智能化工作面开采技术与装备---曹宁宁.pdf

中国煤炭科工集团 北京天地玛珂电液控制系统有限公司 曹宁宁 煤矿智能化建设暨煤矿智能化全面检查验收以及综合评价培训班 智能化工作面开采技术与装备 引 言 习近平总书记指出“在相当长一段时间内，甚至从 长远来讲，我国还是以煤为主的能源格局，只不过比例会 下降，我们对煤的注意力不要分散。我们正在压缩煤炭比 例，但国情还是以煤为主，我国煤炭资源丰富，在发展新 能源、可再生能源的同时，还要做好煤炭这篇大文章。“ 怎样安全、高效地将每年三十多亿吨煤炭开采出来就 是摆在我们面前的重大命题。 我国是全球第一大煤炭生产和消费大国，产量和消费量分别占全球的47.3 和51.7。 目前全国共有大型煤矿（120万吨/年及以上）1100余处，30万吨/年以上规 模矿井3700余处，其中煤与瓦斯突出矿井702余处，矿井规模小、开采技术条件复 杂，灾害重、风险大。 全国煤矿从业人员249万，从事采煤、掘进、设备安装、运输、灾害治理、煤 仓清理的危险岗位和瓦斯检查、设备设施巡检等关键岗位的人员占比达60以上。 在此，我结合天玛公司十几年来的实际工作，向大家简要汇报一下煤矿智能化 开采控制技术方面的发展及应用情况，希望对当前正在贯彻落实指导意见的矿业公 司或煤矿有所帮助。 引 言 报 告 提 纲 4 一．智能化开采背景及内涵 二．智能化开采技术及推广情况 三．智能化下一步发展方向 四．山西省煤矿智能化建设情况 五．思考及建议 ◼智能开采是煤矿安全高效生产的重要手段，已成为我国煤炭开采技术的发展方 向，更是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。 ◼国家“十三五”规划将“加快推进煤炭无人化开采”列为国家第255255号重大工 程项目；国家能源技术革命创新行动计划 20162016––20302030 年 20302030年重点煤 矿区基本实现工作面无人化；原国家安全监管总局“机械化换人、自动化减 人” 科技强安专项行动； 2019年国家煤矿安全监察局公告1号文发布煤矿 机器人重点研发目录，积极推动工业机器人、智能装备在危险工序和环节应 用。 ◼2020年2月，八部委联合印发关于加快煤矿智能化发展的指导意见，为煤 矿智能化发展规划三个阶段性目标。 3 煤炭智能化开采已大势所趋煤炭智能化开采已大势所趋 6 解决解决煤炭行业面临的生产安全红线困扰煤炭行业面临的生产安全红线困扰 煤矿井下工作面是一个高危险的生产环境。尤其是近年来，随着矿井 开采强度和深度的加大，地质条件越来越复杂，冲击地压、煤与瓦斯突出等 动力灾害的威胁加大，导致各种安全事故频繁发生。 “无人则安” 迫切需 要将工人从高危的生产环境解放出来。 7 解决煤炭行业面临的生产安全红线困扰解决煤炭行业面临的生产安全红线困扰 以煤工尘肺病为主的煤矿职业安全健康问题严 重制约“健康中国”发展。煤矿智能化开采，特别 是解放开采人员，远离危险作业环境，是实现煤矿 无尘化作业和职业病少零 发病的根本方法。 智能化无人开采 技术密集型传统 人工操作开采 劳动密集型 煤炭工业科技发展战略思考必须走智能、无人、安全开采道路，由 劳动密集型升级为技术密集型，发展成为具有高科技特点新产业新业态新 模式。 行业要素行业要素驱动驱动转向转向创新创新驱动驱动的的重要重要手段手段 6 9 人工开采 炮采普采综采 0 5 10 15 20 25 30 35 40 19801985199019952000200520102015 煤炭产量（亿吨） 时间/年 人工采煤及炮采人工采煤及炮采 普采及高档普采普采及高档普采 综合机械化开采综合机械化开采 自动化智自动化智 能化开采能化开采 煤炭煤炭高效生产的重要高效生产的重要手段手段 ➢ 我国煤炭资源赋存条件多种多样，一些煤层利用现有模式开采难度较大， 特别是薄煤层，丢弃现象严重，造成资源浪费等问题。 ➢ 开展智能化无人开采，是解决该类煤层经济开采的有效途径和必由之路。 10 保持行业可持续发展，培育新增长方式保持行业可持续发展，培育新增长方式 ➢ 我国已进入上中等收入阶段，工作年龄人口占比将逐渐下降，劳动力成 本快速上升，人口红利已经消失 ➢ 随着人们生活水平提高，从事高危险、高强度体力劳动意愿降低。 ➢ 矿井煤炭开采深度增加，开采环境（地热、高湿、薄煤层空间狭小等） 恶略，从业人员“日益增长的美好生活需要和不平衡不充分的发展之间 的矛盾“突出，降低井下工人劳动轻度，培育新的行业增长方式成为必 然趋势。 11 葛世荣校长葛世荣校长- -综采装备的智能仿生综采装备的智能仿生 “三个感知”感知采煤环境、感知装备状态、感知作业姿态 “三个自适”自适应截割、自适应巡航、自适性诊断 来源2020年4月煤炭学报 12 煤炭精准开采 智能无人开采安全开采 智能无人安全开采 多物 理场 测控 智能 感知 自动 巡航 切割 物联 网系 统构 建 地球 物理 数据 库 灾害 风险 判识 灾害 智能 防控 风险 监控 预警 基于透明空间地球物理和多物理场耦合，以智能感知、智 能控制、物联网、大数据云计算等信息技术做支撑，具有风险 判识、监控预警等处置功能，能够实现时空上准确安全可靠的 智能无人安全精准开采新模式新方法。 袁亮院士袁亮院士- -精准开采科学构想精准开采科学构想 来源2017年1月煤炭学报 13 王国法院士王国法院士- -4 4种智能化开采模式种智能化开采模式  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 智能化开采是煤矿智能化的核心，提出我国煤矿智能化开 采的4种基本模式。 生产经营 管理平台 ERP系统、经营绩效管理系统、企业决策 支持系统等 生产系统 视频增强剂实施数据驱动三维场景再现远程干预操作平台 地质及 矿井采 掘运通 信息管 理平台 井下精 确定位 导航通 信管理 操作平 台 智能化 少人采 掘系统 综合管 理操作 平台 环境及 危险源 感知与 阿全预 警系统 平台 井下安 全避险 六大系 统综合 管控偶 明天 井下机 器人群 系统控 制与馈 电管理 平台 矿井设 计和设 施监控 管理操 作平台 安全保障综合保障 矿井三维地质数据综合管理平台 统一操作 系统平台 通信协议转换，数据格式统一，多源异构 数据分析、挖掘与融合 信息传输数据、视频、音频高效传输网络搭建 自主感知 与控制 各类传感器与控制、执行机构 井下系统 平台 来源2019年2月煤炭学报 国内国内透明开采透明开采 在常规地质勘探成果基础上，以地质雷达、电磁波CT等精细工程物探成果和巷道 激光扫描数据构建初始地质模型初始地质模型，以煤岩识别等数据实时修正实时修正形成动态地质模型动态地质模型，融 合设备位置姿态和环境状态等实时数据形成动态透明工作面动态透明工作面。 14 15 智能化采煤理想状态智能化采煤理想状态 人工输入完参数和发出指令后 ① 采煤机以最大额定牵引速度沿顶底板与煤层分界线自动割煤，实现 “智能割煤”； ② 液压支架按照工艺要求全工作面范围内自动跟机动作，并按照沿顶 底板起伏变化自动进行仰俯采和调伪倾斜控制，工作面连续推进， 实现“智能推进”； ③ 运输设备按生产要求和负荷自动调整速度，实现“智能运输”； ④ 辅助设备全部无人操作，顺槽设备自动推移，超前支护无人化； ⑤ 设备高度可靠，具备故障自诊断功能，基本免维护； ⑥ 生产过程中，全工作面无人。 报 告 提 纲 16 一．智能化开采背景及内涵 二．智能化开采技术及推广情况 三．智能化下一步发展方向 四．山西省煤矿智能化建设情况 五．思考及建议 生产特点国际先进的产煤国家，以美国和澳大利亚为代表，煤炭生 产呈现出大功率重型化、自动化、集约化、环境友好的特点。 国外自动化开采国外自动化开采 17 国外提出“520”计划。即综采工作面5人采煤2人采煤无人化采煤。 利用成套装备高可靠性和单机设备高度自动化的优势，在工作面地质条 件好、且不受回采率和煤质要求前提下，做到工作面内“设备自动运行、 两人跟机干预”。 二十英里矿  采煤机割煤速度较快，达到15-18米/分钟；  两人跟随采煤机与支架。 美国白橡树煤矿工作面实景 一、国外现状 ◼工程实践美国白橡树煤矿 序 号名 称单 位参 数 1煤层厚度米1.8 2采高米2 3工作面宽度米427 4工作面长度米3810 5覆土层、井深米304.8 6巷道数个3 7截割深度米1.07 2017年在采高2m的工作面条件下创造了最高日产6.7万吨，年产1020万吨的智能 化开采纪录，保持同等地质条件下的世界记录。 国外自动化开采国外自动化开采 ➢煤炭开采技术及装备发展迅速，综采工作面经历了机械化- 自动化-智能化开采。 