煤炭作为我国的主体能源，在经济发展中占据重要地位，随着矿井开采强度增加、剩余服务年限减少，很多煤炭企业逐步转入薄煤层资源开采阶段。我国薄煤层资源储量丰富，广泛分布于80 多个矿区，工业储量达98.3 亿t，其中可采储量约65 亿t，约占全部可采储量20％，山东能源集团有限公司（简称山东能源） 国内75 处生产煤矿中，拥有2 m以下薄及较薄煤层的煤矿32 处，占比42.6%；32 处煤矿资源总量为54.4 亿t，2 m以下薄及较薄煤层资源量25.8 亿t，占总资源量的47.4%。但是受开采工艺及技术装备等因素限制，国内薄煤层产量仅约占煤炭总产量7%。由于开发难度大，空间小，产量及效率低，成本高，安全性能差，薄煤层开采一直是制约煤炭企业生产可持续发展的难题。
山东能源在陕西未来能源化工有限公司金鸡滩特大型煤矿集成应用了数智化高效开采成套技术，开创了煤炭数智化高效开采的成功示范，建成世界首个8.2 m超大采高工作面，平均日产6.16 万t，月产153 万t，创综采高度、产量及效率的世界最高纪录。在千米深井的兖矿能源集团股份有限公司杨村煤矿（简称杨村煤矿） 开展智能化建设工程实践，建成 7302、5305 智能综放示范工作面，生产班作业人员由16 人减至7 人，减员幅度为56%。在此基础上，山东能源结合自身发展实际，系统攻关薄煤层无人开采新课题，探索走出煤炭产业转型升级、安全高质量发展的“山能路径”，成功打造了杨村煤矿、枣庄矿业（集团） 有限责任公司滨湖煤矿（简称滨湖煤矿） 正常生产条件下，常态化无人作业的薄煤层工作面。
薄煤层智能化开采的现状分析
地质条件分析
薄煤层煤厚一般约在1.3 m以下，且地质条件变化大，断层、夹矸等地质构造复杂。以杨村煤矿、滨湖煤矿为例，杨村煤矿17 煤，煤层倾角2°～11°，平均5°；煤层厚度0.95～1.35 m，平均为1.15 m，煤层中含有厚度不均匀的坚硬夹矸及硫化亚铁结核体（f=8～10）；直接顶为十一灰岩，平均厚度为0.83 m（f=8～10）；基本顶为粉砂岩，平均厚度2.4m；直接底为铝质泥岩，平均厚度2 m。滨湖煤矿16 煤，煤层倾角5°～10°，平均8°；煤层厚度0.7～1.71 m，平均为1.23 m。直接顶为十下灰岩，厚度2.99～8.19 m，具泥岩伪顶，厚0.15～0.44 m，十下灰既是直接顶也是基本顶，具二重性，为稳定顶板；直接底以泥岩、砂质泥岩为主，厚0.65～8.33 m，采区内存在落差1/2～2/3 不同采高的断层。
工艺及技术装备分析
薄煤层开采除地质条件限制外，面临的主要问题是空间狭小，设备运转及人员活动区域受限，工作面内行走、作业困难，而且劳动强度较大，整体作业环境恶劣，职业危害大。从工艺及技术装备应用的角度分析，存在3个方面的问题。
（1） 现有低效开采工艺无法支持快速连续开采
薄煤层工作面系统配套方式不够优化，生产工艺效率低，端头截割三角煤时间长，全工作面整体推进速度慢，难以满足矿区协调开采、生产接续需求。
（2） 狭窄空间严重制约开采装备性能提升
高效开采要求采煤机大功率，高强度开采围岩控制难度大，要求支架高工作阻力，与开采空间矛盾叠加更加突出，狭小空间难以布置大功率设备，低速、低效、高强度工作，高能积比难突破。
（3） 煤层条件变化下无人干预及实时智能开采能力不足
简单条件下，液压支架全工作面跟机、远程人工干预、视频监控均可实现，但缺乏煤层条件变化情况下的智能感知、自主决策能力，难以实现与煤层走势的最佳匹配。
薄煤层成套开采装备迭代升级
