0 引言

煤矿智能化建设是当前煤炭行业发展的必然趋势，采煤工作面的智能化是煤矿智能化的核心部分[1]。近年来，智能综采实现了“可视化远程干预型”无人开采[2]，并逐步引入惯性导航系统进行工作面直线度控制[3]；“十三五”期间，国家重点研发计划项目“煤矿智能开采安全技术与装备研发”对透明工作面智能开采技术进行了研究[4]，使得智能开采与回采环境的结合更加紧密。

相关学者围绕国家能源集团智能综采工作面建设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[5]，提出了5种智能化采煤核心技术[6]以及智能控制程序与现场实际工序的匹配度[7]等问题，为智能综采工作面建设提供了指导。

针对两淮及其深部智能化开采问题，国内学者进行了相关的研究与实践。张建国等[8]对深部煤层智能化综采工作面关键技术进行了研究，在平顶山天安煤业股份有限公司十矿实现了采煤机与支架的协调联动采煤及“可视远程干预遥控，无人化操作”的智能化生产模式，形成“测量-计算-调直”的工作面智能化高精度调直方法；王国法等研究人员[9]对千米深井“三软”煤层智能开采关键技术进行了研究，提出淮南矿区基于多参量监测与融合分析的液压支架智能自适应控制策略、基于地质信息模型和随掘随采探测动态修正的采煤机采高智能调控策略、基于刮板输送机三向姿态智能监测的异常工况预警与调控策略、综采装备群智能协同推进控制策略；任怀伟等[10]对煤矿千米深井智能开采关键技术进行了研究，研发了基于LORA的工作面液压支架(围岩)状态监测系统，提出了基于大数据分析的矿压分析预测方法，研发了基于Unity 3D的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统；唐永志[11]对淮南矿区煤炭深部开采技术问题与对策进行了研究，介绍了淮河能源控股集团张集煤矿(以下简称“张集煤矿”)1312(1)综采工作面的智能化开采，形成“三软”煤层复杂地质条件下“以工作面自动控制为主，远程干预控制为辅”的自动化生产新模式；刘飞、张继兵等[12-13]对张集煤矿1312(1)综采工作面智能化开采实践进行了介绍，实现了在地质条件较好的情况下阶段性记忆截割智能化生产，生产过程用工减少9人。

淮南矿区开采地质条件复杂，在煤矿智能化建设及智能化综采工作面建设方面需要克服一系列不利围岩地质条件，合理确定智能化开采系统与工艺，才能最终取得良好的应用效果。顾桥煤矿是国家首批71处智能化示范煤矿之一，也是安徽省第一批6座智能化示范煤矿之一，笔者以顾桥煤矿1613(3)智能化综采工作面为工程背景，介绍了1613(3)智能化综采工作面建设效果和关键技术，并对智能化综采工作面建设进行了展望，以期为淮南矿区及类似条件下的综采工作面智能化建设提供借鉴。

1 智能化综采工作面建设工程概况

1.1 综采工作面概述

2021年7月21日，顾桥煤矿首个2.0+5G智能化综采工作面——1613(3)智能化综采工作面开始回采，该智能化综采工作面位于南三采区，回采标高为-500.9～-608.0 m，走向长度1 460 m，倾斜长度230 m，煤层厚度3.6～4.9 m，采高4.3～4.7 m；直接顶为复合顶板，平均厚度9 m，由泥岩、砂质泥岩、13-2煤层等组成，局部区域为顶板砂岩直覆区，岩性均为细砂岩，最厚6.5 m。直接底平均厚度4.9 m，由炭质泥岩、泥岩、13-1下煤层、砂质泥岩等组成。

1613(3)智能化综采工作面支架由127台ZZ13000/24/50D型中间支架、6台ZZG13000/21/42D型过渡支架、1台ZT14500/21/40Z型端头支架组成，共计134架；运输系统由SGZ1000/2×855型刮板输送机、SZZ1000/400型转载机、PCM250型破碎机、DSJ1200/200/3×355型带式输送机构成；采煤设备采用MG750/1900-QWD型采煤机；泵站系统装备3台BRW400/31.5型工频乳化泵、1台BRW500-31.5F型变频乳化泵及相关配套设备。