19 煤机黄金十年，装备快速发展煤机黄金十年，装备快速发展 确保工作面连续推进 生产工艺 煤矿 安全 高效 开采 设备配套水平 协调设备均衡生产 单机设备能力 成套装备 减少人为主观操作 自动化 控制技术 两个维度 20 “两”“两” 步走步走 第一步可视远程干预式操作人员 在顺槽监控中心远程遥控干预设 备智能运行，工作面落煤区域无 人操作。 第二步智能自适应采煤机、液压 支架等设备自适应自动化智能运 行，就像飞机进入自动驾驶状态 一样。 21 第一步可视远程干预第一步可视远程干预 22 ➢采用拟人手法，把人的视觉、 听觉延伸到工作面，将工人从工 作面解放到监控中心，实现在 监控中心对设备的远程操控，达到 工作面无人化开采的目的。 可视 远程干预 23 第二步智能自适应第二步智能自适应 ➢ 攻克煤岩识别、工作面直线度 控制、综采设备姿态定位、安全感 知、设备自诊断等多种技术，形成 一套具有“识别推理决 策执行”的综采工作面智能化 控制系统，确保综采设备自适应运 行，从而实现工作面无人化开采。 智能 自适应 智能化开采智能化开采 200820112014201620192021 综采装备及控制系统全面国产化 研发 宁煤 石沟驿 中煤 平朔 黄陵 一矿 兖矿 转龙湾 神东榆家梁 阳煤新元 黄陵一矿应用 自动化 智能化1.0 机械化 智能化2.0 智能化3.0 智能化4.0 2030 技术迭代 三化六阶段 SAC 1.0 2.0 3.0 煤机记忆截割，支架自动跟机，三机集控，视频追机 SAC 有人巡视，中部跟机 自动找直，全面跟机 无人巡视，远程干预 4.0 透明开采, ,面内无人 1.0 2.0 3.0 4.0 自2014年从自动化迈入智能化开采1.0时代开始，经历了智能化开采2.0研发应用，智能化开 采3.0研发与启动，正在进行智能化开采4.0的探索，届时将真正实现工作面智能自适应无人化开采。 天玛公司经过十多年来的不懈努力，攻克了可视化远程采煤等技术难 题，提出了“自动控制自动控制 远程干预远程干预”的智能开采模式，该系统以采煤机记忆 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（顺槽）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、灭尘等智能化运行， 达到工作面连续、安全、高效开采。 监控中心软件画面 25 智能化开采智能化开采1.01.0可视化远程干预模式 26  液压支架跟机自动化技术 结合开采工艺，依据工作面顶板压力、倾角、液压支架姿态、采煤机运行 状态等信息，将整个生产过程划分为不同的阶段，自动决策并控制液压支架中 部跟机、斜切进刀、端头清浮煤、转载机自动推进等动作，实现了工作面自动 连续生产。 液压支架跟机自动化技术 关键关键技术技术 跟机自动化实际运行情况 27  采煤机记忆截割技术 按照示范刀所记录的工作参数、姿态参数、滚筒高度轨迹，进行智能化运算， 形成记忆截割模板，在自动截割过程中不断修正误差，实现自动调高、卧底、加速 和减速等功能。 采煤机记忆截割 关键关键技术技术 采煤机记忆截割实际运行 28  工作面视频监控技术 将人的视听感官延伸到工作面，通过在工作面安装摄像仪，实时跟踪采煤机， 自动完成视频跟机推送等功能，为工作面可视化远程监控提供“身临其境”的视觉 感受，指导远程生产。 本安摄像仪 云台摄像仪 关键关键技术技术 支架监控视频采煤机监控视频 29  远程集中控制技术 关键关键技术技术 基于一体化监控中心的工作面设备集 中控制系统将采煤机、液压支架、刮板运 输机、转载机、破碎机等主要设备的控制 功能集中到顺槽，将视频监控、音频控制 、网络管理、数据集成等功能融为一体， 在工作面顺槽实现对综采设备集中监控， 提高了生产效率。 智能化开采智能化开采1.01.0黄陵取得突破黄陵取得突破 ◼“可视化远程干预型智能化无人开采”，在黄陵率先实现“工作面有人 巡视，无人操作；顺槽可视化控制，地面远程割煤”。 智能化无人开采1.0 30 ◼监控中心远程采煤成为现实，可以常态化生产； ◼地面采煤成为可能，在条件许可的情况下间歇式连续生产； ◼工作面内可以做到无人操作，必要时，人员进入工作面巡视。 