為解決綜放工作面設(shè)備自動(dòng)化率低、人工勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題，北京天瑪智控科技股份有限公司以保德煤礦綜放工作面為對(duì)象，研究了智能感知、智能控制、智能管理3大體系的少人化放頂煤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工作面巡檢三維掃描、AI 視頻監(jiān)控、設(shè)備工況監(jiān)測(cè)的智能感知功能，攻克了自主割煤技術(shù)、三級(jí)融合智能放煤技術(shù)、煤流負(fù)荷平衡3項(xiàng)核心控制技術(shù)，建立了透明開采智能綜放管理平臺(tái)，形成了“智能采放、協(xié)同集控、遠(yuǎn)程干預(yù)”的工作面智能綜放開采模式。研究應(yīng)用結(jié)果表明，少人化放頂煤提高了保德煤礦綜放工作面的智能化水平和開采效率，形成了示范性應(yīng)用成果，為同類型工作面的智能開采研究提供借鑒和參考。

文章來(lái)源：《智能礦山》2025年第8期“學(xué)術(shù)園地”欄目

第一作者：高亮亮，現(xiàn)任北京天瑪智控科技股份有限公司智能開采事業(yè)部副總經(jīng)理，主要從事煤礦智能化開采裝備、智能開采解決方案的相關(guān)研究工作。E-mail：gl517@163.com

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：高亮亮，葉壯.保德煤礦少人化放頂煤技術(shù)研究與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(8)：56-62.

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煤炭開采技術(shù)的智能化升級(jí)對(duì)保障能源安全、提升生產(chǎn)效率、推動(dòng)無(wú)人化開采至關(guān)重要。放頂煤開采作為厚煤層高效開采的核心工藝之一，因地質(zhì)條件復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境惡劣，存在安全風(fēng)險(xiǎn)高、頂煤回收率低、煤流負(fù)荷波動(dòng)嚴(yán)重等問題。隨著《煤礦智能化建設(shè)指南（2021年）》的發(fā)布及“十四五”煤炭工業(yè)發(fā)展規(guī)劃的推進(jìn)，智能放頂煤技術(shù)研究成為破解上述難題的關(guān)鍵突破口。

國(guó)能神東煤炭集團(tuán)保德煤礦（簡(jiǎn)稱保德煤礦）煤層厚、地質(zhì)條件復(fù)雜，工作面設(shè)備已具備單機(jī)自動(dòng)化功能，但各子系統(tǒng)仍采用就地控制方式，設(shè)備開啟、停止等操作均需就地人員實(shí)施，且后部放煤均采用人工放頂煤，存在放煤量控制難、頂板控制風(fēng)險(xiǎn)大、采煤機(jī)割煤底板控制差等問題。

為推進(jìn)綜放工作面智能化技術(shù)發(fā)展，2021年，開展了神東煤炭“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”無(wú)人化礦井關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與工程示范，聯(lián)合北京天瑪智控科技股份有限公司（簡(jiǎn)稱天瑪智控）進(jìn)行了保德煤礦綜放工作面少人化放頂煤技術(shù)研究與應(yīng)用，提高保德煤礦綜放開采智能化水平和效率，達(dá)到減人增效目的，形成智能化綜放解決方案及示范應(yīng)用成果。

保德81203綜放工作面基本情況

保德煤礦礦井現(xiàn)有1個(gè)綜放工作面生產(chǎn)，為二盤區(qū)輔運(yùn)大巷以南81203綜放工作面。主要設(shè)備有7LS6C/LWS636型采煤機(jī)，ZFY12500/25/39D兩柱放頂煤電液控支架，SGZ 1000/2400型前部刮板輸送機(jī)和SGZ1000/2400型后部刮板輸送機(jī)，SZZ1350/700型轉(zhuǎn)載機(jī)及PCM700型破碎機(jī)。工作面總裝機(jī)容量9 020 kW，裝備總噸位約6 900 t。81203綜放工作面設(shè)計(jì)尺寸240×2 812 m，預(yù)計(jì)回采煤量637萬(wàn)t，煤層厚度6.0～9.7 m。運(yùn)輸巷道巷道高度3.8 m，坡度為3°～13°，切眼尺寸9.8 ×3.7 m，以割煤、放煤工序?yàn)橹行?，以一刀一放為基本工藝，采放平行作業(yè)。

保德煤礦少人化放頂煤系統(tǒng)架構(gòu)

保德煤礦少人化放頂煤系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包含智能感知、智能控制、智能管理3部分。

圖1 保德煤礦少人化放頂煤系統(tǒng)架構(gòu)

