成果研究背景、意义及主要内容

研究背景

我国煤炭智能化开采经历了基于远程可视化的智能化开采1.0 阶段，以及基于设备自适应的智能化开采2.0阶段，现已实现了工作面“无人操作、有人巡视”。但综采智能化开采仍停留在设备、围岩、地质、地理信息无关联，设备不能自适应煤层赋存变化，依赖人工在巷道和地面集中控制设备启停、调节状态的阶段。

根据2020年煤炭工业统计，全国薄煤层煤炭资源储量约占全部煤炭资源储量20%，工作面数量占比43%左右，产量仅占全国10.4%，薄煤层开采效率低、资源浪费问题突出。对于神东煤炭集团有限责任公司（以下简称神东公司），0.8~1.7 m煤层的资源保有量巨大，面临不得不开采薄煤层的实际情况，但薄煤层开采存在效率低、产量小、成本高、经济性差的实际问题，采高低于1.5 m的工作面煤层开采成本是3 m采高工作面的2倍以上；另外，薄煤层开采也面临煤质差、矸石多、地面排矸难等现实问题。

对于薄煤层综采工作面而言，要达到高效开采，满足经济性要求，仍需要解决以下3点难题：

①煤层赋存变化无法提前预测，导致煤质无法保障，开采经济性不好，还带来后续原煤洗选系列问题；②煤层赋存与设备控制之间没有实现关联，导致采煤机割煤过程中破顶、破底控制量无法达到最优，开采效率无法最大化发挥；③缺乏安全、高效的少人化开采配套技术与装备，就地跟机巡检劳动强度大，安全隐患高。

成果主要内容

针对上述3个难题，围绕“基于动态开采控制模型的自主割煤关键技术研究与应用”开展攻关（图1），提出了“主动探测煤层赋存、依据赋存自主割煤，并配合少人化装备实现面内无人作业” 的技术思路，通过实践煤层精细化探测工程方法、构建了工作面GIS模型系统，研究基于煤层赋存信息的自主开采控制策略，开发了自主割煤控制软件平台，研制了工作面巡检机器人、薄煤层视频系统、一体化控制平台等“看、巡、控”关键装备， 实现了基于动态开采控制模型的自主割煤技术、装备及工程方法创新，形成了工作面内无人作业、自主割煤的新开采模式。

图1 基于动态开采控制模型的自主割煤关键技术研究与应用

关键技术突破与创新

创新地质模型建模工程方法

行业内首次提出并采用定向钻孔勘探工作面顶底板煤岩分界线的工程方法，实现了工作面精确三维地质建模。具体包括：

（1） 提出并实践了工作面顶底板煤岩分界识别工程方法。首先，通过地质钻孔、采掘工程实测数据建立初始三维地质模型；其次，在初始地质模型基础上，通过定向钻孔探勘煤岩分界线，将初始模型精度提升至0.2 m；最后，在随采过程中不定期开展地质测绘，导入地质数据进行模型动态修正， 精度可达到0.2 m。

（2） 完善三维地质模型动态优化建模方法。提出地质钻孔数据和实际测量数据地质模型动态修正算法、自动剖切地质模型算法，可自动生成开采基线用于后续自主割煤控制决策。

创新自主割煤控制策略技术

创新提出工作面动态开采控制模型，开创工作面内无人作业、自主割煤的新模式：

（1） 研发全工作面三维激光扫描建模技术

研制激光扫描机器人，融合应用三维激光扫描技术、惯性导航技术及工作面巡检技术，开展工作面采场空间扫描，构建工作面实测三维点云模型，如图2所示。机器人以刮板输送机电缆槽为轨道（图3），最大巡检速度60 m/min，10 min内可完成对全工作面的扫描；研发激光扫描模型中煤壁、顶板相交线快速识别提取技术，实现对采场位置的精确定位，用于后续地质模型剖切。

图2  工作面实测三维点云模型

图3  激光扫描机器人

（2） 提出工作面两巷连续绝对定位技术

前述工作面三维激光扫描模型为相对坐标，通过在两巷端头悬挂绝对坐标标靶，首次应用点云模型自动测量、标靶智能识别和自动拼接技术，将三维激光扫描模型转换为绝对（大地）坐标，与工作面地质模型进行对比，实测验证转换为绝对坐标模型精度可达0.1 m。

（3） 研发自主割煤控制软件平台（图4）

通过对比工作面精确三维地质模型和点云实测模型，在综合分析煤层变化趋势、工作面平直度、当前割顶底情况、采煤机运行等大数据基础上，通过优化算法制定未来10刀的割煤策略，给出采煤机下一刀滚筒调整曲线，经地测对比，精度误差保持在0.2 m以内，实现自主智能割煤。

