深地煤炭資源安全高效智能化開采關鍵技術與實踐

李 偉 ，孫?？?/p>

（山東能源集團有限公司, 山東 濟南 250101）

0 引 言

煤炭是工業糧食，更是我國安全可靠的戰略基礎能源。隨著淺部煤炭資源日趨枯竭，煤炭資源深部開發是必然趨勢[1]。2016 年習近平總書記在全國科技創新大會明確提出“向地球深部進軍是我們必須解決的戰略科技問題”。2018 年，山東龍鄆煤業“10·20”沖擊地壓事故造成較大社會影響，習近平總書記專門針對深井開采問題作出重要指示，山東省委省政府高度重視，作出“堅決打贏煤礦生存保衛戰”的重要部署[2]。山東省內煤礦平均埋深超過660 m，其中埋深800 m 以上的34 處，千米深井共有20 處，占全國的42%，同時開采深度正以每年約40 m 的速度增加[3]。受深部高應力、極軟巖、強采動及斷層破碎帶等復雜條件影響，巷道圍巖裂隙發育、松散破碎、變形劇烈、破壞范圍大，傳統支護方式難以穩定控制，巷道復修率增加，支護成本升高，易造成大變形、冒頂、片幫、底鼓等安全事故，已成為制約深部礦井安全高效生產的重要難題[4-5]。智能開采是深地資源安全開采的重要手段，已成為我國深地資源開采技術的發展方向?！皺C械化換人、自動化減人”科技強安專項行動已經成為企業新舊動能轉換、高質量發展的共識共為[6]，研發深部資源安全綠色、智能高效開采技術與裝備迫在眉睫。

隨著國家發展改革委、國家能源局、應急部、國家煤礦安全監查局等八部門聯合印發《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》（以下簡稱《指導意見》）的東風，煤礦智能化建設的新高潮正在全國興起，《指導意見》明確了發展目標、主要任務以及保障措施等內容，對實現新時期煤炭工業及相關產業的高質量發展具有重要意義。但是我國煤礦智能化發展尚處于初級階段[7]，存在發展理念不清晰、研發滯后于企業發展需求、智能化建設技術標準與規范缺失、技術裝備保障不足、研發平臺不健全、高端人才匱乏等問題，特別是對于深地煤炭資源的開發，亟需通過理論、技術與裝備創新，推動我國煤炭工業快速發展[8]，進一步提高相關技術的適用范圍與應用效果。為實現深地煤炭資源的安全高效開采，山東省科技廳、省國資委將“深地資源智能安全高效開采關鍵技術和裝備研究與示范”列為山東省重點研發計劃重大專項。

深部煤炭資源開采地應力高、采動影響強烈，沖擊地壓災害時有發生。智能化開采是深地資源開采的重要手段，深部資源安全綠色、智能高效開采技術與裝備亟需研發，以加快開展千米深井智能開采實踐[9]?！笆濉币詠?，在深地重點研發計劃“煤礦千米深井圍巖控制及智能開采技術”等項目的推動下，我國深地智能化開采技術研發進程加快[10]。王國法院士[11]基于我國煤礦智能化技術與裝備發展現狀，系統闡述了煤礦智能化的定義、技術內涵、發展原則及發展目標，分析了煤礦智能化發展過程中需要解決的基礎理論難題，提出了煤礦智能化發展的總體架構與實施技術路徑，進行了中國煤礦智能化發展的戰略思考?？导t普院士等[12-13]在分析煤礦千米深井圍巖控制及智能開采技術現狀和問題的基礎上，圍繞安全、高效開采這一主題，綜合考慮巷道和采煤工作面相互影響，以合理加大工作面長度，實現生產集約化，降低掘進率、提高煤炭采出率為思路，提出了關鍵科學問題與技術構想。謝和平院士[14]則以解決2 000 m 以深煤炭資源開發的瓶頸難題為目標，提出并系統闡述了煤炭深部原位開采的科學技術構想。范京道等[15]立足我國西部礦區復雜地質條件，提出了智能化建井的概念，初步形成了多層級智能化建井架構，研發了成套工藝裝備和控制系統，最終取得良好工程示范，極大推動了我國智能化建井水平。葛世榮院士[16-17]指出智能采煤工作面技術裝備安全高效運行的關鍵是控制智采設備自適應截割煤體和保持采運機組直線度，而數字孿生作為智能化開采的核心技術，旨在解決礦井生產過程中物理、信息等多元數據的交叉與融合。

