综采工作面智能开采技术发展与思考

综采工作面智能开采技术发展与思考

杨军

乌审旗蒙大矿业有限责任公司 017300

煤炭是我国的主体能源，事关经济平稳运行和群众生产生活。在“十一五”规划中，国家要求有序发展煤炭，包括加强资源勘探、生产和利用，并建设大型基地；到“十二五”规划，国家提出发展大型企业集团、加强储备能力、完善运输系统的新要求；到”十三五“规划，清理过剩产能、限制开发、进行绿色化开采和改造成为煤炭行业的新规划；进入“十四五”规划，国家强调要提 升煤炭储备能力和利用效率，并保持合理的开发强度。“十四五”以来煤矿智能化建设进入加速发展、纵深推进的新阶段。截至2024年4月底，全国累计建成智能化采煤工作面1922个、智能化掘进工作面2154个，减人增安提效成效显著。重点煤矿企业智能化采煤工作面单班作业人员减少6人以上，劳动工效提高20%以上。

一、我国煤炭产量现状

2023年我国原煤产量47.1亿吨，同比增长3.4%，创历史新高。2024年1-7月份原煤产量26.6亿吨，同比下降0.8%。截至2023年底，全国煤矿数量减少至4300处左右。其中，年产120万吨及以上的大型煤矿产量占全国的85%以上，建成年产千万吨级煤矿81处。

二、国家智能化方面政策分析

1.2024年4月24日，国家矿山安监局等部门印发《关于深入推进矿山智能化建设促进矿山安全发展的指导意见》指出：智能化建设对矿山安全发展的重要性，旨在到2030年建立完备的矿山智能化技术、装备、管理体系。

2.2024年5月21日，国家能源局印发《国家能源局关于进一步加快煤矿智能化建设促进煤炭高质量发展的通知》指出：进一步明确了煤矿智能化建设的目标、任务和措施，旨在通过智能化建设提升煤炭行业的供给体系质量和安全保障能力。

3.为推动采煤工作面技术创新和成果应用，全面提升采煤工作面智能化常态应用水平，促进煤炭工业转型升级和高质量发展。中国煤炭工业协会主办2023、2024采煤工作面智能创新大赛，并以此为基础提升智能化开采的技术水平，推动井工实现高质量发展。

三、集团公司远景规划

制定发展规划。先后制订了中煤集团《加快煤矿智能化建设指导意见》、《关于推进露天煤矿智能化建设的指导意见》、《中煤

集团煤矿智能化发展专项规划（2021-2025）》、《煤矿智能化发展“十四五”规划》及《煤矿智能化建设2023年-2025年三年规划》等文件，编制了《中煤集团综采工作面智能化、煤矿智能管控中心、掘进工作面智能化、选煤厂智能化建设标准》，构建了层次清晰、目标明确、路径合理的煤矿智能化建设规划体系。健全标准体系。组织制定了露天煤矿智能化建设技术规范、无人驾驶卡车运输智能化露天矿采装、运输、排土技术规范等企业标准。牵头编制全国首个《智能化露天煤矿建设规范》地方标准和多项行业标准，填补了行业空白。

四、国内外智能化综采工作面现状

近10年来围绕煤炭高效智能开发形成了以6~10m超大采高综采、7m超大采高综放和450m超长工作面开采为代表的成果；厚煤层及简单条件中厚煤层已形成了年产10~20Mt的能力。智能化开采是在机械化开采、 自动化开采基础上， 信息化与工业化深度融合的煤炭开采技术的深刻变革，是通过采掘环境的智能感知、采掘装备的智能调控、由采掘装备自动、独立完成采掘作业过程。国外从上世纪90年代开始研究智能采矿技术，芬兰、瑞典、澳大利亚等都提出了自己的技术方案：1992年，芬兰采矿工业宣布智能采矿技术方案；1997年，瑞典提出矿山自动化“Grountecknik；2001年，澳大利亚开始实施Landmark项目；

2006年，美国JOY公司的虚拟采矿技术方案二、国内外智能化综采工作面现状；2000年之后，澳大利亚CSIRO、美国JOY、德国RGA等开始推出更高等级的智能化技术；基于惯性导航的采煤机定位技术；防碰撞（2.4GHz超宽带雷达） ；Advanced Shearer Automation（ASA）技术；煤流负荷匹配；高效截割技术 ；美、澳等采煤大国在开采条件简单的中厚煤层采用久益和卡特彼勒的高可靠性成套装备，实现就地干预的自动化开采，即：液压支架电液控+记忆割煤。澳大利亚研发了工作面LASC控制系统并已推广应用，2015年兖矿集团与天地科技合作首次在中国进行了工程示范。JOY的智能开采服务中心（IMSC技术），利用数据监测和分析系统，分析生产过程设备运行参数，对矿井生产给予指导。防碰撞技术、基于3D虚拟现实的远程可视化控制技术、 煤流负荷匹配技术、俯仰导向技术、人员接近保护系统等技术开始初步应用。

（一）国内智能化开采发展历程

国内的研究起步较晚，2007年实现电液控制系统国产化。之后在国家863、973及智能制造专项支持下取得大量成果，近年来，我国智能化采煤技术及装备发展迅速，相继研发应用了国产电液控制系 统、采煤机记忆截割、液压支架跟机自动化、煤流负荷反馈控制及可视化远程干预等 核心技术，惯性导航及人员精确定位技术也取得了较大进步，整体开采技术水平正在

