3王国法--煤矿智能化(初级阶段)研究与实践

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1、 第 卷第 期煤炭科学技术 年 月 特约综述 王国法 山东文登人 中国工程院院士 煤炭开采技术与装备专家 研究 员 博士生导师 年 月毕业于山东工学院 现山东大学 机械系 年东北工 学院 现东北大学 研究生毕业 现任中国煤炭科工集团有限公司首席科学家 煤炭 科学技术 杂志主编 天地科技股份有限公司开采设计事业部总工程师 兼任煤矿智 能化创新联盟理事长 中国煤炭工业协会支护专业委员会专家委员会副主任 采场支 护专家组组长 中国煤炭工业技术委员会委员 国家安全生产专家委员会成员 国家应 急管理部煤矿智能化开采技术创新中心技术委员会主任 王国法院士是我国煤炭高效综采技术与装备体系的主要开拓者之一 煤

2、矿智能化 的科技领军者 创新提出了液压支架与围岩 强度耦合 刚度耦合 稳定性耦合 的 三耦合 原理和设计方法 创立了综采配套 液压支架和煤矿智能化系统的理论 设计方法和标准体系 主持设计研发了薄煤层自动化综 采 中厚煤层智能化综采 厚煤层大采高综采 大倾角综采 特厚煤层综放等系列首台 套 综采成套技术与装 备 推动了煤炭开采技术装备变革 为煤炭工业发展做出了贡献 王国法院士被评为全国劳动模范 中央企业劳动模范 国家新世纪百千万人才工程煤炭行业专业技术拔尖 人才 国家有突出贡献中青年专家 中央直接掌握联系的高级专家 荣获国务院政府特殊津贴 年 全国 杰出工程师奖 孙越崎能源大奖 荣获国家科技进步

3、一等奖 项 二等奖 项 三等奖 项 省部级科技进步奖 余项 出版专著 部 发表论文 余篇 以第一发明人获发明专利 余项 移动扫码阅读 王国法 刘 峰 孟祥军 等 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践 煤炭科学技术 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践 王国法 刘 峰 孟祥军 范京道 吴群英 任怀伟 庞义辉 徐亚军 赵国瑞 张德生 曹现刚 杜毅博 张金虎 陈洪月 马 英 张 坤 天地科技股份有限公司开采设计事业部 北京 煤炭科学研究总院开采研究分院 北京 中国煤炭工业协会 北京 中国煤炭学会 北京 兖矿集团有限公司 山东邹城 陕西煤业化工集团有限责任公司 陕西西安 陕西陕煤陕北矿业有限公司 陕西神木 西

4、安科技大学 陕西西安 辽宁工程技术大学 辽宁阜新 目录 摘要 引言 我国煤矿综合机械化 自动化和智能化发展 现状 我国煤矿综合机械化发展历程 液压支架电液控制系统发展历程 高可靠性煤机装备发展历程 薄煤层自动化 智能化开采实践 中厚煤层智能化开采实践 大采高和超大采高智能化开采实践 特厚煤层智能化综采放顶煤开采实践 煤矿智能化定义及发展原则 目标和任务 煤矿智能化相关术语定义 煤矿智能化发展原则与目标 煤矿智能化发展的主要任务 煤矿智能化基础理论研究 煤矿智能化基础理论研究难点 基于智能感知的数字煤矿智慧逻辑模型 收稿日期 责任编辑 赵 瑞 基金项目 国家重点研发计划资助项目 国家自然科学基金

5、重点资助项目 作者简介 王国法 男 山东文登人 中国工程院院士 首席科学家 博士生导师 智慧逻辑模型框架下的开采系统智能化 年第 期煤炭科学技术第 卷 控制 开采系统健康状态评价 寿命预测与维护 决策 智能化煤矿顶层设计与关键技术 智能化煤矿总体架构 煤矿智能系统组成 智能系统关键技术与实现路径 煤矿机器人 技术短板与工程难题 煤矿智能化开采模式与技术路径 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工协同高效开采 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 煤矿智能快速掘进关键技术与模式 煤矿智能掘进装备关键技术与研发进展 巷道快速支护技术研

6、发现状 锚钻装备与支护关键技术 快速掘进装备总体配套技术与工艺研发 进展 智能化快速掘进技术 煤矿智能化发展问题思考与政策建议 条件多样性与区域不平衡相关问题的思考 政策建议 结 语 参考文献 摘 要 煤炭是我国能源的基石 是可以实现清洁高效利用的最经济 可靠的能源 煤矿智能化是实现 煤炭工业高质量发展的核心技术支撑 系统阐述我国煤炭工业发展历程 分析煤矿综合机械化 自动 化 智能化的发展过程与现状 列举了部分典型成功案例 详细阐述煤矿智能化的发展理念 特征 技 术路径与阶段目标 分析煤矿智能化基础理论与关键技术研究现状 从数据采集与应用标准 装备群 智能协同控制 健康状态诊断与维护等方面 分

