在“十三五”期间，国家科学技术部在“深地资源勘查开采”专项及“公共安全风险防控与应急技术装备”专项先后布局了千米深井超长工作面智能化开采、千万吨级特厚煤层智能化综放开采及智能安全开采等相关技术与装备的研发项目，历时4年的研究，均高质量地顺利通过综合绩效评价，取得了一批关键性创新突破和重大成果。
千米深井超长工作面智能化开采项目创新技术成果
煤矿千米深井存在高应力、强采动、大变形， 开采效率低等难题和安全高效开采的需求，“千米深井超长工作面智能化开采”项目针对应力场-裂隙场时空演化机理进行相关研究，聚焦深部煤炭智能开采技术与装备，从液压支架高动压敏感结构服役特性及失效机理、液压支架自适应智能控制及群组协同控制技术、工作面多信息融合围岩稳定性监测预警及智能开采装备等方面进行了深入研究，取得了以下3项创新成果：
（1） 开展抗冲击液压支架高动压敏感结构服役特性及失效机理研究，阐明深部采场工作面上覆岩层采动应力沿工作面推进及倾向方向时空演化和破断特征、工作面端头和中部区域分区采动应力演化规律（图1）；提出千米深井超长工作面动载矿压下支护系统“三耦合”参数精细化设计方法，实现自适应支护；设计一种新型数字式主动冲击压力缓冲装置，使液压支架动力系统抗冲击性能提升了20%以上（图2）。
（2） 提出千米深井超长工作面复杂条件下 “感知- 预测- 决策”的智能化开采技术路径（图 3），研发基于LORA的液压支架位姿监测系统，开发基于B/S结构可融合多信息的工作面围岩稳定性监测预警平台，实现围岩稳定性实时预警和液压支架工况的判别；开发融合实时数据驱动三维模型、开采态势分析与工艺仿真、设备群组控制模型为一体的虚拟仿真决策系统，改善千米深井超长工作面设备-围岩状态感知能力差、数据驱动工艺仿真缺乏的难题。
（3） 建立超长工作面液压支架自适应与群组协同控制模型，设计7 m四柱式大采高非等强支护液压支架和回风巷无反复支撑单元式超前液压支架，建立工作面中部、端头和超前区段的全方位支护系统，实现了支护系统的高适应性、高可靠性和高稳定性；优化设计千米深井超长工作面智能化开采系统配套及布置方案，形成针对软岩条件的支护、割煤和运输系统群组协同开采技术，解决了千米深井超长工作面复杂条件下无法连续稳定、安全高效开采的技术难题（图4）。
在中煤新集能源股份有限公司口孜东煤矿140502工作面实现了连续高效智能化开采，截至2021年11月30日，该工作面装备已连续运行了10 个月，采煤总量近120万t，直接经济效益近10亿元，采煤工效提升了38.28%，大幅提高矿井安全生产水平、开采效率和经济效益，实现淮南地区千米深井“三软”煤层6 m大采高工作面安全稳定高效的连续开采，为我国深部煤炭资源开发提供了强有力的理论和技术支撑。
图1 工作面不同区域三向采动应力变化与覆岩破坏关系
图2 按1：2比例缩小的ZY6400/17/31型液压支架及冲击方案结果
图3“感知-预测-决策”的智能化开采装备与技术路径
图4 成套装备地面联调与井下实际生产情况
千万吨级特厚煤层智能化综放开采项目创新技术成果
针对陕北、内蒙古、山西地区特厚煤层难以放出、含矸率高、自动化水平低等难题，“千万吨级特厚煤层智能化综放开采”项目以“智能群组放煤机理—智能放煤方法—煤矸精准识别技术—智能放煤控制技术及装备—工程示范”为主线，围绕特厚煤层智能综放开采大尺度顶煤体破碎与冒放机理、特厚煤层智能化采放协调控制机理与方法、特厚煤层智能综放开采群组放煤过程控制原理等关键问题，研发了千万吨级特厚煤层智能化综放开采关键技术及装备，并进行工程示范，取得了以下4项创新成果。
（1） 针对特厚煤层智能综放开采工作面采场空间大、开采强度高、顶煤体尺度大等特点，深入研究大采场高强度开采条件下大尺度顶煤体破碎机理及群组放煤规律，建立特厚煤层综放开采大尺度顶煤体“三阶段-多级破碎”破坏结构模型，揭示了水平应力梯度所引起的顶煤破碎机理（图5）。