向集成智能化方向发展。自2014年从自动化迈入智能化开1.0时代开始，经历了智能化开采2.0研发应用，当前处于智能化开采3.0应用阶段，正在进行智能化开采4.0的完全智能自适应阶段探索。

（二）国内外智能化综采工作面现状

可视化远程干预，中部跟机。国内外首次实现了“有人巡视、无人操作”可视化远程干预型智能化采煤模式；技术特点：基于记忆割煤技术的可视化远程干预技术、跟机自动化控制技术、集中操作技术；实现效果：黄陵一号煤矿1001工作面，实现巷道监控中心2人可视化远程干预控制、工作面内1人巡视常态化运行，生产效率提高25%。工作面自动找直，全面跟机。开采模式：基于工作面自动调直系统的全阶段自动化跟机开采模式；技术特点：基于惯性导航的直线度控制技术、采煤机三维空间定位技术；实现效果：转龙湾煤矿，在国内首次引进进口惯导系统，3～4 m煤层试验示范，实现了工作面自动找直技术的创新应用，成套装备达到年产1000万吨水平。全智能自适应开采。开采模式：“地面规划割煤、装备自动执行、面内无人作业”无人化采煤新模式；技术特点：智能开采分层调度控制技术、工艺可视化交互技术、精准规划截割技术；实现效果：黄陵一号煤矿、榆家梁煤矿，实现了采前整体规划、采中精准控制、采后预测推演，工作面0人常态化开采，生产效率提高16.67%，完成了薄及较薄煤层工作面无人化智能开采工程示范研究。

五、智能开采难点及挑战

设备层面，多系统、多设备故障概率叠加导致整个系统可靠性低，无法支撑地面采煤模式常态化运行，限制无人化采煤推广应用。传输层面，存在网络带宽低、控制单元性能低、响应慢、平台运算能力不足问题，影响远程决策控制效率。可靠性层面，采掘等智能化装备搬家倒面后智能化相关设备损坏率大，都需

要有对应的措施办法。工程应用层面，很多系统都是完成了数据的集成显示，但是数据分析决策联动等没有充分体现。科学管理方面，矿方人员紧缺，即要完成生产任务，又要学习应用智能化，

精力体力时间等不够。如何合理通过厂家、运维、矿方、设计 单位等共同努力合理分工完成智能化建设。 智能化常态化的手段不能简单粗暴，不能光靠考核和管理，对应的技术优化和配套鼓励政策等综合。控制系统层面，远程监控系统仍存在视频清晰度、实时追踪、死角等问题，达不到“第一人称”视角的需求；生产过程中需长时间监测滚筒图像，缺少辅助提醒、预警功能。缺少音视频融合、人机交互操控等完全“沉浸式”操控平台，无法解决人员对远程常态化作业与工作面内就地作业环境变化差异感。支架姿态测量精度及实时性不能支撑支架姿态的快速调整，达不到根据变化的地质条件和支架状态进行实时调整姿态。智能化工作面参数优化不够，需综合利用传感器数据、监测设备、数据分析和人工智能算法，未能动态调整工作面关键参数，以适应各种采矿条件。工作面机器人化装备和煤矿机器人在井下现场还面临关键零部件、控制系统可靠性的问题，新产品的设计和制造和矿山行业经验结合不密切。硬件材料基础薄弱，虽然矿用传感器种类繁多，但是受限于综采工作面的复杂地质条件，导致传感器

六、的精度、稳定性、抗干扰性与智能化应用水平还不足以支撑系统的常态化运行，且不同传感器间缺乏多元融合。数据未有效分析利用，当前煤矿井下数据未实现智能化应用，不能将数据变为数据资产，包括煤矿环境多模态协同感知、复杂动态数据知识表达、煤矿生产全息智能感知三大内容，最终实现煤矿生产全流程数据的可视化。

六、思考与展望

（一）综采工作面数字孪生技术

物理采/掘工作面与虚拟采/掘工作面在开采过程中交互映射，双向控制，未来“以虚控实、以虚预实”。数字孪生系统在生产过程中生成孪生大数据，结合AI算法，为采/掘工作面综合管控提供优化调度、故障预警、状态监测等服务。应用场景：截割规划、远程监控、装备协同等。

（二）掘进智能化展望

突破掘进机器人、智能锚杆钻车等智能装备的研发和应用， 将进一步提高掘进作业的自动化和智能化水平。这些装备将具备自主感知、自主决策、自主执行的能力，减轻工人劳动强度，提高作业效率。

1.远程控制与协同作业：

掘进将实现远程数字化集控系统，通过地面集控平台赋能多机多工序的智能协同控制，实现掘进、支护、运输等工序的并行作业和高效协同。

2.数字孪生与虚拟仿真：利用数字孪生技术构建掘进工作

面的虚拟模型，实现掘进过程的虚拟仿真和预测分析，提高掘进作业的安全性和可靠性。

（三）矿井智能化展望

促进矿山产业链的协同，实现各个环节的高效协作，提高整体竞争力研究TSN智慧矿山通信图景，构建全矿井一缆传输，互不干扰整体架构，实现信息技术 (IT) 和 操作技术 (OT) 数据融合。