7、析了实现煤矿智能化开采需要解决的 个关键基础理 论难题 从感知层 传输层 平台层和应用层等方面 分析了智能化煤矿的主体系统架构 研究了煤矿 智能化建设的主要技术路径 针对不同煤层赋存条件工作面智能化开采的技术要求 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工协同高效开采模式 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 种开采模式 研究了不同开采模式 的核心关键技术与实施效果 介绍了我国煤矿掘进技术与装备发展现状 分析了制约巷道实现快速 掘进的关键难题 提出了智能快速掘进的研发方向及技术路径 提出了我国煤矿智能化发展的基本 原则 分析不同地

8、域条件煤矿智能化发展模式及评价标准 提出新建矿井智能化建设路径 以及现有 生产矿井进行智能化改造的主要任务 从法规体系 财税政策 人才培养等方面提出了保障煤矿智能 化建设顺利实施的政策建议 关键词 煤矿智能化 智能开采 智能掘进 系统架构 智能化开采模式 智能矿山 中图分类号 文献标志码 文章编号 王国法等 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践 年第 期 引 言 能源是人类生存与经济发展的物质基础 化石 能源在世界一次能源消费占比约为 是世界主 要的一次能源 其中 石油占比约为 煤炭占 比约为 天然气占比约为 近年来 非 化石能源得到快速发展 但占比仍然较低 约 为 煤炭是我国一次能源中最经济 可

9、靠的资源 且 可以通过科技进步实现煤炭资源的清洁高效利用 长期以来 煤炭产量与消费量分别占我国一次能源 生产和消费总量的 和 以上 年其占比 首次下降至 和 目前 清洁高效燃 煤发电技术取得重要进展 超 超 临界发电 循 环流化床 发电 整体煤气化联合循环 发电等均可以实现有害气体的近零排放 煤炭清洁 转化技术 高效燃煤锅炉等污染物控制也取得了重 要突破 为煤炭清洁高效利用提供了有效技术支撑 基于世界能源格局和我国富煤 贫油 少气的能源资 源禀赋 可以断定 在相当长时间内 煤炭仍将在世 界一次能源消费中占有较大比例 仍将是我国的主 体基础能源 通过科技进步实现煤炭安全 高效 智 能 绿色开采和

10、清洁高效利用是我国煤炭工业高质 量发展的方向 改革开放 多年来 我国煤炭工业全面发 展以综合机械化为标志的现代开采技术 经过多年 的持续科研攻关与创新实践 我国井工煤矿实现了 由炮采 普采 高档普采到综合机械化开采 自动化 开采的跨越 并在煤层赋存条件较优越的矿区探索 实践了智能化 无人化开采技术 与 世纪 年 代中期相比 我国原煤产量由 亿 增至 亿 峰值达到 亿 煤矿百万吨死亡率由 降低 至 煤矿数量由 万多处缩减至约 处 建设了 个大型煤炭基地 创新研发了适用 于不同煤层赋存条件的国产成套高端综采技术与装 备 形成了具有我国煤炭资源赋存特色的开采理论 技术与装备体系 实现了煤炭资源的安全

11、 高效 高 采出率开采 为我国经济社会的快速发展提供了稳 定的能源保障 我国煤炭以井工开采为主 经过多年发展 我国 煤炭综采技术与装备已经从依赖进口到基本全部实 现国产化 煤矿智能化开采是综合机械化开采 自 动化开采的深入创新与发展 是煤炭生产方式变革 的新阶段 将有效支撑我国煤炭工业高质量发 展 原国家安全生产监督管理总局提出的 机械 化换人 自动化减人 科技强安专项行动 将煤炭智 能化开采列为重点研究方向 国家能源技术创新行 动计划 年 将煤矿智能化开采作为重 点研发任务 明确提出 年重点煤矿区基本实现 工作面无人化开采 为了适应煤矿智能化发展要 求 国家科技部将 煤矿智能开采安全技术与装

12、备 研发 煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术 列为 十三五 国家重点研发计划 对智能开采技术 与装备进行重点攻关 近 年来 通过对智能化开采技术与装备的创 新研发 突破了多项关键核心技术 在薄和较薄煤层 智能化综采 大采高和超大采高智能化综采 特厚煤 层智能化综放开采技术与装备等方面取得了重要成 果 在黄陵 陕北 山东等矿区一些矿井实现了自动 化 少人化开采 为全面推进煤矿智能化发展 积累了宝贵的经验 目前 煤矿智能化建设的新高潮正在全国兴起 年第 期煤炭科学技术第 卷 企业的积极性空前高涨 但是我国煤矿智能化发展 尚处于初级阶段 存在发展理念不清晰 研发滞后于 企业发展需求 智能化建设技术标

13、准与规范缺失 技 术装备保障不足 研发平台不健全 高端人才匮乏等 问题 亟需通过不断地进行理论 技术与装备创 新 推动我国煤炭工业快速发展 在此背景下 笔者分析了我国煤矿智能化技术 与装备发展现状 系统阐述了煤矿智能化的定义 技 术内涵 发展原则及发展目标 提出了煤矿智能化发 展过程中需要解决的基础理论难题和关键技术 研 究了煤矿智能化发展的总体架构与实施技术路径 探讨了中国煤矿智能化发展战略 我国煤矿综合机械化 自动化和智能化发 展现状 我国煤矿综合机械化发展历程 世纪 年代 我国进行了大规模综采 装备引进 推动了由人工采煤 炮采 普采到综采的 技术革命 成为中国煤炭工业发展史上具有里程碑

