国家能源集团智能化采煤5大关键技术- 工业快报

　　一、国家能源集团智能化采煤建设现状

　　国家能源集团从2004年开始探索自动化（智能）生产工艺模式，并于2008年在神东哈拉沟、榆家梁、上湾、大柳塔等煤矿，实现了采煤机记忆割煤、支架自动跟机移架功能；2017年，神东锦界、石圪台、大柳塔、榆家梁；宁煤羊场湾、乌东、枣泉等煤矿，实现了工作面采煤机记忆截割、支架自动跟机移架、远程干预、工作面可视化、三岗合一等常态化运行，综采队人员数量由原来的60人逐步减少到现有的34人，人员减少43%,人工效率提升90.4%，工效588.2t/工，增幅达43%；2019年，神东榆家梁、宁煤枣泉等煤矿，实现了工作面数字化建模、透明自主割煤、工作面机器人巡检、采煤机电缆自动拖拽等功能。

2020年，神东石圪台煤矿22上303-1综采工作面使用从波兰引进的首套等高采煤（黑龙系统）、多机协同自动控制、垂直进刀生产工艺，实现了薄煤层工作面自主割煤和可视化远程监控，工作面无人跟机作业，真正实现了工作面无人开采。

　　目前，国家能源集团正在神东石圪台、锦界、榆家梁、宁煤枣泉、新疆乌东等煤矿综采工作面开展智能化采煤核心技术试验，建立了工作面多设备协同作业自动控制机制、基于多信息全感知监测的集中控制平台、基于大数据智能分析的故障诊断与智能决策系统等，已初步实现了基于透明地质工作面三维建模的自主割煤技术，工作面单班操作人员可减少至3人，极大提高了工作面单产效率与安全生产水平。

　　二、智能化采煤核心技术

　　（一）薄煤层等高无人化智能开采技术

　　等高无人化智能开采技术的关键设备是等高式采煤机，如图1所示。该采煤机是将传统的滚筒采煤机和刨煤机的优势结合在一起的创新设计，既具备传统采煤机的滚筒截割优势，又具备刨煤机链牵引、等采高、速度快等特性；采用和刨煤机相似的链牵引，整个采煤机除了截割电动机外，所有的电气控制设备都安设在工作面巷道内，大大减少了采煤机的体积；同时，取消传统采煤机的摇臂，滚筒直接安装在机身上，不仅缩短了机身长度，更减少了摇臂的复杂传动装置，2只滚筒等高的设计也易于实现自动化少人、无人化开采；等高采煤机机身高885 mm，机身长度3 784 mm，过煤通道486 mm，较为适应1. 4 m以下的薄煤层高产高效开采。

　　图1 等高式采煤机

　　等高无人化智能开采技术现已在神东石圪台煤矿得到了成功应用，并完成液压支架全工作面跟机移架、等高采煤机无人操作、工作面机器人巡检、煤机电缆自动拖拽等功能常态化应用，生产过程基本实现无人化生产、远程可视化干预，保证生产安全、高效。该工作面自动化率85%，为采高3.0 m以下薄煤层开采提供一项智能化采煤核心技术，使得在相同条件下薄煤层智能化采煤工艺研究方面，得到了系统性发展和应用推广。

　　（二）中厚偏薄煤层透明自主智能开采技术

　　从2017年开始，神东联合中煤科工集团天玛公司、中煤科工集团上海研究院及北京龙软公司共同攻关，历时2年，于2019年8月在榆家梁43101薄煤层工作面实现了自主智能割煤。通过对比工作面三维地质模型和点云实测模型，在综合分析煤层变化趋势、工作面平直度、当前割顶底情况、采煤机运行等大数据基础上，通过优化算法制定未来10刀的割煤策略，给出采煤机下一刀滚筒调整曲线，实现自主智能割煤，如图2所示。

　　图2 自主智能割煤

　　调试初期，该工作面自动化率相对偏低，通过优化程序进行改进，逐步提高了自动化使用率。2019年7月至今，采煤机、支架的自动化率稳定在85%以上，人工干预率控制在20%以内，如图3所示。透明自主智能开采技术使在相同条件下中厚偏薄煤层智能化自主割煤研究方面，得到了系统性发展和应用推广，实现了中厚偏薄煤层自主智能割煤和可视化远程监控。

　　（三）厚煤层采煤机器人智能开采技术

　　神东锦界煤矿探索厚煤层自动化开采工艺的发展进程如图3所示。目前，锦界煤矿通过引进进口自动化割煤技术，与国内相关厂家合作共同研发了具有自主知识产权的智能自适应控制采煤机器人智能开采技术。

　　采煤机器人具有自主行走、自适应预测截割和连续运行等特点。通过机身安装的摇臂角度传感器、机身俯仰角传感器、D齿轮传感器等进行割煤数据感知，应用智能AI算法结合定位、采高、姿态等数据与人工操作经验交互，实时分析煤层地质数据及断面数据，建立工作面顶底板及煤层的三维模型，计算出最优截割轮廓线，并以数据形式反馈到采煤机自动化割煤程序中，实现采煤机器人自主自适应预测割煤，工程质量优于人工操作，智能化程度高, 人工干预率低。

　　图3 锦界煤矿自动化开采工艺发展进程

　　（四）大倾角厚煤层单向智能开采技术

　　国家能源集团在国内率先实现了大倾角工作面单向智能连续开采推进技术，能够智能控制优化“单向进刀”开采控制工艺，极大提高了开采效率，平均开采速度可达到9.3 m/min，当日最高产量实现11700 t。主要攻克了大倾角单向智能化开采过程中防止支架、运输机上窜下滑自动控制技术、工作面自动找直技术等技术难题。

　　分隔成组移架是模拟多个支架工在不同区域范围内进行人工移架的一种跟机方式，能够保证支架防倒、防滑，自适应急倾斜工作面跟机。通过大数据自动将工作面支架进行分组，根据采煤机距离对组内的支架进行顺序移架，采煤机速度越快，自动分组数会越多，同时间内移动的支架会增多，通过监测倾角传感器，结合智能算法在大倾角工作面进行支架姿态调整，实现大倾角工作面的自动跟机割煤，跟机移架准确、安全高效，从而形成3种移架模式控制逻辑，如图4所示。