图4  自主割煤控制软件平台

综采少人化装备与工艺创新

行业内首次发明与应用巡检机器人，辅以图像智能识别技术，为工作面无人化作业创造了有利条件，主要体现在以下3个方面：

（1） 研发了工作面自主巡检机器人

视频巡检机器人搭载红外及可见光双视摄像仪、拾音器，代替人的“眼耳皮肤”，自动识别工作面设备发热、异响等问题，建立了跟机巡检、快速巡检和自主巡检多种机器人巡检模式，平时定速巡航，异常情况下人工远程控制。工作面配置巡检机器人，实现全方位监视设备自动化运行情况和工作面隐患，替代人工巡查。

（2） 应用了全工作面部署基于跟机视频及固定点视频的智能图像识别系统

重点围绕采煤机滚筒位置、工作面人员定位、煤流上游滚筒大块煤识别及机尾刮板输送机工况等场景开展智能图像识别，通过全工作面视频、固定点部署增强视频实现图像采集、智能识别算法开发及系统部署，实现整个工作面异常工况自动报警，支撑工作面内无人作业。

（3） 研发了地面一体化远程操控系统

打造“井上下协同作业”生产模式。井上人员通过地面一体化远程操控系统（图5）实现动态开采控制模型构建，获取截割模板，监控自主割煤开采工艺；井下人员保障综采装备运行，达到自动化开采常态化运行的目的。

图5  地面一体化远程操控系统

成果先进性分析

煤层赋存探测方面

相比国内外同类技术中没有系统的煤层地质模型建模工程方法；通过地质探测技术形成的煤层模型属于静态模型，精度不足以指导煤层开采控制，本项目提出并实践地质模型精细化探测、三维地质模型动态优化的工程实践方法，三维地质建模精度误差≤ 100 mm。

智能化开采技术方面

相比国内外同类技术中没有使用煤层地质信息直接指导开采的常态化与应用技术，绝大多数仍以记忆截割控制方式为主，无法适应煤层变化，本项目提出地质模型剖切、应用技术方法，构建工作面动态开采控制模型，实现工作面自主割煤。

少人化开采技术装备方面

相比国内外同类技术仍以自动化运行为主， 远程干预为辅，工作面内需要安排人员就地巡视，工人劳动强度较大，本项目研发了巡检机器人“代人巡查”，形成“井上下协同作业”生产模式，工作面内无人作业。

应用效果与推广前景

应用效果

成果推广过程中取得了3个方面应用效果：

（1） “无人则安”。工作面生产班人数由11 人减为3人，更关键是工作面内没有了直接操作的人员，仅安排1人机动巡视， 降低了劳动强度，将员工从薄煤层工作面空间受限爬行作业困难、粉尘及噪声危害大的艰苦环境中彻底解放出来，从源头上保障了人员安全。

（2） “高产高效”。示范工作面年生产能力由120.2万t/a提升至216万t/a，涨幅达到79.7%。

（3） “智能示范”。截至目前，项目提出的工作面巡检机器人在全行业推广27台（套），一体化远程操控平台推广29台；基于动态开采控制模型的自主割煤关键技术在神东、兖矿、阳煤等矿区得到了推广应用。

推广前景

较薄煤层无人化智能开采成果提供了我国煤矿综采工作面机器人替代人工巡检的技术方法，提出了基于精准三维地质模型和扫描构建工作面绝对数字模型的自主割煤技术方法，首创三维地质模型与激光扫描模型对比形成采煤机截割策略，将设备与围岩、地质、地理信息关联起来，解决了智能化开采煤岩无法识别的难题。

对于企业而言，巡检机器人显著降低了综采工作面高风险区域内的作业人员数量，减轻了远程干预人员劳动强度，提高了人员安全系数；精准自主开采进一步提升了智能化程度，提高了落煤质量，降低了洗选成本，大幅度提升了生产效率和企业效益。

对于行业而言，通过应用新技术成果，突破了影响较薄煤层工作面自动化开采的瓶颈，完成了中厚偏薄煤层工作面基于动态开采控制模型的自主割煤示范，为该类煤层无人化、智能化开采提供了一条可行的技术路径。

对于国家而言，有效提升了较薄煤层工作面资源开发利用效率，减少了资源浪费，保障国家能源供给与安全，优化采煤工人工作方式，改善工人作业环境，提高安全系数，推动能源生产向自动化、智能化高质量发展。

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