14、意义的重大事件 通过消化吸收国外的综采装 备 逐步开展国产综采技术与装备的研发 基于大量 现场实测与试验研究 探索揭示了综采工作面围岩 控制理论 液压支架与围岩耦合作用关系 液压支架 设计方法等 研发了适应不同煤层赋存条件的多种 类型综采液压支架 并于 年颁布了我国第一部 液压支架标准 液压支架型式试验规 范 标志着我国综采技术与装备研发初具雏形 年 我国综采技术与装备进入 从消化吸收到自主研发的阶段 针对我国不同矿区 复杂煤层赋存条件 研发了适用于薄煤层 中厚煤 层 厚及特厚煤层的综采 放 技术与装备 并针对 大倾角 急倾斜等煤层条件 开发了大倾角液压支 架 分层铺网液压支架等特殊类型的液压

15、支架 逐步 形成了综采液压支架设计理论方法体系 制定了液 压支架和其他综采装备技术标准 初步实现了普通 液压支架 采煤机 运输设备等的国产化制造 针对 我国分布广泛的特厚煤层赋存条件 开发了低位高 效综采放顶煤液压支架与综放技术 实现了厚及特 厚煤层的安全 高效 高采出率开发 在此期间 国外发达采煤国家研发了以高可靠 性 大功率综采装备为基础的高效集约化综采模式 采用高可靠性 强力液压支架 大功率采煤机 重型 刮板输送机等 大幅提高了综采工作面的产量与效 率 受制于薄弱的工业制造基础 我国综采装备制 造技术 设备参数 检验标准等 均远落后于发达国 家 从 年起 神东矿区通过大量引进国外高端 综

16、采成套设备 实现了工作面的高产高效开采 由 于国产装备与进口装备在生产能力 可靠性等方面 存在显著差距 导致德国 美国 等国外煤 机企业长期垄断我国高端综采装备市场 为了扭转我国高端煤机装备长期依赖进口的局 面 天地科技股份有限公司开采设计事业部与山西晋 城无烟煤矿业集团合作率先开展国产高端液压支架 的研发 于 年成功研制了首套支撑高度为 大采高电液控制系统液压支架 实 现了工作面日产 万 年起 由煤炭科学研究 总院牵头 全国骨干煤炭科研单位 装备制造企业 煤 炭生产企业采用产学研相结合的方式 进行了 厚煤 层高效综采关键技术与成套装备 年产 万 综 采成套装备研制 等项目的联合攻关 在充分消

17、化吸 收国外高端综采技术与装备的基础上 针对我国特殊 的煤层赋存条件 研发了多种系列的大采高综采 放 高端液压支架及配套装备 建立和完善了综采 液压支架技术标准体系 彻底改变了我国高端综采成 套装备长期依赖进口的局面 年以来 针对我国西部矿区坚硬厚及特厚 煤层赋存条件 进行了超大采高综采 放 技术与装 备的研发 中国煤炭科工集团相关院所与大同煤矿 集团等单位合作完成了 十一五 国家科技支撑计 划重点项目 特厚煤层大采高综放开采成套技术与 装备研发 解决了大同塔山煤矿 高效综 放开采难题 与山西西山晋兴能源有限责任公司合 作完成了 十一五 国家科技支撑计划课题 年产千 万吨大采高综采技术与装备研

18、制 成功研制了 型超大采高液压支架 并在斜沟煤 矿成功应用 实现了工作面最大采高突破 年生 产能力突破 万 年 依托中央国有资本 经营预算重大技术创新及产业化项目 超大采 高综采成套技术与装备研发 研制了世界首套 以上的超大采高液压支架及成套装备 并在陕煤 集团红柳林煤矿和国家能源投资集团国神公司三道 沟煤矿等成功应用 年 针对金鸡滩煤矿坚硬 厚煤层条件 首次研发了最大支撑高度 的超 大采高液压支架 再次刷新了一 次采全高开采高度的世界纪录 上述超高端成套技 术与装备的成功研发与应用 标志着我国综采技术 与装备已经由跟随国外发展 跨越至引领世界综采 技术发展的新阶段 液压支架电液控制系统发展历

19、程 液压系统是液压支架控制的核心 电液控制系 王国法等 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践 年第 期 统为液压支架智能自适应控制奠定了基础 世 纪 年代 英国提出了液压支架电液控制系统的概 念 并于 年在井下成功应用了基于微处理机的 控制系统 我国于 年研制出第一套电液控 制系统 并进行了井下工业性试验 受材料 技术 制 造工艺等多方面因素的影响 国产电液控制系统可 靠性无法满足生产要求 年起 煤炭科学研究总院开采所与德国 公司合作成立了北京天地玛珂电液控制系统 有限公司 以下简称天玛公司 合作研发液压支架 电液控制系统 在中国煤矿推广应用液压支架电液 控制技术 至 年 天玛公司研发了具有自主知

