综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向

􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇　２０１４年

９月

　第４２卷第９期

煤炭科学技术

Ｖｏｌ􀆰４２　Ｎｏ􀆰９　

综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向

王　国　法

(天地科技股份有限公司开采装备技术研究所ꎬ北京　１０００１３)

摘　要:针对煤矿综采自动化技术发展中的焦点问题ꎬ分析综采成套技术与装备发展现状ꎬ阐述综采工作面自动化、智能化和无人化概念与关键技术特征ꎬ介绍综采成套装备自动化智能化无人化最新技术发展成果ꎬ剖析综采工作面自动化、智能化和无人化开采的主要技术难题、制约因素及目前发展中存在的问题ꎬ探讨综采成套装备自动化智能化无人化发展方向和技术途径ꎮ关键词:煤矿ꎻ综采工作面ꎻ成套装备ꎻ自动化ꎻ智能化ꎻ无人化

中图分类号:ＴＤ６７ꎻＴＤ４２１　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１４)０９－００３０－０５

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｐｌｅｔｅＦｕｌｌｙ－ＭｅｃｈａｎｉｚｅｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬ

ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄＵｎｍａｎｎｅｄＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

(ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＴｉａｎｄｉＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００１３ꎬＣｈｉｎａ)

ＷＡＮＧＧｕｏ￣ｆａ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｆｏｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｃｃｕｒｒｅｄｉｎｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｍｉｎｇｆａｃｅꎬｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏｍｐｌｅｔｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｓｔａｔｅｄａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄｕｎ￣ｍａｎｎｅｄｉｄｅａａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｎｅｗｔｅｃｈｎｉｃａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｕｎｍａｎｎｅｄｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｃｏｍｐｌｅｔｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎬａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌａｎｄｕｎｍａｎｎｅｄｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｃｏｍｐｌｅｔｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ.

ｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｕｎｍａｎｎｅｄｍｉｎｉｎｇａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅꎬｔｈｅｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｆａｃｔｏｒｓａｎｄｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｅｄｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｏｕｔｅｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅＫｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏａｌｍｉｎｅꎻｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅꎻｃｏｍｐｌｅｔｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎻａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎻｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔꎻｕｎｍａｎｎｅｄ

０　引　　言

　　国家“十五”、“十一五”期间以来ꎬ我国煤炭开采技术及装备取得重大进步ꎬ推动了煤矿安全高效绿色开采技术的发展ꎬ建成了一大批综合机械化和高自动化程度的现代化矿井ꎬ生产效率、安全指标和煤炭产量大幅度提高ꎬ满足了国民经济发展的能源需求ꎮ煤矿综合机械化长壁开采是煤炭主要开采方式ꎬ综采成套装备的技术进步是促进煤炭安全高效绿色开采技术发展的引擎ꎮ现代自动化、信息化、智能化技术及先进制造技术与煤炭开采技术的深度融合ꎬ使煤矿综采成套装备实现自动化、智能化、无人

化成为可能ꎮ煤矿井下工作条件恶劣ꎬ安全隐患和危害职业健康的因素多ꎬ加强煤矿智能化开采装备技术的研究和应用ꎬ淘汰落后的开采方法和装备ꎬ引导煤矿向安全高效绿色开采方向发展ꎬ提升装备的自动化和智能化水平ꎬ逐步实现少人化、无人化开采是煤炭综采技术发展趋势和矿井现代化生产的必然要求ꎮ我国煤炭资源赋存条件千差万别ꎬ井下采场围岩变化规律复杂ꎬ影响综采成套装备可靠性的因素多ꎬ特别是安全制约因素ꎬ使实现无人开采成为很大难题[１－３]ꎬ近年来ꎬ在攻克这些难题方面取得了重要突破ꎬ取得了一批综采自动化和智能化技术创新成果ꎬ一些先进矿井实现了综采工作面少人化[４－７]ꎮ

收稿日期:２０１４－０５－０６ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０.１３１９９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０９.００７

基金项目:国家高技术研究发展计划(８６３计划)资助项目(２０１２ＡＡ０６Ａ４０７)ꎻ国家重点基础研究发展计划(９７３计划)资助项目(２０１４ＣＢ０４６３０２)作者简介:王国法(１９６０—)ꎬ男ꎬ山东文登人ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎬ现任天地科技股份有限公司开采装备技术研究所所长ꎮ引用格式:王国法.综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２(９):３０－３４ꎬ３９.

