综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用

"十三五"期间,我国煤矿开采开始进入了智能化模式,但处于智能开采的初级阶段。首先,对国内外智能开采技术进展进行了分析,重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次,按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术,建立了智能感知技术体系,攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术,解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题;以物联网推动了围岩透明感知技术,基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量,具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力,高精度三维动态地质模型的动态修正技术;将机器人技术引入到综采工作面感知体系中,通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知;通过对传统VR的建模技术升级,建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术,建立了智能控制技术体系,研究了远程监督型控制技术和自主控制技术,利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别,实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制,开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺;通过对5G通信系统的协议改进,实现了工作面移动传输上行带宽超过300 Mbps和传输延时小于20 ms的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用,进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题:深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。     

综采工作面智能化开采路径及关键技术

智能化开采是煤矿开采技术演进的必由之路,目前我国总体处于智能化开采的初级阶段,智能化开采理论体系尚需不断完善。通过分析我国不同煤矿开采阶段在生产信息获取、处理及控制技术等方面的技术特点,发现信息感知、分析和控制技术是煤矿开采方式进步的本质原因;基于智能化开采的基本要素,明确综采工作面智能化开采的内涵是以"互联互通"的智能化成套综采装备为载体,以物联网技术、人工智能技术、大数据技术、云计算技术、通信技术等现代技术与煤矿生产技术的深度融合为基础,通过智能信息感知、智能信息分析决策、智能控制与反馈,实现具有人工智能特征的工作面自动化采煤技术。提出综采工作面智能化开采的技术路径包含生产物理场景智能感知与矿山大数据储存,矿山大数据关联分析与智能决策,智能化生产装备精准协同控制等3个方面内容。结合目前我国智能化开采发展阶段和发展方向,提出了综采工作面智能化开采亟须突破的关键技术:开采全生命周期地质精准探测与建模技术;工作面生产场景精准感知技术;建立通信协议标准化的信息传输系统;复杂生产环境下的智能决策技术;智能化综采装备系统可靠性增强技术。结合工程实践介绍了基于人-装备-环境多源信息数据的特厚煤层智能化综放开采模式的初步应用。     

综采工作面智能开采关键技术实践

目前国内智能化开采技术与装备迎来了重要的历史发展机遇期,国内已累计建成200多个以"可视化远程干预智能化开采技术"为主的自动化工作面。通过分析智能开采应用现状,指出由于煤矿工作面开采条件的多样性与复杂性,智能开采发展必然是分阶段、逐步实现,同时智能开采常态化应用受限于综采装备与控制元件等基础可靠性的提高及从业人员素质与能力的提高,因此智能开采发展与应用是一个长期的过程;基于现阶段国内自动化工作面的技术应用现状,从系统感知技术能力与特征的角度将智能开采发展阶段划分为4个阶段,并指出现阶段国内总体应用水平还处于智能开采的初级阶段,部分矿井正在试验第2、第3阶段的关键技术,距离智能开采技术的理想目标还有很长的路要走。同时围绕智能开采第2阶段的关键技术,重点阐述了基于装备主体结构件机械模型的液压支架与采煤机姿态感知技术,基于自主导航系统的刮板输送机弯曲度检测技术,采煤机行走轨迹,开采刀识别以及工作面自动校直等技术原理与实践情况。通过工业性实践验证了液压支架与采煤机姿态感知技术以及工作面矫直方法等理论的工程可行性,为工作面的液压支架防倾斜,防咬架,快速移架,截割面的开采规划与采煤机滚筒姿态调整,采煤机干涉预警以及刮板输送机直线度调整等功能的具体实施提供了技术支撑。     

智能开采工作面建设解决方案及对策建议

煤矿智能开采工作面建设是煤矿智能化建设的核心任务,对煤矿智能开采工作面建设现状进行了系统梳理,指出,煤矿智能开采工作面建设与国家及行业政策、国家科研投入力度和综采工作面控制系统装备发展紧密相关。在煤矿智能开采工作面建设过程中,应结合国家政策要求和各煤矿实际情况,分类施策、分级实施,建成初级、中级、高级智能化煤矿和智能开采工作面,实现煤矿智能开采少人化/无人化。以国家能源集团智能采煤工作面建设基本要求为依据,提出了智能开采工作面初级、中级、高级智能化解决方案及其对应功能。针对煤矿智能开采工作面建设问题,提出了统一规划设计、制定智能开采工作面建设标准、加强智能开采工作面运维、补齐辅助环节智能化短板、培养智能开采全面解决方案提供商、提升员工智能化专业技术能力与水平等6个方面的对策建议。     