山东能源针对具体煤层赋存及开采情况，联合中煤科工开采研究院有限公司等科研单位，基于工作面产能目标导向，创新薄煤层高能积比配套模式，通过协同优化工作面装备间配套尺寸，重点围绕薄煤层开采过机空间、过煤空间、行人空间等技术特征要求，实现装备时空配合最优化；在此基础上，对支、采、运成套开采装备性能升级开发，保障装备可靠性的前提下，提升对薄煤层开采条件的适应性，薄煤层成套开采装备配套示意如图1 所示。
图1 薄煤层成套开采装备配套示意
支护装备升级
随着工作面长度及开采效率的提升，围岩控制难度增加，要求液压支架在较大工作阻力下实现更低的高度支撑，同时具有抬底、推移、底座调整等功能。针对上述情况，开发了薄煤层液压支架，工作阻力达到6 000 kN，最小支撑高度0.8 m。研发出专用大伸缩比立柱，优化千斤顶导向及进回液结构，实现支架大比例升降行程，具有隐藏嵌入式顶梁，将液压、电气等元件嵌入顶梁内部，如图2 所示，在保证强度的前提下，实现过机空间最大化。
图2 薄煤层液压支架及嵌入式结构顶梁
支护装备配套垂直抬底、倒装推移功能，有效提升支架对复杂地质条件的适应性。工作面巷道基于超前支承压力分布规律，根据非等强支护原理，采用两列式强力超前支架和单元式超前支架配套形成长距离超前支护，保障高效推进条件下薄煤层工作面围岩稳定。工作面升级配套为远距离无人值守的集中供液系统，优化供液系统架构及液压元部件参数匹配，液压支架单架降移升时间由11 s 减少为5～7 s。
截割装备升级
高产高效对采煤机截割及牵引能力、滚筒装煤能力提出更高要求。针对1.1 m以下薄煤层截割，研发了双滚筒电牵引采煤机，单摇臂截割功率550 kW，装机功率提升至1 270 kW，配备半悬机身加全悬摇臂结构如图3 所示，机面高度仅为814 mm，过煤空间提升为304 mm，适配宽度为800、900、1 000 mm的刮板输送机，有效增加横向过煤尺寸（沿走向方向），过煤面积提升15%。
图3 薄煤层采煤机半悬机身结构
结合常规机身、爬底板采煤机优点，采用半悬机身结构，重心在输送机上，摇臂采用C 型悬置，解决薄煤层调顶、挖底问题，同时改善煤机装煤效果，截割力大，通过能力强，滚筒优选高强度硬岩截齿，在含有硫铁矿夹矸且断层多、起伏多、煤层薄的条件下，煤机截割速度由5 m/min 提升为8 m/min。
输送装备升级
刮板输送装备通过高链速、大运量，最大限度保证煤流运输能力。薄煤层工作面一般采用沿顶开采工艺，巷道与工作面间存在约1 m的高度差，根据此特点研发了多铰接自适应重叠侧卸机头，刮板输送机机头与转载机机尾一体式设计，配套可调式液压抬高装置及旋转铰接支座等结构如图4 所示，实现输送装备同步快速推移的同时适应工作面0°～15°角度变化，以及推斜7°的角度变化；机尾根据巷道沿顶掘进情况，研发了反卧式伸缩机尾，与工作面中部槽近水平过渡，有效保证端头挖底量。
图4 薄煤层重叠侧卸机头
刮板链组件的智能监测、基于负荷分量梯度补偿的链条张紧，以及多驱动协同智能控制技术，辅助工作面煤流控制模型，实现工作面采运协同控制。带式输送机机尾采用模块化设计，安装自驱动牵引模块化组合伸缩系统，有效降低带式输送机支架拆除频率，确保了工作面高效生产。
薄煤层智能化开采创新技术及实践
智能开采作为实现煤矿安全高效生产的新技术手段，在减人、提效等方面切实提升了薄煤层的开采效率，山东能源旗下云鼎科技股份有限公司、北斗天地股份有限公司与华为技术有限公司、北京天玛智控科技股份有限公司等单位联合开展了一系列创新技术研究与实践，形成了涵盖开采辅助、信息基础、生产管理等范围内的6 大创新性应用成果。
综采工作面国产惯导应用
研发出国产高精度惯导研发智能综采作业自导向系统（Intelligent mining operation self-steeringsystem，IMOSS），成功实现综采工作面自动找直应用，如图5 所示，在山东能源内部10 余个矿井实现系统常态化运行，取得良好应用效果，实现了进口产品的国产化替代。
