王国法煤矿智能化开采模式与技术路径

第2卷第1期采矿与岩层控制工程学报Vol.2No.12020年2月JOURNALOFMININGANDSTRATACONTROLENGINEERINGFeb.2020013501-1王国法，庞义辉，任怀伟.煤矿智能化开采模式与技术路径[J].采矿与岩层控制工程学报，2020，2(1)：013501.WANGGuofa，PANGYihui，RENHuaiwei.Intelligentcoalminingpatternandtechnologicalpath[J].JournalofMiningandStrataControlEngineering，2020，2(1)：013501.煤矿智能化开采模式与技术路径王国法1,2，庞义辉1,2，任怀伟1,2(1.天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013；2.煤炭科学研究总院开采研究分院，北京100013)摘要：基于煤矿智能化发展现状与要求，系统阐述了煤矿智能化开采模式的定义、技术内涵与特征。针对不同煤层赋存条件，提出了薄及中厚煤层智能化无人开采模式、大采高工作面智能耦合人机协同高效综采模式、综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤模式、复杂条件机械化+智能化开采模式等4种煤矿智能化开采模式。根据截割工艺、工序与装备的差异，将薄及中厚煤层智能化无人开采模式细分为刨煤机智能化无人开采模式、滚筒采煤机智能化无人开采模式，详细阐述了滚筒采煤机定位导航与智能调高技术、半截深高速截割工艺等薄及中厚煤层智能化开采模式关键技术。分析了大采高工作面智能化开采的主要技术瓶颈，论述了基于液压支架与围岩耦合关系的围岩智能耦合控制逻辑、重型装备群的分布式协同控制逻辑等大采高智能化开采模式关键技术。分析了放顶煤工作面与一次采全高工作面智能化开采模式的差异，提出了基于时序控制放煤、自动记忆放煤、煤矸识别放煤等智能化放煤控制逻辑与工艺流程。针对复杂煤层条件，提出了采用局部智能化开采降低工人劳动强度、提高作业环境安全水平的技术思路。关键词：煤矿智能化；开采模式；开采工艺；协同控制；智能放煤中图分类号：TD82文献标志码：A文章编号：2096-7187(2020)01-3501-15IntelligentcoalminingpatternandtechnologicalpathWANGGuofa，PANGYihui，RENHuaiwei(1.CoalMiningandDesigningDepartment，TiandiScience&TechnologyCo.，Ltd.，Beijing100013，China；2.CoalMiningBranch，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China)Abstract：Thedefinition，technicalconnotationandcharacteristicsofcoalmineintelligentweresystematicallyexpoundedbasedonthecurrentstatusandrequirementsofintelligentdevelopmentofcoalmine.Accordingtodifferentcoalseamoccurrenceconditions，intelligentunmannedminingpatternforthinandmediumthickcoalseam，intelligentandefficientman-machinecollaborativeinspectionpatternforlargeminingworkingface，intelligentcontrolandmanualinterventiontoaidcavinginfullymechanizedcavingface，mechanizationandintelligentminingpatternforcomplexcoalseamconditionwereproposed.Theintelligentunmannedminingpatternforthinandmediumthickcoalseamwassubdividedintotheintelligentunmannedminingpatternofcoalplanerandtheintelligentunmannedminingpatternofdrumshearer，whichdependsonthedifferenceofcuttingprocess，workingprocedureandequipment.Thekeytechnologiesofintelligentminingpatternofthinandmediumthickcoalseam，收稿日期：2019-05-24修回日期：2019-06-18责任编辑：施红霞基金项目：国家重点研发计划资助项目(2017YFC0603005，2017YFC0804305)；中国工程院咨询研究资助项目(2019-XZ-14)作者简介：王国法(1960—)，男，山东文登人，中国工程院院士，博士生导师。