升数据模型，通过制定开采工艺优化策略，对采煤机速度与生产能力的匹配关系进行优化，设计工作面支架与两巷超前支护的移架策略，匹配刮板输送机速度和泵站供液压力关系等智能开采效能优化策略，以降低综采工作面割煤循环时间，提升生产效率。示范工作面智能开采大数据平台界面如图4所示。
图4 示范工作面智能开采大数据平台界面
通过分析采煤机、刮板输送机、带式输送机及乳化液泵的设备信息，运行状态数据、环境信息（瓦斯、温度、湿度等）及历史故障记录等数据，研究利用深度学习技术挖掘数据间的关联和因素，揭示不同关联因素影响下的设备状态规律，实现设备健康状况预警和故障预测。
（2）视频图像智能分析技术
采用多源视觉图像采集技术获取海量高质量的综采工况复杂场景的视频图像数据，结合综采开采工艺，依据工作面智能视频监控机制，实现综采工况中环境设备异常状况的智能监测与 （预）警，同时自动为采煤控制系统提供实时可靠的感知结果。最终建立起工作面多作业设备目标对象之间，以及设备与人员目标对象之间的安全协同作业机制，实现综采工况相关设备目标对象的智能监控。智能图像视频系统如图5所示。
图5 智能图像视频系统
机器人替人巡检技术
为实现综采工作面由“无人操作、有人巡视”向“无人操作、无人巡视”的生产目标迈进，提出了应用工作面巡检机器人代替巡视人员的方法。提出适应综采工作面狭长开采空间、危险恶劣作业环境、无卫星定位条件工况的基于固定轨道的巡检机器人方案，并通过搭载融合可见光/红外热成像监控、毫米波雷达测距、环境状态感知、三维激光扫描和惯性导航装置等关键传感装置，实现工作面直线度、水平度及采场空间环境感知、视频监控综采装备运行状态。综采工作面巡检机器人（图6）具备的自主巡检、自主避障、自主灵活作业功能，可为生产过程中综采工作面内“无人进入”提供重要的技术支撑。
图6智能巡检机器人实现井下重要设备硐室自动巡检，对数据实时分析精准预警