（1）智能感知

工作面智能感知系統(tǒng)由三維巡檢小車、AI攝像儀、海量傳感器等硬件組成，巡檢小車集成了三維激光掃描功能，獲取工作面地質(zhì)和設(shè)備位姿的三維空間模型；AI攝像儀集成了邊緣側(cè)的AI識(shí)別算法，采集工作面視頻圖像，并實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)滾筒識(shí)別跟蹤、護(hù)幫板狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及電子圍欄等功能；工作面設(shè)備安裝溫度、振動(dòng)、油質(zhì)、電壓電流、傾角等海量傳感器，監(jiān)測(cè)設(shè)備內(nèi)部工況狀態(tài)數(shù)據(jù)。基于工作面三維掃描、AI視頻監(jiān)控、設(shè)備工況監(jiān)測(cè)等技術(shù)的智能感知，為工作面智能化管控提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）智能控制

采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)是工作面的“三機(jī)”核心裝備，采、放、運(yùn)是綜放工作面煤炭開采的核心工序。綜放智能控制系統(tǒng)攻克了綜放工作面的數(shù)字化自主割煤技術(shù)、三級(jí)融合智能放煤技術(shù)、煤流負(fù)荷平衡技術(shù)3大關(guān)鍵核心技術(shù)，提高了保德煤礦綜放工作面采、放、運(yùn)3大核心工序的智能化水平。

（3）智能管理

綜放智能管理系統(tǒng)基于透明開采智能綜放管理平臺(tái)，集成了大數(shù)據(jù)中心、綜采設(shè)備協(xié)同控制中心與安全管理中心等管理協(xié)同模塊，是煤礦智能化建設(shè)中實(shí)現(xiàn)高效協(xié)同、安全管控與決策優(yōu)化的核心大腦。

保德煤礦智能感知系統(tǒng)

3.1 工作面巡檢小車與三維重建

工作巡檢小車搭載了高清攝像儀、紅外熱成像攝像儀、三維激光掃描儀、位置檢測(cè)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等系統(tǒng)，并集成了甲烷檢測(cè)功能和自我位姿檢測(cè)功能，工作面巡檢小車如圖2所示。

圖2 工作面巡檢小車

由于工作面起伏、俯仰變化復(fù)雜，導(dǎo)致安裝于刮板輸送機(jī)上的軌道也起伏扭轉(zhuǎn)，研制出適應(yīng)軌道橫滾及俯仰形狀變化的巡檢小車。行走機(jī)構(gòu)通過(guò)在巡檢小車中部設(shè)置縱向轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)巡檢小車對(duì)橫滾變形的自適應(yīng)調(diào)節(jié)；通過(guò)設(shè)計(jì)履帶輪上下擺動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)履帶輪的自適應(yīng)俯仰，解決了軌道彎曲對(duì)車輪的阻塞問題。

在工作面兩端部及巡檢小車上分別部署了三維激光掃描儀，通過(guò)點(diǎn)云識(shí)別技術(shù)，提取到具有絕對(duì)坐標(biāo)的標(biāo)識(shí)物，以此作為工作面三維坐標(biāo)系的通信源，將巡檢小車掃描的三維點(diǎn)云的相對(duì)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)，完成三維地質(zhì)模型絕對(duì)坐標(biāo)通信的引入與采場(chǎng)空間三維模型的坐標(biāo)統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)了工作面巡檢小車三維掃描重建，與攝像儀融合渲染生成彩色點(diǎn)云的掃描結(jié)果如圖3所示。

圖3 巡檢小車融合彩色點(diǎn)云掃描結(jié)果

3.2 AI智能視頻監(jiān)測(cè)

綜放工作面智能視頻系統(tǒng)，將人的視覺從巷道延伸到工作面，實(shí)時(shí)監(jiān)控工作面實(shí)際情況。通過(guò)基于AI智能識(shí)別技術(shù)，在基本視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了護(hù)幫板動(dòng)作狀態(tài)識(shí)別、煤機(jī)滾筒識(shí)別及追蹤、智能人員識(shí)別、電子圍欄等功能，智能視頻監(jiān)測(cè)界面如圖4所示。

圖4 AI智能視頻監(jiān)測(cè)界面

3.3 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、采集器和上層服務(wù)器等設(shè)備組成。傳感器采用無(wú)線或有線傳輸方式將采集到數(shù)據(jù)，通過(guò)采集器上傳到上層服務(wù)器（結(jié)合設(shè)備結(jié)構(gòu)特性、參數(shù)、故障機(jī)理等）分析判斷、實(shí)時(shí)報(bào)警等。

在采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)等設(shè)備安裝了磁塞式鐵磁顆粒、油品品質(zhì)、溫度和振動(dòng)等多種傳感器，采集運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)融入智能綜放系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)油液老化污染程度、設(shè)備振動(dòng)和溫度數(shù)據(jù)的收集、顯示、故障診斷與異常報(bào)警，工作面設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 工作面設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