E-mail：[e-mail]王国法等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013501013501-2suchaspositioning，navigationandintelligentheighteningtechnologyofdrumshearer，andhigh-speedcuttingtechnologyofhalfdepth，weredescribedindetail.Themaintechnicalbottleneckofintelligentminingoflargeminingheightworkingfacewasanalyzed.Thekeytechnologiesofintelligentminingpatternsuchasintelligentcouplingcontrollogicofsurroundingrockbasedonthecouplingrelationshipbetweenhydraulicsupportandsurroundingrockanddistributedcooperativecontrollogicofheavyequipmentgroupwerediscussed.Thedifferenceofintelligentminingmodebetweencavingtopcoalfaceandfullheightcavingfacewasanalyzed，andtheintelligentcavingcontrollogicandtechnologicalprocessbasedontimesequencecontrolcaving，automaticmemorycaving，coalandgangueidentificationcavingwereputforward.Inviewofthecomplexcoalseamconditions，thetechnicalideasofusinglocalintelligentminingtoreducethelaborintensityofworkersandimprovethesafetyleveloftheoperatingenvironmentwereputforward.Keywords：coalmineintelligent；miningpattern；miningtechnology；cooperativecontrol；intelligentcaving我国煤炭工业经过改革开放40a的不断创新与发展，逐步从人工采煤、半机械化采煤向机械化、综合机械化、自动化采煤发展，并已开始由自动化开采向智能化开采迈进，建成了一批具有世界领先水平的现代化大型煤矿。截至2018年，我国大型煤矿的采煤机械化程度超过96％，工作面单产水平超过1500万t/a，采出工效达到1050t/(人·d)，煤矿百万吨死亡率降低至0.1以下，主要智能化开采技术与装备全部国产化，实现了由“引进消化吸收，跟随国外发展”到“创新引领世界综采技术与装备发展”的跨越，煤炭安全、高效、智能化开采技术与装备取得了一批创新成果，成为煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。国内外学者针对煤矿智能化开采技术与装备进行了积极的研究与探索，文献[5-8]以峰峰煤矿、黄陵一号煤矿等薄及中厚煤层赋存条件为工程背景，分析了薄及中厚煤层工作面实现自动化、智能化、无人化开采的主要技术瓶颈，通过研发薄及中厚煤层自动化、智能化开采技术与装备，实现了“有人巡视、无人值守”的少人化开采；文献[9-11]针对西部矿区厚煤层大采高工作面智能化开采难题，通过研发综采工作面液压支架与围岩智能耦合控制技术、综采装备群直线度控制技术、煤流平衡控制技术等，实现了超大采高综采工作面的自动化、少人化开采；文献[12-14]针对特厚煤层综放智能化开采技术难题，通过研发综放液压支架智能耦合控制系统及综放工作面放煤工艺时序控制技术与装备等，实现了综放工作面的自动化放煤。由于我国煤层赋存条件复杂多样，煤矿智能化开采尚处于初级阶段，现有智能化开采技术与装备主要应用于我国中西部煤层赋存条件较优越的矿区，取得了较好的使用效果，而针对赋存条件相对较复杂的其他类型煤层智能化开采还存在许多技术难题。由于煤矿智能化发展过程中存在概念与技术内涵不清晰、开采模式与技术路径不明确等问题，本文基于我国煤矿智能化发展现状及煤炭产业转型升级的战略方向和发展目标，提出了煤矿智能化开采的技术内涵及不同类型煤层赋存条件的智能化开采模式、技术路径、核心关键技术等。1煤矿智能化开采模式的技术内涵煤矿智能化是采用物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联网、智能装备等技术，促使煤矿开拓设计、地测、采掘、运通、洗选、安全保障、生产管理等主要系统形成具有自主感知、智能分析与决策、精准控制与执行的能力。开采模式是指针对某一类煤层赋存条件与开采目标设计研发的具有指导意义和实用价值的标准开采工艺、工序流程与配套装备系统。煤矿智能化开采模式则是指针对某一类煤层赋存条件与开采目标，基于煤矿智能化开采技术与装备阶段性发展成果，创新设计的煤炭资源开采标准工艺流程及智能化开采装备配套系统，是一种具有示范性、典型性和对同类煤层赋存条件具有普适性的煤矿智能化开采方案，能够实现该类煤炭资源开采过程的自主感知、智能分析与决策、自动精准控制与执行。基于上述对煤矿智能化开采模式的定义，煤矿王国法等：采矿与岩层控制工程学报Vol.2，No.1(2020)：013501013501-3智能化开采模式应具有以下技术内涵与特征：(1)煤矿智能化开采模式应具有创新性与多样性。由于我国煤层赋存条件复杂多样，应按煤层赋存条件与开采目标的差异，建立不同类型的煤矿智能化开采模式，且每种类型的煤矿智能化开采模式均应具有创新性的智能化开采工艺、技术与装备，提高对特定煤层赋存条件的适应性。(2)煤矿智能化开采模式应具有较高的可靠性与可操作性。煤矿智能化开采模式应基于物联网、云计算、大数据、人工智能等创新性发展成果，选择稳定、可靠的工艺、技术与装备，提高相关技术与装备的可靠性与可操作性。(3)煤矿智能化开采模式应力求简单和可复制、可推广。由于受煤矿井下恶劣生产环境、狭小工作空间等因素制约，煤矿智能化开采相关技术与装备应优先采用模块化设计，简化开采工艺与流程，提高智能化开采技术与装备的适用性，且对不同区域类似煤层条件具有普适性、可复制性与可推广应用价值。(4)煤矿智能化开采模式的发展过程具有阶段性与动态性。由于受制于煤矿智能化开采技术与装备的发展水平，煤矿智能化开采模式并不是一成不变的，而是随着煤矿智能化开采技术与装备的不断进步而发展进步，具有显著的阶