智能无人化开采远程运维支撑服务平台（中心）
煤矿智能化已成为我国煤炭工业实现高质量发展的必由之路，煤矿智能化的核心是实现采掘智能化以及以采掘为核心的智能化服务。其中智能开采在煤矿智能化建设阶段发挥着主导作用，智能开采控制技术及装备的发展对煤矿智能化进展起着至关重要的作用。
国家重点研发计划项目“煤矿智能开采安全技术与装备研发”（2017YFC0804300）是2017年由天地科技股份有限公司牵头，北京天玛智控科技股份有限公司（原北京天地玛珂电液控制系统有限公司，以下简称天玛智控）、煤炭科学研究总院有限责任公司等20家单位参与研究，针对井下围岩状态感知及生产装备控制难题，对透明工作面高精度三维地理模型构建、智能开采控制和超前巷道智能化协同支护技术进行研究，研制了适合复杂煤层条件的智能化开采成套装备系统，大幅提升了煤炭行业科技水平和生产安全保障能力。“智能开采控制技术及装备”作为“煤矿智能开采安全技术与装备研发”项目的课题之一，由天玛智控承担，兖州煤业股份有限公司参与，该课题拟构建透明工作面自适应智能开采控制模型，提出基于煤岩界面识别、地理信息系统及三维定位技术的智能调高和智能推进控制技术，研制面向复杂工作面的综采成套装备智能控制系统，实现安全、高效、智能开采。
笔者以天玛智控承担的“智能开采控制技术及装备”研究课题为主线，总结了国内外智能综采发展现状，阐述了智能开采控制技术及装备研究的关键科学技术问题，介绍了我国智能开采控制技术及装备进展，并对智能开采技术及装备发展进行了展望。
综采自动化控制系统
国内外智能综采发展现状
国外发展现状
美国、澳大利亚等主要采煤国充分利用高新技术，开展了自动化、智能化开采相关技术研究。澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)于2001年首次提出了长壁自动化控制(LASC)技术，采用军用高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法获得采煤机的三维坐标，实现工作面自动找直等智能化控制。LASC技术于2006年在井下应用，促进了智能化技术的发展。
美国现存地下煤矿长壁综采工作面仅剩约40个，煤层赋存条件较好，工作面长度为400m左右，通过配套大功率、高可靠性、自动化成套综采装备，实现了工作面的安全、高效、高速、智能化开采。美国久益公司（JOY）和卡特彼勒公司（CAT）在长壁开采自动化控制技术方面通过各自建立的电液控制系统和工作面控制系统，并融合LASC技术实现了简单地质条件工作面的自动化开采，工作人员减少到3～5人。这些成果基本实现了简单地质条件下的工作面设备自动化运行，减少了人工操作，为煤矿生产提供了安全保障；但复杂地质条件下的智能开采技术仍需进一步研究。
国内发展现状
我国从21世纪初开始研究自动化综采技术及装备。通过“973计划”“863计划”、国家科技支撑计划等科技专项的实施，开展了“综采智能控制技术与装备”“可视化远程干预型智能采煤控制系统”等国家项目的研究，开发了工况自适应智能控制功能的高速、高可靠性的电牵引采煤机、两柱超强力放顶煤液压支架、自动化高可靠性的巷道带式输送机等一批自动化、智能化开采装备；开发了具有感知、信息传输、动态决策、协调执行、高可靠性等综采成套装备智能控制系统。2008年，国能神东煤炭集团榆家梁煤矿建成了第1个自动化综采工作面；2014年，陕西陕煤黄陵矿业有限公司建成了地面远程操控采煤系统，实现工作面内1人巡视，监控中心2人远程干预的常态化自动生产。上述成果使我国在煤矿智能开采领域的技术水平与国外先进水平的差距缩小。