ＷＡＮＧＧｕｏ￣ｆａ.ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｐｌｅｔｅＦｕｌｌｙ－ＭｅｃｈａｎｉｚｅｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄＵｎｍａｎｎｅｄＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２(９):３０－３４ꎬ３９.

３０

􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇近年来ꎬ我国一些学者虽取得一些综采工作面自动化、智能化和无人化创新成果ꎬ对推动新技术的推广应用有积极意义ꎬ但一些项目技术内涵、实际效果与名称不符ꎬ造成了一些技术概念模糊ꎮ笔者基于在本领域的长期研究和实践ꎬ通过研究分析国内外综采技术装备发展概况和近年来对综采成套装备自动化、智能化和无人化技术装备的创新研发ꎬ对综采工作面自动化、智能化和无人化概念与关键技术特征进行科学界定ꎬ针对综采工作面自动化、智能化和无　　１)自动化综采工作面ꎬ是指综采工作面采用了具有自动化控制功能的液压支架、采煤机、刮板输送机等机电一体化成套装备ꎬ实现了工作面少人操作、安全高效开采ꎮ自动化综采工作面主要技术特征是:①液压支架电液控制ꎬ可实现邻架、成组、程序控制和跟机移架等功能ꎻ②采煤机电牵引、自动调高控制、自定位、故障自诊断ꎬ可实现与液压支架及工作面控制系统的通信和自动控制功能ꎻ③工作面运输设备具有电气软启动、机尾自动张紧、故障诊断及与王国法:综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向２０１４年第９期

人化开采的主要技术难题、制约因素及目前发展中存在问题ꎬ提出我国煤矿综采自动化智能化无人化成套技术与装备创新思路和发展方向ꎮ

１　综采自动化发展概况与技术特征

１􀆰　１　综采自动化发展概况

高　ꎬ自美国和澳大利亚煤矿开采自动化水平普遍较２０世纪８０年代起ꎬ就建立了“一井一面”高效集约化的长壁开采模式ꎬ在工作面采用了计算机技术、大功率变频牵引采煤机控制技术、液压支架电液控制技术、刮板输送机软启动和变频技术ꎬ逐步实现了工作面少人操作自动化采煤ꎬ每个生产班工作面全员仅有６~８人ꎮ我国自２０００年以来ꎬ逐步引进和创新高效集约化现代化矿井生产模式ꎬ发展高端综采装备ꎬ开发应用自动化和智能化技术ꎬ实现井下工作面少人化高效生产ꎬ在薄煤层和大倾角等复杂难采煤层综采、大采高、特厚煤层综采放顶煤开采技术水平方面走在了世界前列　ꎮ

的优胜劣汰和多轮兼并重组　国际煤矿综采装备制造商经过了市场激烈竞争

ＣＡＴꎬ形成了ＪＯＹ、Ｅｉｃｋｈｏｆｆ、化、智能化程度方面达到了很高水平等高端设备制造商ꎬ其产品在可靠性和自动ꎮ在采煤机、刮板输送机、液压支架等设备实现高可靠性单机自动控制功能的基础上ꎬ通过工作面“三机”与巷道监控中心联网、通信ꎬ实现监控中心对“三机”及井下环境安全信息实时监测与控制ꎮ１􀆰　２　综采自动化概念和技术特征

自动化和智能化控制技术　综采自动化一般可泛指在综采成套装备中应用ꎬ实现不同程度的工作面少人化或无人化开采作业ꎮ为更好地反映和表述综采工作面的自动化技术内涵和水平ꎬ依据综采工作面成套装备控制系统在感知、决策和执行三要素方面的水平ꎬ定义为自动化综采工作面、智能化综采工作面、无人化综采工作面ꎮ