可以看出，上述成果極大地推動了我國煤炭智能化開采水平，但其應用場景主要聚焦在地質條件簡單的淺部或中深部礦井。深部采場圍巖普遍存在高地溫、高地壓、大變形的特點，當前工作面自動化、智能化開采還無法準確預知這一復雜地質情況，開采裝備也無法適應大范圍的地質參數變化，因而深部礦井實現自動化、智能化的難度很大。為此，針對深地資源安全高效智能化開采技術創新與現場應用的實際需求，筆者分析了當前深部礦井智能化開采在理論、技術、裝備與工藝等方面存在的科技難題和發展瓶頸，介紹了千米深井工作面裝備-圍巖智能耦合控制理論、不同地質條件安全高效智能化開采理論與工藝、不同系列液壓支架及配套系統研發、長距離超前支護技術與裝備、智能采煤控制系統、重大災害多源異構數據融合及管控等諸多智能化開采關鍵技術，創新了深部礦井智能工作面設備的研發與控制，實現了基于礦井地理信息的生產運營、安全監控、重大災害預警等系統信息的采集、分析與融和貫通，為無人操作/有人巡視深地資源智能開采模式提供了新的參考與借鑒。

1 深地煤炭資源安全高效智能化開采面臨的技術難題

當前，我國東西部煤炭資源安全高效智能開采呈現出較為明顯的區域差異性。與西部礦區淺埋或中等埋深智能化開采相比，東部礦區受開采年限、開采深度、采動影響和煤層賦存條件等諸多復雜因素影響，實現深地煤炭資源安全高效智能化開采的難度更大，對相關技術要求更高，筆者詳細總結了目前我國深地煤炭資源安全高效智能化開采面臨的關鍵技術難題與發展瓶頸。

1）缺乏適用于深部礦井智能開采的圍巖控制理論?，F有圍巖控制理論多應用于淺部或中等埋深簡單地質條件，缺乏有效的煤層及地質環境信息，隨著開采深度的增加，工作面圍巖地應力和形變顯著增大，沖擊頻次增加，我國尚未有適應千米深井智能開采的圍巖控制理論。

2）針對千米深井不同地質條件，尚未形成與之相對應的安全高效智能化開采理論和工藝體系。深地資源煤層賦存條件較為復雜，目前常見的開采技術主要有大采高綜采和綜采放頂煤開采2 種，上述2 種技術在開采理論及工藝流程方面緊密聯系，但又有其自身的特點和規律。其中，大采高工作面超高煤壁穩定性控制難題、普通采煤機無法滿足超大采高工作面割煤效率難題、放頂煤開采智能化放煤理論與控制難題、傳統“見矸關門”煤矸混合及頂煤采出率低等均是制約千米深井安全高效智能化開采的關鍵難題。

3）超大采高工作面不同系列液壓支架及配套系統研發難度大。超大采高工作面受采出空間巨大影響，其礦壓顯現具有明顯的動載沖擊及大小周期來壓的特征，液壓支架及其配套裝備將會承受劇烈的動載沖擊，設備穩定性及使用壽命大幅降低，嚴重威脅工作面圍巖的安全性；針對大采高綜采和綜采放頂煤開采2 種開采技術，研發高強度、強適應性的液壓支架及運輸系統，構建工作面支護系統群組協同控制方法、研制相關集成配套技術及裝置是深地資源智能化開采亟待解決的科技難題。

4）沖擊地壓礦井回采巷道超前支護距離長，支護技術與裝備適應性差。隨開采深度的不斷增加，部分礦井經鑒定具有沖擊傾向性，兼之高地應力的影響，其礦壓顯現異常劇烈，工作面回采巷道動輒百余米的超前支護距離使得超前液壓支架等被動支護反復支撐頂板巖層，在破壞原有被動支護的同時，還會顯著降低巷道圍巖穩定性，因此亟需研發一種可以滿足工作面回采巷道空間狹小、快速自移、對頂板巖層無反復支撐破壞的支護設備及技術，從而實現深部沖擊地壓礦井安全高效智能化開采。

5）深部礦井精細探測與模型構建時效性差，工作面自動調直及采煤機智能采煤困難。當前存在的地質三維建模技術，只能根據簡單的規則對已獲得的地質信息進行直觀的邊界表示，無法利用地質規律進行高精度優化，難以滿足實時計算、動態建模以及精準化開采的需要，當工作面出現斷層或煤層厚度變化劇烈時，無法實時調整采煤機高度或者提前采取處置措施，從而極大地限制了深部礦井智能化開采的生產效率，因而亟需立足深部礦井精細探查結果，建立高精度三維地質即時定位仿真交互平臺，融合高精度三維地質模型、慣導坐標系與地質坐標系映射轉換方法、設備動態仿真、電液控制系統，實現從三維地質模型剖切到工作面設備定位定姿，再到規劃截割曲線下發與實際截割曲線校正，到電液控制系統工作面自動調直和采煤機自動截割全流程閉環，從而顯著提升深地煤炭資源智能化開采水平。

6）缺乏深部礦井重大災害多源異構智能化數據融合與管控技術。隨著開采深度和強度的不斷增大，深井環境下煤巖體結構與動力災害關系不明、孕災機制與演化機理不清、深井動力災害及高溫熱害防治技術落后等問題仍然極大的限制了千米深井智能化開采技術的發展，亟需重點突破深井沖擊地壓多因素耦合致災機理、沖擊地壓監測精度低、沖擊地壓及礦震動力災害有效防控、井下高溫熱害治理等關鍵科學技術問題，建立深部礦井重大災害多源異構智能化數據融合與管控技術體系，進而為千米深井多元災害智能預警及防控提供理論指導。

