成果研究的背景、意义及主要内容

研究背景

我国煤炭开采以井工矿为主，综合机械化生产是当前广泛采用的生产方式。综采工作面存在着“水、火、瓦斯、煤尘、顶板”五大自然灾害，作业条件复杂，危险系数高；煤矿综采工作面向少人化、无人化发展，提高采煤效率和本质安全性，是煤炭产业发展的必然趋势。智能化采煤技术是实现我国煤矿生产向安全智能、绿色高效矿井发展的重要技术手段。

根据《煤矿安全规程》第一百一十四条规定，采用综合机械化采煤时，工作面煤壁、刮板输送机和支架都必须保持直线。采煤机骑行在刮板输送机上，刮板输送机的直线度保持需依靠调节液压支架，而液压支架能否精确调直的关键在于工作面的直线度检测和调直参数获取是否精确；2021年12月7日，国家能源局发布《智能化煤矿验收管理办法》关于I类煤矿采煤系统主要评分指标中的主要得分项包括“采煤机具备自主定位、姿态监测、三机协同控制割煤、直线度检测”等功能。煤矿综采工作面需要适配惯导系统实现相应功能需求。

2008年，国外推出了基于陀螺仪导向定位的自动化采煤方法，在实际采煤应用中取得了一定效果。但在国内的自动化工作面，尚未实现采煤机国有自主核心精确定位及工作面自动调直技术常态化应用。2015年，山东能源集团与中国煤炭科工集团合作，在国内首次引进进口惯导系统，在转龙湾煤矿3～4 m煤层试验示范，实现了工作面自动找直技术的创新应用，成套装备达到年产1 000万t水平。在此基础上，山东能源集团自2017年组建了惯导系统研发团队，瞄准基于高精度惯导自动找直的智能化关键技术，进行国产惯导技术的研究应用。

研究意义

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。目前，我国已取得了液压支架电液控系统、采煤机记忆截割和可视化远程干预控制、掘进机远程集控等一系列技术创新，但煤矿综采工作面智能化核心技术装备与美国、澳大利亚等发达国家相比还存在一定差距。实现煤矿综采作业生产过程的智能化运行，采煤机、液压支架等主要生产设备需具备自主定位、姿态监测等精度较高的实时测量和数据采集功能，目前的技术条件下只有惯性导航技术能够满足相关功能和技术需求。在煤矿智能化采煤作业过程中，采煤机记忆截割，液压支架跟随采煤机自动降、移、升功能均已实现。然而，在实际生产过程中，工作面直线度往往难以保证，随着工作面生产，直线偏差越来越大，影响工作面连续自动化推进；直线度问题制约着综采自动化水平，能够持续稳定、精准高效服务于煤矿综采工作面的采煤机惯导系统是采煤智能化发展的必然需求。北斗天地IMOSS系统开采轨迹查询界面如图1所示。

图1  北斗天地IMOSS系统开采轨迹查询界面

为实现煤矿智能化领域关键核心技术国产化研发，打破国外垄断和技术封锁，解决该领域“卡脖子”问题，山东能源集团致力于将国产惯性导航技术应用于智能化开采领域，切实解决煤矿井下生产过程中对综机设备的精确定位和导航控制难题。基于国产惯导技术，深度结合煤矿智能化建设应用需求，开展国产化矿用采煤机惯导系统和组合定位导航核心算法研发，可有效避免国外技术方法侵权风险，进一步提升煤矿智能开采领域关键核心技术装备国产化水平。采煤机惯导系统常态化应用于煤矿综采工作面智能化生产，可有效实现减员增效， 切实提升煤矿生产现场的本质化人机安全保障。