（2） 针对智能化群组放煤工作面采放协调与群组协同放煤技术，提出特厚煤层采放协调群组放煤条件下的智能放煤控制理论，建立特厚煤层群组放煤工艺智能控制模型（图6），研发采放协调智能放煤决策系统，实现工作面2人巡视，集控室1人值守，工作面产能达1 500万t/a，采放协调率提高了51%。
（3） 针对智能化群组放煤工作面存在的放煤状态感知难题，开发适应多种条件的煤矸识别算法和含矸率预测算法，提出抑制工况环境对探测精度影响的处理方法，开发以冲击振动与高光谱融合的煤矸精准识别技术、放煤量激光三维扫描实时监测技术（图7）和基于探地雷达的放顶煤厚度在线探测技术，实现放煤识别平均准确率达91%。
（4）根据不同采放参数与顶煤冒放性的关系，研究多要素驱动的装备配套方法，研制Z F17000/27.5/42D超大采高综放开采新型液压支架，开发强扰动三级放煤机构，完成大运量、高煤流运输效率的设备选型配套，实现特厚煤层智能化综放开采装备群采、支、放、运系统协调运行（图8），刮板输送机链速达1.56 m/s，煤流运输效率提高了11%。
智能化放煤成套技术体系（图9）在同煤大唐塔山煤矿、晋能控股煤业集团同忻煤矿、山东能源集团金鸡滩煤矿等示范基地成功应用，工作面生产能力达1 500万t/a，采出率提高至92%，混矸率降至9.35 %，为特厚煤层智能综放开采提供关键技术保障，推动我国特厚煤层智能综放开采向少人、安全、高效发展迈进了一大步，具有显著的经济社会效益。
图5 大尺度顶煤体破碎机理及群组放煤规律
图6 采放协调智能放煤控制策略
图7 放煤监测系统现场布置
图8 实际应用现场
图9 智能化放煤成套技术
智能安全开采项目
针对我国煤炭开采难以精确控制、不能自适应割煤等难题，综合考虑安全保障和智能开采的关系，以“开采条件感知—透明工作面创建—基于透明工作面的智能控制”为思路，围绕工作面近远场围岩结构和矿压参数动态变化规律、基于超带宽电磁波反射和图像识别融合的煤岩特征识别原理和井下装备-煤岩多场耦合作用原理及生产系统协同安全防控机制等科学问题展开了深入研究，取得了以下3项创新成果：
（1） 研发了工作面智能开采安全保障技术体系及装备（图10），创新了采煤工作面近远场融合协同监测的顶板来压预警防控技术。通过提出8.8 m超大采高覆岩破断“切落体-挤压平衡拱”力学模型，得出顶板灾害的致灾机理；基于地音监测技术和三维激光扫描技术，实现工作面煤壁片帮超前预警预测；创新研制了智能超前支架、自动退锚装置和机械化辅助作业平台系列装备，实现超前巷道高效修复、智能支护与协同推进。
（2） 提出透明工作面自适应智能开采控制理论（图11），研发了厘米级超带宽电磁波反射煤岩层位探测技术与识别装置，实现煤岩界面的识别精度达到厘米级；研发了首台套工作面厘米级高精度空间定位测量机器人，研制了首台三维空间重建轨道式巡检机器人，实现井下巡检速度达到60 m/min；提出工作面高精度地质模型构建及更新方法，局部网格分辨率达到7.6 mm，实现透明工作面的构建。
（3） 首创多源信息融合透明工作面智能开采模式（图12）。研发截割模板自主剖切、截割高度自动优化、挖底量自主调整的控制算法，实现智能调高的精度平均误差仅为47 mm，300 m长的工作面矫直精度误差仅为50 mm；开发自主割煤协同控制系统，控制延时降至46 ms；研制具有支护姿态、支护阻力、支护方式自适应的全方位行走式超前支架，形成巷道“采前修复－超前支护－采后卸压”的一体化协同控制技术。
“智能安全开采”项目建成了高瓦斯、薄及中厚、大采高3种煤层条件的煤矿智能开采安全技术集成与示范工程，大幅提高了井下工作面的自动化程度，形成了适合于我国较为复杂地质条件的智能开采技术装备体系，实现工作面内无人操作的安全采煤，取得显著的经济与社会效益。
通过“十三五”期间煤矿智能化相关国家重点研发项目的布局，使我国煤炭开采由机械化、自动化开始迈向智能化阶段，为真正实现智慧煤矿的建设愿景提供坚实的理论基础、技术基础和装备基础。
图10 工作面智能开采安全保障技术体系及装备
图11 透明工作面技术及装置
图12 透明工作面智能开采技术与模式