2 深部煤炭資源安全高效智能化開采技術路徑

2.1 千米深井工作面裝備-圍巖智能耦合控制理論

將支架-圍巖視為耦合系統進行研究，則系統包括基本頂、直接頂、液壓支架及底板。其中，基本頂由于厚度較大、強度較高、性質穩定，可以視為剛性體；直接頂和底板一般是由裂隙較多、完整性差巖石組成的破碎體，其壓縮性較好，可以視為彈性體；采空區冒落矸石一般可視為可以壓縮的損傷破碎體；液壓支架的立柱液壓缸和平衡液壓缸由于液壓缸本身的性質可以視為彈性體，其余部件則統一視為剛體。支架-圍巖智能耦合關系主要包括強度耦合、剛度耦合和穩定性耦合3 類。

支架圍巖耦合控制策略是在滿足圍巖穩定支護及下沉量控制需要時，必須優先保證頂、底板及兩幫的完整性，然后再考慮支架與圍巖間的強度關系。常規而言，液壓支架所能提供的強度不會隨工作面頂板的壓力變化而產生波動，而是由立柱結構的承載能力及安全閥設定壓力決定的。但在實際工程中，頂板的壓力通常隨著上覆巖層破斷及結構失穩而發生改變，當工作面推采至不同位置時，支架所需提供的支護強度將發生改變，由此可能造成液壓支架支護強度的過?；蛘卟蛔?，故必須增強液壓支架的適應性，提出與頂板應力變化相適應的耦合支護措施。

除考慮支架強度耦合控制之外，還必須考慮支架與頂底板、煤體兩幫之間的互饋關系，當液壓支架剛度過低時，將不僅會影響頂板上方未斷裂巖層的破斷位置，還會使得工作面前段煤壁進一步破碎，甚至發生片幫現象。因此，支架與圍巖之間必須滿足一定的剛度要求，而由地層復雜導致的開采過程中不同推進距離覆巖的物理力學差異要求支架在不同的位置需要適應不同的圍巖剛度要求，故必須同時建立支架與圍巖在剛度的適應性。整體而言，支架與頂底板、兩幫相互作用后產生協調變形是其與圍巖實現剛度耦合的最佳表現，圍巖變形主要由覆巖運動及其破斷演化和傳遞的水平與垂直應力產生。區別于工作面煤壁，頂底板煤巖體在垂直方向上受到支架頂梁及其底座的擠壓作用，發生損傷破碎，其剛度大小采用統一計算方法，然后代入不同地質參數進行差異化描述，支架方面則可以通過人為調節其初撐力和活柱下縮量實現其與圍巖剛度的耦合。穩定性耦合方面，考慮到工作面沿推進方向地質賦存及煤層傾角普遍較為穩定，因而忽略極端地質條件支架沿工作面推進方向上可能發生的倒架現象，主要考慮保障液壓支架沿工作面傾斜方向上的穩定性，即通過提高液壓支架與圍巖共同作用時的穩定性，保障液壓支架不發生向上或向下的傾斜倒架事故，液壓支架與圍巖的智能耦合關系具體如圖1 所示。

圖1 支架-圍巖多因素耦合及相互作用關系Fig.1 Coupling requirements and interaction relationship between support and surrounding rock

圍巖穩定智能控制終端實時采集區域范圍內圍巖壓力監測裝置信號，液壓支架立柱、護幫千斤頂和推移千斤頂壓力參數以及液壓支架姿態參數，傳輸到圍巖穩定性智能控制中心，進行分析處理，對處于支護（非移架）狀態的液壓支架欠壓時調動電液控制系統向立柱和千斤頂對應的電液閥發出指令進行補液操作直至滿足要求。圍巖穩定性控制上位機軟件將工作面各支架的立柱壓力和支架姿態（高度）參數對比分析，與來壓指征映射對比分析，滿足條件發出預警，協助人工決策，整體協調工作面推進管理。支架-圍巖智能耦合控制邏輯如圖2 所示。

圖2 支架-圍巖智能耦合控制邏輯Fig.2 Intelligent coupling control logic of support and surrounding rock

2.2 不同地層條件安全高效智能化開采理論與工藝

2.2.1 8.2 m 超大采高智能綜采開采理論和工藝體系

1）超大采高綜采圍巖控制理論。針對超大采高工作面礦山壓力顯現具有明顯的動載沖擊及大小周期來壓的特征，建立了超大采高工作面頂板巖層的“懸臂梁+砌體梁”結構模型[18-20]及煤壁片幫的“拉裂滑移力學模型”，系統解決了超大采高工作面煤壁穩定性控制難題。在此基礎上，筆者進一步針對實際工程中超大采高工作面具有的超高煤壁與顯著動載沖擊影響的覆巖垮落及破壞特征，從多個角度詳細闡釋了一種通過考慮支架對煤壁以及頂板協同控制作用來精準確定支架實際工作阻力的“雙因素控制方法”，其具體工作原理及結構模型如圖3 所示，其中，臨界護幫力作為一個重要的工程現場參數，主要用來判斷液壓支架在護幫結構和功能方面的合理性以及額外防止片幫措施的必要程度。