工作面控制系统的通信和自动控制功能ꎻ④工作面自动控制系统能实现工作面设备间的信息通信、工作面人工干预协制等　ꎮ

具有充分全面的感知　２)智能化综采工作面、自学习和决策ꎬ是指综采工作面采用了、自动执行功能的液压支架、采煤机、刮板输送机等机电一体化成套装备ꎬ实现了工作面的高度自动化少人远程监控、安全高效开采①ꎮ智能化综采工作面主要技术特征是:基础液压支架智能控制ꎬ同时ꎬ具有支架与围岩耦合监测控制ꎬ液压支架以电液控制系统为、超前压力预报、初撑和移架状态自决策控制、姿态监测与智能决策控制、煤帮智能决策控制、记忆时序控制放煤、智能喷雾降尘控制等功能ꎻ②采煤机智能控制ꎬ采煤机具有位置监测精确定位、自学习智能轨迹规划、基于智能决策或煤岩识别的滚筒自动调高、自动记忆割煤、防碰撞安全避险、故障自诊断等功能ꎬ并具有基于产量需求、输送机设备负荷、工作面环境等信息的智能决策调速、采高自动控制、远程可视化控制等功能ꎻ③工作面运输设备具有电气软启动、负载及运行状态监测、系统运行参数在线监测、机尾自动张紧、故障诊断及与工作面控制系统的通信和自动控制功能ꎻ④工作面智能控制系统能实现工作面设备间的信息通信、自学习和智能决策远程控制与工作面人工干预协同控制等　具有完全自动化　３)无人化综采工作面ꎮ

、智能化控制功能ꎬ是指综采工作面采用了、高可靠性的液压支架、采煤机、刮板输送机等机电一体化成套装备和远程智能化综合控制系统ꎬ实现了工作面(两端头以内)完全无人操作的安全高效开采ꎮ无人化综采工作面主要技术特征是:①液压支架智能耦合群组控制ꎬ液压支架以电液控制系统为基础ꎬ同时ꎬ具有支架与围岩耦合监测控制、超前压力预报、初撑和移架状态(擦顶移架和移架直线度导航)自决策控制、煤帮智能决策控制、姿态监测与智能决策群组协同

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􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇控制、记忆时序控制放煤、智能喷雾降尘控制等功能ꎻ②采煤机智能控制ꎬ采煤机具有位置监测精确定位、自学习智能轨迹规划、基于智能决策或煤岩识别的滚筒自动调高、自动记忆割煤、防碰撞安全避险、故障自诊断等功能ꎬ并具有基于产量需求、输送机设备负荷、工作面环境等信息的智能决策调速、采高自动控制、远程可视化控制等功能ꎻ③工作面运输设备具有电气软启动、负载及运行状态监测、系统运行参数在线监测、机尾自动张紧、故障诊断及与工作面控换ꎮ基于智能传感和运动视频序列的动态全景界面拼接图像分析对综采设备的安全感知、定位及防碰撞ꎮ采用多路视频编码器、多路视频解码器、光纤发射器、光纤接收器ꎬ将网络摄像机输出信号通过以太网或者光纤传送至地面监控中心ꎬ通过矩阵主机ꎬ实现图像信号的浏览、录像、回放和管理ꎮ采用防爆型计算机、人机交互模块、可编程控制器模块、视频模块、音频模块、交换机模块和通信模块ꎬ实现了综采设备控制、工作面视频和音频通信系统运行控制、工２０１４年第９期

煤炭科学技术

第４２卷

制系统的通信和自动控制功能ꎻ④工作面远程集控中心和地面调度中心集中控制ꎬ综合智能控制系统能实现工作面设备间的信息通信、自学习和智能决策远程协同控制、工作面全景实时视频跟踪、安全信息实时报告和预警ꎬ工作面无人作业ꎮ

２　综采自动化最新技术发展成果

２􀆰　１　与装备　“０􀆰薄煤层综采自动化成套技术与装备

”６获得~１􀆰３２０１３ｍ复杂薄煤层自动化综采成套技术年度国家科技进步二等奖ꎮ项目根据我国薄煤层赋存条件复杂、滚筒采煤机适应性较好的特点ꎬ对薄煤层滚筒式采煤机自动化综采成套技术与装备进行了长期攻关研究ꎬ在大功率薄煤层滚筒式采煤机、矮槽帮刮板输送机、超大伸缩比电液控制液压支架、工作面无人自动化控制关键技术方面取得重大突破ꎬ研发了世界领先的０􀆰６~１􀆰３ｍ复杂薄煤层自动化综采成套技术与装备　化开采模式和智能监控预警系统　１)研发了基于滚筒采煤机的薄煤层无人自动ꎮ