图5 工作面自动找直效果
液压支架当前主要采用底座倾角传感器对支架推移进行一维监测，无法做到航向、偏移、横滚等多维方向监测，薄煤层工作面空间受限，设备安全间隙小，液压支架打滑、丢架、咬架等异常工况难以监测，制约了自动化生产效率进一步提升。为持续拓展惯导技术应用场景，解决支架多维姿态监测难题，研发出首套基于MEMS惯导技术的液压支架监控感知系统，为数字孪生辅助控制系统提供底层数据支撑，提升了工作面连续自动化生产水平。
国产高精度惯导系统采用国产芯片，测量精度高且与国外进口设备相比，设备成本大幅降低，具备较好的维护性，可有效提高工作面设备控制自动化程度，MEMS惯导技术的液压支架监控感知系统包括2 个方面的特点。
（1） 基于MEMS惯导技术，实现支架姿态精准测量及调整
首创国产MEMS惯导应用于液压支架监控感知系统，可测量液压支架位置信息、液压支架倾斜情况及航向角偏移情况，识别支架打滑、丢架、咬架等工况，配合液压支架自身调节装置，实现支架姿态角度实时精准调整，MEMS传感器安装位置及测量精度如图6所示。
图6 MEMS传感器安装位置及测量精度
（2） 传感数据为数字孪生、规划截割提供设备实时位姿信息
通过部署IMOSS系统和MEMS惯导技术，结合自主研发的优化算法和误差补偿技术，实现对煤机设备自主定姿、定位、定向的精准测量，满足液压支架直线度动态调整需求，并为数字孪生系统、规划截割系统提供采煤机位置、截割曲线、液压支架行程、偏移量等实时数据，实现了综采工作面液压支架位置姿态信息实时监测分析、异常状态超限告警提示，提高了综采工作面采煤机、液压支架、刮板输送机位姿监测实时性和系统控制精度，IMOSS惯导记录采煤机运行轨迹界面如图7 所示。
图7 IMOSS惯导记录采煤机运行轨迹界面
多参量耦合模型的规划截割开采
薄煤层开采受高度限制，采煤机采用记忆截割或分段截割，都需要煤机司机跟机作业，为了保证合理的作业空间，薄煤层工作面开采高度难以降到1.4 m以下。采用现有技术，仅依靠地质模型，在探测精度、经济性等方面，都无法满足薄煤层规划截割需要。基于上述情况，通过联合技术攻关，首创了多参量耦合模型的规划截割开采模式，助力薄煤层工作面安全高效无人开采。
多参量耦合模型的规划截割开采技术已在杨村煤矿、滨湖煤矿部署应用。在滨湖煤矿31606 工作面，开启多参量耦合模型的规划截割开采模式后，工作面开采高度从原来的1.5 m降到1.25 m，基本实现了煤厚即是采高的开采效果，液压支架协同连续自动推进系统包括2个方面的特点。
（1） 多参量耦合模型的规划截割开采
通过连续采集多刀截割历史数据，输入GIS 平台地质模型、IMOSS惯导数据，根据数字孪生体几何尺寸、连接关系和刚性约束条件，拟合支架姿态，生成多参量知识库，经过插值算法、滤波算法等预处理，持续提高规划截割模型数据精度，有效控制工作面采高，提升薄煤层开采效率，降低含矸量，多参量耦合模型的规划截割开采工作原理如图8所示。
图8 多参量耦合模型的规划截割开采工作原理
（2） 液压支架协同连续自动推进
为适应煤层多变的赋存条件， 系统融合了MEMS惯导、倾角、行程数据，构建了基于多参量的支架推进度散点模型，同时融合机头、机尾上窜下滑偏移量，自适应调用纠偏工艺集，结合采煤工艺统一规划支架动作策略，实现采煤机与液压支架协同高效运行，支撑工作面连续无人化开采。
数字孪生辅助控制系统
针对薄煤层顶板较好、液压支架结构简单等有利条件，充分利用数字孪生技术，基于设备真实尺寸和地理真实坐标的工作面模型，融合多源数据，把物理场景转换为真实数字场景，清晰展现工作面起伏状态和设备位姿情况，为远程控制提供操作建议和控制指令，形成面内无人作业的远程控制模式，数字孪生辅助控制系统界面如图9所示。