20、 识产权的 型电液控制系统 经过近 年的快 速发展 我国电液控制系统已经基本国产化 并广泛 推广应用 同时基于电液控制系统研发了综采工作 面自动化 智能化控制系统 初步实现了综采工作面 设备群的集中控制 高可靠性煤机装备发展历程 高可靠性采掘装备是实现工作面自动化 智能 化开采的基本保障 世纪 年代末 德国 美国 等发达国家研发了直流电牵引采煤机 年代后期 发展为交流大功率采煤机 成为主流煤机 我国在 引进国外先进采煤机的基础上 利用 八五 九 五 十五 科技攻关计划 研发了薄煤层矮机身采 煤机 中厚煤层采煤机 大倾角采煤机 大采高大功 率采煤机等系列采煤机 但采煤机可靠性长期落后 于国外先进

21、产品 进入 十一五 以来 国产大型煤机装备发展迅 猛 采煤机装机总功率突破 最大截割高 度突破 攻克了一系列制约煤机装备发展的技 术瓶颈 十二五 和 十三五 期间 逐步建立了 采 掘 运 支成套装备及关键元部件的试验与检测 标准体系 成功研发了成套系列化国产煤机装备 采 煤机装机总功率达到近 截割功率达到 截割高度突破 生产能力达到 研发了以 处理器为核心 基于 技 术的新一代分布嵌入式控制系统 实现了采煤机的 自动化控制 且随着控制技术 远程通信技术的不断 发展和日臻完善 逐步由单机自动化向智能化及综 采设备群智能联动控制方向发展 薄煤层自动化 智能化开采实践 峰峰集团薄煤层自动化开采实践

22、峰峰矿 区薄煤层储量约占总储量的 煤层赋存条件差 异较大 薛村矿 号煤层平均厚度为 由于煤 层中含有硬夹矸 煤层厚度变化较大 传统液压支架 无法满足这种大伸缩比支护要求 采煤机也难以解 决矮机身与大功率的矛盾 针对上述难题 研发了单进回液口双伸缩立柱 提高了立柱的伸缩比 采用板式整体顶梁 双连杆与 双平衡千斤顶叠位布置等新结构 满足了薄煤层液 压支架的超大伸缩比要求 采煤机采用变径叶片螺 旋式截割原理 多电动机平行布置 反装齿轨销排牵 引结构等 实现了采煤机对含硬夹矸薄煤层的高效 截割 提出了薄煤层工作面在巷道进行集中控制 有人值守 工作面无人操作的全自动化开采模 式 采用采煤机记忆截割 工作

23、面低照度高分辨率视 频跟踪等技术 实现了工作面煤层厚度的自适应截 割 如图 所示 薛村煤矿开采煤层厚度为 实现了工作面月产 万 年产达到 万 图 薄煤层自动化开采 黄陵一号煤矿薄及较薄煤层智能化开采实 践 黄陵一号煤矿主采 号煤层 煤层平均厚度 煤层倾角一般小于 采用一次采全高开采技 术 年 针对黄陵一号煤矿较薄煤层赋 存条件 进行了智能化开采技术与装备的研发与工 程示范 在 工作面配套采用 型液压支架 型采煤机 型刮板输送机和智能供液系统 通过采用液压 支架初撑力自动补偿系统 提高了液压支架对围岩 的适应性 通过优化采煤机的记忆截割功能 提高了 采煤机的截割控制精度 刮板输送机采用变频软启

24、动 提高了对瞬时煤量变化的适应性 优化布置了云 年第 期煤炭科学技术第 卷 台高清摄像仪 提高了对工作面工作状态的高清无 盲点监测 超前液压支架采用远程遥控技术 降低了 两端头超前支护的作业强度 实现了综采工作面与 巷道超前支护的自动化协同作业 在工作面巷 道设置监控中心 图 并将数据上传至地面调度 中心 实现了在工作面巷道监控中心 地面调度中心对 工作面设备的集中监控 成为第一个实现了常态化 有 人巡视 无人值守 的智能化开采示范矿井 为全国推 进煤矿智能化开采提供了很好的示范样板 图 工作面巷道监控中心 登茂通煤矿薄煤层智能化开采实践 山西 省薄煤层储量约占总储量的 阳煤集团在永 兴 新大

25、地 石港 登茂通等矿井均赋存有大量薄煤 层 由于缺乏高效的薄煤层智能化开采技术与装备 导致薄煤层开采效率低 经济效益差 部分矿井对薄 煤层进行弃采 导致大量煤炭资源浪费 为解决薄煤层开采难题 年实施了 山西省重点科技创新项目 薄煤层智能化综采成套 装备研发 以登茂通煤矿薄煤层赋存条件为基础 通过创新薄煤层设备配套模式 优化工作面开采工 艺 实现了工作面端部留三角煤小截深双向高效截 割 有效降低了采煤机截割阻力 大幅提高了采煤机 截割速度 提高 改善了薄煤层工作面装煤效 果 通过研发薄煤层成套装备可靠性监测预警及健 康管理系统 实现了薄煤层刮板输送机链条自动张 紧 液压支架支护质量的智能监测 基

