近年来，随着国产采煤装备技术的快速提 升，采煤方法也随之产生了变化。近10 年来， 一次采全高的工作面从5 m提升到 7 m ，目前最高的一次采全高工作面，已在神东上 湾煤矿完成井下实际应用，采高达8.8 m，并已完 成一个工作面的回采。装备能力的提升与采高的 加大，对工作面智能化要求越来越高，国际上对煤 矿智能化开采技术的研究始于20世纪90年代，德 国、美国、澳大利亚等国先后提出了自己的技术方 案，其思路均是依赖工业自动化的基础，结合远 程可视化监控，实现对采煤机、支架等装备的控 制。 1990年德国推出综采电液控制自动化系统， 其特点是装备程序化控制。 2000年之后，随着计 算机与网络技术进步，澳大利亚联邦科学与工业研 究组织（CSIRO）开发了以设备定位技术为核心的 LASC长壁自动化系统；美国久益公司（ JOY）推 出以实现地面远程监控为目标的虚拟采矿方案；德 国艾柯夫公司着力于智能化煤机的研发，聚焦于提 供具有防碰撞、智能控制、截割模板等高级功能的 智能煤机装备及相关行业方案。

我国对智能化开采技术及装备的研究起步较 晚， 2008年才研制出首套国产电液控制系统，实 现了对国外进口产品的替代，奠定了综采自动化系 统国产化的基础。近10年来，国加大了投入力 度，在“863项目”“973计划”及智能制造专项 支持下，我国的智能化开采技术取得了突飞猛进的 进展；实现了“液压支架电液控制系统、煤机记忆 截割与可视化远程干预控制”相结合的智能化无人 开采技术模式，攻克了液压支架自适应控制、工作 面“三机”协调联动、自动化放煤等关键技术难题。

随着煤层埋深和工作面采高加大，工作面煤 壁易片帮、设备协同性差，影响工人的安全和生产的正常进行，成为大采高工作面开采的重大安全问 题。研究了大采高工作面智能开采工艺、智能设备 配套，建立大采高工作面多设备协同作业控制机 制，集成应用基于控制支架姿态动作的片帮处理技 术，形成大采高安全、高效、智能开采集成与示范 工作面，为国内大采高智能化开采提供具有指导意 义的研究示范成果和可借鉴经验。

超大采高工作面智能控制技术路线

超大采高智能化工作面的建设需要保证超大 采高支架良好的姿态与支护状态， 以避免大规模的 倒架事故，减少因矿压显现强烈导致的冒顶、片帮 等安全事故。同时，工作面的综采设备要具备协同 控制、安全预警、智能感知与实时控制通信等功 能。因此，超大采高工作面智能化开采面临着围岩 控制、开采工艺评估、支架姿态控制、支护状态评 价、设备协调联动控制等难题。

面对上述难题，超大采高智能化综采控制系 统从大采高支架智能感知与控制、井下工业以太网 通信、设备集中控制、工作面与两巷矿压监测和评 价等方面，对8.8 m超大采高智能化开采进行技术攻 关。超大采高工作面智能化技术线路如图1所示。

图1  超大采高工作面智能化技术路线

针对超大采高开采工艺、顶板与护帮板围岩 控制、支架姿态与支护状态、设备协调联动控制等 问题进行科学研究，采用了机架协同控制技术、围 岩状态监测与分析技术、支架智能感知技术、实时 工业以太网通信技术、遥控人机交互技术等多项关 键技术，研究了网络型支架电液控制系统、综采工 作面集中控制系统、矿压监测与分析评价系统3套 系统装备。相关研究成果在12403工作面进行工业性试验，提出8.8 m超大采高工作面智能开采关键 技术与一体化解决方案，达到智能开采装备示范应 用效果，实现超大采高安全、高效生产。

超大采高智能化综采控制系统

超大采高智能化综采控制系统由网络型支架 电液控制系统、工作面智能综采控制系统和工作面 及两巷矿压监测与评价系统组成，解决了超大采高 开采工艺、顶板、护帮板围岩控制、支架姿态与支 护状态、设备协调联动控制等问题。

网络型支架电液控制系统

网络型支架电液控制系统的核心控制器， 采用 自主研发的基于百兆以太网液压支架控制器，实现 自动跟机、姿态监测、支护控制、快速移架4项关 键核心功能，并提供了保障人员安全的定位功能。

（ 1）基于百兆以太网液压支架控制器该控制器采用100 M实时工业以太网通信，辅 以工业现场总线(高速CAN)，将原有的支架控制器和工作面综合接入器、红外线定位集成，很大程 度上简化了支架电液控制系统硬件架构，减少了 工作面布线，同时解决了总线带宽的问题。该控 制器可直接连接视频摄像仪、WiFi基站等设备， 在工作面建立了一条通信高速链路，实现一网到 底（图2 ）。