1.2 智能化系统基本情况

1613(3)智能化综采工作面开采系统由集中控制系统、网络通信平台构成。集中控制系统以SAM型综采自动化控制系统为枢纽，通过整合液压支架电液控制系统、视频监控系统、采煤机电控系统、泵站集控系统，构建出综采工作面智能化集中控制系统。负责监测与远程控制的网络通信平台以矿井环网为基础，实现工作面设备、井下集控中心、地面调度室的信息互联。SAM型综采自动化控制系统架构如图1所示。

(1)1613(3)智能化综采工作面每台液压支架配备1个推移杆行程传感器，实现刮板槽推移量的监测；支架前后立柱各配备1个压力传感器，把连续变化的压力信号转换成电信号，为升降柱过程控制提供依据；每台液压支架前布置1个红外线接收器，通过接收采煤机机身上的红外发射器信号，实现对采煤机的精准定位，为支架的跟机作业提供信号；支架上安装的姿态传感器、采高传感器，可实时监测智能化综采工作面支架工况。

(2)综合接入器是智能化综采工作面网络核心节点，综合接入器互相连接构成智能化综采工作面核心承载网络。工作面每3台支架配备1个摄像仪，视频信号通过以太网光电接口传输至综合接入器；液压支架控制器信号通过CAN通信传输至综合接入器；综合接入器环网口之间通过专用护套连接器串联，将工作面信号传输至端头、端尾的光电转换器，光电转换器将电信号转成光信号后再经过光缆连接，分别传输至运输巷控制中心信号转换器，从而闭合成工作面工业以太环网。

(3)运输巷控制中心是整个智能化综采工作面的协调和控制核心，硬件设备主要由3台主控计算机、6台矿用本质安全型显示器、1台网络交换机、3台综合接入器、2台光电转换器、1台支架操作台、1台采煤机操作台以及1台监控中心信号转换器组成。运输巷控制中心主控计算机以TM.LongWallMind自动化控制软件为平台，实现液压支架、刮板输送机、转载机、破碎机、泵站变频器等设备工作状态的实时监测与数据上传，能够远程控制煤流系统设备的一键启停；主控计算机通过光缆与地面调度室上位机设备连接，可实现地面对井下综采工作面机电设备的监测与控制。

2 智能化综采工作面建设效果

2021年5月，《安徽省煤矿智能化建设验收办法(试行)》(以下简称《验收办法》)对智能化采掘部分给出了详细的验收要求及打分标准，系统地规定了采煤机、液压支架、运输系统、供液系统和智能控制系统的建设项目，此次智能化综采工作面建设以《验收办法》要求为对标出发点，确保智能化采掘部分总体得分80分以上，并争取一次性达到90分以上，为煤矿智能化建设评定一级打下良好的基础。

根据《验收办法》，智能化采煤是应用物联网、云计算等先进技术，使综采工作面采煤机、液压支架、运输系统等形成智能控制、协同运行的作业过程，其主要功能要求如下。

(1)采煤机具有记忆截割、姿态感知、就地/远程控制、精确定位、工况数据实时传输、故障诊断等功能。

(2)液压支架配备电液控制系统，具有姿态自主感知、工况数据传输、故障自诊断、远程控制等功能，能够自动完成伸收护帮、单架/成组移架、推移刮板输送机、喷雾除尘等动作。

(3)刮板输送机具有运行状态监测、故障诊断、就地/远程控制等功能。

(4)带式输送机实现集中控制和无人值守，具有综合保护与运行工况监控功能，可以自移机尾。

(5)设备列车具有自移功能。

(6)供液系统具有泵站运行状态监测、就地/远程控制、恒压供液、乳化液自动配比和补液、乳化液液位/浓度及流量监测、清水泵自动补水、故障诊断、超限保护等功能，实现高压自动反冲洗。

(7)地面和井下集控中心具备以下功能：一是实现井上下即时语音通信功能；二是实现工作面视频图像的显示，并能够跟随采煤机拍摄及对主要综采设备的实时监控；三是实现对综采工作面设备的运行参数及运行状态进行监测、集中显示及报警；四是实现对综采工作面刮板输送机及转载机煤流量的连续监测，并通过其负荷的大小自动调控采煤机作业强度；五是实现采煤机、液压支架、刮板输送机、破碎机、转载机、带式输送机、乳化液泵站等的协同控制。

根据《验收办法》，顾桥煤矿1613(3)智能化综采工作面建设效果及评分情况见表1。

3 智能化综采工作面建设关键技术

3.1 采煤机通信及行走精准控制技术

为了提高采煤机通信及控制信号传输的可靠性，1613(3)智能化综采工作面设备配套之初就为采煤机配套了专用光纤复合电缆，除了为采煤机提供电力传输外，内置光纤提供了通信的数据容量，保障了采煤机自身信号以及惯导系统信号的正常传输，为1613(3)智能化综采工作面建设提供了重要技术保障。

