【能源人都在看，點選右上角加'關注'】
為總結中國煤炭科工集團“十三五”期間的科技成果，展示中國煤炭科工集團在構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系方面做出的成就，併為“十四五”煤炭科技發展提供參考。《煤炭科學技術》2021年第4期特邀中國工程院院士、中國煤炭科工集團科學技術委員會主任康紅普院士擔任客座主編，中國煤科一級首席科學家吳擁政研究員擔任客座編輯，策劃了“中國煤科首席科學家成果”專題。
任懷偉研究員以中煤新集口孜東煤礦140502工作面地質條件為基礎，針對該工作面俯採傾角變化大、礦壓顯現劇烈、頂板煤壁破碎所致的採場圍巖穩定控制難、液壓支護系統適應性降低等問題，研究了千米深井複雜條件工作面智慧化開採關鍵技術，為複雜難採煤層開採提供了技術與裝備支撐。
個人簡介
任懷偉，男，河北廊坊人，博士，研究員，碩士生導師，中煤科工開採研究院有限公司科創中心副主任。中國自動化學會智慧礦山專委會秘書長，《煤炭科學技術》青年學術委員會委員，International Journal of Coal Science & Technology 評審專家，國家科技專家庫專家。近年來主持、參與國家及省部級科研專案14項，其中主持國家自然科學基金1項、省部級課題2項；參與完成863、973計劃課題2項、國家自然科學基金重點基金1項、國家重點研發計劃1項，承擔智慧礦山建設重大專案（2000萬元以上）3項，成果在多個礦區推廣。獲得國家科技進步二等獎一項，省部級一等獎9項。發表學術論文63篇，其中SCI/EI收錄21篇。參與出版專著3部，總計22萬字。授權國家發明專利11項。已完成國家標準制定3項。榮獲傑出工程師青年獎、全國煤炭青年科技獎。
任懷偉研究員致力於煤礦綜採裝備系統、工作面智慧化控制和智慧礦山關鍵技術等研究與技術推廣應用。
1、在液壓支架結構設計最佳化方面，提出了基於液壓支架高度分割槽及可靠性的概論有限元計算方法。
2、在液壓支架與圍巖耦合關係方面，提出了液壓支架與圍巖耦合定量分析與動態設計方法，發明了一種用於綜採工作面圍巖自適應支護的液壓支架智慧化控制方法和地下開採液壓支護系統的群組自組織協同控制技術。
3、在智慧開採技術方面，提出了基於全位姿測量及虛擬模擬控制的智慧開採模式，給出了融合視覺的裝備全位姿測量、工作面裝備位姿一體化描述及驅動關係建模、基於Unity3D的綜採虛擬模擬控制等三項支援智慧決策的關鍵技術。
4、在智慧化礦山研究方面，構建了新的開採系統全域性智慧化控制架構，提出基於二階行為模式分析的資訊實體主動匹配與推送策略及基於深度學習的煤礦智慧邏輯模型進化機制；提出考慮隨機誤差的強耦合裝置群空間座標統一描述模型及各裝置空間關聯座標系轉換方法、開採環境-裝備耦合作用規律、時變多因素影響下開採裝置群全域性最優規劃和分散式協同控制方法；為實現更為複雜地質條件下的連續穩定開採提供基礎理論支撐。（簡介來源於中煤科工集團官網）
摘 要
千米深井複雜條件煤層智慧化開採是當前煤礦技術發展迫切需要解決的難題。以中煤新集口孜東煤礦140502工作面地質條件為基礎，針對該工作面俯採傾角變化大、礦壓顯現劇烈、頂板煤壁破碎所致的採場圍巖穩定控制難、液壓支護系統適應性降低等問題，研究了千米深井複雜條件工作面智慧化開採關鍵技術，為複雜難採煤層開採提供了技術與裝備支撐。研發了基於LORA的工作面液壓支架(圍巖)狀態監測系統，同時獲取立柱壓力和支架姿態資料。提出了基於大資料分析的礦壓分析預測方法，採用FLPEM和ARMA兩種演算法組合預測提升精度和效率，採用資料分佈域適應遷移演算法解決了支護過程中時變工況導致預測模型失準的問題，模型預測精度達到92%以上。研發了基於Unity 3D的工作面三維模擬與執行態勢分析決策系統，支撐複雜條件下的圍巖控制和煤層跟隨截割控制的智慧決策。現場試驗表明：工作面在試驗期開採高度達到6.5 m，在14°～17°俯採、頂板相對破碎、煤層硬度1.6的條件下，月產達到31.5萬t。裝置可靠性和適應性較之前該礦使用裝置明顯提升，工作面安全性大幅改善，實現了千米深井三軟煤層的安全高效開採。