图9 数字孪生辅助控制系统界面
通过应用数字孪生辅助控制系统，在集控中心全息感知工作面物理空间，实现了工作面实体与数字矿山孪生体的虚实映射与实时交互。结合AI 技术计算分析开采作业、设备管理、环境管控，为生产控制提供决策依据，有效提升了工作面智能化水平，将跟机巡视人员从艰苦繁重现场作业中解放出来，降低了工人劳动强度，为集控中心远程操控、工作面内无人生产提供有力技术支撑。数字孪生辅助控制系统主要包括3 个方面的特点。
（1） 现场多参量传感器实现数字孪生
数字孪生辅助控制系统基于工作面设备真实尺寸，结合采煤机IMOSS惯导、液压支架MEMS惯导及倾角、行程等各类传感器数据，实时监测设备运行状态，记录采煤机截割曲线，结合工作面GIS 地理信息，实现井下物理空间在数字世界的真实映射。
（2） 多视角切换的工作面全方位信息提供远程操控决策依据
数字孪生技术支持360°视角切换，与视频拼接等形式的固定视角相比，操控人员可以从任何角度监测工作面，实现工作面全场景可视化表达。配合电液控制系统、采煤机电控系统，操控人员全面掌握工作面的实时情况、设备运行状态，基于多源数据分析结果，辅助远程操作人员完成采煤机、液压支架联动控制，不同视角的全场景展示界面如图10所示。
图10 不同视角的全场景展示界面
（3） AI数据处理实现预警控制交互
应用盘古大模型AI 技术，融合工作面多个子系统的多源数据，综合监测预警和异常工况分析，取代单机预警或人工监测分析，实现直线度偏离、设备干涉、大块煤等监测预警和控制交互，有效降低了安全生产风险。
班组协同交互通信系统
薄煤层工作面少人无人化开采，巡检人员需要同时承担多个岗位的工作，工作面作业人员分散，固定通信设备难以满足少人化作业的通信需求。研发出班组协同交互通信系统，通过便捷的语音通信实现区域协同，融合矿井有线及无线通信系统，满足在工作面任意位置即时通信的需求，提高了作业沟通效率。
在杨村煤矿、滨湖煤矿部署应用班组协同交互通信系统，生产作业人员使用移动通信终端，通过单兵通信应用程序，可在工作面任意位置，与面内作业人员、地面操作人员即时通信，提升矿井日常工作传达和应急响应能力。在工作面刮板输送机机头、泵站等开机运行噪音较大位置，使用具备降噪能力的骨传导耳机，较传统有线通信设备具备更好的通信效果，提升了班组成员之间沟通质量。煤矿多种语音通信设备融合具备2 个方面的特点。
（1） 多种语音通信设备高效融合
采用标准SIP 协议，各类语音通信设备高效融入协同交互通信系统，实现了调度通信系统、移动通信系统、矿用广播系统以及井下沿线扩音电话系统互联互通，班组工作人员采用手机、平板电脑、智能手表等多种通信终端均可对外联络，实现灵活协同通信，煤矿多种语音通信设备融合系统如图11所示。
图11 煤矿多种语音通信设备融合系统
（2） 骨传导耳机满足班组即时高质量通信
骨传导耳机是新型单兵装备纳入班组协同交互通信系统，使用耳机侧键一触即达，结合智能终端融合通信应用程序，快速便捷实现班组内部通话，耳机采用智能降噪拾音算法，自动过滤无效噪声，在矿山采掘、洗选、运输等强噪音环境下，满足听得清、说得清的需求，实现双方高质量通信联络。骨传导耳机+通信终端连接如图12 所示。
图12 骨传导耳机+通信终端连接
盘古矿山大模型AI 服务平台
构建了以盘古大模型为底座的矿山行业大模型，实现了中心训练、边缘推理、云边协同、边用边学、持续优化功能。研发出67 类算法模型，全面覆盖了煤矿采、掘、机、运、通及安全管理等专业，在矿井提升安全管理、降本增效方面发挥了积极作用，盘古矿山大模型AI 服务平台具备4 个方面的特点，AI服务平台界面如图13所示。
图13 AI服务平台界面