采煤机远程控制信号及数据传输信号主要采用煤机电缆内置光纤进行通信，将采煤机机身内部主控制器的RS485信号接入串口光猫，信号通过采煤机电缆中布置的光纤传输至运输巷控制箱内的串口光猫，光纤信号转换回RS485信号并传输至控制台SAM控制主机。 当光纤通信出现故障时，采煤机可切换采用5G信号进行通信，采煤机主控制器RS485信号传输至5G信号终端，转换为无线信号后通过运输巷内布置的5G基站，将无线信号传输至运输巷控制箱处的5G信号终端设备，无线信号转换回RS485信号并传输至控制台SAM控制主机。

为了消除采煤机行走编码器由于长期使用产生的累积误差，特增设了编码器自动校正功能，为液压支架、采煤机的自动协同作业提供精确定位保障，可有效防止采煤机滚筒与液压支架护帮板、伸缩梁产生碰撞以及采煤机到两端头发生越位造成的事故。

采用磁簧开关接入采煤机主控器，稀土永磁复位装置固定在刮板输送机两端相应位置的电缆槽夹板上，磁簧开关常开时不校准，常闭时校准为当前架号，主控制器程序内部识别磁簧开关通断状态。采煤机正常运行时，当采煤机磁簧开关靠近固定在电缆槽上的稀土永磁装置时，磁簧开关由常开变常闭并触发程序发出指令，实现采煤机编码器的自动校准；通过程序识别编码器发出对应限位参数实现采煤机的牵引自动停止，采煤机行程误差为50 mm，实现采煤机在刮板输送机两端头的限位保护。

3.2 综采工作面中部回采工艺技术

1613(3)智能化综采工作面地质条件复杂，大部分区域顶板为复合顶板，且存在顶板破碎、煤壁易片帮、局部易掉顶等问题，地质条件与淮南矿区其他煤矿类似。当顶板条件较好时，采用正常支护管理模式，采煤机割煤后进行移架，整个综采工作面液压支架端面距增加一刀距离；当顶板条件较差时，该回采工艺作业程序无法满足安全生产要求，为了保证支护质量，综采工作面部分液压支架需要超前拉移，总体回采工艺流程为：割煤→伸出伸缩梁→一次移架→推移刮板输送机→二次移架。

此外，需要根据现场实际工序对智能“拉架”控制程序进行调整，提高综采智能化的适应性。液压支架根据现场条件通常处于3种状态：一是片帮步距较小，已超前拉移，伸缩梁无行程；二是片帮步距较大，已超前拉移，伸缩梁有行程；三是帮顶相对较为完好，不片帮，未超前拉移，伸缩梁没行程(未超前拉移，伸缩梁有行程，可以将其归为第1或第2种状态)。以上液压支架状态根据综采工作面煤壁片帮程度决定，不能按理想状态进行先移架再推移刮板输送机或先推移刮板输送机再移架。

优化后的控制程序方案为：采煤机正常割煤(前滚筒在上、后滚筒在下)后，采煤机前滚筒后方第2台液压支架开始伸出伸缩梁，此时默认伸缩梁有行程(若无行程，由人工干预)；采煤机后滚筒后方第3台液压支架处是否进行补超前拉移，通过接收到的伸缩梁千斤顶行程传感器数值来判定(若伸缩梁行程大于800 mm则补超前拉移)；从采煤机前进方向后方第15台液压支架开始推移刮板输送机，采煤机前进方向后方第25台液压支架处是否进行超前拉移，通过接收到的推移千斤顶行程传感器数值来判定(推移行程大于800 mm则超前拉移，推移行程不大于800 mm则在下一循环中补超前拉移)。

为保证液压支架底座不过度破坏底板，跟机移架具体动作为：降柱移架前抬底动作持续至移架结束进行升柱时，同时侧护板持续伸出6 s；抬底动作1 s后降柱5 s，伸缩梁护帮板在降柱同时收回；抬底动作6 s后侧护板收回；抬底动作4 s后移架，推移行程达到100 mm结束移架；结束移架后侧护板伸出1 s同时升柱6 s；结束移架后4 s，护帮板、伸缩梁伸出15 s；升柱结束后推移刮板输送机2 s方可进行邻架移架；为保证移架效率，可设置为隔架(相隔架数根据现场条件具体可设置)移架。