引 言
開採自動化、智慧化技術研究是當前煤炭領域研究的熱點。針對不同地質條件，國內外學者在採場狀態感知與建模、自動控制技術以及開採裝備創新方面開展了大量研究。澳大利亞聯邦科學與工業研究組織研發出LASC技術，採用軍用高精度光纖陀螺儀和定製的定位導航演算法獲知採煤機的三維座標，實現工作面自動找直等智慧化控制。液壓支架自動跟機、採煤機斜切進刀自動控制及基於位置感知的三機協同推進控制等在地質條件相對較好的陝北、神東等礦區已經得到推廣應用，基本實現了“工作面無人操作，工作面巷道有人值守”的常態化開採。對於地質條件相對複雜的薄煤層及中厚煤層，研發了基於動態修正地質模型的智慧採掘技術，採用定向鑽孔、隨採探測等動態修正工作面地質模型，透過構建工作面絕對座標數字模型實行自主智慧割煤。
筆者以中煤新集口孜東煤礦140502工作面為工業性試驗點，針對工作面俯採傾角變化大、礦壓顯現劇烈、頂板煤壁破碎所帶來的採場圍巖穩定性控制難度大、液壓支護系統適應性降低等問題，基於工作面煤層地質條件研發了7 m四柱式超大采高液壓支架；建立了工作面狀態監測系統，實時監測和解算支架支護狀態和圍巖定性；研發了基於Unity 3D的工作面三維模擬與執行態勢分析決策系統，突破千米深井智慧開採圍巖穩定性控制和裝備執行適應性控制的關鍵技術瓶頸。
1 千米深井工作面地質條件及開採特點
1.1 口孜東煤礦5號煤煤層賦存條件
口孜東煤礦5號煤埋深967 m，工作面沿傾斜條帶佈置，走向方向南部平緩，北部較陡，煤層平均傾角14°，區域性20°，俯採最大角度17°。1405採區工作面佈置如圖1所示，首採140502工作面傾向傾角8°～15°，平均傾角14°，區域性20°。煤層厚度2.86～9.75 m，平均6.56 m，普氏係數1.6。工作面頂、底板以泥岩為主，少數為細砂岩、粉砂岩及砂質泥岩，頂、底板圍巖特點是岩層較軟。
1.2 工作面裝備選型配套
根據口孜東煤礦5號煤層地質賦存條件，透過對比分析不同採煤方法、支架方案選擇的優缺點，綜合分析產量和效率因素、資源採出率因素、採空區遺煤自然發火因素、工作面超前段巷道維護因素、工作面支護因素、人員因素、智慧化開採因素等，確定選擇7.0 m大采高一次採全高採煤方法進行開採。淮南地區地質構造與國內其他地區有較大不同，具體表現為埋深大、“三軟”煤層、傾角大、鬆散層厚、基岩薄等，工作面主要採用俯斜長壁採煤法。對於口孜東煤礦140502工作面而言，大采高開採可以充分發揮資源採出率高、開採工藝簡單、工作面推進速度快、裝置維護量少、易於實現自動化和有利於工作面“一通三防”等優勢，但需要對液壓支架與圍巖適應性進行深入分析研究，要綜合考慮支護強度、頂梁前端支撐力、合力作用點調節範圍、防片幫冒頂、防扎底等多種因素，對液壓支架和成套裝備引數進行針對性設計。確定支架最大高度7.2 m，最小高度考慮運輸與配套尺寸，確定為3.3 m。140502工作面配套裝備見表1。
2 千米深井工作面智慧開採技術路徑
針對千米深井複雜條件工作面開採，除成套裝備功能、引數與圍巖條件相匹配外，控制系統能否適應環境動態變化、控制圍巖穩定並驅動裝備跟隨煤層自動推進是影響開採效率和安全、減少作業人員、降低勞動強度的關鍵。目前，在地質條件簡單、煤層變化小的工作面，智慧化開採技術與裝備主要實現開採工藝自動化和“三機”裝備協調聯動控制，以提升開採效率為目標。然而，上述口孜東煤礦5號煤140502工作面走向傾向都有傾角、頂板破碎、圍巖大變形，是典型的複雜條件工作面。在該工作面實施7.0 m大采高開採，極易發生片幫、冒頂、扎底、飄溜、上竄下滑等問題，必須透過現場操作工人的經驗提前實施預防措施，現有自動化技術無法完成上述功能。因此，複雜條件煤層智慧開採必須在裝備效能、引數足夠滿足要求的前提下，實現以圍巖穩定支護和煤層跟隨截割為目標的環境適應性控制，是一個不依賴人工操作的自適應自學習過程。
3 7.0 m 大采高複雜條件工作面智慧化關鍵技術
