综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向

㊀第４２卷第９期

煤炭科学技术

Ｖｏｌ ４２㊀Ｎｏ ９㊀

㊀２０１４年

９月

ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ｓｅｐｔ.㊀２０１４㊀综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向

王㊀国㊀法

(天地科技股份有限公司开采装备技术研究所ꎬ北京㊀１０００１３)

摘㊀要:针对煤矿综采自动化技术发展中的焦点问题ꎬ分析综采成套技术与装备发展现状ꎬ阐述综采工作面自动化㊁智能化和无人化概念与关键技术特征ꎬ介绍综采成套装备自动化智能化无人化最新技术发展成果ꎬ剖析综采工作面自动化㊁智能化和无人化开采的主要技术难题㊁制约因素及目前发展中存在的问题ꎬ探讨综采成套装备自动化智能化无人化发展方向和技术途径ꎮ关键词:煤矿ꎻ综采工作面ꎻ成套装备ꎻ自动化ꎻ智能化ꎻ无人化

中图分类号:ＴＤ６７ꎻＴＤ４２１㊀㊀㊀文献标志码:Ａ㊀㊀㊀文章编号:０２５３－２３３６(２０１４)０９－００３０－０５

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｐｌｅｔｅＦｕｌｌｙ－ＭｅｃｈａｎｉｚｅｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬ

ＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄＵｎｍａｎｎｅｄＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

ＷＡＮＧＧｕｏ￣ｆａ

(ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｎｉｎｇＥｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＴｉａｎｄｉＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄꎬＢｅｉｊｉｎｇ㊀１０００１３ꎬＣｈｉｎａ)

Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｆｏｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｃｃｕｒｒｅｄｉｎｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｍｉｎｇｆａｃｅꎬｔｈｅｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｔａｔｕｓｏｆｔｈｅｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏｍｐｌｅｔｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｓｔａｔｅｄａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄｕｎ￣ｍａｎｎｅｄｉｄｅａａｎｄｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｔｈｅｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ.Ｔｈｅｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｎｅｗｔｅｃｈｎｉｃａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｕｎｍａｎｎｅｄｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｃｏｍｐｌｅｔｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎬａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｂｌｅｍｓｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｕｎｍａｎｎｅｄｍｉｎｉｎｇａｐｐｌｉｅｄｔｏｔｈｅｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅꎬｔｈｅｒｅｓｔｒｉｃｔｅｄｆａｃｔｏｒｓａｎｄｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｅｄｉｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎａｎｄｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｏｕｔｅｏｆｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅａｎｄｕｎｍａｎｎｅｄｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｍｉｎｉｎｇｃｏｍｐｌｅｔｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃｏａｌｍｉｎｅꎻｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅꎻｃｏｍｐｌｅｔｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔꎻａｕｔｏｍａｔｉｏｎꎻｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔꎻｕｎｍａｎｎｅｄ

收稿日期:２０１４－０５－０６ꎻ责任编辑:赵㊀瑞㊀㊀ＤＯＩ:１０.１３１９９/ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０９.００７

基金项目:国家高技术研究发展计划(８６３计划)资助项目(２０１２ＡＡ０６Ａ４０７)ꎻ国家重点基础研究发展计划(９７３计划)资助项目(２０１４ＣＢ０４６３０２)作者简介:王国法(１９６０ )ꎬ男ꎬ山东文登人ꎬ研究员ꎬ博士生导师ꎬ现任天地科技股份有限公司开采装备技术研究所所长ꎮ引用格式:王国法.综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２(９):３０－３４ꎬ３９.

ＷＡＮＧＧｕｏ￣ｆａ.ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＯｒｉｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＣｏｍｐｌｅｔｅＦｕｌｌｙ－ＭｅｃｈａｎｉｚｅｄＡｕｔｏｍａｔｉｏｎꎬＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄＵｎｍａｎｎｅｄＭｉｎｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｑｕｉｐｍｅｎｔ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２(９):３０－３４ꎬ３９.

