为总结中国煤炭科工集团“十三五”期间的科技成果，展示中国煤炭科工集团在构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系方面做出的成就，并为“十四五”煤炭科技发展提供参考。《煤炭科学技术》2021年第4期特邀中国工程院院士、中国煤炭科工集团科学技术委员会主任康红普院士担任客座主编，中国煤科一级首席科学家吴拥政研究员担任客座编辑，策划了“中国煤科首席科学家成果”专题。

任怀伟研究员以中煤新集口孜东煤矿140502工作面地质条件为基础，针对该工作面俯采倾角变化大、矿压显现剧烈、顶板煤壁破碎所致的采场围岩稳定控制难、液压支护系统适应性降低等问题，研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术，为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑。

个人简介

任怀伟，男，河北廊坊人，博士，研究员，硕士生导师，中煤科工开采研究院有限公司科创中心副主任。中国自动化学会智慧矿山专委会秘书长，《煤炭科学技术》青年学术委员会委员，International Journal of Coal Science & Technology 评审专家，国家科技专家库专家。近年来主持、参与国家及省部级科研项目14项，其中主持国家自然科学基金1项、省部级课题2项；参与完成863、973计划课题2项、国家自然科学基金重点基金1项、国家重点研发计划1项，承担智能矿山建设重大项目（2000万元以上）3项，成果在多个矿区推广。获得国家科技进步二等奖一项，省部级一等奖9项。发表学术论文63篇，其中SCI/EI收录21篇。参与出版专著3部，总计22万字。授权国家发明专利11项。已完成国家标准制定3项。荣获杰出工程师青年奖、全国煤炭青年科技奖。

任怀伟研究员致力于煤矿综采装备系统、工作面智能化控制和智能矿山关键技术等研究与技术推广应用。

1、在液压支架结构设计优化方面，提出了基于液压支架高度分区及可靠性的概论有限元计算方法。

2、在液压支架与围岩耦合关系方面，提出了液压支架与围岩耦合定量分析与动态设计方法，发明了一种用于综采工作面围岩自适应支护的液压支架智能化控制方法和地下开采液压支护系统的群组自组织协同控制技术。

3、在智能开采技术方面，提出了基于全位姿测量及虚拟仿真控制的智能开采模式，给出了融合视觉的装备全位姿测量、工作面装备位姿一体化描述及驱动关系建模、基于Unity3D的综采虚拟仿真控制等三项支持智能决策的关键技术。

4、在智能化矿山研究方面，构建了新的开采系统全局智能化控制架构，提出基于二阶行为模式分析的信息实体主动匹配与推送策略及基于深度学习的煤矿智慧逻辑模型进化机制；提出考虑随机误差的强耦合设备群空间坐标统一描述模型及各设备空间关联坐标系转换方法、开采环境-装备耦合作用规律、时变多因素影响下开采设备群全局最优规划和分布式协同控制方法；为实现更为复杂地质条件下的连续稳定开采提供基础理论支撑。（简介来源于中煤科工集团官网）

摘 要

千米深井复杂条件煤层智能化开采是当前煤矿技术发展迫切需要解决的难题。以中煤新集口孜东煤矿140502工作面地质条件为基础，针对该工作面俯采倾角变化大、矿压显现剧烈、顶板煤壁破碎所致的采场围岩稳定控制难、液压支护系统适应性降低等问题，研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术，为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑。研发了基于LORA的工作面液压支架(围岩)状态监测系统，同时获取立柱压力和支架姿态数据。提出了基于大数据分析的矿压分析预测方法，采用FLPEM和ARMA两种算法组合预测提升精度和效率，采用数据分布域适应迁移算法解决了支护过程中时变工况导致预测模型失准的问题，模型预测精度达到92%以上。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，支撑复杂条件下的围岩控制和煤层跟随截割控制的智能决策。现场试验表明：工作面在试验期开采高度达到6.5 m，在14°～17°俯采、顶板相对破碎、煤层硬度1.6的条件下，月产达到31.5万t。设备可靠性和适应性较之前该矿使用设备明显提升，工作面安全性大幅改善，实现了千米深井三软煤层的安全高效开采。