图2  网络型支架电液控制系统

同时，该控制器采用基于SoftPLC的通用控制 单元组态化开发平台，硬件虽然是嵌入式硬件，但 系统的软件架构更接近于主流PLC软件架平台，使 得控制器嵌入式应用软件的开发效率大幅提高，开 发难度大幅降低，向行业通用本安PLC方向发展。

（2）网络型支架电液控制系统的关键核心功能

大采高全工作面液压支架自动跟机及远程干 预控制功能。根据上湾煤矿超大采高工作面地质条 件，设计超大采高工作面智能化跟机自动化工艺。 护帮板采用依次跟机收放控制，同时缩短跟机移架 距离，提高移架效率，减少空顶，可有效防止片 帮、冒顶、煤块飞溅等安全事故， 提高工作面整体 运行的安全性（图3）。全工作面跟机自动化率平 均达到80%以上，中部跟机达到90%以上，平均干 预率低于28%。

图3  护帮板采用依次跟机收放控制示意

（3）大采高支架姿态实时监测功能

采用帕斯卡原理研发支架高度传感器，将软 管两端都配置高精度压力传感器，用高度产生的压 差除以重力加速度及介质密度，可直接计算出支架 高度。同时，在测高传感器中集成倾角传感器，并 配置掩护梁及底座倾角传感器，实现对支架顶梁、 护帮板、底座的横滚角度进行实时监测，测量误 差<±0.3°,高度误差±3cm，监测延时＜50 ms="">

（4）多级护帮联动控制及防片帮功能

控制器接入护帮行程、接近传感器，实现三 级护帮的联动控制，防止护帮伸收时，切顶梁及打 到刮板输送机电缆槽。同时， 配置护帮压力及立柱 初撑力保证系统，为围岩监测与分析评价提供数据 基础，保障支架良好围岩支护状态。建立了液压支 架与顶煤围岩耦合控制模型， 实现电控系统与围岩 监测系统联动，当周期来压时，电液控制系统可主 动提升支架初撑力与护帮支护压力。

（5）大采高支架与大流量泵站联动控制功能

通过研究大采高工作面液压支架降柱、移 柱、升柱时间对液压和泵站系统压力、流量的影 响，以及采煤速度与液压支架移架时间的关系，提 出了工作面液压系统速度分析理论，突破了超大采 高工作面快速移架的瓶颈。采用大采高支架与大流 量泵站联动控制技术，以决策树方法为基础，建立 大数据自主决策模型，设计多泵变频联动专用算 法，实现按需供液最优控制效果（图4 ）。

图4  数据自主决策模型

（6）人员近感定位功能

实现支架闭锁，保障人员安全。同时通过定位， 实现支架遥控器的自动近感连接，支架遥控控制。

工作面智能综采控制系统

将Longwall  Mind5.0集控系统软件平台与 TO S 控制器结合，并适配大采高工作面通信网 络，设计了工作面智能综采控制系统，工作面智 能综采控制系统架构如图5所示。基于该系统开发和部署了工作面大数据中心、手持终端APP和三 维虚拟现实系统。

图5  工作面智能综采控制系统架构

（ 1 ）Longwall Mind5.0集控系统软件平台

自主研发了控制系统平台软件Long wall Mind5.0，研究远程控制技术，分别部署在三岗合 一、巷道监控中心和地面分控中心，实现综采设备 集中控制；控制系统平台软件由采煤机、支架、 “三机”、泵站、供电、视频6 大控制子系统构 成，实现综采工作面采煤机、刮板输送机、喷雾系 统设备之间的关联闭锁、互联互锁和一键启停控制 等功能，集控系统软件平台如图6所示。

图6  集控系统软件平台

（2 ）TOS控制器

随着工作面设备及接口的多样化，集控系统 平台运行负载逐渐变大，给开发、维护和部署带来 了诸多不便。因此，设计并研发了TOS控制器（图 7），采用MVVM架构方式，以低耦合、高内聚的 接口设计，分离原系统业务逻辑层与视图模型， 优化原拓扑结构，建立以IPC为核心，与Longwall Mind5.0相结合的TOS解决方案。控制器具有丰富内置接口便于扩展与维护，同时分离上位机软件 的运行压力，达到稳定高效的对工作面设备的集 成控制。

