煤炭资源是我国可以实现清洁高效利用的一次能源，具有经济、可靠等特点，为我国建设和发展做出了重要贡献。传统煤炭行业采煤方式较为粗犷，且生产环境恶劣、人 员劳动强度大、职业安全与健康难以保障。随着第 四次工业革命的兴起，5G、物联网、大数据、人 工智能等新一代技术与煤炭生产技术深度融合，已 逐步成为推动我国煤矿行业升级转型的核心动力， 煤矿综合机械化逐步向煤矿机械化、自动化、智能 化转型升级，煤矿智能化建设已经成为我国煤炭开 采技术的主要发展方向。智能化综采工作面的建设 需要应用物联网、云计算、 5G、大数据、人工智 能等技术对综采设备进行升级改造，使其具备智能 感知、自主决策和智能控制等功能的智能化系统， 实现综采工作面割煤、支护、运煤工况实时监测与 控制。通过综采工作面智能化建设，可大幅降低劳 动力，实现“少人则安，无人则安”。笔者以陕煤 集团神木红柳林矿业有限公司(简称红柳林煤矿) 15217智能化综采工作面为研究对象，对液压支架 自动跟机移架、采煤机记忆截割、刮板输送机煤流 负荷监测、采煤机精确定位系统、工作面视频监测 系统关键技术展开深入研究和实践。
智能化综采工作面基本概况
15217综采工作面为南一盘区5 - 2 煤第17个工 作面，东面为已回采的15216综采工作面，西面为 15218掘进工作面，北面为5-2煤辅运大巷。 15217 综采工作面煤层赋存稳定，结构简单，煤层厚度为3.8 ~ 5.5 m ，平均厚度5.2 m ；煤层下部一般含2层夹矸，靠近煤层底板的1层夹矸厚度为0 ~ 0.1 m，岩性为泥岩；距离底板1.0 m左右的另一层夹矸厚度为0.1 ~0.6 m ，岩性为粉砂岩，厚度稳定，变异性小，属厚煤层，煤层赋存整体为南高北低、西高东低、局部存在波状起伏。工作面走向长度2 412 m，倾向长度348 m ，采用走向长臂式采煤法，双向端部斜切进刀方式， 1个循环推进度0.8 m。
智能化综采工作面设备配置及系统架构
15217智能化综采工作面配套的关键设备及参数明细见表1。15217智能化综采工作面系统架构如图1所示，该系统由地面调度中心、井下胶运巷道控制台、综采成套设备组成，利用5G、工业以太网、交换机以及光电转换器建立了集中控制平台，可实现对采煤机、液压支架、“三机”(刮板输送机、破碎机、转载机) 、泵站、供电系统的集中控制，实现对综采工作面各设备的协调管理和集中控制。采煤机以记忆截割为主，人工远程干预为辅，液压支架以自动跟机移架为主，人工远程干预为辅， “三机”、泵站、供电系统集中自动化控制。 15217智能化综采工作面实现了集视频、语音、远程集中控制为一体的自动化控制系统，实现了工作面采煤机、液压支架以及运输系统的联动控制和关联闭锁等功能。
智能化综采工作面关键技术
15217综采工作面依托5G、云计算、物联网、大数据分析、人工智能、惯性导航空间定位等技术，实现了液压支架自动跟机移架、采煤机记忆截 割、刮板输送机煤流负荷监测、采煤机精确定位系 统、矿压预测预警及人员精准定位等功能；建立了 井下和地面集控中心，将综采设备数据进行收集和 传输，实现了对综采工作面设备的远程监测、状态 显示和集中控制，以及综采工作面智能化运行和自 动化作业。红柳林煤矿15217智能化综采工作面综 合管控平台如图2所示。
表1 15217智能化综采工作面主要设备参数
图1 15217智能化综采工作面系统架构
图2 15217智能化综采工作面控制平台
液压支架自动跟机移架
液压支架基本架、端头架、过渡架均采用国 产化产品。液压支架均配备了电液控制系统， 电液 控制系统具备立柱压力、推移刮板输送机行程、支 架电磁阀动作监测，升柱、降柱、推移刮板输送 机、拉架、伸收护帮板、抬底、喷雾自动化开启和 关闭等远程单控功能和成组控制功能，可以实现液 压支架自动跟机移架作业。以15217综采工作面为 例，自动跟机移架参数设置：推移距离滞后采煤 机后滚筒15架，推移刮板输送机范围10架；拉架距离滞后后滚筒2架，拉架范围4架，顺序拉架；收护帮板距离超前前滚筒3架，范围3架，单架顺序收；打护帮板距离滞后后滚筒2架，范围3架，逐架打出；液压支架自动化允许开启区域为1~173架。 15217智能化综采工作面液压支架运行工况如图3所示。
图3 15217智能化综采工作面液压支架运行工况
采煤机记忆截割