引 言

开采自动化、智能化技术研究是当前煤炭领域研究的热点。针对不同地质条件，国内外学者在采场状态感知与建模、自动控制技术以及开采装备创新方面开展了大量研究。澳大利亚联邦科学与工业研究组织研发出LASC技术，采用军用高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法获知采煤机的三维坐标，实现工作面自动找直等智能化控制。液压支架自动跟机、采煤机斜切进刀自动控制及基于位置感知的三机协同推进控制等在地质条件相对较好的陕北、神东等矿区已经得到推广应用，基本实现了“工作面无人操作，工作面巷道有人值守”的常态化开采。对于地质条件相对复杂的薄煤层及中厚煤层，研发了基于动态修正地质模型的智能采掘技术，采用定向钻孔、随采探测等动态修正工作面地质模型，通过构建工作面绝对坐标数字模型实行自主智能割煤。

笔者以中煤新集口孜东煤矿140502工作面为工业性试验点，针对工作面俯采倾角变化大、矿压显现剧烈、顶板煤壁破碎所带来的采场围岩稳定性控制难度大、液压支护系统适应性降低等问题，基于工作面煤层地质条件研发了7 m四柱式超大采高液压支架；建立了工作面状态监测系统，实时监测和解算支架支护状态和围岩定性；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，突破千米深井智能开采围岩稳定性控制和装备运行适应性控制的关键技术瓶颈。

1 千米深井工作面地质条件及开采特点

1.1 口孜东煤矿5号煤煤层赋存条件

口孜东煤矿5号煤埋深967 m，工作面沿倾斜条带布置，走向方向南部平缓，北部较陡，煤层平均倾角14°，局部20°，俯采最大角度17°。1405采区工作面布置如图1所示，首采140502工作面倾向倾角8°～15°，平均倾角14°，局部20°。煤层厚度2.86～9.75 m，平均6.56 m，普氏系数1.6。工作面顶、底板以泥岩为主，少数为细砂岩、粉砂岩及砂质泥岩，顶、底板围岩特点是岩层较软。

1.2 工作面装备选型配套

根据口孜东煤矿5号煤层地质赋存条件，通过对比分析不同采煤方法、支架方案选择的优缺点，综合分析产量和效率因素、资源采出率因素、采空区遗煤自然发火因素、工作面超前段巷道维护因素、工作面支护因素、人员因素、智能化开采因素等，确定选择7.0 m大采高一次采全高采煤方法进行开采。淮南地区地质构造与国内其他地区有较大不同，具体表现为埋深大、“三软”煤层、倾角大、松散层厚、基岩薄等，工作面主要采用俯斜长壁采煤法。对于口孜东煤矿140502工作面而言，大采高开采可以充分发挥资源采出率高、开采工艺简单、工作面推进速度快、设备维护量少、易于实现自动化和有利于工作面“一通三防”等优势，但需要对液压支架与围岩适应性进行深入分析研究，要综合考虑支护强度、顶梁前端支撑力、合力作用点调节范围、防片帮冒顶、防扎底等多种因素，对液压支架和成套装备参数进行针对性设计。确定支架最大高度7.2 m，最小高度考虑运输与配套尺寸，确定为3.3 m。140502工作面配套装备见表1。

2 千米深井工作面智能开采技术路径

针对千米深井复杂条件工作面开采，除成套装备功能、参数与围岩条件相匹配外，控制系统能否适应环境动态变化、控制围岩稳定并驱动装备跟随煤层自动推进是影响开采效率和安全、减少作业人员、降低劳动强度的关键。目前，在地质条件简单、煤层变化小的工作面，智能化开采技术与装备主要实现开采工艺自动化和“三机”装备协调联动控制，以提升开采效率为目标。然而，上述口孜东煤矿5号煤140502工作面走向倾向都有倾角、顶板破碎、围岩大变形，是典型的复杂条件工作面。在该工作面实施7.0 m大采高开采，极易发生片帮、冒顶、扎底、飘溜、上窜下滑等问题，必须通过现场操作工人的经验提前实施预防措施，现有自动化技术无法完成上述功能。因此，复杂条件煤层智能开采必须在装备性能、参数足够满足要求的前提下，实现以围岩稳定支护和煤层跟随截割为目标的环境适应性控制，是一个不依赖人工操作的自适应自学习过程。