０㊀引㊀㊀言

㊀㊀国家 十五 ㊁ 十一五 期间以来ꎬ我国煤炭开采技术及装备取得重大进步ꎬ推动了煤矿安全高效绿色开采技术的发展ꎬ建成了一大批综合机械化和高自动化程度的现代化矿井ꎬ生产效率㊁安全指标和煤炭产量大幅度提高ꎬ满足了国民经济发展的能源需求ꎮ煤矿综合机械化长壁开采是煤炭主要开采方式ꎬ综采成套装备的技术进步是促进煤炭安全高效绿色开采技术发展的引擎ꎮ现代自动化㊁信息化㊁智能化技术及先进制造技术与煤炭开采技术的深度融合ꎬ使煤矿综采成套装备实现自动化㊁智能化㊁无人

化成为可能ꎮ煤矿井下工作条件恶劣ꎬ安全隐患和危害职业健康的因素多ꎬ加强煤矿智能化开采装备技术的研究和应用ꎬ淘汰落后的开采方法和装备ꎬ引导煤矿向安全高效绿色开采方向发展ꎬ提升装备的自动化和智能化水平ꎬ逐步实现少人化㊁无人化开采是煤炭综采技术发展趋势和矿井现代化生产的必然要求ꎮ我国煤炭资源赋存条件千差万别ꎬ井下采场围岩变化规律复杂ꎬ影响综采成套装备可靠性的因素多ꎬ特别是安全制约因素ꎬ使实现无人开采成为很大难题[１－３]ꎬ近年来ꎬ在攻克这些难题方面取得了重要突破ꎬ取得了一批综采自动化和智能化技术创新成果ꎬ一些先进矿井实现了综采工作面少人化[４－７]ꎮ

０

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王国法:综采自动化智能化无人化成套技术与装备发展方向２０１４年第９期

近年来ꎬ我国一些学者虽取得一些综采工作面自动化㊁智能化和无人化创新成果ꎬ对推动新技术的推广应用有积极意义ꎬ但一些项目技术内涵㊁实际效果与名称不符ꎬ造成了一些技术概念模糊ꎮ笔者基于在本领域的长期研究和实践ꎬ通过研究分析国内外综采技术装备发展概况和近年来对综采成套装备自动化㊁智能化和无人化技术装备的创新研发ꎬ对综采工作面自动化㊁智能化和无人化概念与关键技术特征进行科学界定ꎬ针对综采工作面自动化㊁智能化和无人化开采的主要技术难题㊁制约因素及目前发展中存在问题ꎬ提出我国煤矿综采自动化智能化无人化成套技术与装备创新思路和发展方向ꎮ

１㊀综采自动化发展概况与技术特征

１ １㊀综采自动化发展概况

㊀㊀美国和澳大利亚煤矿开采自动化水平普遍较高ꎬ自２０世纪８０年代起ꎬ就建立了 一井一面 高效集约化的长壁开采模式ꎬ在工作面采用了计算机技术㊁大功率变频牵引采煤机控制技术㊁液压支架电液控制技术㊁刮板输送机软启动和变频技术ꎬ逐步实现了工作面少人操作自动化采煤ꎬ每个生产班工作面全员仅有６~８人ꎮ我国自２０００年以来ꎬ逐步引进和创新高效集约化现代化矿井生产模式ꎬ发展高端综采装备ꎬ开发应用自动化和智能化技术ꎬ实现井下工作面少人化高效生产ꎬ在薄煤层和大倾角等复杂难采煤层综采㊁大采高㊁特厚煤层综采放顶煤开采技术水平方面走在了世界前列ꎮ