综采工作面巡检机器人关键技术研究

目前国内许多煤矿应用了可视化远程干预型智能无人化综采,但是综采工作面内仍然需要1名工人进行巡检作业,为了实现综采工作面支架支护区域内真正无人,需要研究一种综采工作面巡检机器人,实现对综采工作面巡检人员的替代,适应智能综采的发展方向。在分析综采工作面巡检机器人研究现状的基础上,指出综采工作面巡检机器人研究目前处于起步阶段,提出了综采工作面巡检机器人研究需要攻克的5个方面的技术难题:综采工作面巡检机器人控制平台健壮性,行走驱动可靠性,移动通信稳定性,群组控制协同性,配套应用合理性。给出并具体分析了综采工作面巡检机器人发展所需的5项关键技术:柔性轨道技术,精准定位导航技术,高可靠控制技术,动态图像采集技术,三维采场模型构建技术。研制了一款综采工作面巡检机器人,以电池供电驱动行走机构沿刮板输送机电缆槽外侧的轨道实现快速移动,轨道之间采用具有一定承载能力的弹簧连接件实现柔性连接,综采工作面巡检机器人搭载惯性导航系统,三维激光扫描装置,红外热成像摄像仪,可见光摄像仪,无线移动终端等装备,可完成对综采工作面直线度、水平度检测,工作面精确定位,工作面点云扫描,采煤机运行状态巡检与工作面快速巡检等功能,并通过无线通信网络实现传感数据准确、快速传输至巷道集控中心。通过在神东榆家梁煤矿43101综采工作面应用,实现最大巡检速度60 m/min,辅助构建的工作面三维点云模型实测精度0.2 m,实现搭载惯导系统在宽360 m综采工作面直线度可控制在±500 mm。综采工作面巡检机器人在质量和电池续航2个方面仍需进一步研究优化,以满足实际生产需求。研究成果可为煤炭行业综采工作面巡检机器人技术的发展提供有益的借鉴。     

智能化无人开采技术介绍

<正>针对我国煤矿综采工作面生产过程复杂、开采装备系统庞大、作业环境恶劣等特点,天玛公司提出先实现"可视化远程干预型智能化无人开采"的技术途径:以实现综采工作面常态化无人作业为目标,以采煤机记忆截割、液压支架自动跟机及可视化远程监控为基础,以生产系统智能化控制软件为核心,实现在地面(巷道)综合监控中心对综采设备的智能监测与集中控制,确保工作面割煤、推溜、移架、运输、消尘等智能化运行,达到工作面连续、安全、高效开采。     

薄煤层综采远程可视化无人工作面开采技术

以滨湖煤矿12210工作面为研究背景,提出了一套薄煤层综采远程可视化智能无人工作面开采技术,通过融合采煤相关的配套设备,来实现设备间的联动控制;介绍了智能化总体设计方案、工作面配套基本设备、系统平台监控中心功能。12210工作面采用智能无人工作面开采技术后,研究结果表明:缩短了回采周期、减少了工作面作业人员、增加了工作面产量。     