从严格意义上讲，智能化开采1.0并未完全实现工作面无人 化开采，但这种方式为无人化开采提供了一条切实可行的技 术途径。 通过该项目的实施，可达到以下两点效果一是将工人从操作工变成 巡检工，由设备的自动化替代人工劳动，大大降低了工人的劳动强度； 二是将工人从危险的工作面采场解放到相对安全的顺槽监控中心，在 监控中心对设备进行远程操控，提高了工人的安全系数。 31 小结小结 32 智能化智能化开采开采2.02.0装备智能自适应模式 工作面自动找直 LASC技术 1.0 2.0 基于EIP的通信平台 单机设备 智能化、可靠性、 能力 高清视频 智能主控软件 综采装备 成套配置 . 积极开展装备顶层设计，提升成套性能 ➢ 自主开发、攻克薄煤层工作面高效生产技术 ➢ 引进等高采煤机，自主开发与之配套的刮板输 送机、液压支架和自动化系统 ◼ 针对薄煤层成套装备，按照两种思路开展攻关 ◼ 针对智能化开采项目进行总体设计，统筹 设计,以智能化开采为目标，进行成套化设 计，“三机配套”逐步转变为“四机配套” 25 装备提升装备提升配套合理性配套合理性 装备与关键传感元件的一体化设计 ◼ 内置行程传感器的推移千斤顶一体化设计，保证工作面直线度、 液压支架跟机自动化应用效果 26 装备提升装备提升 关键元部件可靠性关键元部件可靠性 装备动力与液压传动系统的一体化设计 ◼以智能化开采产能与效率为目标的总体装备 动力系统设计 ◼安全、节能、高效智能供液系统设计 ◼成套装备的水处理、冷却系统、喷雾系统与 介质清洁度保障系统一体化设计 27 装备提升装备提升液压系统匹配性液压系统匹配性 远距离供液系统 28 装备提升装备提升液压系统匹配性液压系统匹配性 远距离供液系统适用巷道变形量大条件，目前成熟应用2500 米供液方案 高压大流量乳化液泵技术打破国外垄断 ◼ 攻克了630L/min电磁卸荷阀、适用于 纯水介质的高强度整体式不锈钢泵头、 陶瓷柱塞等关键元部件技术瓶颈，打 破了国外的技术垄断 ◼ 成功研制出国内首台具有自主知识产 权的630L/min、40MPa 五柱塞乳化 液泵站 某矿千万吨大采高工作面实际使用情况 安全、稳定、清洁、高效的综采供液成套解决方案 29 装备提升高压乳化泵性能装备提升高压乳化泵性能提升提升 全球首套纯水介质的液压系统 ◼ 完成了以纯水为介质的关键液压元部件、高压泵站等装置的研制、 行成纯水介质成套装备体系的构建，对装备可靠性基础共性问题 解决迈出关键一步。 绿色环保纯水替代乳化液为工作介质，零污 染排放，无生态影响，符合国家环保政策要求 运营成本低超低的纯水制备成本为煤矿带来 显著的经济效益 液压装备可靠性大幅提升纯水介质清洁度极 高，无腐蚀性，液压件工况好，油缸、阀、密 封件故障率低，促进煤矿高效生产 30 装备装备提升提升纯水介质液压系统纯水介质液压系统 千兆工业以太网通信平台及标准协议 ◼ 工作面工业以太网具备1000M带宽通信能力，可实现视频、数据 高速传输 ◼ 建立了覆盖工作面的无线通信网络平台，可实现工作面内移动终 端设备快速、稳定无线接入 ◼ 网络型控制器实现综采工作面各装备间的无缝网络协议转换 综采综合接入器 1000M/bps 网络型支架控制器 33 系统平台系统平台 ◼ 国内首个针对矿山机电设备的标准化协议EtherNet/IP协议 涵盖采煤机、液压支架、刮板输送机、泵站、开关等11个，其中2个通用标准，9 种设备标准，实现工作面“一网到底” 先 导 反 馈 转载机 泵站子系统 扩音电话 液泵 硬接线 综合接入器第三代 闭锁线 移 变 集控中心 供 电 线 破碎机 刮板机尾 刮板机 三机控制子系统供电子系统 机尾 泵站主站 环网 工作面通讯子系统 闭 锁 线 485 环 网 1 2 ... 未采区 ... 169 170 组合开关 水泵 EIP ... ... ... ... ... ... 