圖3 圍巖-支架協同控制結構模型Fig.3 Structural model for collaborative control of surrounding rock and support

2）超大采高綜采開采工藝。針對在實際工程條件下，超大采高工作面工程現場中常規采煤機無法同時滿足工作面生產效率及安全需求的現場問題，主要通過改進雙滾筒采煤機的截割和進刀方式，優化采煤機的實際工作流程和初次割煤位置，進而研發了一種專門應用于7～10 m 特厚煤層的三滾筒采煤機以及對應配套的開采方法。該新型采煤設備及其配套開采技術是從高位、中位和低位3 個部分將7～10 m 厚煤層進行截割，將原來的特厚煤層進行分層切割，再進一步與傳統的刮板輸送機及其配套的大型超高液壓掩護支架相互配合，進而實現了端部的斜切進刀，能夠準確并且極高效率地回采7～10 m厚煤層的煤炭資源。

2.2.2 7 m 超大采高智能綜放開采理論和工藝體系

1）超大采高覆巖穩定性控制機制。① 超大采高綜放開采時的支架與圍巖協同控制開采方法主要是通過建立支架-圍巖近距離相互作用關系物理力學結構模型，聯合現場研究發現的支架強度、支撐及接頂次數、主動作用時間以及頂板煤巖破裂間的響應規律，同時結合支架主動支護增加頂板裂隙減小冒頂幾率原理的采放空間控制方法。該方法通過合理增大采場礦壓強度提高頂煤破碎程度，將不穩定砌體梁結構與遠場圍巖懸臂梁結構二次組合，提高主動支撐頻率和支撐強度與頂煤預裂的關聯性，實現支架-圍巖耦合協調控制及高效安全性開采。②提出特厚硬煤超大采高綜放開采方法，通過優化采-支-運-放在空間和時間上的配合順序，形成“四位一體”的采放比最佳控制開采方法，不斷增加采煤機的開采高度，極大程度地提高頂煤破碎程度和破壞范圍，并保證盡可能的放出更多的優質煤，從根本上提高采出率，與此同時還提出了相匹配的這種特厚硬質煤層超大采高、極小開采比的回采技術與工藝，在不同采放比時進一步明晰頂煤塑性破壞高度和變化范圍、煤巖整體的破裂強度以及整個支架上方放煤活動空間的動態演化特征；提出采場覆巖空間煤壁破壞距離與穩定性控制方法，具體包括主動支承降負荷、水平分力位移和擴大保護增強整體的穩定性等。

2）超大采高綜放開采工藝?！榜R鞍形”布置與開采工藝是基于煤壁穩定程度與頂煤冒落塊度綜合影響，結合超大采高綜放工作面實際開采要求和煤壁穩定程度與頂煤冒落塊度綜合影響，提出的新型開采工藝，“馬鞍形”開采工藝的開創性提出和應用使得煤炭采出率得到了極大程度的提升，其具體特征如圖4 所示。通過對采場布置測點進行現場實時監測得出的應力分布規律深入分析可知，通常情況下工作面的2 個端部易形成懸頂且不易垮落，因此，可將中部采高確定為6.0～6.5 m，并進一步將過渡階段位置處的采高增加至7.0 m，現場應用這種開采工藝后，能夠使得常規的寬度大小的工作面增加約6.0萬t 的煤炭產量。

圖4 “馬鞍形”工作面布置與開采工藝特征Fig.4 Layout and mining process characteristics of “saddle shaped” panel

2.3 不同系列液壓支架及配套系統研發

2.3.1 綜采支架及其配套結構特征

1）超大采高支架裝置特征及結構要求。① 超大直徑、強抗沖擊、高強吸能讓壓立柱與協同聯動護幫配套設施與結構。在超大采高條件下，一次采出煤層厚度較大，使得覆巖運動自由空間較大，礦山壓力顯現明顯，覆巖破斷時工作面將受到高強度的沖擊和動載影響，為保證安全高效的生產工作順利進行，必須在原有立柱的基礎上，增加鋼柱的實際液壓容量與內部工作壓力和緩沖抗動載能力，并且研發與之配套的協同聯動護幫裝置，從而增大液壓支架的基礎性承載作用和讓壓變形能力，此外，這種裝置還具有將支架上的伸縮梁與支架側面的護幫板進行分離的特點，在工程現場中可以結合實際開采要求靈活進行使用，分離時支架總體護幫距離最大可超過4.0 m，對復雜條件下的工作面護幫效果具有顯著的適用性，并且安全性也有較為明顯的提升。② 超大采高支架的強度特性要求。為提升工作面超大采高液壓支架的強度特性，基于高密度材料研發了Q890～Q1150 便于焊接的超高強度結構鋼，并著重對焊接工藝進行了技術創新，通過機械作業和多種復雜的工藝提升材料的內部結構性和強度特性，使其能夠具有更高的承載能力和抗沖擊主動讓壓特性。同時，開創性地對液壓支架的大型結構器件進行了殘余強度應力試驗，并以此為基礎提出了不完全退火的非常規工業技術手段，用以消除液壓支架構件在制造過程中產生的殘余應力，能夠減小15%以上的支架結構件重量，從而可大幅改善支架的安全性能和在復雜地層條件下的使用時長。③支架-圍巖聯動互饋調控方法。在特厚煤層開采過程中，由于一次采出面積過大，常引發上覆巖層的劇烈破斷運動，造成工作面受到極為強烈的動載沖擊作用，因此實際工程應用中，必須建立支架與圍巖之間的力學內在聯系，獲得支架在動載擾動和沖擊多重影響下的工作和受力狀態，從而避免液壓支架在工作過程中出現受力不均等情況，尤其是針對支架承受能力較為薄弱或者材料自身較為敏感的區域；通過對支架在不同工作狀態下的受力情況進行收集整理，然后建立其與圍巖之間的力學互饋關系，并以此來作為調整和優化支架載荷的依據，并進一步形成動態的調控方法。

