随着智能化采煤技术的发展，近年来，国家发展改革委、国家能源局发布的《能源技术革命创新行动计划（2016—2030）》明确指出，煤炭开采技术的重点任务：提升煤炭开采效率和智能化水平，研发高效建井和快速掘进、智能化工作面、特殊煤层高回收率开采等技术，到2030 年重点煤矿区基本实现工作面无人化。通过将先进的智能技术与煤炭产业紧密融合，创新工作模式，智能化开采煤炭资源已成为推动我国煤炭行业高效、高质量发展的必然趋势。

目前保德煤矿采用放顶煤方式采煤，通过电液控方式实现对支架的控制，工作面其他设备（采煤机、泵站、刮板输送机、开关等设备） 均具备单机的自动化功能，但各子系统仍采用就地控制方式，设备的开启、停止等操作均需就地人员实施，并且后部放煤均采用人工放顶煤，自动化水平均较低。

为推进综放工作面智能化技术水平发展，北京天玛智控科技股份有限公司（简称天玛智控） 以实现自主感知、自主决策、自主控制、自主协同、自主交互为目标，通过感知、执行、管理系统升级，采用工业互联网架构建设智能综放一体化控制平台，建立了新的开采模型，研究适应于保德煤矿条件的自动放顶煤技术、工艺，实现了采放协同、跟机自动化、自动放煤、记忆放煤、智能放煤、自动找直、安全联动等功能，显著提高了保德煤矿综放智能化水平和开采效率，形成了智能化综放解决方案及示范应用成果。

81202 综放工作面基本情况

保德煤矿81202 综放工作面长度2 626 m，煤层平均厚度为7.2 m（5.1～8.8 m），平均倾角4.5°，煤层结构复杂，宏观煤岩类型以半亮半暗煤为主，平均夹矸3 层，局部单层夹矸最大厚度0.8 m。煤层鉴定结果为有煤尘爆炸性，且属于属高瓦斯矿井。煤层顶板岩性、岩相变化大，属层状碎裂结构顶板，强度低，稳定性差。煤层及顶板裂缝较为发育，在煤层起伏变化处发育强烈，易造成顶板破碎冒落。

保德煤矿81202 综放工作面主要设备为JOY 公司7LS6C-LWS741 型采煤机，中煤张家口煤矿机械有限责任公司生产的SGZ1000/2400 型前部刮板输送机、SGZ1000/2400 型后部刮板输送机、SZZ1350/700 型桥式转载机、PCM700 型巷道用破碎机，郑州煤矿机械集团股份有限公司生产的ZFY18000/25/39D工作面液压支架基本架，共106 台，中煤北京煤矿机械有限责任公司生产的ZFYG21000/25/39D过渡支架2 台、ZFP21000/26/41D 排头支架9 台、ZFT29700/25/40D支架1 组。

5G+综放管控一体化平台建设

工业互联网体系架构

设计以工业互联网产业联盟发布的2.0 体系架构，通过人、机、物的全面互联，实现纵向集成、横向打通，融合各业务子系统数据，支撑云边端协同业务模式，以平台+APP方式提供灵活、可扩展的业务功能。具备强大的数据采集、协议解析能力，支撑生产现场各种设备、各种业务子系统的互联互通，构建主数据，统一主数据管理，保障准确分析支持的工业通信协议包括OPCUA、Modbus、IEC101/103/104、IEC 61850、CDT、PROFIBUS、PROFINET、QTT、CoAP、HTTP、BACNet、CAN-bus 等，能够对接通用协议及专有规约343 个，81202综放工作面系统架构如图1 所示。

图1　81202 综放工作面系统架构

工作面5G 通信网络平台

综放工作面建设5G移动通信网络，无缝覆盖工作面和附属巷道，利用5G网络大带宽提升综放工作面的智能化水平，实现高速、低时延、高可靠性的数据传输和通信，促进综放工作面的数字化、网络化和智能化的深度融合，5G网络平台通信时延小于50 ms，传输速率高于10 Gbit/s，5G DMN环网的采用使得网络通信故障率减少7%。云边协同架构既利用了云端的高性能分析管理能力，利用边缘计算技术满足现场侧的快速响应控制和数据预处理需求，并且实现了工作面数据的集中管理、分析和应用，为煤矿井下综放工作面提供全面高效的信息化支持。综采工作面5G基站如图2 所示。

图2　综采工作面5G基站

综放工作面集中控制系统

智能化集中控制系统以SAM型综放自动化控制系统为枢纽，通过整合液压支架电液控制、视频监控、采煤机电控、“三机”、泵站集控构建智能化集中控制系统，地面操作台如图3所示。

图3　地面操作台

综放工作面集中控制系统由电液控子系统、泵站子系统、“三机”子系统、供电子系统、工作面通信闭锁子系统、照明子系统、手持终端设备等组成。实现无人巡视，远程控制，可以1 人通过控制软件控制泵站、“三机”、移变、马蒂尔。