㊀㊀国际煤矿综采装备制造商经过了市场激烈竞争的优胜劣汰和多轮兼并重组ꎬ形成了ＪＯＹ㊁Ｅｉｃｋｈｏｆｆ㊁ＣＡＴ等高端设备制造商ꎬ其产品在可靠性和自动化㊁智能化程度方面达到了很高水平ꎮ在采煤机㊁刮板输送机㊁液压支架等设备实现高可靠性单机自动控制功能的基础上ꎬ通过工作面 三机 与巷道监控中心联网㊁通信ꎬ实现监控中心对 三机 及井下环境安全信息实时监测与控制ꎮ

１ ２㊀综采自动化概念和技术特征

㊀㊀综采自动化一般可泛指在综采成套装备中应用自动化和智能化控制技术ꎬ实现不同程度的工作面少人化或无人化开采作业ꎮ为更好地反映和表述综采工作面的自动化技术内涵和水平ꎬ依据综采工作面成套装备控制系统在感知㊁决策和执行三要素方面的水平ꎬ定义为自动化综采工作面㊁智能化综采工作面㊁无人化综采工作面ꎮ㊀㊀１)自动化综采工作面ꎬ是指综采工作面采用了具有自动化控制功能的液压支架㊁采煤机㊁刮板输送机等机电一体化成套装备ꎬ实现了工作面少人操作㊁安全高效开采ꎮ自动化综采工作面主要技术特征是:①液压支架电液控制ꎬ可实现邻架㊁成组㊁程序控制和跟机移架等功能ꎻ②采煤机电牵引㊁自动调高控制㊁自定位㊁故障自诊断ꎬ可实现与液压支架及工作面控制系统的通信和自动控制功能ꎻ③工作面运输设备具有电气软启动㊁机尾自动张紧㊁故障诊断及与工作面控制系统的通信和自动控制功能ꎻ④工作面自动控制系统能实现工作面设备间的信息通信㊁工作面人工干预协调控制等ꎮ

㊀㊀２)智能化综采工作面ꎬ是指综采工作面采用了具有充分全面的感知㊁自学习和决策㊁自动执行功能的液压支架㊁采煤机㊁刮板输送机等机电一体化成套装备ꎬ实现了工作面的高度自动化少人远程监控㊁安全高效开采ꎮ智能化综采工作面主要技术特征是:①液压支架智能控制ꎬ液压支架以电液控制系统为基础ꎬ同时ꎬ具有支架与围岩耦合监测控制㊁超前压力预报㊁初撑和移架状态自决策控制㊁姿态监测与智能决策控制㊁煤帮智能决策控制㊁记忆时序控制放煤㊁智能喷雾降尘控制等功能ꎻ②采煤机智能控制ꎬ采煤机具有位置监测精确定位㊁自学习智能轨迹规划㊁基于智能决策或煤岩识别的滚筒自动调高㊁自动记忆割煤㊁防碰撞安全避险㊁故障自诊断等功能ꎬ并具有基于产量需求㊁输送机设备负荷㊁工作面环境等信息的智能决策调速㊁采高自动控制㊁远程可视化控制等功能ꎻ③工作面运输设备具有电气软启动㊁负载及运行状态监测㊁系统运行参数在线监测㊁机尾自动张紧㊁故障诊断及与工作面控制系统的通信和自动控制功能ꎻ④工作面智能控制系统能实现工作面设备间的信息通信㊁自学习和智能决策远程控制与工作面人工干预协同控制等ꎮ

㊀㊀３)无人化综采工作面ꎬ是指综采工作面采用了具有完全自动化㊁智能化控制功能㊁高可靠性的液压支架㊁采煤机㊁刮板输送机等机电一体化成套装备和远程智能化综合控制系统ꎬ实现了工作面(两端头以内)完全无人操作的安全高效开采ꎮ无人化综采工作面主要技术特征是:①液压支架智能耦合群组控制ꎬ液压支架以电液控制系统为基础ꎬ同时ꎬ具有支架与围岩耦合监测控制㊁超前压力预报㊁初撑和移架状态(擦顶移架和移架直线度导航)自决策控制㊁煤帮智能决策控制㊁姿态监测与智能决策群组协同

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