2）超大采高綜采成套設備配套系統。① 超大采高刮板運輸系統。創新研發了基于變頻調速的SGZ1400/3×1600 重型刮板輸送機主從控制、主控速度、多電機功率協同的智能變頻控制技術[21]，實現了真正意義上的無級軟啟動；研制了超大規格鏈傳動系統和齒輥式大塊煤連續破碎裝置，大幅提高了槽體及刮板的強度及使用壽命，有效解決了工作面輸送機卸載點和轉載機入口點大塊煤堵塞難題，如圖5 所示。② 支架多系統同步耦合調控方法。在確保支架單體作用時能夠正常發揮自身穩固支撐的基礎上，應該盡可能的節約支架的單體支護能力，因此針對大范圍頂板或巷道圍巖支護時，需要運用區域分布耦合調控方法，將支架以群組的方式進行宏觀配置與調控，保證其在一定區域范圍內能夠提供最大的承載能力，從而極大提升支架與不同破碎程度圍巖之間的相互作用效果和穩定性。③ 超大采高成套裝置及匹配控制技術。在超大采高工作面推采過程中，除支架與圍巖穩定性、強度、剛度等關系外，還需配套相應的超前支護裝備、防塵降塵裝置、刮板輸送機、輸送帶自移動和監控系統等與超大采高生產能力相適應的施工工藝裝備，以實現工作面高強度開采時的高效、安全和協調性。

圖5 大尺寸液壓傳動機理與連續破煤裝置Fig.5 Large size hydraulic transmission mechanism and continuous coal breaking device

2.3.2 超大采高綜放液壓支架及配套系統

1）超大采高綜放液壓支架研發。① 新型7 m 超大采高綜放液壓支架及其配套系統主要采用的是ZFY21000/35.5/70D 兩柱掩護式超強力綜放液壓支架，特征在于擁有530 mm 液壓容量直徑的增強性防沖擊立柱，同時具有的高性能回彈作用的薄壁圓筒可以減小20%以上的沖擊擾動或動載峰值應力，這使得支架在抵抗上覆巖層破斷動載和沖擊性壓力時能夠有效的發揮自身的承載作用。②支架工況動態監測系統。要實現支架的最佳工作狀態必須基于工程實際中的放頂煤開采技術建立支架活動空間及其位態力學結構模型，以此來解決在復雜工程條件下的信號通訊及饋電通風、水源等的監測數據分析與解算等難題，同時配備兼具高度、形態和應力控制等多個功能于一體的支架工況動態監測控制系統，從而為特厚煤層一次采全高或放頂煤開采技術遇到的多場耦合智能控制提供科學性指導和基礎性配套裝備。

2）超大采高綜放成套設備配套系統。① 多功能超大運力傳動系統。特厚煤層一次采全高開采時大煤量的采出需要及時運離工作面，此時必須開發具有同量級運載能力的集破碎、轉載、運載一體化的運輸系統。3 000 kW+2 000 kW 后部交叉側卸輸送機是通過增加了刮板運轉時機器整體的運行電壓和供應電流，從而最大程度的增大運載能力和運行功率，同時該設備能夠根據采煤機的位置，進行自動判斷和速度調配，從而達到和超大采高支架及采煤機共同作用配套運轉的效果。②支護系統群組性耦合調控策略。當巷道或工作面具有多個支架群組時，需最大程度的發揮支架群組的支護效果，通過以工作面不同區域協同控制策略為導向的控制方法，將支護系統的自適應性和共同承載特性充分發揮，提出了以“自適應”和“同推進”為核心的雙線程耦合調控措施。