15217智能化综采工作面配备LW S948型采煤机，该采煤机配备了位置监测、摇臂角度感知、摇臂高度、油位、油温、油压、瓦斯监测等高精度传感器，可实现煤机智能感知、智能控制等功能。采煤机记忆截割技术即采煤机滚筒自动调高技术，基本原理是在记忆煤机滚筒调高前，使用采煤机在工作面空载运行1次，这个过程中需要人为进行煤机滚筒调高。空载运行完成后， 控制器将人工调高所得数据保存，采煤机在进行后续割煤时， 自动调高系统调用先前收集的数据信息，进行记忆截割。在截割过程中，若遇顶板煤层起伏变化，此时人工介入进行滚筒调高，然后将调高数据进行更新，用以指导下一刀割煤时的滚筒高度。由于15217智能化综采工作面为煤层赋存条件较好的厚煤层工作面， 可以充分利用已知的煤层地质条件连续性信息，使 控制器记忆上一刀截割循环的滚筒高度和采煤机实 时位置的对应关系自动调整采煤机滚筒高度，从而 实现目标截割路径跟踪，同时还可以利用截割力的响应值和智能识别算法完成滚筒截割、状态识别、自动调高等工作。 15217智能化综采工作面采煤机 运行工况如图4所示。
图4 15217智能化综采工作面采煤机运行工况
刮板输送机煤流负荷监测
15217智能化综采工作面刮板输送机采用变频软启动装置，具备煤流负荷监测功能。通过读取刮 板输送机电机电流，计算出煤流负荷比例系数， 然后回传LW S948型采煤机，采煤机通过智能决策 算法， 自动调整采煤机速度或进行停机操作，可以 最大程度保障刮板输送机电机安全及工作面生产安 全。此外，刮板输送机还具备运行工况监测、链条 自动张紧、断链停机保护等功能。工况监测功能对 刮板输送机机头水平部、机头垂直部、机尾部3台 电机的运行状态、电流、电压、各部温度进行监 测，可以根据温度信息预测故障点，在故障发生前 进行人为干预，保障设备安全；链条自动张紧功能 是利用传感器检测刮板输送机运行时链条的垂度， 根据预设算法判断此垂度下链条的张紧力，然后通 过油缸伸缩动作进行链条张紧力的调整；断链保护 停机功能是通过刮板输送机机尾高清监控摄像仪进 行实时捕捉链条完整度，若发生断链现象则立即对 刮板输送机停机闭锁。
采煤机精确定位系统
15217智能化综采工作面配置了采煤机精确定 位系统，又称惯性导航系统。惯性导航系统工作面 布置如图5所示。惯性导航系统由射频无线发射器、高精度陀 螺仪组成，在采煤机机身中部安装射频发射装置，将1个高精度陀螺仪与射频发射装置相连接。射频发射装置将高精度陀螺仪获取的采煤机行走状态信息发送给工作面电液控制系统控制器，再通过工业以太网传至综采智能控制系统。智能控制系统通过算法分析出采煤机割煤曲线以及刮板输送机全长位置曲线信息，采煤机利用该系统实现对其位置、姿态的精确监测，可以提前预测采煤机沿工作面方向曲线信息，实现对工作面刮板输送机直线度检测。采煤机将检测到的刮板输送机位置曲线信息传输到综采智能化系统，根据综采智能化系统的协调控制，将需要调整的信息发送到液压支架电液控系统中， 由液压支架电液控制系统对刮板输送机进行调整，实现工作面直线度调整。 15217智能化综采工作面采煤机位置检测在惯导模式下，全程定位误差小于10 cm ，直线度最大控制误差小于50 mm。
图5 惯性导航系统工作面布置
工作面视频监测系统
在井上和井下均配备有工作面监控中心，可实现“三机”、泵站、采煤机、电液控、移变、组合开关等设备的工况监测。具体为“三机”、泵站、采煤机的单动和一键启停， 电液控的单动和成组控制，组合开关、移变的分合闸控制等， 15217智能化综采工作面泵站运行工况如图6所示。在工作面部署视频监控系统，如图7所示，每6架液压支架安装1台高清云台摄像仪，即时监测煤壁和液压支架过道情况，摄像仪具备自清洗和视频增强等功能，可以自由切换手动、自动模式，调节补光灯 角度等。另外， 15217智能化综采工作面还采用了 我国具有自主知识产权的视频拼接技术，该技术通 过采用数台高清云摄像头将分散在工作面各个部位 的视频画面进行无缝式拼接，实现了对工作面全局运 行工况的直观展示，大幅提高了综采工作面智能化管理效率。
图6 综采工作面泵站运行工况
图7 15217智能化综采工作面视频监控系统
结 语
笔者对红柳林煤矿15217大采高智能化综采工作面建设应用的关键技术进行研究，提出了智能化综采工作面系统架构，对液压支架自动跟机移架、 采煤机记忆截割、刮板输送机煤流负荷监测、采煤 机精确定位系统、工作面视频监测系统关键技术展 开深入研究，实现了减人增效的目的，为行业提供 了可借鉴的智能化工作方案。