26、于 黑匣子 的采煤机状态监测与故障诊断等 如图 所示 全面 增强了设备的可维护性 实现了综采装备的自动化 管理 通过开发基于激光对位传感器的工作面直线 度控制系统 保证了工作面的直线度 经现场试验 相邻液压支架推进方向位置误差最大为 最 小为 传感器及其控制功能稳定 满足了相邻 液压支架间距不超过 的要求 年 登茂通煤矿进行了薄煤层智能化开采 井下工业性试验 实现了巷道集中控制 工作面无人 操作的智能开采 工作面每天割煤 刀 平均开采 厚度 生产能力达到 万 年 图 采煤机黑匣子在线监测系统 滨湖煤矿薄煤层智能化开采实践 滨湖煤 矿开采 号煤层 煤层平均厚度约为 煤质 坚硬 局部有黄铁矿结核

27、煤层倾角为 局部 存在断层 夹矸等 工作面采用矮机身大功率截割采煤机 采煤机 截割高度控制在 杜绝了割顶 破底现象 通 过将液压支架监控数据 采煤机传感监测数据 视频 监测数据等上传至巷道监控中心 对监测数据进行 实时处理与展示 实现了工人在井下巷道监控中心 对工作面设备的操作 工作面由原来的 名采煤机司机 名支架工 减少至 名巡视人员 实现了有人安全巡视 无人操 作作业 工作面回采工效达到 人 天 张家峁煤矿坚硬薄煤层智能化综采装备研 发 陕北地区蕴藏着丰富的侏罗纪优质煤炭资源 以 煤层为主的薄煤层遍布各个矿区 约占总 储量的 张家峁煤矿 号煤层厚度为 平均厚度 煤层完整性好 硬度大 普 氏

28、系数 传统配套方式及成套装备无法 满足高效开采要求 为此 陕煤集团立项开展 陕北侏罗系硬煤薄 煤层智能化综采成套技术与装备研发 项目 针对 张家峁煤矿坚硬薄煤层开采难题 建立了薄煤层设 备高能积比时空协同模型 针对工作面 巷道布置 特点 研发了大落差柔性过渡系统 针对陕北侏罗纪 薄煤层群联合开采支架 围岩耦合关系特点 建立 了考虑工作面尺度效应的液压支架群组支护机理分 析模型 研发了高刚度超薄板式整体顶梁液压支架 解决了超大伸缩比与高强度结构矛盾的难题 基于 薄煤层工作面设备高能积比时空协同模型 优化设 计了采煤机滚筒安装结构型式 挡煤板结构及机身 结构 研发了半悬机身 全悬截割系统的大功率薄

29、煤 层采煤机 装机功率达到 满足 坚硬 薄煤层的高效快速截割 通过进行刮板输送机减阻 王国法等 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践 年第 期 技术研究 提高了薄煤层超长工作面的运行能力 降 低功耗和元部件损耗 研发了适应工作面 巷道大 落差的重叠侧卸技术 研发了刮板输送机煤流精准 测量技术 保障采煤机和刮板输送机采运协调运行 开发了薄煤层三维多源信息真实数据驱动虚拟现实 可视化操控系统 成套技术和装备在张家峁煤矿进 行工程示范 生产能力达到 万 中厚煤层智能化开采实践 转龙湾煤矿中厚煤层智能化开采实践 转 龙湾煤矿主采 号煤层 工作面煤层厚度为 煤层倾角小于 工作面长度 采用综采一次采全厚开采方

30、法 为了提高工作面智能化开采水平及开采效率 研 发设计了中心距为 型号为 的 强力液压支架 实现了对围岩的可靠支护与成组快速 推进 研发了高速高可靠性采煤机 重载牵引速度达 到 并与 技术相融合 实现了采煤机 位姿的精准控制 研发了大运量重型刮板输送机 采 用柔性变频软启动技术 实现了基于刮板输送机瞬 时煤量变化的智能调速控制 工作面两端头采用自 动控制超前液压支架 设备列车采用自动推移技术 实现了工作面设备与巷道设备的协同快速推进 将惯导技术与采煤机截割工艺有效融合 实现 了对采煤机截割轨迹 位姿的有效监测 基于工作面 循环记忆截割系统 实现了采煤机的自动截割 刮板 输送机的自动调直控制 如

31、图 所示 工作 面作业人员由 人减至 人 实现了最高日产 万 最高月产 万 具备年产千万吨水平 图 转龙湾煤矿年产千万吨智能化工作面 锦界煤矿中厚煤层智能化开采实践 锦界 煤矿一盘区 工作面煤层厚度 工作面长度 推进长度 采用 电牵引采煤 机 对采煤机电控系统进行国产化改造 刮板输送机 采用变频软启动控制 供液系统采用智能变频乳化 液泵站 实现工作面的智能供液 锦界煤矿通过给采煤机预设 十二步功法 自 动截割工序 实现了采煤机的智能截割 采用万兆环 网 实现了 万个测点数据的实时传输 工作面 采用三级控制 分别为井上调度室 井下远程监控 台 机头遥控控制室 如图 所示 均可实现工作面 主要设备