保德煤礦“采-放-運(yùn)”智能控制系統(tǒng)

4.1 數(shù)字化自主割煤技術(shù)

數(shù)字化自主割煤技術(shù)是工作面智能化開采的核心技術(shù)，通過(guò)透明地質(zhì)系統(tǒng)提供的工作面三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，將煤層切分為片狀，結(jié)合慣性導(dǎo)航提取的底板高度數(shù)據(jù)及系統(tǒng)內(nèi)部通過(guò)濾波算法獲取的實(shí)際截割高度，融合分析地質(zhì)模型數(shù)據(jù)、底板高度數(shù)據(jù)和實(shí)際截割高度數(shù)據(jù)，規(guī)劃出下一刀截割高度曲線；再依據(jù)采煤工藝象限定義各階段參數(shù)通信，實(shí)時(shí)下發(fā)截割高度、牽引速度等關(guān)鍵參數(shù)控制命令至采煤機(jī)通信接口，完成整個(gè)采煤工藝的自主規(guī)劃截割，采煤機(jī)數(shù)字化自主割煤系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 數(shù)字化自主割煤系統(tǒng)界面

4.2 三級(jí)融合智能放煤技術(shù)

綜放工作面后部放煤粉塵、噪聲嚴(yán)重，工作環(huán)境惡劣，通過(guò)三級(jí)融合智能放煤技術(shù)解決人工放頂煤生產(chǎn)效率低、含矸率不穩(wěn)定、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問題。三級(jí)融合智能放煤技術(shù)架構(gòu)如圖7所示，根據(jù)實(shí)際情況，應(yīng)用自動(dòng)放煤、記憶放煤、智能放煤3種模式，架構(gòu)設(shè)計(jì)循環(huán)迭代，漸進(jìn)收斂，為放煤作業(yè)提供精準(zhǔn)的控制，提升放煤自動(dòng)化效率和資源利用率。

圖7 三級(jí)融合智能放煤技術(shù)架構(gòu)

工作面通過(guò)電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟機(jī)放煤控制工藝；記憶放煤通過(guò)學(xué)習(xí)上一刀的人工放煤，基于深度學(xué)習(xí)優(yōu)化理論，得到合理的放煤執(zhí)行參數(shù)，下發(fā)給控制器執(zhí)行記憶放煤；智能放煤通過(guò)集成透塵除塵煤矸識(shí)別攝像儀和聲紋振動(dòng)一體式傳感器，采集后部放煤的圖像和聲音振動(dòng)信號(hào)，進(jìn)行多源通信融合煤矸識(shí)別，構(gòu)建放煤堆積體表面與內(nèi)部含矸率的映射關(guān)系，準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)束放煤的時(shí)機(jī)，同時(shí)對(duì)計(jì)算放煤時(shí)間參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，提高放煤控制精確度，透塵除塵煤矸識(shí)別攝像儀安裝如圖8所示。

圖8 透塵除塵煤矸識(shí)別攝像儀

基于圖像、聲紋和振動(dòng)融合的煤矸識(shí)別技術(shù)，將煤矸識(shí)別準(zhǔn)確度由40%提升到85%，并通過(guò)邊緣控制器實(shí)現(xiàn)了放煤精確控制，通過(guò)識(shí)別含矸率精確控制放煤的結(jié)束時(shí)間，同步提升頂煤回收率與回采率，放煤工由2人專職放煤減少為1人兼職放煤。

4.3 綜放工作面煤流負(fù)荷平衡控制系統(tǒng)

在工作面前部刮板輸送機(jī)和帶式輸送機(jī)上安裝3D攝像儀，基于3D攝像儀和三維空間重建技術(shù)，根據(jù)點(diǎn)云圖數(shù)據(jù)獲取煤流切面面積及三維煤流空間圖，實(shí)現(xiàn)工作面刮板輸送機(jī)和輸送帶煤流負(fù)荷的視覺測(cè)量感知，煤流監(jiān)測(cè)3D攝像儀安裝位置如圖9所示。

圖9 煤流監(jiān)測(cè)3D攝像儀安裝位置

采用“Petri網(wǎng)模型+基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型+在線更新”雙輪驅(qū)動(dòng)的方式，建立煤流負(fù)荷平衡自適應(yīng)控制系統(tǒng)模型，實(shí)現(xiàn)前后刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)和帶式輸送機(jī)變頻調(diào)速，并調(diào)整采煤機(jī)截割速度和后部放煤速度，實(shí)現(xiàn)工作面采、放、運(yùn)煤流負(fù)載平衡，保障工作面快速連續(xù)性推進(jìn)，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