（1） 大模型准确率高、泛化性好，提高了场景应用效果
煤矿安全生产过程中异常样本数据较少且难以获取，传统小模型缺少大量异常样本训练，准确率低，盘古矿山大模型通过海量矿山行业数据预训练，参数量大、异常独特性高，保证了模型高准确率和高泛化性，比小模型精度提升10%，新场景部署后初始精度提升23%。通过矿山大模型的实际应用，有效解决了煤矿场景落地难、应用效果不佳的问题，大模型与小模型能力对比分析如图14 所示。
图14 大模型与小模型能力对比分析
（2） 大模型云边协同、边用边学架构，保证了常态化运行
传统小模型在面临误报情况时，缺乏及时优化能力，严重影响了正常应用，而大模型通过云边协同、边用边学架构能够实时反馈异常报警信息，并且自动实现模型迭代和部署升级，大模型具有持续自我提升能力，确保现场应用的场景准确率高，实现场景常态化运行， 报警处置界面如图15 所示。
图15 报警处置界面
（3） 大模型与生产管理深度融合，促进了减人提效增安
通过大模型和数字孪生技术的深度融合以及常态化应用，持续提高规划截割模型数据精度，有利于薄煤层工作面截割的持续优化。通过预测大模型技术在精煤洗选、焦化配煤工艺流程的应用，精准控制产品质量，降低生产成本，实现产品质量和生产效益双提升。
（4） 大模型全面赋能煤矿安全生产，通过AI 践行无监控、不作业
煤矿企业在井上井下区域的关键部位、工艺流程的关键环节部署监控摄像仪，解决了从现场查看到集控监控、事后有据可查等问题。基于大模型的技术特点，对各点位摄像仪配置不同模型算法，及时预警、迅速处置，实现AI 的24 h 无死角监测预警，全面赋能煤矿安全生产。
杨村煤矿和滨湖煤矿引入盘古矿山大模型，分别在4703 采煤工作面、31606 采煤工作面等地点171台摄像仪及230 路模型，通过工作面的常态化运行，取得了3 个方面的应用效果。
（1） 安全管理由事后追溯向事前预警转变
通过大模型实时监测井下环境、设备和人员状态，发现异常状况时自动本地语音报警并联动设备紧急闭锁，把风险化解在隐患前、把隐患消除在事故前，提升安全自管自治能力。例如，实时监测薄煤层采煤工作面大块煤卡堵情况，出现异常情况时语音报警及联动控制，实现了及时发现并处理大块煤淤堵问题，减少煤炭淤堵造成的故障停机时间。
（2） 由劳动密集向精简高效转变
通过矿山大模型的应用，减少了日常巡检和重复性工作，降低了劳动强度，减少了作业人员，助力现场作业从少人到无人的转变。例如，在主煤流运输系统中部署堆煤监测、异物监测、煤仓运行异常状态监控等10 多类场景，实现了机头、机尾及给煤机等关键区域的实时智能监控，降低了巡检人力成本并提升了煤矿生产的安全系数。
（3） 由粗放管理向精细化管理转变
借助大模型多维度数据分析能力，与数字孪生技术紧密结合，融合分析大块煤、人员位置、支架压力、电机温度等数据，实现了精准预测，为生产控制提供决策依据，有效提升了工作面的智能化水平。
煤矿GIS 公共服务平台
自主研发煤矿GIS 公共服务平台，作为山东能源各煤矿基础图纸、数据共享、一体化图形平台底座，兼容煤矿常用的AutoCAD 和LRGIS 等软件系统，通过转换插件实现原有CAD图纸及LRGIS图纸转换和数据对接，实现了图形及煤矿基础资料数据同源，规范了制图流程管理，为各应用系统提供统一数据融合图形底座，GIS公共服务平台具备3 个方面的特点，系统界面如图16 所示。
图16 GIS公共服务平台界面
（1） 建立图纸协同审批业务模式，强化集团技术数据统一管理
GIS公共服务平台采用C/S 架构，建立了从生产一线到集团总部的纵向业务协同模式，实现煤矿图纸由原来的纸质图纸审批报送，转变为在线电子化审批图纸。所有图纸实现了在线统一管理，根据不同专业、不同职级配置不同权限，实时在线查阅矿井各专业图纸信息及基础数据，避免了图纸多版本重复绘制，图形和数据不一致、不统一等问题，有效加强基础数据管理。