3 7.0 m 大采高复杂条件工作面智能化关键技术

3.1 7.0 m超大采高液压支架适应性设计

围岩支护和装备推进都离不开液压支架。复杂条件工作面开采首先要求液压支架要有适应围岩变化的能力。针对口孜东煤矿5煤的140502工作面条件，对液压支架结构和动态性能进行创新设计，研制出最高的ZZ18000/33/72D四柱式一次采全高液压支架，如图5所示。

3.2 工作面液压支架(围岩)状态监测系统研发

通过安装在液压支架上的压力传感器反映顶板压力变化情况和岩层运移规律是普遍采用的研究工作面状态的方法。然而，对于走向、倾向均有倾角的千米深井复杂条件工作面，只有压力数据还不足以反映围岩情况，必须将立柱压力状态和支架姿态数据(工作面角度)结合起来。

3.3 工作面三维仿真与运行态势分析决策平台

工作面三维仿真与运行态势分析决策系统是复杂条件工作面智能开采的大脑。监测系统采集的数据会在平台上进行解算，得出液压支架受力状态和姿态，从而判定围岩稳定性和工作面倾角；同时，可基于历史数据进行趋势分析、推进方向路径规划及矿压动态预测；预测结果可通过自动或人工发送指令控制工作面装备调整开采工艺和参数。

4 现场试验与数据分析

研发的7.2 m超大液压支架、工作面状态监测系统和三维仿真与运行态势分析决策平台于2021年2月安装在口孜东煤矿140502工作面(图15)，进行工业试验。

工作面液压支架状态监测系统也同步安装完成，图16所示为现场安装的倾角传感器。

根据液压支架顶梁、掩护梁和底座倾角传感器安装情况，可以对局部工作面液压支架的姿态进行实时监测，如图17所示。

工作面三维仿真与运行态势分析决策平台安装在地面集控中心的服务器上，如图18所示。

5 结 论

以中煤新集口孜东煤矿140502工作面地质条件为基础，研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术，并研发了成套装备和监测系统、虚拟仿真决策平台，为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑。

1)深部开采中，煤层三维曲面分布及围岩变形是其主要特征，综采装备的三维空间姿态及受力状况感知、预测是安全、高效开采的核心，而非简单条件工作面设备的协同联动控制。基于预测结果的预警、提前启动工艺保障措施是顺利开采的关键。

2)研发了基于LORA的工作面液压支架(围岩)状态监测系统，形成“集控中心-主(以太网)、主-分(CAN总线)、分-传感器(LORA自组网)”的通信链路，同时获取立柱压力和支架姿态数据。

3)提出了基于大数据分析的矿压分析预测算法，采用数据分布域适应迁移算法解决了支护过程中时变工况导致预测模型失准的问题，模型预测精度达到92%以上。

4)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，通过监测感知数据实时驱动工作面装备三维模型，同时基于大数据分析结果预测、分析和模拟后续开采过程，支撑复杂条件下的围岩控制和煤层跟随截割控制的智能决策。

针对复杂条件煤层智能开采技术的研究目前尚处于起步阶段，技术、工艺和管理上还有许多未解决的问题，需要在环境感知、数据分析、控制算法等方面加大研究力度，充分利用物联网、大数据、深度学习等先进技术，不断提高综采装备的智能控制水平，提升复杂条件煤层智能化综采技术的系统性适用性、稳定性和协调性，最终降低井下工作人员的劳动强度，提高采出效率和效益。

引用格式

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.REN Huaiwei，GONG Shixin，LIU Xinhua，et al.Research and application on key techniques of intelligent mining for kilo-meter deep coal mine[J].Coal Science and Technology，2021，49(4):149-158.

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