32、的图表化参数显示 指导工人操作 图 锦界煤矿年产千万吨智能化工作面 通过采用上述系统 锦界煤矿 工作面正常 生产仅需要 人 分别为煤机司机 人 支架补架工 人 控制台 人 机头 人 机尾 人 带班班长 人 实现了中厚煤层的常态化智能开采 大采高和超大采高智能化开采实践 黄陵二号煤矿大采高智能化开采实践 黄 陵二号煤矿 工作面煤层厚度为 平均 厚度为 工作面长度 推进长度 采用大采高一次采全厚开采方法 针对大采高工作面煤壁片帮问题 开发了基于煤 壁片帮智能感知的液压支架特殊跟机工艺 利用液压 支架护帮板的压力及行程传感器 配合视频监测系 统 分阶段调整采煤机滚筒附近液压支架的护帮板状 态 针对泥

33、岩底板易扎底的问题 开发了基于软底的 自动跟机移架控制方法 通过液压支架多级智能移架 方式 实现了对软弱底板条件下液压支架的智能移架 控制 通过研发工作面矿压监测管理平台 实现了对 工作面支架工作状况及顶板压力数据的实时分析 如 图 所示 通过研发智能分析软件系统 实现了基于 手机等移动端对工作面工况信息的智能管理 通过 研发基于瓦斯浓度的采煤机联动控制技术 实现了根 据瓦斯浓度智能感知的工作面安全预警 图 工作面矿压数据实时分析结果 年第 期煤炭科学技术第 卷 通过采用上述技术 大采高工作面单班作 业人员由 人减少至 人 实现了复杂条件下大采 高工作面年生产能力达到 万 红柳林煤矿 超大采高

34、智能化开采实践 红柳林煤矿开采 号煤层 煤层厚度 平均厚度 工作面长度 采用大采高一 次采全厚开采方法 年 首次进行了 超大采高开采工艺 与装备的可行性研究 针对超大采高工作面煤壁 片帮控制难题 研发了三级护帮装置 针对超大采 高工作面割煤高度远大于巷道高度的问题 采用 了大梯度一次性过渡配套技术 采用基于支架与 围岩耦合的三维动态优化设计方法 提高了液压 支架对围岩失稳的适应性 研发了首套槽宽为 的重型刮板输送机 配套 大 功率电动机 满足了大采高工作面瞬时大煤量的 运输要求 采用超大采高工作面自动化控制系统 通过优化截割工艺参数与劳动组织 大幅降低了 工作面作业人员数量 红柳林煤矿在世界上

35、首次实现了采高为 的超大采高开采 工作面年生产能力达到 万 以上 金鸡滩煤矿 超大采高智能化开采实 践 金鸡滩煤矿主采 上煤层 工作面煤层厚 度为 煤质坚硬 平均普氏系数 煤层平均埋深约为 煤层倾角小于 由于 采用综放开采技术存在顶煤冒放性差 采出率低 等问题 针对 上煤层创新采用超大采高一次采 全厚开采技术 工作面最大采高 工作面长 度 为了解决超大采高工作面采高增加带来的动载 矿山压力与煤壁片帮冒顶等问题 设计研发了 型强力高可靠性超大采高液压支 架 研发了抗冲击立柱 高压升柱系统等新结构 提高 了液压支架对顶板动载矿压的适应性 采用三级分体 式护帮装置 并在支架顶梁前端安装行程传感器 位

36、 移传感器等 对煤壁防护状态进行智能监测 提高了 对煤壁片帮的适应性 研发了 重型 刮板输送机 采用煤量自适应变频调速控制系统 实 现了重型装备的无级软启动与智能调速 巷道可伸缩 带式输送机采用落地式折叠机身 解决了传统可伸缩 带式输送机需要不断拆卸机身 劳动强度大 效率低 等问题 实现了工作面的连续快速推进 采用高清广 角云台摄像仪 提高了工作面的监测范围与精度 采 用工作面端部大梯度 小台阶过渡配套技术及支护系 统自组织协同控制方法 实现了超大采高工作面重型 设备的协同高效推进 如图 所示 图 超大采高智能综采工作面 金鸡滩煤矿 超大采高工作面于 年 月开始试生产 工作面作业人员数量大幅降

37、低 顶 板 煤壁得到了有效控制 达到了日产 万 月产 万 特厚煤层智能化综采放顶煤开采实践 大同煤矿集团塔山矿特厚煤层智能化综放 开采实践 同煤塔山煤矿开采 号煤层 煤层平 均厚度 煤层埋深 倾角 采用大采高综放开采技术 工作面长度 采煤 机最大割煤高度 设计研发了大采高放顶煤液压支架 实现了液 压支架的跟机自动移架控制 在采煤机的左右滚筒 安装截割高度传感器 对采煤机截割高度进行智能 监控 通过优化采煤机记忆截割工艺 实现了采煤机 的智能记忆截割 为了实现顶煤冒放过程的 自动化控制 曾尝试在液压支架尾梁安装基于振动 感知的煤矸识别装置 如图 所示 结合顶煤记忆放 煤算法 进行放顶煤工作面的自

38、动放煤控制 取得了 一定的效果 图 自动放煤控制装置 王国法等 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践 年第 期 通过研发大采高综放成套技术与装备 解决了 特厚煤层顶煤放出率低的问题 实现了大采高综放 工作面年产 万 以上 金鸡滩矿 超大采高综放开采实践 金 鸡滩煤矿东翼 上煤层厚度 普氏系数 埋深约 由于煤层埋深浅 硬度高 厚度 大 采用传统综放开采技术导致顶煤冒放性差 资源 采出率低等问题 通过建立埋深较浅 坚硬 特厚顶煤的单一悬臂 梁力学模型 定量计算得出了不同机采高度的顶煤极 限悬顶长度 综合考虑顶煤冒落块度与放出率 确定 超大采高综放工作面的机采高度为 通过建立 液压支架与顶煤耦合控制模型