图7  TOS控制器

（3）大采高工作面通信网络

建立有线与无线冗余的工作面工业以太网通 信系统，研制开发了工作面WiFi基站， 具备无线 网格网络（Mesh）组网功能， 20架或50  m配置1 个，实现工作面无线网络全覆盖， 同一无线局域网 （ SSID ），移动设备全工作面无缝漫游；使综采 工作面移动设备、固定设备与巷道集控中心高效互 联，将视频监控、能效监控、工业控制多网合一， 实现工作面设备信息汇集，综采工作面装备远程控 制通信（图8 ）。

图8  工作面工业以太网通信系统

（4）工作面大数据中心

以Longwall Mind5.0集控系统软件平台为基 础，进行数据应用的研究。研发工作面大数据中 心，采用B/S架构，具有全工作面数据采集分析、 预警决策、输出报表等功能，对综采系统进行透明 化监控，在神东内网可通过Web随时访问查看，便于生产运行决策。定制开发矿用本安手机及手持终 端应用软件APP，接入工作面网络，手持终端可实 现工作面设备监测与控制，通过手机即可对支架设 备进行无线遥控（图9）。同时，投入开发并部署 工作面三维虚拟现实系统，实现设备实时监测信息 可视化、工艺可视化等功能。

图9  数据中心及手持终端

工作面及两巷矿压监测与评价系统

通过在工作面两巷道安装围岩移动传感器、 锚杆（索）测力计、钻孔应力计等巷道压力传感 器，构建了大采高工作面超前段巷道围岩稳定性动 态监测架构。对12403工作面回风巷和辅运巷道围 岩动态进行了监测，顶板离层量0 ～ 10 mm ，顶板锚杆增阻量分布在0.9 ～ 23 kN，表明巷道围岩稳定 性良好。将支架初撑力不合格比例、工作阻力高报 比例、安全阀开启比例、支架不保压比例、不平衡 比例等指标，作为巷道围岩稳定性综合评价指标， 建立巷道围岩稳定性分析和评价模型。

网络型支架电液控制系统实时采集监测数 据，并发送至在工作面智能综采控制系统中进行存 储。通过分析立柱压力监测数据， 围绕巷道围岩稳 定性综合评价指标，构建综采工作面支架工况实时 评价及预警指标体系，设计了初撑力分析算法、支 架不保压分析算法、安全阀开启分析算法、支架工 作阻力高报分析算法、支架工作阻力分布分析算 法5类算法，对液压支架工控进行实时评价与预警 （图10 ）。图10 工作面及两巷矿压监测与评价系统

在工作面智能综采控制系统中，开发并集成了综采工作面周期来压自动分析和预测预警算法， 实现工作面周期来压的自动分析和及时预警，分 析出超大采高工作面周期来压规律， 得出12403工作面周期来压步距分布在5.8 ～ 28.8  m ，平均为 14.6 m ，动载系数平均为1.41，矿压显现较强烈的 结论。通过分析护帮板压力传感器监测数据，评价 护帮板对煤壁支护的有效性并进行报警。分析了护 帮压力与工作面顶板来压规律和煤壁片帮的关系， 建立大采高智能综采工作面煤壁片帮预警指标和模 型，为工作面防片帮处置提供依据。

首先，实现了世界最大采高综采装备的国产 化控制系统应用，显著提高了上湾煤矿12403工作 面智能化程度（图11），使超大采高工作面具备年 产1 600万t的生产能力。其次，提高了生产安全系 数，降低了开采成本，增强了生产效率，减轻了 劳动强度，降低职业病危害， 提升了健康水平。工 作面支架自动化率平均达到80%以上，平均干预率 28%以下。同时，提高了工作面的开采效率，日产 4.5万～4.8万t煤，回采工效达到1 050 t/工。超大 采高智能化综采控制系统的成功实施为我国大采高 工作面少人化、智能化开采提供了一条可行的技术路 径，助力能源开采安全，有较高的示范及推广意义。

       图11  现场应用

超大采高智能化综采控制系统的成功实施， 切实地减轻了示范工作面工人的劳动强度，增强煤 矿生产的安全性，达到大采高工作面智能化生产的 目的。将工人从危险的工作面采场解放到相对安全 的巷道监控中心，在监控中心对设备进行远程操 控，提高了工人的安全系数。将工人从操作工变成 巡检工，大幅降低了工人的劳动强度，改善了工作 环境。针对目前影响大采高工作面智能化开采瓶 颈，开展装备及控制技术研究，相关研究成果具有 自主知识产权，研究成果推广至神东集团所属各煤 矿的同时，可辐射到整个陕蒙地区，并在类似矿区 具有广阔的推广应用前景，从而引领我国综采自动化开采技术的发展。

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