电液控子系统 地面调度室 矿井 环网 第三方接口 采煤机控制子系统 井下 地面 机头 EIP EIP PAC 千兆工业以太网通信平台及标准协议 32 系统平台系统平台 攻破工作面直线度控制技术 ◼ 核心装备惯性导航装置 采用高精度的三维陀螺仪，建立工作面 高精度惯性导航系统，实现基于惯性导航 装置对工作面直线度进行检测，达到对工 作面三平两直状态的有效评估及反馈控制， 实现工作面直线度校正 33 专项技术专项技术 液压支架姿态自适应技术完善 ◼ 护帮板行程传感器实现对护帮姿态的检测，检测护帮在打出时是否到位，实现 对护帮的有效支护，防止工作面片帮 ◼ 倾角传感器实现支架姿态检测，保证大采高工作面支架姿态正常，防止“高射 炮”和“栽头”现象，保证支架对顶板的有效支撑 ◼ 测高传感器基于帕斯卡定律的测高技术，实现对支架高度测量误差小于1，避 免架间顶梁错茬，导致的咬架情况，并可对工作面采高的有效监控 34 专项技术专项技术 人员安全感知技术 35 专项技术专项技术 ◼ 建立一套应用于综采工作面人员精确定位系统，解决电液控制系统支架操作人员 自动定位问题，系统通过对综采工作面移动人员进行信息采集，使工作面能够实 现人员定位管理 工作面自动化生产方式下，保证设备安全、人员安全 采煤机智能调高控制技术  基于工作面地质探测数据以及惯性导航、 三维激光扫描等技术应用，实现工作面开 采条件感知，构建工作面开采模型。  探索基于透明开采模型的数字化割煤技术， 实现工作面无人巡视、远程干预作业应用 的探索。 36 专项技术专项技术 效能 安全 分析决策 优化模型 评价体系 大 数 据 平 台 智能控 制系统 大数据及专家决策系统 37 专项技术专项技术 薄煤层电缆拖拽系统 ◼ 针对薄煤层工作面电缆夹掉道、 需要人员跟机看护的实际问题， 设计开发了电缆自动推拽系统， 实现电缆随采煤机牵引过程自 动张紧，既解决了电缆必须配 置人员看护问题，也提升了采 煤机电缆的可靠性 38 智能化专项装置智能化专项装置 机载视频 ◼ 针对现有固定安装方式的综采视频系统 存在的不适应性问题，提出了基于机载 臂的智能视频系统方案，融合了可见光 和红外热成像，提升视频系统的应用效 果 ◼ 开展基于机载视频的智能识别技术研究 及应用，提升了工作面智能化监测手段 39 智能化专项装置智能化专项装置 巡检机器人 ◼ 承担综采工作面巡检职责，可为综采“无人巡视、无人操作”的 智能化生产模式提供强有力技术支撑； ◼ 作为搭载平台，可集成三维激光扫描设备、惯性导航设备、红外 成像仪、高清摄像仪等装置，为智能化开采控制提升提供运载平 台。 40 智能化专项装置智能化专项装置 依托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”， 开展基于“透明工作面”的智能开采技术研究与装备的研制，实现“透明 采煤”目标 。 47 智能智能开采开采3 3. .0 0透明工作面智能化开采模式 ◼ 基于掘进超前探测数据构建初始三维地质模型，通过井下水平定向钻、地质雷 达等随采钻探及物探技术识别煤岩分界线以实时修正形成精准动态地质模型， 结合三维激光扫描技术构建的已开采空间模型，融合设备位置姿态数据形成动 态透明工作面，最终指导工作面精准开采生产。 基 于 超 前 探 测 构 建 初 始 三 维 地 质 模 型 随 采 更 新 的 精 准 动 态 地 质 模 型 已 开 采 空 间 模 型 综 采 装 备 位 置 姿 态 数 据 50 随采煤岩随采煤岩 识别数据识别数据 动态修正 精准开采 透明工作面的概念透明工作面的概念 51 关键技术高精度地质勘探技术关键技术高精度地质勘探技术 ◼ 地面钻孔技术可提供采样 点处精准地质构造信息。 ◼ 三维地震技术可提供大规 模区域地质构造信息，精 度可达0.51m。 随钻测量定向钻系统 ◼ 井下定向钻孔技术能够在随采期间提供工作面待采区精准煤岩分界依据。 ◼ UWB雷达等地质雷达探测技术能够提供准确工作面顶底余煤厚信息。 空气 / 煤层界线煤层 / 顶板界线 时间ns 16.00 8.00 0.00 深度m 1.38 0.69 0.00 UWB 地 质 雷 达 52 关键技术三维地质建模关键技术三维地质建模 ◼ 基于掘进超前探测数据（巷道、切眼、钻孔）构建初始三维地质模型。 ◼ 通过井下定向钻、地质雷达等随采数据更新形成动态精准地质模型。 【【工作面四周工作面四周】】 基于掘进工程所揭露的煤层信息与三 维激光扫描信息，准确可靠。 【工作面内控制点【工作面内控制点】】 基于钻探钻孔数据，准 确可靠。 【【工作面内控制线工作面内控制线】】 基于三维地震等地质勘测数据， 结合控制点后较为准确。 【【工作面内空白区域工作面内空白区域】】 通过横纵插值进行估算。 