国家能源技术创新行动计划（2016—2030年）将煤矿智能化开采作为重点研发任务，明确提出2030年重点煤矿区基本实现工作面无人化开采。2019年1月，原国家煤矿安全监察局发布了《煤矿机器人重点研发目录》，结合煤矿机器人研究现状，将重点研发的煤矿机器人分为掘进、采煤、运输、安控和救援共5类38种，聚焦关键岗位、危险岗位，对每种机器人的功能提出了具体要求。2020年2月，国家八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了我国煤矿开展智能化建设的指导思想、基本原则、重点任务与保障措施，提出重点突破精准地质探测、精准定位与数据高效连续传输、复杂条件智能综采等技术与装备，实施机械化换人、自动化减人的专项行动，提高智能装备的成套化和国产化水平等。
自2020年以来，各煤炭资源大省纷纷出台促进煤矿智能化建设的相关政策，以国家能源集团为代表的大型煤炭企业，也纷纷出台促进煤矿智能化发展的政策，共同推进我国煤矿智能化建设进程。截至2021年12月，全国已建成智能化采掘工作面687个，钻锚机器人、巡检机器人、选矸机器人等各类智能机器人已在井下应用。
智能开采关键技术难题
国家重点研发计划项目“煤矿智能开采安全技术与装备研发”针对煤矿井下复杂条件的制约，工作面生产及环境状态不透明，设备协同性差而导致的控制不准确、不及时，安全生产难以保障等重大技术难题，着力解决工作面近场围岩结构和矿压环境参数动态变化规律，基于超宽带电磁波反射和图像识别融合的煤岩特征识别原理，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；突破工作面围岩状态高精度在线探测和煤岩界面智能识别技术、透明工作面构建及智能开采控制技术、采煤工作面巡检机器人技术、巷道“采前修复-超前支护-采后卸压”一体化协同控制技术、智能开采效能和安全分析决策系统构建技术等5项关键技术；研制煤矿智能化控制系统、井下机器人、生产安全决策系统等15种装备、系统及软件，研发基于透明工作面技术的智能开采装备，建成高瓦斯煤层、薄及中厚煤层、大采高工作面3种典型生产地质条件下的示范工程，形成适合我国复杂煤层条件的智能开采技术装备体系。
“煤矿智能开采安全技术与装备研发”项目的“智能开采控制技术与装备”研究课题拟解决以下2个问题：
（1）开采过程中智能自适应连续推进控制技术。针对煤矿开采设备多、井下开采环境复杂多变的特点，如何综合运用开采条件实时预测与处置、煤岩界面实时识别、设备定位和机器人巡检等多种技术协同工作，实现自适应连续推进控制是实现智能开采的关键技术难题之一。
（2）开采过程中采煤机滚筒智能调高控制技术。如何融合地理空间信息、视频图像、设备状态等多种信息，进行煤层截割模板的动态优化修正，并对采煤机进行实时可靠的反馈控制，实现采煤机滚筒自适应调高是智能开采的关键技术难题之一。
智能开采控制技术及装备进展
“智能开采控制技术及装备”研究课题确定的4项主要研究内容分别为：透明工作面自适应智能开采控制模型、基于煤岩界面识别的工作面智能调高技术、基于地理信息系统的智能推进控制技术和面向复杂工作面的综采成套装备智能控制系统。
透明工作面自适应智能开采控制模型
揭示工作面开采条件、煤岩界面识别、地理信息系统、巡检机器人和超前支护等技术之间的耦合规律，针对透明工作面自适应智能开采控制模型的研究目标，构建全工作面的自适应智能开采控制理论模型，为工作面调高、俯仰采、伪斜及直线度等智能开采控制提供理论依据。在建立控制理论模型的基础上，通过研究工作面设备、开采条件对智能开采的实际影响，提出了模拟工作面生产的仿真平台构建方案，并予以实施。
图1透明工作面自适应智能开采控制理论模型
（1）控制理论模型建立。通过研究自适应型智能化采煤控制技术，设计了透明工作面的自适应智能开采控制理论规划模型，建立了综采工作面内自适应的采煤模式。透明工作面自适应智能开采控制理论模型如图1所示。