系统集成“三机”监控功能，主要实现“三机”的一键启停、自动调速、参数设置；能单独控制每台泵的启停，具有多台泵组合一键启停控制功能；具备与移变、组合开关、磁力启动器和照明综保等通信和控制功能，可控制各回路的分合闸，并读取各回路的运行参数（分合、功率、电压、电流、漏电电流等），进行集中数据上传和远程控制等功能，远程控制延时不超过100 ms。

综放工作面智能视频系统

综放工作面智能视频系统是将人的视觉从巷道直接延伸到工作面，实时监控工作面的实际情况，将工人从工作面解放出来，实现工作面少人化。当液压支架出现护帮板机械故障或油缸卸压等故障时，视频系统可自动识别，并及时调整采煤机滚筒，防止采煤机与液压支架出现干涉碰撞，护帮板状态及煤机滚筒目标的实时视频平均检测准确率约90%。在上位机监控中心具备自动跟机切换画面功能，画面始终显示采煤机左右滚筒位置。视频系统具有堆大块煤报警功能、输送机调速、找直效果视频监测、人员管理等功能。机尾加刮板和链条的固定视频监测，在刮板和链条出现缺头或变形，可视频识别，工作面视频监控如图4所示。

图4　工作面视频监控

设备状态监测及健康管理系统

基于B/S 架构的综放工作面设备在线监测与预测维护云平台，具有云端数据分析、存储与移动终端呈现功能的远程数据管理平台。数据平台采用大数据分析功能，对设备的运行数据进行分析，进行精确故障诊断并得到“三机”状态等关键参数的历史趋势，做到预测性维修，降低维修成本，为用户维修提供决策依据。

“三机”安装集中加油系统，采用液压驱动装置进行加油，取代传统人工加油，提高设备的维护效率。油脂在线监测及故障诊断系统通过安装于“三机”机身的磁塞式铁磁颗粒传感器、油品品质传感器、温度传感器和振动传感器感知状态数据，数据融入智能综放系统，实现油液老化污染程度、“三机”振动和温度数据的收集、显示、故障诊断与异常报警，“三机”油脂在线监测系统如图5所示。

图5　油脂在线监测系统

综放跟机工艺数字孪生系统

综放跟机工艺数字孪生系统架构由工作面物理设备、虚实人机交互、孪生数据、机理模型、仿真算法和工艺应用组成，实现了跟机工艺数据传输处理和存储、跟机工艺历史回放、实时跟机工艺孪生演绎、跟机工艺预演仿真、跟机工艺指令调度等功能，综放跟机工艺数字孪生系统现场应用如图6所示。

图6　综放跟机工艺数字孪生系统现场应用

“采放运支”智能化建设及应用

基于机架协同的智能综放开采工艺

采煤机运行在记忆模式下自动割煤，电液控系统，根据采煤机位置和当前跟机自动化阶段，智能判断工作面支架状态，向电液控系统和煤机系统发出相应的协调指令功能，当采煤机从机头向机尾作业，液压支架依次按照跟机移架区域、跟机伸/收伸缩梁护帮板联动区域、跟机放煤区域、跟机推移刮板输送机区域进行自动动作，实现液压支架的全工作面液压支架跟机自动化。

基于采煤工艺驱动引擎调度执行煤机截割工序（牵引方向、加减速） 控制和滚筒采高（滚筒升、降） 控制，采煤机依据预先规划的割煤工序、截割模板进行全工作面割煤作业，煤机自动化率提升至90%以上。

通过采煤工艺驱动引擎作为液压支架群跟机调度决策核心，依据采煤工艺文件预设的支架控制工序调度支架电液控制执行单元自动移架、自动推移刮板输送机、自动放煤等任务，实现液压支架群高效协同控制，支架跟机自动化率>90%，放煤自动化率>85%。

综放工作面煤流负荷平衡控制系统

采用高速三维摄像机，每秒数千帧采集煤流三维空间点云图，根据点云图积分获取煤流切面面积，多个切面拼接成为完整的三维煤流空间图，精准计算出实时煤流体积。同时融合运输“三机”的电机电流和转矩信息，进一步精准判断煤流负载。根据多源融合的煤流信息进行分析，实现前后刮板输送机、转载机和带式输送机变频调速，并调整采煤机截割速度，实现综放多源融合煤流负荷平衡功能，刮板输送机调速控制系统如图7所示。

图7　刮板输送机调速控制系统

工作面自动找直系统

工作面自动找直系统应用高精度惯性导航系统持续进行采煤机位置、姿态精确检测，检测工作面刮板输送机的实际形状，通过对每个液压支架推移行程单独闭环控制来达成直线度控制目标。系统实现工作面自动找直系统在单个找直循环中，与找直目标线偏差≤50 cm；对采煤机位置检测精度小于10 cm/300 m工作面，基于LASC技术的直线度控制方案如图8 所示。