53 关键技术工作面激光三维扫描技术关键技术工作面激光三维扫描技术 ◼ 与刮板机一体化的工作面轨道巡检机器人，可作为无人工作面重要的通 用数据采集平台。 巡检轨道 巡检机器人 ◼ 通过搭载的高清/红外 摄像头、三维激光扫 描仪、惯性导航等智 能传感器，配合智能 感知应用，巡检机器 人可完成工作面巡视、 可视化设备诊断、工 作面空间/直线度测量 与跟机监控等重要任 务。 矿 用 三 维 激 光 扫 描 仪 54 ◼ 搭载有矿用三维激光扫 描仪、高精度惯性导航 单元的工作面巡检机器 人可进行全工作面三维 扫描进而得到全工作面 空间轮廓三维模型。 轻便型矿用惯性导航装置工作面轨道巡检机器人 关键技术工作面激光三维扫描技术关键技术工作面激光三维扫描技术 55 ◼ 结合惯性导航、机器视觉、无线定位等多种定位手段形成井下复合绝对 定位及导航技术。 ◼ 通过复合绝对定位导航技术将全工作面三维空间模型、设备位置姿态信 息与精准三维地质模型统一，为数字化精准割煤提供依据。 关键技术井下复合绝对定位及导航技术关键技术井下复合绝对定位及导航技术 56 关键技术采煤机数字化割煤技术关键技术采煤机数字化割煤技术 ◼ 对比包含有煤层地质信息的精准三维地质模型、已开采工作面三维空间 模型与综采设备绝对定位信息，综合考虑采高、工作面顶底板平整度等 工程指标要求，通过智能算法制定滚筒截割高度计划，并下发给采煤机 进行精准数字化割煤。 57 工程实践神东榆家梁数字化割煤工程实践神东榆家梁数字化割煤 工作面基本情况 神东榆家梁煤矿43101工作面长度351.42m， 推进长度为1809.4m，煤层厚度1.0-1.7m，平均 厚度1.47m，工作面设计采高1.4m。采用沿顶割 煤的方式，底板割岩200mm-300mm，采煤机 底滚筒割岩时机身振动大，采用前滚筒割底、后 滚筒割底的采煤工艺，采煤机实际最大速度为 6.7m/min，平均速度为3.2m/min。 项目实施背景 43101工作面存在的主要问题是工作 面平均设计采高低，工作面长度大，作业环 境粉尘大，作业空间受限、人员劳动强度高； 亟需探索一种新型的自动化薄煤层开采技术 来减轻作业人员劳动强度。 ◼2019年9月在中国神东榆家梁煤矿，通过三维地质建模、井下激光扫 描、井下绝对定位等技术手段，首次实现了基于三维地质模型的自主 智能精准割煤综采工作面。 ◼通过该智能精准开采技术，单月最高生产达15万吨。 三 维 地 质 模 型 精 度 可 达 0.3 米 煤 层 平 均 厚 度 1.47 米 ◼ 2019北京国际煤炭展览会现场展出榆家梁自主智能割煤过程。 成功 应用 58 智能化开采智能化开采3 3.0.0神东榆家神东榆家梁实践梁实践 全国智能化煤矿建设情况 2015年5月，全国仅有3个智能化采煤工作面，2018年底发展到80个。截至 2019年底，已有山东、山西、陕西、安徽、河南、内蒙古等15个省（区）建设 完成275个智能化采掘工作面。2020年8月底，共建成401个，预计到今年年底 能够达到550个以上。 3 80 183 275 338 401 557 214 223 278 392 61 115 123 165 0 100 200 300 400 500 600 2015年5月2018年12月2019年8月2019年12月2020年6月2020年8月2020年底（预计） 智能化工作面总数智能化工作面总数采煤工作面采煤工作面掘进工作面掘进工作面 全国智能化煤矿建设情况 山东、河南、山西、安徽等省开展智能 化的煤矿，采掘工作面人数减少一半以 上，部分矿井整体人员压缩幅度超过60。 河南省通过推进无人值守，2019年新增 无人值守岗位点850余个，优化减员2675 人。 山西省煤矿主排水泵房总数为1039个， 实现无人值守泵房数为179个，占比 17.39；井下变电所总数1815个，实现无 人值468个，占比为25.79；主要带式输 送机2013部，无人值守397部，占比 19.72。 采煤工作面生产效率也得到较大提升， 陕煤化集团在黄陵、陕北、彬长等矿区 采煤工作面效率提升20％30。 国内综采智能化开采推进情况 ◼ 截止19年底，据煤监局统计，全国已建成超过290个智能化工作面。由中国煤炭 科工集团技术支撑的占总量的2/3 。 