3.3 综采工作面端头回采工艺技术

综采工作面端头采煤机斜切进刀( “三角煤”部分)相对复杂，智能化控制难度较大，结合1613(3)智能化综采工作面具体设备的布置和动作，细化了采煤机和液压支架在“三角煤”部分的具体动作，有力地保障了智能化综采工作面的运行效果。

优化后采煤机端头部分运行策略为：采煤机自动记忆截割运行至机头20号液压支架时，集控发出“三角煤”动作信号，采煤机运行至折返点1(端头第7～9号支架)时，将机头煤体割松动后退至13号支架，人工进行端头帮部上部支护锚杆拆除作业，完成后集控发出取锚完成信号；采煤机自动运行至折返点2(端头第2～3号液压支架)，将机头煤体割透，采煤机再次退至13号液压支架，人工进行端头帮部底锚杆拆除作业，作业完成后集控发出取锚完成信号；采煤机自动在折返点2与10号液压支架之间进行清浮煤作业2次(次数可根据实际情况修改)，清浮煤作业完成后采煤机自动进入20号液压支架位置；待支架推移刮板输送机作业完成后集控发出完成信号，采煤机自动进行下一循环作业。

4 智能化综采工作面建设改进方向

顾桥煤矿1613(3)智能化综采工作面建设为煤矿智能化验收奠定了良好的基础，但在建设及运行过程中仍存在一些亟需解决的问题，需要持续进行研发投入，以进一步提升综采工作面智能化程度。

(1)在两端头自动化割煤时，采出的锚杆、钢带回收作业目前仍停留在半机械化甚至手工作业的阶段，需要采煤机将端头割松动后，人员进入煤壁用链条捆绑旧锚杆和钢带，利用护帮板或千斤顶拉移进行拆除，作业现场存在安全隐患且施工时间较长。为了解决上述问题，拟在综采工作面两端头各安设1套以乳化泵提供液压动力，以电液控制+红外遥控方式进行操作的机械抓手替代现有作业方式，目前机械臂结构设计工作已经完成，正处于委外研制阶段。

(2)受矿区地质条件影响，大多数煤壁片帮程度可以超前拉移液压支架，并且必须超前拉移液压支架管理顶板和帮部，也有部分煤壁片帮较少或不片帮，这就需要伸缩梁先伸出探明片帮深度，此行程传感数据可作为是否超前拉移液压支架的依据，而目前国内液压支架伸缩梁行程传感方式、行程数据准确性正在积极探索之中，亟需加强研究，以增强回采工艺与围岩的耦合程度。

(3)目前液压支架护帮板伸收动作位置采用视频抓拍，用于警示、控制采煤机行走时滚筒与护帮板之间的距离，避免滚筒与护帮板碰撞产生事故，但受现场多种因素影响，其准确性还需进一步提高。

(4)移架过程中当底板松软、起伏以及顶梁前端局部漏冒、架缝漏碎矸等导致支架顶上岩石位移产生不同方向的推力，引起自动移架后支架歪斜、间隙不均匀，由于未安装侧护千斤顶压力和行程传感器以及调试机构，现场需要人工调整，后续应加强支架调控与围岩耦合程度研发，增强支架姿态调整的适应性。

5 结语

基于“自动化减人、智能化无人、少人则安、无人则安”的智能综采工作面建设理念，顾桥煤矿在智能化综采工作面建设和应用过程中，立足1613(3)综采工作面的实际条件，在引入成熟的SAM型综采自动化系统的基础上，采煤机采用光纤复合电缆与5G相结合的通信方式，实现了综采工作面惯导系统数据传输的高效稳定，为自动找直创造了条件。基于现场地质条件较为复杂的实际情况，优化了综采工作面中部回采工艺流程，实现了综采工作面液压支架自动跟机移架。基于现场设备布置及具体动作，优化了采煤机在端头部分的运行策略，实现端头“三角煤”区域采煤机自动运行和液压支架自动跟机。顾桥煤矿智能化综采工作面的建设能够为淮南矿区以及类似条件下的综采工作面智能化建设提供借鉴。

参考文献：

[1] 王国法. 煤矿智能化最新技术进展与问题探讨[J]. 煤炭科学技术，2022，50(1):1-27.