图8　基于LASC技术的直线度控制方案

两巷协同推进—超前支架/自移机尾自动化改造

传统单轨吊和设备列车改造为自移管缆伸缩承载组合车，采用落地管缆承载系统替代单轨吊，消除登高拆装单轨吊、钢丝绳拖拽管缆小车等高风险，利用锚固支架、重车、轻车相互间隔搭配既减小列车拉移阻力，又能有效防止溜车，超前支架和自移机尾自动化改造如图9所示。

图9　超前支架和自移机尾自动化改造

三级放煤技术

后部放煤创新采用三级放煤控制技术，电液控制系统实现自动跟机放煤控制；记忆放煤控制系统实现放煤参数智能生成，下发控制器执行记忆放煤；智能放煤边缘控制器安装在支架，采集放煤音视频信息识别含矸率，执行智能放煤，通过三级放煤技术实现后部精准放煤，降低煤流含矸率，三级放煤技术如图10所示。

图10　三级放煤技术

自动放煤控制由SAC型液压支架电液控制系统组成，是集液压支架的控制系统、过滤系统、工作面数据集成及上传系统为一体的对液压支架实施多功能、高效率、自动化控制的成套设备，增加配置行程传感器、压力传感器和摄像仪等智能传感器，实现自动放煤过程的单架控制、成组控制、闭锁及紧急停止、故障显示及报警、自动补压、工作面数据集成及上传、数据分析及信息发布等功能，实现矿井的自动化放煤控制。

自适应记忆放煤对工作面矿压数据来压周期进行分析，研究顶煤运移机理，为将来支架支护、灾害预警和智能放煤提供依据。在智能放煤煤矸识别的基础上实现对支架放煤参数的调节，并可对不同放煤参数进行反馈验证，多套放煤参数在保证顶煤回收率的同时满足不同回采状况，自适应记忆放煤如图11所示。

图11　自适应记忆放煤

智能放煤识别通过视频监控和图像识别技术，计算放煤量和煤质含矸率，构建液压支架姿态与放煤量的数学模型，进行煤矸图像采集并识别含矸率，同时构建放煤堆积体表面与内部含矸率的映射关系，准确计算结束放煤的时机，实现对放煤过程的量化控制，在保证顶煤回收率的同时降低含矸率，达成经济效益与回采效率相统一，智能放煤煤矸识别技术如图12 所示。

图12　智能放煤煤矸识别技术

综放瓦斯安全联动控制技术

工作面瓦斯由采煤机割煤、液压支架放煤和采空区遗煤逸散出来的瓦斯构成，与采煤机割煤速度、液压支架放煤速度和未放落的顶煤厚度等因素有关，进行瓦斯浓度与煤机速度、放煤速度和采出率等参数关联控制，同时在综放工作面中部、综放工作面回风隅角分别安装瓦斯传感器接入综放工作面电液控制系统，实现瓦斯浓度与采煤、放煤过程关联控制，实现综采放顶煤工作面瓦斯监控自动调节安全管控，采煤机瓦斯联动如图13所示。

图13　采煤机瓦斯联动

工作面人员和煤机定位系统

工作面人员和煤机定位系统主要由UWB基站、标识卡、支架控制器等组成。人员和煤机携带的标识卡通过UWB基站交互实现精确定位，基站将定位数据共享给综放工作面电液控制系统实现设备联动，从而保证人员安全。通过三维数字孪生系统，将人员定位实时展示，更加直观清晰地判断工作面人员数量和位置，也进一步保障人员安全，提高工作面人员超限管理效率。

总 结

（1） 提升效率

通过建设智能综放管控平台，研究采放协同控制工艺、煤矸识别与智能放煤等技术，提升了工作面生产效率。全工作面自动化跟机达到90%，自动放煤率达到85%，干预率降低至10%，采放协同开采一刀时间缩短了10%，产能由500 万t 增至800万t。

（2） 节约资源

智能放煤与煤矸识别实现了采出率为94%，顶煤采出率为85%，提升了保德煤矿的回采率及顶煤回收率，实现了资源有效回收与利用；基于透明地质的精准放煤与截割，降低了含矸率，每年可减少矸石排放11.75 万t。

（3） 减人增效

通过跟机自动化、三岗合一、巡检机构、记忆放煤、机架协同等智能化综放技术的成功应用，工人的工作环境从危险性较高的采场转变为安全环境较好的巷道监控中心和地面远控中心，采煤工作面生产班配置由13 人减少至5 人，增加了工人生产作业的安全性，实现了“少人则安”的目标。

（4） 安全生产

瓦斯安全联动、设备故障诊断、智能视频识别等系统能够实时监测环境、设备运行状态和人员工作状态，提前预测、预警不安全因素，有效减少了工作面设备故障与生产安全事故的发生。人员精确定位实现设备闭锁，保障了人员的安全；自动找直系统显著提高了工程质量，自动跟机拉架减少人工操控，减少工作面产生切顶压架事故风险，减小片帮冒顶对工作面人员安全和正常生产的影响，提高了工作面的安全技术水平。

策划：赵瑞 编辑：戴春雷