国能榆神 国能宁煤 中煤能源 山西焦煤 阳煤集团 晋煤集团 冀中能源 平煤集团 中煤新集 山煤集团 陕煤集团 国能新疆 贵州能化 重庆能源 兖矿集团 川煤集团 华亭煤业 伊泰集团 铁法煤业 山东能源 新疆焦煤 龙煤集团 淮南矿业 同煤集团 潞安集团 41 运行效果 类别效果数量占比 A类两人跟机常态化78 B类全工作面跟机自动化89 C类中部跟机常态化、具备三角煤跟机功能1416 D类自动移架功能完好1921 E类不能发挥自动移架功能4147 ◼ 在运行的智能化工作面89个，其中使用自动化功能的48个，占比53。 42 黄陵智能化开采示范区黄陵智能化开采示范区 该 系 统 在 1.4- 2.2米煤 层 工 作 面 ， 配 套 全 部 国 产 综 采 成 套 装备 ◼ 实现“顺槽监控中 心2人可视化远程 干预控制，工作面 内1人巡视”常态 化连续运行； 成功 应用 减员 增效 ◼ 月产量达17.03万吨，年生产能力200万吨以上，生 产效率提高25；生产作业人员由11人递减至3人。 首个智能化无人综采工作面于2014年在中国˙黄陵孕育产生，首次实 现了地面一键启停井下自动化采煤。 黄陵已使用8套， 黄陵推广应用8套，其中黄陵一矿4套（薄煤层，中厚煤层，改造），黄 陵二矿3个大采高工作面，双龙矿1个工作面。 所有的工作面配置自动化，逐步形成智能化矿区。 黄陵智能化开采示范区黄陵智能化开采示范区 43 ◼ 滨湖煤矿一井三面自动化开采模式， 工作面自动化生产模式比人工就地操作 方式，效率提高30以上，积极促进了 矿井取消夜班生产安排，有力提升了工 人劳动幸福感。 ◼ 伊泰宝山煤矿，最低采高1.15米，最高 日产4000t，最高月产9万吨。 ◼ 山西省阳煤集团登茂通。 ◼ 其他铁法小青、双欣、翟镇、东荣、 文玉、金凤、打通一矿、龙滩等。 薄煤层智能化开采示范区薄煤层智能化开采示范区 44 巴彦高勒煤矿已成功应用3套自动化开采设备，首套自动化设备投入 运行后，累计开采完成2个工作面。 特点大采高、工作面水大、顶底板破碎 巴彦高勒煤矿 311306工作面国家863项目“综采智能控制技术与装备” 示范工作面，工作面长度260m，厚度4.86.21m，平均厚度5.42m，倾角03o ◼ 工作面采用“工以面自动控制为主，3 人巡视，1人远程指挥为辅”的自动化 模式，开创了大采高工作面“地面监测、 顺槽指挥、就地干预”的生产方式； ◼ 减少7人，工作面仅需5人，作业人员减 少60。 巴彦高勒大采高煤层智能化开采示范巴彦高勒大采高煤层智能化开采示范 45 转龙湾煤矿进行了工作面直线度控制系统（LASC） 的首次应用，开启了智能 化工作面新时代，解决了 长期困扰煤炭行业的工作面直线度问题，并成功实 现了在 宁煤地区的推广，宁煤红柳煤矿的再次成功 应用，证明 LASC 已能适应中国煤炭 行业的土壤。 ◼ 红柳Ⅰ040301工作面，国内复杂 地质条件下智能化开采代表性矿井； ◼ LASC系统找直控制常态化运行使 用率79.6，自动生产模式下工作 面月生产能力35万吨以上； ◼ 生产作业人员由11人递减至3人。 并在宁煤地区实现金凤矿、麦跺山、金家渠、双马、 羊场湾等矿的 大面积推广，该技术的应用将工作面 智能化提升到一个新高度，并能有效解 决综采工作 面直线度控制难题。 宁煤集团使用电液控39套；自动化13套， 其中10套LASC。 宁煤宁煤LASCLASC技术应用示范区技术应用示范区 46 报 告 提 纲 68 一．智能化开采背景及内涵 二．智能化开采技术及推广情况 三．智能化下一步发展方向 四．山西省煤矿智能化建设情况 五．思考及建议 下一步技术研究方向智能化开采2.0向3.0阶段迈进入 ◼ 整体发展方向由以工作面自动找直技术为关键代表技术的设备 自适应智能化开采阶段向基于透明工作面的智能化开采阶段发展 ◼ 重点装置、技术、产品的发展趋势  千兆工业以太网Ethernet/IP通信 协议标准化平台  网络型可编程智能型支架电液控制 系统  液压支架姿态自适应  综采工作面智能控制软件  激光三维扫描技术  红外热成像技术  图像智能识别技术  工作面巡检机构  薄煤层电缆拖拽系统  机载视频系统  大数据分析、数据挖掘  基于采煤机滚筒智能调高的数字化 割煤技术 整体推广2.0向3.0阶段迈进 58 70 1. 透明工作面与 无人化控制技术 2.智能化无人快 速掘进技术 3.运输系统无人化 技术 4.