中薄煤层智能开采技术及其装备

针对我国薄煤层产量逐年增长和开采技术相对滞后的现状,提出了透明化自适应型中厚偏薄煤层智能开采模式。以神东矿区为例,对当前的中厚偏薄煤层智能化开采技术进行了总结,介绍了中厚偏薄煤层智能开采情况,由此提出厚度1.0～1.7 m的煤层称为中薄煤层的分类概念,以适应煤矿智能化开采和优先发展的需要。首先,在综合处理多源异构信息的基础上,将三维初始地质模型、激光扫描动态数字化工作面、顶底煤厚度探测结果以及煤机姿身数字化,实时提交给智能开采系统进行超前规划,生成动态透明四维地质模型。随后,根据实时生成的动态四维地质模型,获取每个截割位置的顶、底板高度数据,结合煤机姿态参数和采煤机的绝对位置坐标,及工作面平直度要求,对未来几个割煤循环的采煤机调高策略进行提前规划,形成基于动态透明工作面智能化割煤技术。提出了"十二工步"割煤工艺,建立采煤机电缆拖拽系统。最终,以动态四维地质模型构建、采煤机智能化割煤、工作面自动调直、机器人巡检、采煤机电缆拖拽、液压支架自动跟机以及智能协同联控等技术为依托,建立了具备综采工作面全面感知、设备远程集控、协同联动、自动控制、多维数据融合、隐患自动辨识、流程数据驱动、智能辅助决策的中厚偏薄煤层智能化综采工作面开采体系,实现由可视化远程干预型智能开采模式向透明化智能自适应型智能开采模式的转变。实践表明,动态四维地质模型的构建解决了薄煤层开采煤岩分界线识别,对未来10刀割煤循环给出调高策略,预设割煤轨迹与实际割煤轨迹趋势曲线位置偏差小于0.3 m。榆家梁煤矿43101工作面实践,日割煤15刀,年产量达221.6万t,生产工效提高15.08%;工作面无直接操作人员,仅有1人巡视。     

综采巡检机器人关键技术研究

智能化综采工作面安装了大量固定传感器,但依然存在监控盲区和监控滞后的问题。引入巡检机器人技术,对综采工作面的全覆盖和实时监控,是智能化开采的必要技术手段。从国家宏观政策和智能开采技术2个层面,分析了智能开采对综采巡检机器人的迫切需求,根据综采工作面巡检机器人的发展现状,总结了综采工作面应用机器人需要解决的柔性轨道、移动通信无缝漫游、远程控制和自主操作等技术难题。通过研究用于综采巡检机器人的跨式柔性轨道、行走控制、移动通信、移动精确定位、惯性导航、动态图像采集和控制采煤机调高等7项关键技术,提出了建立巡检机器人的感知理论技术装备体系、研究井下机器人动力供应技术、建立高性能的无缝漫游移动通信系统、开发超高清热成像和毫米波对综采生产时的三维实景呈现技术、研制集成视觉雷达和煤层探测的超前探测机载装置等5个重点研究方向。在薄煤层综采工作面进行了工业试验,研制的巡检机器人搭载三维激光雷达和惯性导航系统,沿采煤机电缆槽上铺设的轨道边行走边检测,达到了60 m/min的最大巡检速度,实现了双频WiFi零切换的无缝漫游高速通信,根据机载激光雷达扫描和惯性导航系统建立了综采工作面三维截割地质模型,进行了巡...     

煤矿智能化开采新进展

智能化开采是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。经过多年发展,我国智能化开采形成了薄煤层和中厚煤层智能化无人操作,大采高煤层人-机-环智能耦合高效综采,综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤,复杂条件智能化+机械化4种智能化开采模式。为了解决工作面综机装备智能决策难题,研发了工作面智能协同控制系统,实现采煤机自适应割煤与自主感知防碰撞,基于煤流量智能感知的采煤机、液压支架、刮板输送机等综采装备的协同联动,工作面综采装备与端头和超前支架的联动控制。上述研究成果在陕北侏罗纪1.1 m硬煤薄煤层、金鸡滩煤矿8 m超大采高综采、金鸡滩煤矿9 m以上硬煤特厚煤层综放开采进行应用,效果显著,实现了陕北侏罗纪1.1 m硬煤薄煤层高效智能化无人开采,8 m超大采高工作面人-机-环智能耦合高效综采,9 m以硬煤上特厚煤层超大采高智能化综放开采。     

可视化远程干预型智能化采煤关键控制技术研究

针对目前基于煤岩分界的自适应调高技术、水平控制技术等智能化采煤控制技术还难以突破的情况,为解决回采工作面的智能化采煤难题,进行了可视化远程干预型智能化采煤控制技术的研究。通过采用基于视频追踪、接力和拼接技术的工作面远景实时呈现的方法,研究了远程干预集中操作技术,集成融合采煤机记忆割煤技术、工作面跟机自动化控制技术,研制了综采智能控制系统。试验结果表明:实现了工作面内无人操作(仅1人巡视)的智能采煤常态化运行,将综采工作面每班作业人数由平均15人减少到3人。因此,利用该项技术能够实现综采工作面设备的智能化运行,能有效减少作业人数和提高综采工作面的安全生产水平。     