（2） 建立集团级统一时空GIS 数据库，提供数据支撑与图形应用分析服务
GIS 公共服务平台提供了GIS 数据与图形应用分析服务，支持集团端及矿端各类业务应用系统的优化提升，实现矿山人员定位、辅助运输、地质保障、智能通风、综合信息管控等系统图纸和数据的及时同步、自动更新，解决了矿山各专业系统基础数据不同步、不同源难题，填补了大型矿山企业基于统一GIS 平台的信息化系统建设模式的空白，各系统图纸和数据共享架构如图17所示。
图17 各系统图纸和数据共享架构
（3） 构建工作面高精度地质模型，为采煤工作面提供数据和图形服务
通过GIS 公共服务平台的基础图形服务，结合工作面素描、巷道素描、等值线、地质构造等地测数据，快速构建工作面高精度地质模型。以地质模型、设备极限范围、惯导电液控实际截割数据为基础，构建工作面规划截割数字模型，为工作面数字孪生和规划截割开采应用提供数据和图形服务，更好地服务于薄煤层生产。
GIS 公共服务平台在山东能源75 座矿井全面推广使用，建立了集团统一图纸数据管理系统，形成了图纸数据绘制、采集、上报、管理及使用的标准流程，实现了全集团矿山图纸及各专业数据的统一采集、管理及应用，减少相关系统功能的重复建设与多系统底图数据重复维护工作量，形成煤矿生产和安全状况的“电子沙盘”，取得了3 个方面的显著效果。
（1） 提供现场基础地质数据
薄煤层工作面空间狭小，对基础数据和空间位置信息的准确性、一致性及数据质量要求高。基于GIS 平台进行工作面地质建模，结合工作面设备约束、实际截割数据、惯导数据等多种分析要素，建立工作面规划截割模型，为工作面智能规划截割开采，提供贴近现场实际情况的基础地质数据。
（2） 提升集团整体管理水平
GIS 公共服务平台专精于煤矿智能化的统一基础数据和图形平台底座，各专业根据需求调用，并在此基础上开发新的应用场景。在集团层面，可随时调取查阅任意权属矿井的最新图纸和历史资料，及时掌握煤矿生产现状，为提升集团整体生产技术管理水平奠定数据和平台基础，同时为各专业信息化智能化系统提供图纸数据和GIS 功能服务。煤矿冲击地压大数据分析平台，直接从GIS 平台获取矿井采掘工作面基础信息和相关图形数据，实现对微震大能量事件及隐蔽致灾因素的拓展应用与管理。
（3） 提升矿井协同工作效率
在矿井层面，可将平台基础数据和基础功能与各专业实际业务结合，拓展应用于煤矿日常生产技术管理工作，数字化赋能煤矿生产技术资料管理，实现精细化的数据与图档管理，提高了科室与区队技术人员的协同工作效率。
总 结
（1） 山东能源在薄煤层工作面支护、截割、输送装备的装备升级，在薄煤层高效开采实践中的减人、提效应用效果，表明装备性能提升和数智技术应用是薄煤层开采安全效能、生产效率及综合效益提升的必要手段，为煤炭行业的智能化转型和高质量发展提供了可借鉴的“山能样板”。
（2） 薄煤层工作面对比传统装备单班割煤3 刀、单面月产5 万t，提高到单班割煤连续6 刀、单面月产达到9 万t 的新水平。杨村煤矿、滨湖煤矿薄煤层智能化工作面建成运行以来，自动跟机移架率99%，远程截割率100%，有效提高了煤炭资源回收率，实现了薄煤层开采生产效率提升。
（3） 杨村煤矿、滨湖煤矿应用智能规划截割精准控制开采曲线，平均少割矸石10 cm，有效杜绝割顶破底现象，降低了原煤灰分、减少了矸石上井，保障了能源绿色供应，实现了薄煤层开采煤炭质量提升，两矿均具备单面年产100 万t 生产能力，每年创效2 100万元，实现了薄煤层开采综合效益提升。
策划：赵瑞 编辑：黄小雨