39、 实时感知支架 围岩 的耦合状态 实现支架降柱 移架 升柱过程中姿态 的自适应调整 针对特厚坚硬煤层顶煤冒放特点 研 发强扰动高效放煤机构 增长尾梁的长度及摆动幅 度 通过高精度传感器内置设计 精准测量放煤机构 收放状态 基于煤矸灰分识别和大数据分析进行记忆 放煤控制算法开发 建立放煤控制模型 实现智能 精 准 高效放煤 首次研发了适应硬煤的工作面四级大 块煤连续破碎技术及装备 以及大功率大流量高速煤 流运输技术及装备 实现了刮板输送设备的智能判 断 主动适应和固定调速区间的智能调速 金鸡滩煤矿于 年底开始 超大采高综 放开采实践 如图 所示 工作面日推进 日产 万 万 工作面采出率约为 含矸

40、率 约 成套装备年产能力超过 万 图 超大采高综放开采工作面 煤矿智能化定义及发展原则 目标和任务 煤矿智能化相关术语定义 针对煤矿智能化发展过程中存在的术语定义不 清晰 相关概念不明确 甚至滥用智能化相关概念等 问题 笔者及团队对煤矿智能化相关术语进行了定 义 如下 煤矿信息化 是指对煤矿地质 生产 安全 设备 管理和市场等信息进行采集 传输处理 应用 和集成 从而为煤矿各生产环节实现互联互通提供 支持 煤矿数字化 是将海量异质的矿山信息资源 进行全面 高效和有序的管理 整合 将煤矿复杂多 变的信息转变为可以度量的数字 数据 为实现煤矿 综合管控的计算机化和网络化提供支撑 煤矿数字 化以煤矿

41、科学技术 信息科学 人工智能和计算科学 等为理论基础 建立煤矿各环节的数学模型 力学模 型或信息模型等 实现计算机化管控和多维表达 为 煤矿各系统整体协调优化奠定基础 煤矿智能化 是指煤矿开拓设计 地测 采 掘 运通 分选 安全保障 生产管理等主要系统具有 自感知 自学习 自决策与自执行的基本能力 智能化煤矿 是指基于现代煤矿智能化理 念 将物联网 云计算 大数据 人工智能 自动控制 移动互联网 机器人化装备等与现代矿山开发技术 深度融合 形成矿山全面感知 实时互联 分析决策 自主学习 动态预测 协同控制的完整智能系统 实 现矿井开拓 采掘 运通 分选 安全保障 生态保护 生产管理等全过程的智

42、能化运行 煤矿信息化和数 字化是实现煤矿自动化的基础和支撑 煤炭开采的 最终目标是实现智能化开采 煤矿机器人 是指可以在煤矿井下自动完成 特定工作的机器装置 煤矿机器人以特种作业机器 人联合作业 实现机器人群的协同智能联动 以振 动 温差 风力等的自发电及馈电管理等能量产生及 回收技术为续航保障 以避障 自建图和路径规划等 技术为机器人灵活运动的支撑 实现井下机器人群 的协同开采 是指全面整合三维数字模型 三维 高程模型 三维景观建模 三维地质构模 并在生产 过程中实时更新 修正形成动态四维模型 与实际空 间物理状态保持一致 可随时针对某一变量 特征查 询其历史变化特征 煤矿八大智能系统 从核

43、心技术发展及应用 角度 智能化煤矿应建设一个统一的管控平台 承载 生产运行系统的八大智能系统 包括智能化煤矿大 数据中心及综合管控平台 煤矿安全高效信息网络 及精准位置服务系统 透明地质模型及动态 信息系统 智能快速掘进系统 智能化无人工作面协 年第 期煤炭科学技术第 卷 同控制系统 煤矿井下环境感知及安全管控系统 矿 井全工位设备设施健康智能管理系统 地面洗运销 智能化控制系统 煤矿智能化发展原则与目标 煤矿智能化发展原则 目前 我国煤矿智能化发展尚处于初级阶段 存 在研发滞后于企业发展需求 智能化建设技术标准 与规范缺失 技术装备保障不足 研发平台不健全 高端人才匮乏等问题 基于我国煤矿智

44、能化发展现 状及要求 确定我国煤矿智能化发展应遵循以下 原则 坚持市场主导与政府引导相结合的原则 充分发挥市场在资源配置中的决定性作用 强化企 业的主体地位 激发企业的内生动力和创新力 加 强规划引导 完善相关支持政策 为企业发展创造良 好环境 坚持立足当前与谋划长远相结合的原则 加大资金和技术投入 注重人才培养 解决煤矿智能 化发展中存在的瓶颈和薄弱环节 准确把握新一轮 科技革命和产业变革趋势 加强中长期战略研究 持 续提高煤矿的效率和效益 坚持典型示范与整体推进相结合的原则 加强统筹规划 因地制宜建设一批效果突出 带动性 强的示范工程 形成煤矿智能化产业发展模式 积极 推进煤矿智能化向纵深