（2）透明工作面自适应智能开采数值仿真技术平台。综采工作面仿真控制系统试验台（图2）主要由100台仿真模拟单元和测试服务器组成，采用分布式网络架构，其测试体系包括远程控制、自动化控制、智能化控制和安全控制。其中：①远程控制用于检验各系统的远程控制能力，包括“三机”集控、泵站集控、采煤机远程干预控制、支架远程干预控制；②自动化控制用于进行较高层次的自动控制功能检测，包括一键启停、中部跟机、三角煤跟机、机架协同、煤流平衡控制等；③智能化控制用于更高层次的检测，包括工作面找直、采高水平控制、防碰撞控制、煤岩识别、智能视频等；④安全控制为系统人机和环境等安全方面的检验，包括人员和设备定位、周期来压、故障诊断等。
图2综采工作面仿真控制系统试验台
基于煤岩界面识别的工作面智能调高技术
在采煤机滚筒测高技术分析调研、采煤机滚筒高度模型建模分析、煤岩界面顶底板数字化模型分析及建模方法研究的基础上，基于工作面采煤机截割模板修正技术、工作面多信息融合的采煤机智能调高控制技术，在现场进行了采煤机智能调高控制的应用研究。
图3工作面采煤机数字化截割模板示意
（1）工作面采煤机截割模板修正技术。工作面采煤机数字化截割模板如图3所示。在国能神东煤炭集团榆家梁煤矿，利用矿方提供的工作面工程采掘图纸、工作面巷道煤层小柱状图与钻孔资料，建立了国家54坐标系下的工作面煤层地质结构三维模型。在绝对坐标系下工作面三维点云描绘顶板曲线并提取绝对坐标值。基于机械结构约束、开采工艺约束，优化计算截割模板和人工干预方法。
（2）工作面多信息融合的采煤机智能调高控制与应用。基于工作面地质探测数据以及惯性导航、三维激光扫描等技术的应用，可以对工作面开采条件进行预先感知，基于平滑阶梯多级调整控制策略，利用煤岩界面识别装置及可见光视频监控图像相互融合的方法，实现了基于平滑阶梯多级调整控制策略的采煤机智能调控。
在工作面采煤机机头、机尾和巡检小车3处获取点云数据，通过点云识别软件对点云数据进行识别，提取工作面顶板扫描线。通过榆家梁煤矿地测科现场勘测数据可以得到工作面的大地坐标，进行工作面地址模型构建、模型更新以及工作面模型结构定位；使用大地坐标对点云相对坐标数据进行转换，可以得到工作面绝对坐标数据。通过地质模型运算得出工作面采煤机下一刀预计割煤位置，综合分析可得出采煤机下一刀的滚筒调整量。
采煤机智能调高控制软件界面（图4）可以展示工作面顶底板三维界面，上一刀工作面割煤后的顶板线位置和底板线位置，预测下一刀顶板线位置和底板线位置，以及下一刀工作面的相应位置滚筒高度调整量曲线等。
图4采煤机智能调高控制软件界面
基于地理信息系统的智能推进控制技术
针对工作面直线度控制技术，开展了基于惯性导航的直线度控制技术研究。通过巡检机器人装载惯性导航装置，实现了工作面直线度检测；提出了基于单次全行程量、单次半行程量的找直控制方式，通过多轮次控制实现了工作面自动找直。
针对工作面直线度巡检控制需求，提出了工作面巡检平台技术方案。设计的巡检机器人运行速度最高可达30m/min，具有人工巡检、跟机巡检等功能；设计了工作面直线度控制系统软件，通过调试确定了单次全行程量、单次半行程量的找直控制方法，通过多轮次控制实现了工作面找直。在榆家梁煤矿综采工作面刮板输送机电缆槽外侧安装了巡检轨道和1台巡检机器人，如图5所示。
图5榆家梁煤矿综采工作面巡检机器人
经过在榆家梁煤矿综采工作面的应用测试，工作面直线度测量最大误差＜0.155m，均方根误差为0.077m。
复杂工作面的综采成套装备智能控制系统
图6网络型控制装置系统布局
图7以透明工作面为核心的自主截割工艺开采控制系统
（1）可编程网络型智能控制装置。完成了成套装置的核心产品及配套产品的设计定型，并已进行安标认证。在软件设计方面，首次采用具有自主知识产权的嵌入式实时操作系统，重新设计了基于C++的新平台，系统软件具备跨平台性，具有现场编程、参数化配置的功能；在硬件设计方面，首次将车载级以太网标准引入煤炭行业，并突破原技术的通信距离限制，设计了符合综采工作面应用的工业以太网通信连接器。网络型控制装置系统布局如图6所示。
