随着自动化技术、信息化技术、网络技术、三维可视化技术、物联网技术、云技术等先进技术的不断发展及其在煤炭行业的逐步应用，大幅加快了智能化矿山的建设进程。综合机械化采煤工艺也发生了巨大变化，智能化综采工作面在各个煤矿纷纷落成，但综采放顶煤工艺因受限于放煤煤矸识别技术，智能化发展缓慢。针对该问题，2018年11月中国中煤能源集团有限公司（以下简称中煤集团）启动重点科技项目“王家岭矿综采放顶煤智能化开采技术研究”，并与众多科研院校合作，形成产学研联合攻关模式，于2019年7月完成了中煤集团首个放顶煤智能化工作面（王家岭矿12309智能化工作面）的建设，2019年9月正式投产。为确保该科技项目顺利推进，王家岭矿按照“1年启动、2年研究、3年突破”的思路，定时间、定任务，分阶段加快实施。
“王家岭矿综采放顶煤智能化开采技术研究” 项目以厚煤层智能化综放开采为核心，针对智能化综放开采存在煤矸智能识别、智能放煤控制、“采支放运”系统智能协调、“采放工序-围岩-瓦斯” 系统环境参量耦合等主要技术难题，围绕厚煤层智能综放开采顶煤体破碎与冒放机理、采放协调控制机理与方法和放煤过程控制原理展开应用研究， 力求真正实现综放开采“记忆切割、自动放煤、采放同步、一键启动、无人操作、少人巡视、智能管理”的目标。
经过12309、12302、12313、12303、12315、12316共计6个工作面的智能化生产应用，取得了一些经验成果，达到减人增安提效的目的，对综放智能化的发展有一定程度的借鉴意义。
建智能开采新环境 为安全生产保驾护航
面对新时代煤炭行业发展的新要求，王家岭矿坚定践行新发展理念不动摇，打造智能化新矿山。为营造安全高效的生产环境，王家岭矿在12309智能工作面（图1）安设了精准人员定位系统、防碰撞安全保障系统、工况监测与控制系统、大块煤堆煤检测与安全联锁控制系统和瓦斯安全联动控制系统（图2、图3）等。
精准人员定位系统能够精确定位工作人员所在的液压支架号，并通过参数优化实现毫秒级快速定位，实时对工作人员所在区域的支架进行闭锁，防止液压支架误动作对人员造成伤害。
防碰撞安全保障系统能够实时监测到人员安全状态，如人员误入危险区域时，该系统会自动识别发出警报提示，并输出闭锁信号自动停止“三机”运行，有效防范可能造成的人身事故风险，与精准人员定位系统共同保障了井下作业人员的生命安全。
工况监测与控制系统能够对整个工作面成套装备的运行数据进行实时监测，并与集中控制系统进行通信，实现集中控制系统对各设备的远程监测和控制，当设备出现故障时会自动提示报警，并显示具体内容，帮助井下作业人员迅速找到设备的故障点，缩短维修时间，间接提高生产效率。
大块煤堆煤检测与安全联锁控制系统基于工作面运输系统设备（前后溜槽机头、转载机、巷道输送带等）上的视频识别技术，可实现对大煤块、矸石、水煤等实时检测识别，通过视频报警和联动装置，及时提醒综放工作面监控中心操作人员，并控制保护停车，防止堆堵等事故的发生，可有效地缩短突发事件响应时间，提高报警系统的精确度。
瓦斯安全联动控制系统是在工作面生产过程中，将工作面瓦斯浓度与采煤、放煤进行关联控制，实现综采放顶煤工作面瓦斯安全联动控制，当瓦斯浓度接近瓦斯监测系统断电保护值的80%后，自动化控制系统可控制采煤机降低割煤速度，若速度降低一定时间后瓦斯浓度依然居高不下，则可控制采煤机进一步降低采煤速度，直至停止牵引，待瓦斯浓度降低到报警值以下并持续一定时间后，自动化控制系统控制采煤机恢复正常采煤。工况监测与控制系统、大块煤堆煤检测与安全联锁控制系统和瓦斯安全联动控制系统共同保障了作业环境与设备的安全运行，构建了安全、高效、绿色的智能化开采环境。