[2] 张良，李首滨，黄曾华，等.煤矿综采工作面无人化开采的内涵与实现[J].煤炭科学技术，2014，42(9) :26-29，51.

[3] 李首滨.智能化开采研究进展与发展趋势[J].煤炭科学技术，2019，47(10):102-110.

[4] 王存飞，荣耀.透明工作面的概念、架构与关键技术[J].煤炭科学技术，2019，47(7):156-163.

[5] 王昕，张学亮，刘清. 智能开采工作面建设解决方案及对策建议[J].中国煤炭，2021，47(9):77-84.

[6] 杨荣明，丁震，孟广瑞. 国家能源集团智能化采煤关键技术研究[J].工矿自动化，2021，47(S1):1-3，18.

[7] 金锋，罗会强. 智能化采煤工作面运行现状及技术展望[J].工矿自动化，2021，47(S2):4-6.

[8] 张建国，朱同功，杨党委.深部煤层智能化大采长综采工作面关键技术研究[J].煤炭科学技术，2020，48(7) : 62-72.

[9] 王国法，庞义辉，任怀伟.千米深井三软煤层智能开采关键技术与展望[J].煤炭工程，2019，51(1):1-6.

[10] 任怀伟，巩师鑫，刘新华，等.煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用[J].煤炭科学技术，2021，49(4):149-158.

[11] 唐永志.淮南矿区煤炭深部开采技术问题与对策[J].煤炭科学技术，2017，45(8):19-24.

[12] 刘飞，李俊斌. 张集矿1312(1)工作面智能化开采实践[J]. 山东煤炭科技，2017(5):36-37，39，42.

[13] 张继兵，李佳佳. 综采工作面智能化生产系统在淮南矿区的应用[J].煤矿现代化，2016(5):17-18.

Key technologies of intelligent fully mechanized mining face construction in Guqiao Coal Mine and their improvement direction

WANG Guofeng, SHEN Fei, CHENG Liyan, XIE Yanghua

(Coal Mining Company Limited, Huaihe Energy Holding Group, Huainan, Anhui 232001, China)

Abstract Taking the 1613(3) fully mechanized working face of Guqiao Coal Mine of Coal Industry Company Limited of Huaihe Energy Holding Group (hereinafter referred to as Guqiao Coal Mine) as an example, this paper introduces the functions and intelligent production mode realized in the construction of intelligent fully mechanized working face, and studies the key technologies involved in the construction process, such as shearer, hydraulic support control and intelligent coal cutting technology. On the basis of introducing the mature SAM type fully mechanized coal mining automation system, the shearer adopts the combined communication mode of optical fiber composite cable and 5G to realize the efficient and stable data transmission of the inertial navigation system in the fully mechanized coal mining face and create conditions for automatic alignment. According to the practical relatively complex geological conditions at the site, the mining process in the middle of the fully mechanized mining face is optimized, which realizes the automatic operation of shear and the automatic movement of supports. On the Basis of the field equipment layout and specific actions, optimizing the operation strategy of the shearer at the end can realize the automatic operation of shear and the automatic movement of supports in the triangle coal area at the end of working face. Aiming at the field application effect, four urgent problems to be solved in the construction of intelligent fully mechanized mining face are proposed, including strengthening the removal and picking process of the support steel belt and anchor bolt at both ends of the coal wall, enhancing the coupling degree between the mining process and the surrounding rock, improving the accuracy of video recognition, strengthening the coupling degree between the hydraulic support regulation and the surrounding rock and enhancing the adaptability of the hydraulic support attitude adjustment.

Keywords intelligent mining; whole-process automatic movement following shear; coal mining process; shearer and support cooperation; inertial navigation system

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引用格式：王国锋，沈飞，程立严，等.顾桥煤矿智能化综采工作面建设关键技术及改进方向[J].中国煤炭，2022，48(10):80-86.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2022.10.012

WANG Guofeng，SHEN Fei，CHENG Liyan，et al.Key technologies of intelligent fully mechanized mining face construction in Guqiao Coal Mine and their improvement direction[J].China Coal，2022，48(10):80-86.DOI:10.19880/j.cnki.ccm.2022.10.012

作者简介：王国锋(1967-)，男，安徽淮南人，高级工程师，现任淮河能源控股集团煤业分公司副总经理，主要从事矿井机电运输管理方面的工作。E-mail：13500578588@139.com

中图分类号 TD67

文献标志码 A

(责任编辑 路 强)