互联网+采煤机智能化关键技术研究

为实现煤矿无人化综采作业,根据智能化采煤机的作业要求,研究了采煤机智能感知、智能控制、智能截割、远程可视化监控以及综采机组物联网技术,实现了采煤机组的无人操作、远程监控。通过在煤矿现场的应用试验,可实现采煤机作业过程中的自主定位、自动调高、自我诊断、自适应牵引、远程可视化监控,为建设无人化综采工作面奠定了重要基础。     

基于数据驱动的综采装备协同控制系统架构及关键技术

为解决智能化综采工作面关键技术难题之一的开采设备协同控制问题,提出了基于数据驱动的综采装备仿人智能协同控制模型,重点研究了大数据背景下智能综采装备的协同控制知识自学习、开采行为自决策、分布协同自运行等关键技术理论与方法。具体包括:从数据应用的角度分析了智能综采系统的数据特点,阐明了智能综采的3大数据化特征:泛在感知(数据获取)、信息融合(数据挖掘)、智能控制(数据决策);构建了面向经验操作员决策过程表征的综采装备协同控制框架;提出了基于扩展有限状态机的综采装备运行状态演化方法和基于多标记决策信息系统的综采装备运动行为模式学习方法,来实现数据驱动下智能综采装备行为决策知识的获取;提出了面向经典采煤工艺过程的综采装备行为模态类的决策知识划分方法和基于CBR与RBR融合的决策行为混合推理方法,来实现智能综采装备动作行为的自主决策;探讨了人工控制模式下综采装备驾驶员控制策略的表征方法,发展了具有自学习、自决策、工况自适应的综采"三机"仿人智能协同控制方法;给出了基于平行系统理论的平行综采技术逻辑,为综采装备协同控制的研究提供方法。所提综采装备协同控制系统为大数据背景下的综采生产系统的协同控制提供了解决方案。     

黄白茨煤矿薄煤层工作面智能化控制系统的应用

基于黄白茨煤矿13上2层煤层特点和开采方式,进行了薄煤层综采工作面智能化控制系统的应用。系统采用全新平台架构,从硬件与软件2方面进行升级,制定工作面自动化采煤工艺,以采煤机智能控制、液压支架自动跟机及可视化远程监控为基础,利用Longwall Mind控制软件,建设具有自动感知、自动分析、智能处理的安全,高效,节能,少人化的智能综采工作面。     

煤矿5G智能化应用实践关键技术研究

基于山西新元煤矿5G技术智能化应用背景，通过剖析当前煤矿智能化对于4G与WiFi通信技术各项性能的发展需求，提出了煤矿5G智能化应用场景及设计内容；从智能化建设顶层设计体系出发，搭建矿用5G网络、部署组织架构，研究提出适用于井下精准协调控制、综采工作面设备智能监测与集中控制、系统运行状态回传和井下透明可视化巡检的技术方案，以实现井上井下协同作业、综采工作面智能化和机器人智能巡检。研究成果在新元煤矿31004和3411工作面进行应用，应用结果表明，技术方案的实施显著提高了煤矿经济效益，有助于推动实现煤矿井下少(无)人化作业。     

煤矿无人化智能开采系统理论与技术研发进展

提出以矿井物联网和先进传感等通信方式为支撑环境，构建“感知、传输、决策、执行、运维、监管”六维度智能开采控制系统；基于此系统架构，提出无人化智能开采控制技术路线和系统方案；最后，对煤矿无人化智能开采系统的理论和技术研发最新进展进行了详细论述。利用双光谱热红外摄像及图像增强技术，解决综采工作面生产工况条件下的视觉监控透尘问题；提出多目视频帧图像融合和全景视频拼接技术，解决工作面大视角覆盖以及实时无死角视频监控问题；利用三维颜色查找法，解决增强算法在质量和实时性难以满足井下视觉测量任务的问题。工作面设备自适应控制进一步发展：构建精准三维地质模型，进行开采预测和模型动态修正，为智能开采提供精准地质保障；结合采煤机截割模板修正技术、工作面多源信息融合智能控制技术，规划采煤机割煤路线；利用新一代信息技术，实现高质量的视频传输，满足智能控制及感知设备的无线接入；利用远距离液压保障技术，在有限开采空间内减轻检修强度、增加安全性。在行业当前普遍采用的“工作面内自动控制+远程干预模式”的智能化开采技术基础上，提出了新一代无人化智能采煤控制技术方法，设计了“井上智能决策、井下自动执行、面内无人作业”的智能...     