2.4 沖擊傾向性工作面長距離超前支護技術與裝備

《煤礦安全規程》第五十條規定：“采煤工作面所有安全出口與巷道連接處超前壓力影響范圍內必須加強支護，且加強支護的巷道長度不得小于20 m”。工作面回采巷道處于超前支承壓力和側向支承壓力的疊加影響區，巷道變形量大、破壞嚴重，需要采取加強支護和卸壓措施防止巷道過度變形，保證工作面的安全回采。其中，最理想的超前支護方式是超前支護不破壞原有的支護系統并主動與其配合共同控制巷道安全穩定。特別是在120 m 超前支護距離下，提供足夠支護強度的同時還能有效減少對巷道頂板的初撐破壞變得較為困難。

考慮到現有超前液壓支架難以滿足工作面運輸平巷空間狹小、快速自移、對巷道頂板巖層無反復支撐破壞等要求，研發了一種能夠實現在較小空間內進行無反復支撐、快速循環自移的單元式超前支架，如圖6 所示, 單元式超前支架主要技術參數如下：

圖6 單元式超前支架Fig.6 Unit type advance support

為有效降低支架頂梁對巷道頂板的反復支撐效應，減小對巷道已有錨固體系的破壞，支架采用窄頂梁設計，并在頂梁上增加強力挑梁，增加單元支架的護頂面積。礦井回采巷道主要為矩形斷面，因而支架頂梁箱體結構同樣設計為矩形橫截面，但為適應巷道頂板變形導致斷面不平整，這里增強支架頂梁與巷道頂板耦合作用，在支架立柱與頂梁的鉸接處進行了改進，沿工作面走向可適應±10°的巷道起伏條件，立柱與頂梁連接方式優化示意如圖7所示。

圖7 立柱與頂梁連接方式優化Fig.7 Optimization of connection structure between column and top beam

為減輕超前支架對巷道頂板及已有錨固設施的反復支撐破壞，回風巷道超前支架的移動采用循環移架方式，即隨著工作面推進，巷道超前支架依次從靠近工作面處移動到靠近巷道出口處，需要從支架隊列的隊尾直接移動到隊首的位置，如圖8 所示。

圖8 循環移架方式Fig.8 Circulation movement mode of advance unit support

循環移架方式不會反復支撐超前支護，但需要解決支架縱向及橫向2 個方向的移動。橫向移動指的是垂直于巷道走向的支架從安裝位置與運輸位置間的移動，一般可采用單體支柱、支架自帶千斤頂等頂到位?？v向移動即沿巷道走向移動，具體循環移架方式主要有空中移動和地面移動2 種方式。地面移動可通過絞車拖拽或機車搬運。地面運輸操作簡單，且所使用設備均為常用設備，但受巷道底板條件影響較大，當巷道存在底鼓現象時，移架較為困難，且支架存在倒架風險?？罩幸苿臃绞娇刹捎脝诬壍踹\裝置，單軌吊體積小，作業靈活，受底板和作業空間限制較小，可自動完成物料的裝載，機車結構緊湊，能滿足狹窄作業空間的使用要求。由于采用遠程遙控操作，安全性好，是一種較為理想的輔助運輸作業設備。

2.5 基于慣導和精準地質模型的智能采煤控制系統研發

針對國外基于陀螺儀導向定位(LASC 技術）的自動化采煤方法系統穩定性差、與國內電液控和智能工作面等系統兼容性不高的問題，為實現煤礦智能化領域核心關鍵技術國產化研發，打破國外壟斷和技術封鎖，解決該領域“卡脖子”問題，研制了國產慣導IMOSS 系統，實現了國有自主知識產權的精確定位和工作面自動調直技術的常態化應用。

目前慣導系統的誤差補償大多是在陀螺漂移和加速度計零偏引起的系統誤差方面進行補償。而在初始安裝誤差上，大多是采用標準的安裝平臺避免安裝誤差，尚不能在井下復雜環境中直接應用。為此，利用井下采煤機的軌跡特性，對慣導系統在橫向、縱向、垂直方向上進行初始誤差補償，補償完成后再對采煤機軌跡進行分析，不斷修改補償參數，最終確定誤差補償量。以上計算均在上位機軟件內部自動計算，再由軟件補償至慣性測量組件中。該算法克服了采煤機本身安裝基準不確定、工作面井下環境復雜不便操作等傳統標定方法的諸多缺點。在采煤機運行過程中方位安裝偏角即可自動進行測量并補償，大幅減少了操作難度，提高了系統的使用便利性。

另外，目前煤礦采煤工作面普遍采取人工目測、拉繩的辦法進行取直，自動化程度相對較低，工作面取直無法實現精細量化控制。通過設計工作面取直算法，可以有效減少人工參與的工作量，提高綜采設備協同運行能力，有利于少人化、無人化開采作業的實現。工作面取直算法利用慣導裝置記錄的采煤機空間位置坐標確定當前工作面的直線度，計算出每組液壓支架的推移量，模擬仿真聯動對接液壓支架電液控制系統，對每組液壓支架進行推移行程單獨閉環控制來達成直線度控制目標，分析三機狀態檢測及智能遠程聯控的對接融合，探索實現工作面自動取直。