１􀆰ꎬ研发了首套０􀆰６~

立了薄煤层开采技术体系３ｍ复杂薄煤层综采自动化成套装备ꎬ开创了薄煤层安全高效(图１)ꎬ建开采新途径ꎮ建立薄煤层工作面围岩活动模型、工作面生产能力预测ＢＰ神经网络模型、综采设备参数预测神经网络设计模型及综采工艺系统分析模型ꎬ优化工作面参数ꎬ确定薄煤层液压支架合理工作阻力、采煤机参数、运输系统参数ꎬ建立０􀆰６~１􀆰３ｍ薄煤层工作面无人自动化开采模式ꎮ采用高清网络摄像机获取现场视频信号ꎬ通过定位系统、智能跟踪系统来实现采煤机位置信号的获取和视频画面的切图１　薄煤层综采自动化成套装备

３２

作面以太网络运行控制ꎮ采用铠装电缆与３层交换机连接ꎬ实现工作面控制中心与以太网络的数据连接ꎮ将数字语音系统与模拟语音系统相结合ꎬ建立了工作面语音通信系统　ꎮ

型电液控制系统　２)研发了超大伸缩比薄煤层液压支架及紧凑ꎬ突破了液压支架工作阻力决定最小高度的极限ꎬ提高了液压支架的工作可靠性ꎬ实现了液压支架与围岩及成套装备间的智能控制　ꎮ采煤机综采自动化机组　３)研制了最小机面高度ꎬ解决了电动机尺寸制约采５８０ｍｍ的大功率滚筒煤机功率、装煤效果差的难题ꎬ实现了厚度０􀆰６ｍ以上坚硬夹矸　现了巷道集中控制　成套装备在薛村矿开采、半煤岩或硬煤薄煤层自动化开采ꎬ正常生产过程中工作面内无需０􀆰６~１􀆰３ｍ薄煤层ꎮꎬ实人工操作ꎬ自动化生产ꎬ月产量达到１１􀆰８万ｔꎬ年产量达到１００万ｔꎮ

２􀆰　２　套装备智能系统　国家智能制造装备发展专项项目综采智能化成套装备

”于２０１３年８月通过国家验收“煤炭综采成ꎮ该项目改变了以成套单机装备为主、总体协调的研制思路ꎬ建立了以工作面成套装备总控制网络为主ꎬ单机装备为执行机构的体系结构ꎬ实现具有感知和层级控制的智能系统ꎮ通过分析自动化采煤过程中煤壁片帮ꎬ支架顶板支撑压力不足ꎬ自动平衡难以保证ꎬ输送机负荷经常过载ꎬ感知参数缺失等问题ꎬ通过研制采煤机割煤和智能调高控制ꎬ支架与围岩耦合智能控制ꎬ顶板初撑力自动补偿、超大采高液压支架三级联动护帮智能控制和平衡千斤顶自动调节、支架高可靠性升降承载执行机构ꎬ刮板输送机智能化软启动和自动张紧控制装置ꎬ工作面装备直线度导航和煤流平衡控制系统等得到有效解决ꎬ为减人提效、安全高效生产提供技术保障ꎮ煤炭综采成套装备智能化系统ꎬ包括单机智能化控制系统(如采

煤机智能控制系统、支架围岩智能耦合电液控制系

􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇统、刮板输送机智能软启动及其自动张紧控制系决策的综采工作面井下智能化集控中心ꎬ实现工作面设备闭环控制和运行参数自动调节ꎬ实现远程控制和自动化生产ꎮ其主要创新成果有３个方面ꎮ　　１)改变传统多单机控制系统集成的控制方式ꎬ建立一种综采工作面生产智能化系统(图２)ꎬ以成套装备总控制网络为核心ꎬ单机装备为执行机构的体系结构ꎻ建立系统级别的互联协议和层级控制机王国法:综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向２０１４年第９期

统)ꎬ以及基于上述单机控制系统信息互联和协调

制(图ꎬ开发了真实数据驱动的三维虚拟现实监视系统间的逻辑控制和整体协调执行功能３)ꎬ实现液压支架跟机自动化、煤流平衡等设备ꎻ建立单机自动控制及基于感知系统反馈的动态决策机制ꎬ实现液