保德煤礦綜放透明開采管理平臺(tái)

5.1 大數(shù)據(jù)管理中心平臺(tái)

大數(shù)據(jù)管理中心建立了完善的通信交互機(jī)制，各類設(shè)備間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換和通信共享，包括設(shè)備工作狀態(tài)、故障通信、維護(hù)記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)管理中心平臺(tái)分別從數(shù)據(jù)集成總覽、視頻監(jiān)控、監(jiān)控分析、統(tǒng)計(jì)分析、礦壓分析5個(gè)方面，處理分析集成工作面數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)獲取各類設(shè)備工作狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)智能算法進(jìn)行分析和處理，為設(shè)備的監(jiān)控、調(diào)度和管理提供了全面數(shù)據(jù)支持，大數(shù)據(jù)管理中心平臺(tái)界面如圖10所示。

圖10 大數(shù)據(jù)管理中心平臺(tái)界面

5.2 綜放設(shè)備協(xié)同控制中心

綜放設(shè)備協(xié)同控制中心實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、前后刮板輸送機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)3類關(guān)鍵綜采設(shè)備的協(xié)同控制。通過(guò)實(shí)時(shí)采集采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括位置、速度、負(fù)載等關(guān)鍵參數(shù)，智能分析并預(yù)測(cè)設(shè)備工作趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的協(xié)同控制，綜放設(shè)備協(xié)同控制中心界面如圖11所示。

圖11 綜放設(shè)備協(xié)同控制中心界面

綜放設(shè)備協(xié)同控制中心實(shí)時(shí)接入地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，包括煤層厚度、傾角、斷層等關(guān)鍵地質(zhì)數(shù)據(jù)，并對(duì)“三機(jī)”設(shè)備進(jìn)行智能調(diào)整。通過(guò)精確控制采煤機(jī)截割高度、速度、方向，以及前后刮板輸送機(jī)和轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)行參數(shù)，確保開采過(guò)程與地質(zhì)條件的最佳匹配，提高開采效率和煤炭回收率。

5.3 安全管理分析中心

安全管理分析中心將傳統(tǒng)被動(dòng)應(yīng)對(duì)安全問題轉(zhuǎn)為主動(dòng)防控危險(xiǎn)發(fā)生，安全管理分析中心通過(guò)整合多源數(shù)據(jù)、智能分析與動(dòng)態(tài)預(yù)警，集成了瓦斯異常預(yù)警、沖擊地壓預(yù)測(cè)、火災(zāi)防控等功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)全流程的安全風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)管控。當(dāng)瓦斯?jié)舛瘸迺r(shí)，自動(dòng)切斷電源并聯(lián)動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)，同時(shí)推送預(yù)警通信至終端；基于微震監(jiān)測(cè)與地音分析，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)模型預(yù)測(cè)沖擊風(fēng)險(xiǎn)，提前24 h進(jìn)行沖擊預(yù)警。通過(guò)CO濃度監(jiān)測(cè)與紅外熱成像，識(shí)別采空區(qū)早期發(fā)火跡象，及時(shí)報(bào)警，安全管理分析中心界面如圖12所示。

圖12 安全管理分析中心界面

總 結(jié)

（1）通過(guò)保德煤礦少人化放頂煤技術(shù)的研究與應(yīng)用，建成了綜放透明開采管理平臺(tái)，攻克了數(shù)字化割煤、智能放煤、煤流負(fù)荷平衡等3大關(guān)鍵控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工作面的巡檢三維掃描、AI視頻監(jiān)控、設(shè)備工況監(jiān)測(cè)3大智能感知功能，提高了工作面的智能化程度。

（2）保德煤礦少人化放頂煤技術(shù)實(shí)現(xiàn)了工作面綜合自動(dòng)化率>90%、人工干預(yù)率<10%、回采率>94%、放頂煤回收率>85%、工作面設(shè)備開機(jī)率>92%、智能放煤煤矸識(shí)別準(zhǔn)確率>85%。工作面放煤工人由2人專職減少為1人兼職，采煤工作面生產(chǎn)班配置由13人減少了8人，實(shí)現(xiàn)綜放工作面5人下井生產(chǎn)。

（3）保德煤礦通過(guò)智能感知、智能控制、智能管理3大體系的少人化放頂煤技術(shù)研究與應(yīng)用，建成了綜放工作面智能開采工程示范，并通過(guò)了國(guó)家能源集團(tuán)高級(jí)智能化評(píng)級(jí)，取得了全國(guó)采煤工作面智能創(chuàng)新大賽特等獎(jiǎng)，為同類型工作面的智能化開采研究提供有益的借鑒和參考。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國(guó)科技核心期刊11種、中國(guó)科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國(guó)法院士

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