基于信息和态势感知技术智能综采工作面研究

对煤矿综采工作面的技术发展阶段进行了深入研究,对综采工作面的发展4个阶段的关键技术特征进行了分析,对基于信息技术和态势感知技术的智能化综采工作面的系统构成与应用进行了深入研究,并研究了智能综采工作面新技术、新工艺的应用。对煤矿智能化开采趋势和发展具有一定的研究价值和应用推广价值。     

基于双通信模式的综采工作面巡检机器人研制

为实现综采工作面无人化智能开采,设计并研制了一款基于双通信模式的综采工作面巡检机器人系统。提出基于LoRa和WiFi技术结合的双通信模式实现综采工作面巡检机器人远程控制与工作面监控,并对巡检机器人的组成和功能进行了介绍,重点论述巡检机器人控制系统的组成和通信方案。通过在煤矿井下进行实际测试,结果表明,介绍方案可以实现地面控制台实时控制综采工作面巡检机器人,并可实时获取综采工作面数据和环境信息,及时发现问题并报警,为综采工作面无人开采提供保障。     

基于精确大地坐标的煤矿透明化智能综采工作面自适应割煤关键技术研究及系统应用

目前煤矿智能综采工作面存在生产环境状态不透明、成套装备难以应对煤层起伏变化、信息化与智能化集成度不高等问题,其系统的适应性和实用性受到影响。具体而言,主要是缺乏基于地理信息系统的可视化数字孪生管控平台,无法实现基于统一大地坐标驱动的透明化工作面的自适应割煤。为突破相关技术难题,提出并研究了测量机器人大地坐标传导、透明化工作面系统建立和动态修正、5G通信、采煤机与地质模型的自适应耦合以及基于时态地理信息系统（TGIS）的“一张图”一体化管控平台等多项关键技术,完成了多维可视化软件系统的开发与硬件系统的高度集成,实现了：(1)采煤机、刮板输送机等固定或移动目标点达毫米或厘米级的精确定位;(2)三维地测模型、设备模型、开采环境与工业控制之间的基于逻辑关系的一体化集成和数字孪生系统的构建;(3)综采工作面采煤机、视频、惯导、测量机器人和地质雷达等信息的可靠、实时传输;(4)为地面调度指挥控制中心的远程决策和智能自适应控制提供了可视化管控环境。系统已经成功应用于临沂矿业集团菏泽煤电郭屯煤矿3301,2305两个工作面,初步实现了较为复杂地质条件下的智能化自适应开采和地面远程管控。     

综采装备单机智能化向智能协同模式转型的探索研究

为了进一步提升煤矿智能化应用技术水平,真正实现煤矿井下智能化无人开采的目标,笔者分析了国内外煤矿智能化发展现状,指出以单机设备智能化为主、智能化技术简单叠加的传统"装备+智能"模式已经不再满足煤矿智能化高质量发展需求,针对未来煤矿智能化发展建设的新需求,提出了"智能化+装备"模式(智能协同模式),并定义了该模式下智能感知、智能识别、智能预警、智能决策、智能诊断、智能语音、智能控制(包括数字化割煤)等智能化功能,提出以装备作为智能化功能载体,探索研究"智能化+装备"模式下如何实现各项智能化功能相互关联、达到各系统协调、统一管控,实现工作面各设备的智能协同及融合控制功能,打造以流程智能为目标的智能化开采新模式。研究结果表明"智能化+装备"智能协同模式是未来综采智能无人化开采的技术保障,对于煤矿智能化建设发展方向具有重要指导意义。