压支架围岩耦合控制、采煤机摇臂自动调高等设备级的自适应调整功能ꎮ

图２　综采工作面智能化系统

图３　真实数据驱动的三维虚拟现实监视系统

　采工作面视频监控系统　２)开发了具有自除尘装置的网络摄像头及综ꎮ研制了倾角传感器、液压支架的无线测距装置和测距方法、围岩状态及支架动作量感知系统ꎬ如图４所示ꎮ研制了振动传感器、铁相谱检测仪等感知传感元部件ꎬ提升工作面设备工况和生产环境的实时感知能力ꎬ同时ꎬ建立了系统级的故障诊断体系　换机　３)ꎮ

ꎬ建立一个统一开放的工作面利用工作面的综合接入器、光电转换器和交

１００ＭＢ工业以太网ꎬ构建控制平台ꎮ１００ＭＢ工业以太网控制网络具备有线和无线接入功能ꎬ单点故障时网络自愈时

图４　围岩状态及支架动作量感知系统

间不超过１２ｍｓꎬ网络传输延时不超过０􀆰６ｍｓꎬ实现工作面设备的巷道和地面远程控制一键启停　用上述智能化控制系统　创新研制的７ｍ超大采高综采成套装备集成应ꎮꎬ在陕西煤业化工集团红柳林煤矿１５２０５示范工作面进行了工业性试验ꎬ设备运行稳定可靠ꎬ最高月产量达到１３４􀆰６万ｔꎬ达到年产量１２００万ｔꎮ

３　技术难题和发展方向

３􀆰　１　多样性是综采自动化　１)技术难题

煤层赋存条件的复杂性和安全制约因素的、智能化、无人化面临的最大难题ꎬ煤层不稳定、夹矸断层、破碎顶板、软底板、冲击地压、水害、瓦斯等很多问题都会造成工作面片帮冒顶ꎬ支架倒架、扎底ꎬ刮板输送机飘溜ꎬ采煤机截割困

难　ꎬ套运行　设备损坏严重２)综采工作面成套装备系统庞大ꎬ导致生产不连续ꎮ

ꎬ对动作顺序、准确性、响应速度等要求高、相互关联配“ꎬ

有限三机ꎬ只能对顶板压力”设备获取环境信息和自身工况的感知能力、采煤机牵引电动机参数、采煤机位置等主要信息进行采集ꎬ采集的信息孤立于控制系统之外ꎬ无法实现闭环反馈实时控制采煤进程ꎬ无法全面了解采煤过程中岩层和装备系统的状

态变化情况ꎬ难以实现工艺过程的快速、准确配合ꎬ提高开采效率ꎮ煤矿井下高频、高压设备多ꎬ电磁干扰强ꎻ空间狭窄ꎬ信号衰减严重ꎬ生产过程中线缆移动、拉扯、弯曲ꎬ有线/无线长距离传输困难ꎬ可靠性

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􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇􀪇差ꎮ目前ꎬ综采工作面设备各家制造商的接口方式与协议多种多样ꎬ难以形成统一通用的工作面通信协议标准ꎬ亟待制定相关标准ꎮ

　　３)煤岩界面识别被许多人认为是综采工作面无人化的必要条件ꎬ然而国内外几十年的研究和实践表明ꎬ煤岩界面性状在线识别从理论上虽存在可行性ꎬ而由于受诸多不确定性因素影响ꎬ技术上难以实用ꎮ自２０世纪８０年代起ꎬ欧洲一些主要产煤国和煤机研究者就致力于研究试验煤岩界面识别技２０１４年第９期

煤炭科学技术

第４２卷

无人化开采是煤矿开采技术发展的终极目标ꎮ笔者认为当前和今后一个时期有４个主要攻关方向ꎮ　　１)基于液压支架与围岩耦合原理ꎬ研发液压支架围岩耦合自适应控制技术ꎻ基于排队理论ꎬ研究综采工作面群组支护系统协同控制技术ꎻ研发智能型液压支架姿态工况监测预警与耦合控制装置ꎬ研发高可靠性液压支架智能感知和控制元件ꎻ研发基于智能决策、时序控制、记忆放煤和人工干预协同控制的自动化放顶煤控制系统ꎮ

术

[８－１０]