图1 王家岭矿智能化采煤工作面
图2 瓦斯安全联动控制系统显示界面
图3 激光甲烷传感器安装位置
优化智能开采工艺 实现减人增效预期
为成功探索一条更具人性化和效率的生产方式变革之路，王家岭矿通过对12309工作面煤层赋存、顶煤冒放、割煤工艺、支架状态等进行分析研究，利用输入信息的分级方法，持续推动采煤工序变革，将生产过程数字化，采煤工序在实践中不断优化，空间与时间上的协调更为合理。现已初步实现一键启动、记忆割煤、记忆放煤、自动跟机移架、自动跟机放煤、自动推移刮板输送机与拉后部刮板输送机等功能，可以达到采放同步，大幅提高了生产效率；实现了由传统割煤方式向记忆割煤的平稳过渡，减轻了采煤机司机的工作强度；液压支架工人数由原来的6人减少为现在的2人，只需对液压支架状态巡视检查，通过程序设定达到自动放煤的目的，液压支架工无需逐架进行放煤，只需对个别放煤不充分的液压支架进行补放即可，大幅降低了液压支架工的工作强度。自12309智能化工作面投产以来，工作面减少人员4人，刀煤割煤时间缩短了30%，原煤采出率提高8%，混矸率降低5%，达到了减人增安提效的预期目标。王家岭矿集中控制系统如图4所示。
为提高放煤效率，王家岭矿安装了智能煤矸识别系统。在液压支架后尾梁上安装振动传感器和放煤摄像头（图5），振动传感器采集放煤时煤与矸石的振动频率，根据二者振动频率的不同构建数学模型，定位放煤临界频率区间；放煤摄像头可以监测现场典型煤矸不同混合度的图像特征及其声纹特征，根据典型煤矸混合声纹特征，实现在监控中心进行预警提醒，井下操作人员可以通过视频进行远程操控放煤；智能煤矸识别系统有效提高了放煤智能化程度。
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图4 王家岭矿集中控制系统显示界面
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图5 智能煤矸识别系统组成
基于大数据与 VR 技术的智能管理系统
通过大数据构建智能管理系统，将设备健康诊断与评估技术应用在王家岭矿，基于对井下设备的工况信息数据采集，采用大数据分析技术建立设备健康诊断模型，对出现的异常数据和异常趋势进行报警，并对未来设备的健康趋势进行分析，通过分析模型判断出风险等级和风险趋势，实现对设备全生命周期的监控，有效保障设备健康稳定运行， 为智能开采提供支撑。大数据成套装备系统界面如图6所示。
传统的采煤生产管理主要是生产技术人员通过二维图件在生产经验的基础上对生产过程进行指导，管理缺乏时效性，无法对生产过程进行精准管理。王家岭矿利用VR技术、大数据技术结合捷联式惯性导航技术开发了放顶煤工作面的智能管理系统，实现放顶煤的精确管理。综放工作面三维生产监测平台如图7所示。
利用VR技术建立综放工作面虚拟现实环境， 实现井下综放工作面现场模拟与井上地形地貌相结合展示，为无人值守奠定了良好的技术基础与数据基础，这也是真三维环境建立的基础。随着设备对数据获取能力的增强，工作面能够有效地提取与存储数据。利用大数据对采集的数据进行处理，建立专家决策系统，初步形成放顶煤智能管理系统。捷联式惯性导航系统与工作面三维地质模型相结合， 完成采煤机的精确定姿、定位，与液压支架电液控制系统互相配合，实现工作面直线度的控制。真三维环境包括：采区煤层三维模型、进风巷和回风巷三维模型、工作面三维模型、设备三维模型（液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、带式输送机）。生产技术人员通过智能管理系统能够提取生产过程中的模型数据，对井下生产过程进行指导。