主要研究内容

（1）基于国产惯性导航技术研发符合综采工作面应用需求的采煤机惯导系统

山东能源集团北斗天地惯导系统研发团队， 通过深入了解煤矿综采工作面生产工艺流程，持续开展技术攻关，完成了对国产惯导元器件抗冲击设计和电磁兼容性的优化，以及适用于煤矿井下生产的采煤机三维坐标精确定位技术的研发；基于国产惯性导航技术，结合防爆电气要求，完成了国产惯导成套系统矿用产品研发，并取得了整机安标认证；通过研制基于自主研发的高精度光学陀螺仪和加速度计构建的惯导成套装置及配套系统，测量采煤机工作过程中的横向、纵向、垂直三维空间位置、姿态数据，与高分辨率编码器组合，测量数据通过无线或专用通信线缆的方式传输到数据处理中心，经多源数据融合运算，得到采煤机的开采运行轨迹，实时监控采煤机在工作面的位置姿态信息。矿用隔爆兼本安型陀螺仪外观如图2 所示。

图2 矿用隔爆兼本安型陀螺仪外观

（2） 自主研发符合综采工作面生产需求的采煤机定位导航算法和工作面找直算法

北斗天地惯导系统研发项目团队深入结合煤矿综采工作面生产工艺，重点研发采煤机高精度组合定位导航算法、工作面直线度控制算法、安装误差补偿算法、断点续传位置补偿算法，实现了采煤机在综采工作面的精确定位和位置姿态数据实时采集；通过惯导装置记录的采煤机空间位置坐标进行分析并确定当前工作面的直线度，定向研发找直算法并计算出每台液压支架的推移量，通过联动液压支架电控系统发出执行信息，对每个液压支架进行推移行程单独闭环控制，达成直线度控制目标，实现了工作面直线度动态监控和偏差值调整。

（3） 基于5G、WiFi6无线通信技术研发惯导多信道冗余通信

煤矿井下生产过程中因设备频繁移动、落煤、落石、浸水等因素常出现通信线挤压、弯折、破损等因素影响，采煤机惯导有线通信介质（网线、光缆、通信电缆、串行通信线等）易受损伤， 无法稳定应用于采煤机惯导系统通信，5G网络高速率、低时延的特征可较好地契合惯导系统通信需求。山东能源集团针对煤矿井下采煤机和惯导系统通信需求，研发多信道数据通信技术，实现了采煤机惯导系统基于矿用5G专网、矿用WiFi6无线网络、矿用光通信网络等多种通信方式的融合应用， 提升了惯导系统数据传输稳定性；通过采煤机安装部署矿用惯导装置，实现采煤机在工作面位置姿态信息的实时采集，惯导通过内置5G模组，适配北斗天地自主研发的矿用5G专网系统，对接液压支架电液控系统，实现综采工作面液压支架矫直和整体直线度的动态控制。

关键技术突破与创新 

关键技术 

（1）基于国产惯导的采煤机位姿信息检测技术 北斗天地惯导系统研发项目团队针对国内煤矿不同生产工艺的采煤工作面煤层赋存条件和综机设备配套进行深入调研，基于国产惯导研究采煤机位姿检测组合导航技术，研究国产惯导在综采工作面采煤机位置姿态、解算检测、定位导航算法。项目通过算法研发测试优化、采煤机惯导产品自主研发试制，实现了采煤机惯导系统核心关键设备及技术国产化。

（2） 矿用惯导在煤矿井下综采工作面通信冗余适配技术

通过惯性测量装置技术改造和 5G 专网、WiFi6、CAN总线等多种通信模式开发，实现采煤机惯性测量装置基于矿用有线网络和矿用无线射频网络的常态化传输应用。通过边缘计算服务器在煤矿综采工作面的部署应用，实现采煤机惯性测量数据的就地转发计算和低延时通信。北斗天地矿用5G基站在综采工作面常态化部署应用，如图3所示。

（3） 煤矿井下综采工作面自动找直关键技术

北斗天地惯导系统研发项目团队结合煤矿综采工作面找直需求，自主研发综采工作面找直算法、开采轨迹曲线拟合算法、误差补偿算法，完成了智能综采作业自导向系统开发。智能综采作业自导向系统通过定向开发的电液控系统融合接口，将找直数据发送给电液控制系统，电液控制系统收到数据后，下发给液压支架控制器，控制器根据收到的“找直目标”参数数据进行动态修正，最终达到工作面找直的目标。