3.1 7.0 m超大采高液壓支架適應性設計
圍巖支護和裝備推進都離不開液壓支架。複雜條件工作面開採首先要求液壓支架要有適應圍巖變化的能力。針對口孜東煤礦5煤的140502工作面條件，對液壓支架結構和動態效能進行創新設計，研製出最高的ZZ18000/33/72D四柱式一次採全高液壓支架，如圖5所示。
3.2 工作面液壓支架(圍巖)狀態監測系統研發
透過安裝在液壓支架上的壓力感測器反映頂板壓力變化情況和岩層運移規律是普遍採用的研究工作面狀態的方法。然而，對於走向、傾向均有傾角的千米深井複雜條件工作面，只有壓力資料還不足以反映圍巖情況，必須將立柱壓力狀態和支架姿態資料(工作面角度)結合起來。
3.3 工作面三維模擬與執行態勢分析決策平臺
工作面三維模擬與執行態勢分析決策系統是複雜條件工作面智慧開採的大腦。監測系統採集的資料會在平臺上進行解算，得出液壓支架受力狀態和姿態，從而判定圍巖穩定性和工作面傾角；同時，可基於歷史資料進行趨勢分析、推進方向路徑規劃及礦壓動態預測；預測結果可透過自動或人工傳送指令控制工作面裝備調整開採工藝和引數。
4 現場試驗與資料分析
研發的7.2 m超大液壓支架、工作面狀態監測系統和三維模擬與執行態勢分析決策平臺於2021年2月安裝在口孜東煤礦140502工作面(圖15)，進行工業試驗。
工作面液壓支架狀態監測系統也同步安裝完成，圖16所示為現場安裝的傾角感測器。
根據液壓支架頂梁、掩護梁和底座傾角感測器安裝情況，可以對區域性工作面液壓支架的姿態進行實時監測，如圖17所示。
工作面三維模擬與執行態勢分析決策平臺安裝在地面集控中心的伺服器上，如圖18所示。
5 結 論
以中煤新集口孜東煤礦140502工作面地質條件為基礎，研究了千米深井複雜條件工作面智慧化開採關鍵技術，並研發了成套裝備和監測系統、虛擬模擬決策平臺，為複雜難採煤層開採提供了技術與裝備支撐。
1)深部開採中，煤層三維曲面分佈及圍巖變形是其主要特徵，綜採裝備的三維空間姿態及受力狀況感知、預測是安全、高效開採的核心，而非簡單條件工作面裝置的協同聯動控制。基於預測結果的預警、提前啟動工藝保障措施是順利開採的關鍵。
2)研發了基於LORA的工作面液壓支架(圍巖)狀態監測系統，形成“集控中心-主(乙太網)、主-分(CAN匯流排)、分-感測器(LORA自組網)”的通訊鏈路，同時獲取立柱壓力和支架姿態資料。
3)提出了基於大資料分析的礦壓分析預測演算法，採用資料分佈域適應遷移演算法解決了支護過程中時變工況導致預測模型失準的問題，模型預測精度達到92%以上。
4)研發了基於Unity 3D的工作面三維模擬與執行態勢分析決策系統，透過監測感知資料實時驅動工作面裝備三維模型，同時基於大資料分析結果預測、分析和模擬後續開採過程，支撐複雜條件下的圍巖控制和煤層跟隨截割控制的智慧決策。
針對複雜條件煤層智慧開採技術的研究目前尚處於起步階段，技術、工藝和管理上還有許多未解決的問題，需要在環境感知、資料分析、控制演算法等方面加大研究力度，充分利用物聯網、大資料、深度學習等先進技術，不斷提高綜採裝備的智慧控制水平，提升複雜條件煤層智慧化綜採技術的系統性適用性、穩定性和協調性，最終降低井下工作人員的勞動強度，提高採出效率和效益。
引用格式
任懷偉，鞏師鑫，劉新華，等.煤礦千米深井智慧開採關鍵技術研究與應用[J].煤炭科學技術，2021，49(4): 149-158.REN Huaiwei，GONG Shixin，LIU Xinhua，et al.Research and application on key techniques of intelligent mining for kilo-meter deep coal mine[J].Coal Science and Technology，2021，49(4):149-158.
免責宣告：以上內容轉載自煤炭科學技術，所發內容不代表本平臺立場。
全國能源資訊平臺聯絡電話：010-65367702，郵箱：[email protected]，地址：北京市朝陽區金臺西路2號人民日報社