2.6 重大災害多源異構數據融合與管控

1）高可靠、低時延煤礦災害數據傳輸協議。針對目前在業務端存在的業務割裂、數據獨立、信息不對稱和傳輸協議不統一等問題，為實現輕量級的發布/訂閱信息，采用MQTT 協議，并支持斷網續傳功能，保證數據的完整性。通過在平臺用戶側部署MQTT Borker，各系統采用發布模式提供數據，滿足災害數據采集傳輸高可靠、低時延要求。

2）災害預警分析模型與數據可視化。通過對礦井基礎數據、安全管理數據、監察執法數據、事故數據、地理信息數據的動態集成[22]，根據礦山行業的相關規程規范、監管監察條例等建立綜合風險評價指標體系和評價模型，運用互聯網+、大數據分析、云計算、人工智能等技術智能分析礦山風險級別、區域風險態勢、風險趨勢變化等，為山東能源集團精準執法、遠程監察、事故追溯提供信息化支撐。

據此，建立千米深井智能開采綜合管控平臺，平臺將煤礦生產的各類系統接入后，即可產生涉及產量、計劃、管理、報警等信息的大量數據。為管理人員和技術人員提供直觀的生產效益、安全數據可視化界面，以表格、曲線、餅圖等方式對危險隱患、設備運行、產量進尺、生產安排等信息進行可視化展示，實現井下生產“黑盒”透明化管理，為煤礦提高安全保障能力，為精益管理提供了有力的數字化工具。

“一張圖”管理包括地測防治水、采掘、生產調度、安全、“一通三防”等各項業務進行協同管理，并對運營效能進行統一管理。以安全監測為例，平臺展示了安全監控系統所有傳感器，并可以在圖上定位其位置，對于每一個傳感器，可查看其基本信息、實時曲線、歷史報警、區域聯動。安全監測系統如圖9 所示。

圖9 在線安全監測系統Fig.9 Online safety monitoring system

3 深部煤炭資源安全高效智能化開采工程實踐

3.1 應用礦井概況

趙樓煤礦7302 工作面位于七采區西部，工作面傾向長度155/295/234 m，走向長度1 376 m，平均煤厚6.7 m，平均傾角10°。7302 工作面是趙樓煤礦現已建成的示范型智能采煤工作面，采用綜采放頂煤生產工藝，全部垮落法管理頂板，平均采高3.5 m，截深0.8 m。采用自動放煤與人工找補相結合的放煤方式，一刀一放。工作面主要裝備包括MG900/2395-WD 無鏈電牽引采煤機、SGZ1000/2400 刮板輸送機、SZZ1200/700 橋式轉載機、DSJ140/260/4×500 帶式輸送機、2PLF120/250 齒輥破碎機、ZF17000/22/42液壓支架、ZFG17000/26/42 排頭支架、ZT102400/24/45 軌道巷支架、ZT52600/24/45 運輸巷支架、BPW630/37.5 乳化液泵、BPW500/16 噴霧泵。巷道超前支護段采用超前支架+單元支架支護方式，取消了單體支柱，支護距離不小于120 m。

3.2 深部礦井精細探測與全息地質模型應用示范

開發了精細化開采協同交互仿真平臺，結合工作面開采信息、設備運行信息、環境信息，進行開采作業、設備管理、環境管控的計算分析、實時展示，可有效指導生產管理人員進行生產計劃的合理制定與科學調整，開發回采進尺自動測量技術，直觀了解工作面的回采情況，加快采煤作業的接續效率。利用采煤機高精度定姿定位和工作面取直技術實時獲取采煤機的位置姿態變化，結合精準煤層建模研究采煤生產多維度數據可視化，反映工作面現場采煤實況，并以真實三維場景進行直觀展現，從而更好地指導采煤作業，為三維精準化智能開采奠定基礎。相關內容分別在趙樓煤礦7302 工作面、東灘煤礦3308 工作面等進行示范建設。下面以趙樓煤礦7302 工作面為例說明應用效果。

測試內容包括上下平巷內控制點坐標、采煤機4 個特征點坐標（采煤機機身上4 個特征點，選取沿機身軸線方向與垂直軸線上的固定點，如某個螺絲、某個接縫端點、某塊構造板頂點，方便復測校核）、慣導裝置特征點坐標（在慣導裝置設備選取固定特征點，如某個螺絲、某個接縫端點、某塊構造板頂點，方便復測校核），具體測量特征點位置如圖10 所示。

圖10 工作面現場測試圖片Fig.10 Field test of working face

對選取的特征點現場進行2 次測量。采煤機移動前，測量采煤機及慣導裝置各特征點坐標，采煤機移動一定距離后，再次測量采煤機及慣導裝置各特征點坐標。以采煤機4 個特征點（MJ1、MJ4、MJ3、MJ4）組成的矩形中心C點作為坐標轉換參考坐標系原點，參考坐標系XYZ軸方向與采煤機載體坐標系方向一致。運用采煤機移動后測量獲得的真實數據，按照上述步驟進行坐標轉換計算，驗證坐標轉換計算誤差。經過對比，沿XYZ三個方向上的誤差均小于0.1 m（表1）。