图3 北斗天地矿用5G基站在综采工作面常态化部署应用

创新点

（1）创新开展国产惯导装置及软件系统研发试制

基于国产惯导研究采煤机位姿检测组合导航技术方案，北斗天地惯导系统研发项目团队通过算法研发、采煤机惯导产品自主研发试制，研究国产惯导在综采工作面采煤机位置姿态检测、组合定位导航的适配可行性，实现了采煤机惯导系统核心关键设备及技术100%国产化，解决了煤矿智能开采领域关键技术“卡脖子”难题。经多种工况条件综采工作面实际应用验证，北斗天地综采作业自导向系统采煤机定位精度优于10 cm。

（2） 结合综采工作面自主研发工作面自动找直关键技术

结合煤矿综采工作面找直需求，自主研发综采工作面找直算法、开采轨迹曲线拟合算法、误差补偿算法，适配机载传感器和惯导系统实时监测采集采煤机在生产过程中的位置坐标和姿态角度信息数值，通过神经网络算法解算输出电液控制系统每个控制器对应的修正值、移架找直目标值及实际行程值，持续对工作面整体直线度进行动态检测和调整，最终达到工作面找直的目标。目前，长度500 m以内工作面，整体取直误差±50 cm的技术指标已通过验证并达到国内领先水平。

（3） 首次实现采煤机惯导系统煤矿井下5G通信常态化应用

通过惯导装置通信接口设计优化和通信模组技术研发，实现了惯导装置和5G通信模组的高可靠稳定通信适配。经实际应用测试，通信时延和信号稳定性均能够完全满足惯导系统数据传输需求， 有效解决了煤矿综采工作面内有线信道敷设维护困难、易受损伤、可靠性不足等一系列通信稳定性问题，实现了惯导系统基于矿用5G专网的长期稳定运行，在鲍店煤矿、金鸡滩煤矿、东滩煤矿、赵楼煤矿实现了惯导系统基于5G的常态化工业应用。

（4） 首次实现采煤机惯导系统煤矿井下常态化找直应用

基于国产惯导的采煤机惯导系统可进行采煤机实时轨迹曲线采集和绘制，与液压支架电液控系统对接融合，实现液压支架立柱压力值、推移行程值等参数的实时交互；通过算法判断工作面直线度偏移量，设定阈值自主决策启用找直功能，有效减少全流程人工干预，降低开启找直功能对自动移架效率的影响，满足采煤工作面常态化连续生产应用需求。

（5） 首次采用同机比对方式，验证国产采煤机惯导系统和进口惯导系统性能指标参数

在东滩煤矿3308工作面，通过在同一台采煤机部署2套惯导系统的方式，进行了国产惯导系统和进口惯导系统的对比试验，2套系统在采煤机行进轨迹曲线采集记录、找直目标参数计算等方面的数据具有较高的一致性，充分验证了国产惯导系统在采煤机定位导航、工作面整体直线度控制等方面的系统精度和指标参数可用性。

（6） 首次开展国产采煤机惯导系统不同开采条件下的应用探索实践

通过在神府煤田金鸡滩超大采高综采工作面、巨野煤田赵楼煤矿千米深井综放工作面、兖州煤田东滩煤矿冲击地压风险较高的综放工作面等， 存在较大地质条件差异的采煤工作面常态化开展工业性试验和应用效果验证，国产采煤机惯导系统均能够实现采煤机定位精度优于10 cm，工作面整体直线度控制精度±50 cm。