成像等多种原理的传感器ꎬ研制试验了基于射线ꎬ许多研究人员从理论上、振动、声频、激光、热阐述了其可行性和合理性ꎬ甚至肯定了其实用性[１１－１４]品ꎬ在我国ꎮ但是“８６３ꎬ至今无一成功的工程实用案例和产计划”、“９７３计划”等国家项目重复立项支持研发的同时ꎬ国际煤机巨头却低调地放弃了这一方向的研发投入ꎮ由于煤岩物理性状的多样性和复杂性ꎬ采煤机工况振动影响因素的复杂性及工作面生产环境条件的复杂性ꎬ要实现煤岩界面在线识别准确、稳定和实用将是一个长期难以突破的

难题ꎮ应当另辟新径ꎬ探索实用有效的综采自动化、智能化　支护是综采自动化　４)、综采工作面两端头及过渡段自动化截割和无人化技术途径ꎮ

、智能化、无人化的难点ꎬ特别是下端头既是工作面安全出口ꎬ又是设备集中的区域ꎬ支护难度大ꎬ占用人力多ꎬ实现自动化、智能化、无人化难度很大　是以综采成套装备的高可靠性　５)工作面自动化ꎮ

、智能化、、高开机率为保证的无人化的前提条件ꎬ

由于设备无法实现自维修ꎬ因此ꎬ任何设备故障都会使工作面自动化、智能化、无人化目标落空ꎮ控制系统本身的各种感知和控制元件可靠性也存在很大差距ꎬ使系统的可靠性难以充分保证ꎬ这正是目前一些企业实施的自动化工作面难以达到预期效果的关键所在ꎮ

３􀆰　２　产　ꎬ减人提效是实现煤矿安全高效绿色开采的重要大力发展推广综采自动化技术技术发展方向

ꎬ实现少人化生方向

[１５]

套装备ꎬꎬ高端产品技术成熟度和可靠性能可以满足目前ꎬ我国已能大批量生产综采自动化成

煤矿生产要求ꎮ在一些先进矿井发展智能化综采ꎬ完善提高综采成套装备的智能化水平ꎬ提高设备可

靠性和开机率ꎬ实现最大限度的少人化生产ꎮ综采自动化和智能化是实现工作面无人化开采的基础ꎬ３４

　建立煤岩截割负载突变的在线检测及截割状态判别　２)研究煤岩性状对截割负载及的敏感性ꎬ准则ꎬ提出截割转速与进给速度相结合的自适应截割自主控制方法ꎬ研发采煤机自主精确定位和自学习、智能调高、记忆截割的智能化控制技术ꎬ研究综采工作面采煤机截割－液压支架支护－运载集成系统的多源信息融合方法ꎬ解决多机协同作业的冲突消解与避让算法和技术ꎬ研发可靠、实时、安全的工作面多机协同控制系统　机理　３)ꎮ

ꎬ构建装备关键部件及系统可靠性评价体系研究综采装备关键元部件失效模式与故障ꎬ完善可靠性设计ꎬ攻克关键元部件材料和制造工艺ꎬ切实解决综采装备的可靠性问题ꎬ特别是提高采煤机的可靠性ꎬ提高工作面综合开机率ꎬ为工作面自动化　、智能化和无人化提供可靠保障ꎮ

研究　４)ꎬ解决工作面端头与超前支护的制约加强工作面端头与超前支护系统自动化的ꎬ同时ꎬ要进一步研究突破工作面两端过渡段斜切进刀工艺自动化和智能化难题ꎮ

４　结　　语

　人提效是实现煤炭安全高效开采的根本途径　开发和推广应用综采自动化和智能化技术ꎬ提高ꎬ减综采工作面成套装备的可靠性和适应性ꎬ并与自动化和智能化控制技术融合ꎬ目前已经在部分先进矿井实现了工作面少人化或有限条件下的无人化生产ꎮ通过不断的技术攻关ꎬ逐步解决上述技术难题ꎬ发展综采自动化和智能化技术ꎬ最终实现煤矿工作面无人化开采是煤炭开采技术发展方向ꎮ

参考文献:

[１]　王国法科学技术.煤矿综采自动化成套技术与装备创新和发展ꎬ２０１３ꎬ４１(１１):１－５.

[Ｊ].煤炭

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