表1 采煤機三維坐標轉換及誤差Table 1 Three dimensional coordinate conversion and error of coal mining machine

通過研究慣導坐標系實時轉換重構技術，實現了采煤機局部相對坐標向三維地質空間絕對坐標的轉換。開發了采煤工作面實時數據采集系統，對綜采作業工作面實時數據，包括采煤機、液壓支架，運輸機狀態監測數據以及視頻監控、環境監控數據，進行采集、轉化、分析、存儲，為即時定位協同交互仿真平臺提供數據支撐，如圖11 所示。建立了礦井上下三維仿真數字模型，建立工作面生產場景仿真數字模型，接入工作面各生產系統監測傳感數據，形成工作面數字孿生，實現三維模型數據與實時現實世界的融合統一。此外，還研究了三維輕量化圖形引擎技術，將建立的全息數字礦山模型，利用輕量化數據處理技術進行模型和數據的輕量化解析、入庫和展示，實現在網頁端便捷瀏覽工作面數字孿生環境。

圖11 即時定位協同交互仿真平臺Fig.11 Real-time positioning collaborative interactive simulation platform

3.3 千米深井智能化開采實踐效果

在千米深井趙樓煤礦進行工程實踐，建成7302、5305 智能綜放示范工作面，實現了支架自動跟機、采煤機記憶截割、三角煤自動截割、時序控制自動放煤、“三機”遠程集控、工作面自動找直等智能化功能的常態運行，自動跟機率、記憶截割率達到90%，生產班作業人員由16 人減至7 人，減員幅度達56%。

基于國產高精度光學陀螺和加速度計研發的慣導成套裝置及配套系統，實現了對采煤機的高精度定位定姿和工作面整體直線度控制。利用千米深井綜合監測5G 網絡，將測量數據通過無線方式傳輸到數據處理中心，得到采煤機開采運行軌跡，實現對采煤機在工作面位姿信息的實時監控。采用數據實時融合處理技術，將激光全站儀、高精度慣導、工作面設備控制系統實時數據，進行同步、采集、傳輸，進行坐標融合計算，輸出采煤工作面設備群，包括采煤機、刮板輸送機及液壓支架的實時位置和姿態信息，保障測量精度，完成了設備位置姿態的自動實時計算，實現了基于礦井地理信息的生產運營、安全監控、重大災害預警等系統信息的采集、分析與融和貫通。

4 結 論

1）當前深地煤炭資源安全高效智能化開采面臨諸多技術難題，主要包括千米深井液壓支架-圍巖智能耦合控制理論、超大采高工作面智能化開采理論與工藝體系構建、不同系列液壓支架及配套系統研制、沖擊地壓礦井長距離超前支護技術與裝備研發、復雜地質精細探測與動態建模、千米深井多元災害智能預警及防控。

2）聚焦千米深井安全高效智能化開采圍巖控制理論，提出以強度耦合、剛度耦合和穩定性耦合為核心的支架-圍巖智能耦合關系，并形成了與之相適應的支架-圍巖智能耦合控制邏輯。

3）基于超大采高工作面動載沖擊及超高煤壁特征，建立了超大采高綜采工作面頂板巖層“懸臂梁+砌體梁”模型及煤壁片幫拉裂滑移力學模型，提出了超大采高液壓支架合理工作阻力“雙因素控制法”，發明了三滾筒采煤機及其配套開采方法，研制了與超大采高智能綜采相適應的液壓支架及配套系統，解決了超大采高工作面煤壁穩定性控制難題，改變了傳統的雙滾筒采煤機截割方式，大幅提升了大采高綜采液壓支架及其配套系統的整體可靠性及預期使用壽命。

4）針對超大采高放頂煤開采智能化放煤理論與控制難題，提出了超大采高綜放支架-圍巖耦合協調采放空間控制方法，形成了采-支-運-放協同優化的“四位一體”采放比優化技術，創新了超大采高綜放“馬鞍形”開采工藝，研制了7 m 超大采高智能綜放開采液壓支架及配套系統，提高了頂煤采出率，減少了煤矸混合，顯著提升了超大采高綜放工作面液壓支架及配套設備的抗沖擊性能。

5）研發了一種能夠在運輸平巷較小空間內無反復支撐、快速循環自移的單元式超前支架，優化了支架立柱與頂梁的連接方式，提高了單元式超前支架對頂板的自適應能力；開發了基于慣導和精準地質模型的智能采煤控制系統，解決了深部礦井工作面設備智能控制及困擾連續生產的難題；創新提出了千米深井智能化安全生產模式和管控體系，構建了千米深井智能化開采綜合管控平臺，實現了基于礦井地理信息的生產運營、安全監控、重大災害預警等系統信息的采集、分析與融和貫通。

6）上述成果在趙樓煤礦7302 工作面、東灘煤礦3308 工作面等多個工作面進行了示范建設，應用效果良好，后續可以為類似礦井智能化工作面建設提供理論與技術借鑒。