（2）复杂工作面综采成套装备智能控制系统软件。采用C/S和B/S混合的架构体系，开发了综采成套装备智能控制系统软件LongWallMind5.0。运输巷监控中心采用C/S架构，支持主从冗余，可实现整个综采工作面系统的集中控制，包括对采煤机、支架、泵站、输送带等的集中控制，同时具备断点数据上传能力，将工作面的监控数据上传到地面分控中心。在地面分控中心，采用B/S架构采集和存储井下监控中心上传的历史数据，可实现整个综采工作面系统的分析和决策；同时，为浏览器客户端和移动客户端提供交互页面，也对外提供OPC等接口。组态平台用于对整个系统进行配置，安装各类配置文件到各个节点上。另外，可监测整个系统的运行情况，进行系统维护，同时也具备版本管理控制能力。以透明工作面为核心的自主截割工艺开采控制系统如图7所示。
综采成套装备智能控制系统以工业以太网为网络平台，以Ethernet/IP通信协议规范为标准，集成了移变、组合开关、泵站、“三机”变频器、液压支架、采煤机等设备，基于Ethernet/IP协议采集了采煤机、液压支架、超前支架等设备的数据。在现场安装了采煤机传感器46个、“三机”设备传感器55个、液压支架传感器1024个、组合开关传感器100个、移变设备传感器24个、泵站传感器59个以及其他设备传感器53个。综采成套装备智能控制系统累计运行10个月，采集了12735个测点，收集了9.4亿条成套设备的历史数据。
智能开采控制技术及装备展望
基于我国煤层赋存条件的复杂多样性及智能化开采技术的发展现状，未来一段时间仍需在以下3个方面展开相关研究，以便更好地促进煤矿智能化发展。
（1）开采模型与采煤机智能截割技术。在有条件的煤矿，继续开展工作面高精度地质探测与精细建模技术。现有钻探、物探等探测技术的精度、可靠性，以及探测数据的可解释性等仍不能满足地质建模的要求，克里金差值、三角网差值等地质建模算法仍有待提高；除对传统煤层厚度、断层和陷落柱等地质探测外，还应研发非接触式应力探测技术，为精细地质模型构建奠定基础。
在不能建立煤层厚度变化精准地质模型的情况下，应加大对煤岩识别技术的研究。随着深度学习、机器视觉、地质雷达等技术的逐渐发展进步，部分学者开始尝试对基于视频图像的煤岩界面识别技术、基于地质雷达探测的煤岩界面识别技术等的研究，并取得了一些进展，但相关技术的现场应用效果仍有待检验，煤岩界面识别技术仍有待进一步研究。
（2）综采工作面多设备高级智能协同控制技术。目前，综采工作面的主要装备（如采煤机、液压支架、刮板输送机等单机设备）均具有不同程度的智能化功能，但不同设备之间的智能联动控制策略尚不清晰，液压支架群组自适应协同控制尚未实现，机架协同作业水平也未能满足智能化开采的要求，综采工作面智能控制子系统与煤矿智能监控一体化平台之间缺少必要的智能协调联动，尚未实现以智能开采或智能采掘为关键核心的煤矿智能化，相关技术亟待提高。
（3）综采工作面多种作业机器人研发。井下复杂环境巡检机器人和作业机器人的研发尚处于起步阶段，基于采煤机电缆槽的综采工作面巡检机器人已在工作面推广应用，但机器人的功能比较单一，尚不具备智能操控和作业功能，难以满足工作面智能化开采要求，亟需开展工作面多功能巡检和作业机器人的研发，以及对机器人群协同作业技术的研究，真正将工人从井下繁重、危险的作业环境中解放出来，实现综采智能无人化开采。
结语
煤矿智能化建设仍处于初级阶段，煤矿智能化是一个不断发展进步的过程，煤矿智能化建设已成为煤炭行业的发展共识，作为公益性央企中国煤炭科工集团有限公司的所属单位，天玛智控将以行业需求为导向，以提升煤矿智能开采技术为核心，在中国煤炭科工集团的统一协同下，培育协同共享的产业生态，在煤矿大数据融合、复杂条件下的智能高效掘进、基于精准地质探测和数字地质模型动态修正的地质保障、工作面设备自动找直和采煤机智能调高、井下机器人集群管控与电源管理等方面，根据需要开展协同攻关，加快破解制约瓶颈，提高煤矿智能开采装备和系统的可靠性保障水平，加快培育智能开采高端人才和专业技能人员，创新智能化煤矿开采管理新模式和新体系，为我国煤矿智能化技术发展作出贡献。