难题攻克与解决方案

（1） 攻克了国产惯导在煤矿井下工况环境适应性难题，通过多项技术研发和融合措施，实现了国产惯导在综采工作面的常态化应用。

煤矿工作面实际环境存在高粉尘、强振动、大冲击等特点，其不但要求所用惯性器件具有较高的精度，还要求惯性器件启动时间短、环境适应能力强、性能长期稳定。对于矿用高精度惯导系统本身，要求其具备在较短时间内完成快速智能初始对准过程，以提高煤矿开采的工作效率，同时具备高动态条件多物理场作用下的高精度输出能力，具备在无外部信息源环境下的高精度纯惯性性能保持能力，以及很强的温度、振动、冲击、磁场条件下的环境适应能力。通过综合锁区减小技术、高精度谐振腔光路控制技术、超精密谐振腔稳定化技术、高稳定性的抖动偏频技术、高气密性电极封接技术、磁屏蔽技术等多项关键技术研发，使采煤机惯导装置具备抗冲击、抗电磁干扰、防尘防爆等性能和煤矿井下工作面特殊作业环境适应性，实现了惯导系统装置在综采工作面的常态化稳定应用。

（2） 攻克了采煤机惯导无可靠通信信道的技术难题，通过研发多信道数据通信技术，实现了采煤机惯导系统基于矿用5G专网、矿用WiFi6无线网络、矿用光通信网络等多种通信方式的融合应用， 提升了惯导系统数据传输的稳定性。

煤矿井下生产过程中因设备频繁移动、落煤、落石、浸水等因素常出现通信线挤压、弯折、破损等因素影响，有线通信介质（网线、光缆、通信电缆等）易受损伤，导致机载惯导系统通信异常，现有数据通信稳定性很难满足系统长时间稳定运行需要。针对煤矿综采工作面通信信道可靠性不足问题，基于北斗天地自主研发的矿用5G通信专网、矿用Wi Fi6无线通信网络，通过自研设计的接口转换部件、自研设计的5G CPE通信模组将惯导数据通过矿用本安型5G模组连接矿用5G专网， 惯导上位机服务器通过5G专网实现惯导数据的接收和通信，经过实际应用测试，通信时延、信道带宽、通信稳定性等相关指标均能满足矿用惯导系统应用需要。惯导系统通过5G专网进行无线通信的技术应用，切实解决了有线通信信道线缆敷设困难、通信稳定性不足、维护成本高、通信速率低、通信实时性不足等多个工程技术难题。

应用效果与推广前景

应用效果

矿用惯导产品技术研发团队通过不同煤层赋存条件（中厚煤层、厚煤层、特厚煤层）、不同生产工艺（综采、综放）煤矿采煤工作面开展国产采煤机惯导系统常态化工业性应用和持续系统研发优化，国产采煤机惯导系统在现场应用时均能够实现采煤机定位精度优于10 cm，工作面整体直线度控制精度±50 cm的技术指标。

在金鸡滩煤矿115工作面，IMOSS系统累计采集存储采煤机历史轨迹曲线1 500余条，采煤机定位和工作面找直功能实测应用正常。北斗天地智能综采作业自导向系统常态化应用于综采工作面找直，如图4、图5所示。

推广前景

国家能源局发布的《智能化煤矿验收管理办法( 试行）》要求采煤机具备自主定位、姿态监测、记忆截割等功能，对智能化矿井采煤工作面的要求为推广应用惯性导航技术实现工作面自动找直常态化运行。

随着MEMS技术不断成熟与普及发展，惯性导航系统的成本持续降低，统计数据显示惯性导航系统在民用领域应用范围不断扩大。惯导系统应用领域从军事领域逐渐向民用领域渗透，如在大地测量、资源勘测、地球物理测量、海洋探测、铁路、VR/AR设备、可穿戴设备、消费电子等新兴应用领域不断涌现，我国惯性导航系统行业市场规模将持续保持增长态势，发展前景可观。2021年中国惯性导航系统市场规模达245.8亿元，同比增长17.89%，2022年达279.7亿元，2023年将达324.8亿元。针对煤矿智能化发展需求，研发小型化、高可靠性的矿用高性能惯性导航产品更能够符合煤矿井下特殊作业环境需求，在井下作业人员管控、车辆导航控制、设备高精度定位管理等方面均有广阔的应用前景。

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