由于智能管理系统需要大量的数据支撑，基于大数据与VR技术的智能管理系统刚投入使用，数据量较少，无法精确地对生产过程进行指导。但随着采集数据的不断积累和智能技术的不断发展完善，未来必将实现地面集中操控生产，届时，“运筹帷幄之中、决胜千里之外”的开采模式在王家岭矿将成为现实。
图6 大数据成套装备系统界面
图7 综放工作面三维生产监测平台
未来展望
王家岭矿在生产过程中也遇到诸多问题，通过不断地实践探索，拟定了重点问题及其解决方案。
（1） 记忆割煤技术适应性差
记忆割煤技术容易受到工作面煤层厚度和煤层起伏变化的影响，使得采煤机在生产过程中难免会割到底板的矸石，因此需要采煤机司机在割煤作业中频繁进行人工控制采煤机上下滚筒的割煤高度， 对采煤机的运行状态进行及时调整和修正。另外， 由于采煤机牵引速度较快，而采煤机司机人工操作具有很大的滞后性，不能及时准确度地调整采煤机滚筒的割煤高度，导致割煤效率低，并增加了原煤的含矸率和采煤机设备的磨损，无法实现采煤机在生产中真正的自动化管理。记忆割煤中的记忆参数是在示范刀实施过程中，通过揭露煤层获取的， 因此记忆割煤必须有完善的三维煤层地质模型相匹配。
王家岭矿经过不断实践探索，制定了合理的解决方案，通过构建煤层精确三维地质模型进行割煤线路预设。建立采区统一坐标系将煤层精确地质模型数据转换成采区地理信息数据，利用捷联式惯性导航的原理和空间坐标系相互之间的转换关系， 将采煤机的定姿定位数据也转换成采区地理信息数据，实现采煤机在煤层中的定姿定位，这样就可以用采区统一坐标系分别表示采煤机的定姿定位数据和煤层三维地质模型的数据。最后以煤层模型的信息数据为基础，为采煤机预设的割煤线路提供基础参数，利用平面隐函数切割精确三维地质模型，形成最初的预设割煤线路轨迹。通过遗传算法对采煤机的预设割煤轨迹进行优化，采煤机根据预先优化后的割煤线路，自动调高上下滚筒的割煤高度，提高了记忆割煤的自适应性，减少人工干预，最终达到自动化割煤的目的。
（2） 捷联式惯导系统定位存在偏差，影响工作面自动找直
通过捷联式惯性导航系统，建立工作面设备直线度测绘模型、标准模型和迫近模型，为工作面调直提供参考依据，为王家岭矿实现综采放顶煤智能化开采提供重要基础。生产试验中每一刀的测试效果整体趋势保持一致，但是每一次往返测试的曲线和上一刀测试的曲线之间的偏差和预期还有一定距离。王家岭矿提出以下解决方案：一方面提高采煤机编码器的发送频率，另一方面根据现有的测试数据对惯导软件进行优化。
（3） 智能放煤的效率需进一步提升
放煤数学模型需进一步优化，以满足计算模型的数据融合、模型融合和决策融合，最终形成适用于综采放顶煤工作面的煤矸识别方法。综采自动化系统能够学习相应放煤工艺，实现综放面智能放煤工艺最优化，实现综放智能放煤。
下一步，王家岭矿将继续秉承建设“安全、高效、绿色、智能”矿山的目标，以综采放顶煤智能化开采为核心，优化放煤模块，增强采放协调性。通过深度学习加强对数据的处理，完善放顶煤专家决策系统和智能管理系统，不断寻求关键技术性突破，引领智能综放开采，坚定地向“自动化、智能化、无人化”绿色开采目标迈进。