通信导航与图像 识别共性关键技术 ◼透明工作面与无人化控制技术“透明工作面”构建、井下无人化智能感 知和自适应控制技术等； ◼智能化无人快速掘进技术煤巷智能快速掘进、钻锚注联合支护技术、智 能超前探测技术、巷道掘进智能控制技术等； ◼运输系统无人化技术主运系统及机群协同控制技术、皮带无人巡检技术、 智能煤矿辅助运输无人驾驶技术等； ◼通信导航与图像识别共性关键技术井下5G通信技术、设备定位和导航技 术、机器人技术、图像识别技术等。 智能化智能化开采开采4 4. .0 0透明矿井透明矿井 71 煤矿机器人开采技术煤矿机器人开采技术  煤矿机器人开采 综采开采装备转变为开采机器人装备 ◼ 2019年国家安监局1号文 发布煤矿机器人重点研 发目录，鼓励支持研发、 应用煤矿机器人，推进煤 炭工业高质量发展； ◼ 要建成真正的无人化矿井, 必然要求井下全环节、全 作业流程的机器人替代； 72 智慧矿山建设智慧矿山建设  智慧矿山建设 生产经营 管理平台 ERP系统、经营绩效管理系统、企业决策 支持系统等 生产系统 视频增强剂实施数据驱动三维场景再现远程干预操作平台 地质及 矿井采 掘运通 信息管 理平台 井下精 确定位 导航通 信管理 操作平 台 智能化 少人采 掘系统 综合管 理操作 平台 环境及 危险源 感知与 阿全预 警系统 平台 井下安 全避险 六大系 统综合 管控偶 明天 井下机 器人群 系统控 制与馈 电管理 平台 矿井设 计和设 施监控 管理操 作平台 安全保障综合保障 矿井三维地质数据综合管理平台 统一操作 系统平台 通信协议转换，数据格式统一，多源异构 数据分析、挖掘与融合 信息传输数据、视频、音频高效传输网络搭建 自主感知 与控制 各类传感器与控制、执行机构 井下系统 平台 ◼ 形成矿井区全面感知、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； ◼ 涵盖矿井区开拓、采掘、 运通、洗选、安全保障、 生态保护、生产管理等全 过程智能化运行体系； 属于 矿井全产业链运行新模式 73 煤矿特种作业机器人应用煤矿特种作业机器人应用  煤矿特种作业机器人 ◼ 关于加快煤矿 智能化发展的指 导意见，指出 到2025年，井下 重点岗位机器人 作业 ◼ 特种作业机器人 的开发将极大程 度替代危险作业 岗位人员，实现 安全、高效生产 目标 74 煤炭工业互联网普及与应用煤炭工业互联网普及与应用  煤炭工业互联网 ◼ 建立煤流物联网（Coal Internet of Things，CIOT），通过数字化技术全 面连接煤炭生产、洗选加工、运输、 销售、使用以及安全监管、企业决策、 生态影响等方面； ◼ 为煤炭企业赋能，实现煤炭行业更高 层级、更大范围的信息化，及与工业 化紧密融合应用 75 5 5G技术在煤炭行业的推广应用技术在煤炭行业的推广应用  5G技术 大宽带大宽带 超低时延超低时延 高可靠性高可靠性 大宽带大宽带 5G 4G 1Gbps 10万 10ms eMBB mMTC URLLC 20Gbps 100万/km21ms 物联网 无人机 在线4K视频 VR/AR 智慧矿山 工业互联网智能服务 ◼ 建立5G智慧化矿山新的产业格 局，实现5G网络在煤矿通信、管 理、生产、销售、安全、监测等 方面的应用落地； ◼ 借助5G平台的 高运算能力实现 矿井生产数据的 及时处理，为煤 炭信息化前瞻应 用方面探索提出 成功、可行的解 决方案 76 地质保障技术体系建立地质保障技术体系建立  煤矿智能化开采地质保障 ◼ 利用先进技术实现煤炭开采前、中、后全矿井地质体和隐蔽属性精准化、 透明化和可视化，达到对地质灾害和危险源的超前预知和防治,确保精准 开采工作顺利进行 ◼ 技术内涵包括 精准的几何模型； 透明的隐蔽属性； 灾害的超前感知； 采掘的智能决策 报 告 提 纲 77 一．智能化开采背景及内涵 二．智能化开采技术及推广情况 三．智能化下一步发展方向 四．山西省煤矿智能化建设情况 五．思考及建议 78 他山之“石”他山之“石”  贵州省煤矿智能化攻坚方案 ◼ 攻坚目标 到2020年底，全省生产煤矿采煤机械 化率达到96、机械化改造实施覆盖率达到 100，辅助系统智能化、信息化服务管理 和监控覆盖率均达到100。 ◼ 重点任务 ➢ 煤矿两化升级改造 ➢ 保障已实施“两