45、发展 坚持自主创新与开放合作相结合的原则 贯彻落实创新是第一动力的发展理念 加强基础理 论研究 推进科技创新发展 加快基础产业的转型升 级 鼓励多元合作 秉承互利共赢 形成新的比较优 势 提升煤炭行业开放发展水平 煤矿智能化发展目标 煤矿智能化发展的目的是解放生产力 改变煤 炭生产方式 将煤矿工人从井下繁重 艰苦 危险的 作业环境中解放出来 让煤炭工人更体面 更有尊严 的工作 让煤炭行业成为年轻人喜欢的职业 为了 实现上述目的 基于我国煤矿智能化发展趋势 确定 煤矿智能化发展的阶段性目标如下 到 年 建成 个智能化示范矿井 初 步形成煤矿开拓设计 地质保障 生产 安全等主要 环节的数字化传输

46、自动化运行技术体系 基本实现 掘进工作面减人提效 综采工作面内少人或无人操 作 井下固定岗位的无人值守与远程监控 到 年 大型煤矿基本实现智能化 形成 煤矿智能化建设技术规范与标准体系 实现开拓设 计 地质保障 采掘运通 分选物流等系统的智能化 决策和自动化协同运行 井下重点岗位机器人作业 促进煤炭工业高质量发展 到 年 全面实现煤矿智能化开采 构建 多产业链 多系统集成的煤矿智能化系统 建成智能 感知 智能决策 自动执行的智慧煤矿体系 实现煤 炭工业绿色清洁可持续发展 煤矿智能化发展的主要任务 基于我国煤矿智能化发展的阶段性目标 充分 结合煤矿智能化发展现状与趋势 笔者及团队认为 我国煤矿智

47、能化建设应重点在以下方面进行突破 基于国家能源发展中长期规划 开展煤矿智 能化顶层设计 加大引导和统筹力度 增强推动煤矿 智能化发展的整体合力 科学制定煤矿智能化发展 的总体目标 技术体系 系统架构 实施路径等 营造 煤矿智能化发展的创新生态环境 积极推进煤炭产 业高质量发展 建立健全煤矿智能化标准体系 强化基础 性 关键共性标准的制修订 加快煤矿智能化建设术 语 通信传输协议 数据存储 数据融合管理等领域 的技术规范与标准制修订 加强相关专业领域标准 之间 行业标准与国家标准之间的协调 加强煤矿 智能化系统 产品和服务的行业准入管理 建立煤矿 智能化标准一致性 符合性检测体系和技术平台 形

48、成标准制修订 宣贯应用 咨询服务和执行监督的闭 环管理体系 大力推进矿山地质信息化建设 鼓励创新智 能化矿山地质工作模式 提升基础地质数据与地质 信息的服务能力 提升煤矿智能化设计理念和煤矿 智能化设计水平 提高新建和在建矿井的智能化标 准 鼓励煤炭企业开展智能化煤矿建设 重视智能化 煤矿顶层设计 加强总体技术架构与实施路径的规 划 统筹规划煤矿建设 地质安全保障 生产运营和 管理服务体系的智能化 数字化建设 实现一网到 底 互通互联 数据共享 加强生产矿井的地质补充勘探与基础地质 信息服务能力 优先推进井下固定作业岗位的智能 化 无人化改造 鼓励开展生产系统与辅助系统的智 能化升级 推动实现

49、井上下生产系统与辅助系统的 无人值守 有人巡视 作业 切实提高煤矿采掘 运 输 分选等环节的智能化水平 大力支持煤矿开展智 能化安控系统建设 全面提升煤矿安全管理水平 加快推进井工煤矿智能化建设 鼓励创新井 工煤矿智能化开采模式 实现薄 中 厚和特厚煤层 的智能化开采全覆盖 持续推进巷道快速掘进智能 化升级 鼓励煤炭企业开展智能化巷道快速掘进工 王国法等 煤矿智能化 初级阶段 研究与实践 年第 期 艺与装备的示范与应用 大幅提高巷道掘进速度与 智能化水平 鼓励开展井上下智能化主辅运输系统 建设 实现井上下主辅运输过程的无人值守与经济 协同运行 推进井下供电 供液 通风 排水等系统的 智能化建设

50、 实现固定岗位的远程可视化操控与无 人值守 鼓励开展智能化分选系统建设 大幅降低分 选作业人员数量与劳动强度 鼓励开展精益生产运 营管理信息系统和智慧场区建设 建设以智能物联 网 大数据中心和企业云为支撑的集中监控指挥 中心 加快推进露天煤矿智能化建设 鼓励创新露 天煤矿智能化开采模式 加快发展露天煤矿全工艺 流程的连续化 智能化技术 实现露天煤矿现场少 人 无人化作业 积极推进露天煤矿空 天 地一体 化安全预警体系建设 实现远程监控 安全高效 生产 推进井工煤矿综采 掘 工作面超前精准探 测技术发展 鼓励研发物探 化探 钻探为一体的矿 山地质综合探测技术 推动 透明矿山 建设 加强 巷道掘