重大進(jìn)展特刊┃天瑪智控：薄煤層無人化智能開采控制技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用

2025年04月02日 16:05 智能礦山雜志責(zé)編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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重大進(jìn)展特刊

為宣傳推廣煤礦智能化建設(shè)先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和創(chuàng)新成果，發(fā)揮典型示范引領(lǐng)作用，《智能礦山》于2025年第2期策劃出版了《2024年煤礦智能化重大進(jìn)展成果特刊》，刊登代表新時(shí)代煤礦人創(chuàng)造性實(shí)踐和智慧結(jié)晶的11項(xiàng)智能化建設(shè)成果，以饗讀者。

文章來源：《智能礦山》2025年第2期“2024年煤礦智能化重大進(jìn)展成果特刊”

作者簡介：馮銀輝，副研究員，現(xiàn)任北京天瑪智控科技股份有限公司創(chuàng)新研究院副院長，主要從事綜采工作面無人化系統(tǒng)軟件平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)的相關(guān)研究工作。E-mail：fengyh@tdmarco.com

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：馮銀輝，劉學(xué)君，李丹寧，等.薄煤層無人化智能開采控制技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(2)：47-52.

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薄煤層工作面空間局限、溫度高、濕度大、煤灰重、工況復(fù)雜，人工在工作面操作空間狹小，遇緊急情況時(shí)，沒有躲避空間；在進(jìn)行跟機(jī)操作時(shí)，需要在工作面內(nèi)爬行，長期在薄煤層工作面內(nèi)的操作人員不同程度均患有職業(yè)病，當(dāng)采煤機(jī)行進(jìn)速度較快時(shí)，人員跟機(jī)作業(yè)效率低下，造成跟機(jī)丟架、生產(chǎn)效率較低，無法滿足礦井生產(chǎn)經(jīng)營要求，現(xiàn)有裝備與開采技術(shù)無法滿足薄煤層安全高效生產(chǎn)。

通過調(diào)研分析國內(nèi)近3年薄煤層工作面采用的全新裝備，涵蓋西北、山東、西南、東北區(qū)域礦井，薄煤層工作面地質(zhì)條件、開采方式等諸多因素導(dǎo)致產(chǎn)量低、經(jīng)濟(jì)效益差的現(xiàn)象一直未能取得突破，投入產(chǎn)出比低的局面沒有得到根本改變。目前國內(nèi)多數(shù)礦井的采高為1.6～1.8m的中厚偏薄煤層年產(chǎn)為60萬～100萬t，1.3m及以下薄煤層開采的工作面數(shù)量較少，國內(nèi)研發(fā)薄煤層智能化裝備及控制系統(tǒng)的廠家較少，工作面作業(yè)人數(shù)多為2～4人，目前尚未實(shí)現(xiàn)薄煤層工作面無人開采。

薄煤層無人化智能開采存在的問題

經(jīng)過多年強(qiáng)力開采，部分礦區(qū)中、厚煤層資源已近枯竭，薄煤層安全高效開采已成為薄煤層礦區(qū)生產(chǎn)發(fā)展的途徑之一。研發(fā)智能化無人開采技術(shù)，解決長期薄煤層開采經(jīng)濟(jì)效益低、安全性差等問題，實(shí)現(xiàn)薄煤層工作面安全、高效、無人化生產(chǎn)。薄煤層無人化開采過程中，主要存在5個(gè)方面的問題。

（1）開采工藝方面

三角煤跟機(jī)功能、兩巷設(shè)備聯(lián)動(dòng)需反復(fù)調(diào)試，周期長，不能滿足開采條件快速變化，多模式自動(dòng)移架在現(xiàn)有架構(gòu)較難實(shí)現(xiàn)。

（2）截割模板方面

傳統(tǒng)的記憶割煤數(shù)據(jù)（采高、挖底）適應(yīng)性不強(qiáng)，以上刀的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)為主，無法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)優(yōu)化及連續(xù)性開采。

（3）控制系統(tǒng)硬件方面

隔爆計(jì)算機(jī)資源無法滿足全工作面海量數(shù)據(jù)處理要求，可靠性和穩(wěn)定性不足；視頻系統(tǒng)占用帶寬較大，導(dǎo)致視頻卡頓，黑屏等現(xiàn)象較多，嚴(yán)重影響遠(yuǎn)程操控的可靠性?，F(xiàn)有支架控制器、主流攝像儀等結(jié)構(gòu)松散，占用空間大，在薄煤層的應(yīng)用效果較差。

（4）控制系統(tǒng)軟件方面

傳統(tǒng)的多計(jì)算機(jī)協(xié)同方式，數(shù)據(jù)延時(shí)大，數(shù)據(jù)共享困難，系統(tǒng)較復(fù)雜，可靠性較低。

（5）人機(jī)交互方面

傳統(tǒng)的交互方式以操作臺(tái)、遙控手柄為主，按鍵數(shù)量少，功能單一，無法滿足全工作面設(shè)備系統(tǒng)協(xié)同控制、參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整、視頻調(diào)度等需要。

薄煤層無人化智能開采控制解決方案

針對(duì)薄煤層無人化智能開采存在的問題，圍繞4個(gè)技術(shù)角度開展創(chuàng)新研究，形成薄煤層無人化智能開采控制技術(shù)的解決方案如圖1所示。

圖1 薄煤層無人智能開采控制技術(shù)解決方案

2.1 薄煤層無人化控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)控制系統(tǒng)主機(jī)性能不足等問題，構(gòu)建了全新的C/S架構(gòu)的LongwallMind6.0軟件平臺(tái)。以地面高性能服務(wù)器為基礎(chǔ)，通過光纖以太網(wǎng)專線或礦井環(huán)網(wǎng)，形成了一套高可靠的控制系統(tǒng)平臺(tái)。

薄煤層無人化控制平臺(tái)集監(jiān)測(cè)、控制、視頻、音頻、通信等技術(shù)于一體，以工藝引擎為核心，融合了數(shù)字化割煤、動(dòng)態(tài)截割模板優(yōu)化、動(dòng)態(tài)工藝表運(yùn)行、工作面找直、觸控操作等系列技術(shù)，形成了完整、全面、標(biāo)準(zhǔn)化的工作面智能化開采控制軟件，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與液壓支架高效協(xié)同。具備跨平臺(tái)應(yīng)用功能，支持高可用技術(shù)；插件式擴(kuò)展能力，滿足不同工作面的個(gè)性化需求；集成國內(nèi)大多數(shù)設(shè)備廠商的驅(qū)動(dòng)，統(tǒng)一了通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，LongWallMind6.0控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 LongWallMind6.0控制系統(tǒng)軟件架構(gòu)

2.2 多模式采煤工藝模型及調(diào)控方法

為實(shí)現(xiàn)綜采工作面設(shè)備協(xié)同控制一張圖，采煤機(jī)割煤工藝、電液控跟機(jī)工藝的靈活編制，工藝階段參數(shù)化、程序化控制等功能目標(biāo)。研究了采煤工藝圖形化編制方法，通過表格形式進(jìn)行采煤工藝離線編輯，靈活設(shè)計(jì)多種采煤工藝表，支持在線實(shí)時(shí)工藝階段任務(wù)監(jiān)測(cè)、按照工藝表階段任務(wù)控制采煤機(jī)執(zhí)行割煤生產(chǎn)、控制支架電液控跟機(jī)動(dòng)作，人機(jī)交互功能可根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)割煤工藝的跳轉(zhuǎn)、工藝表控制功能，工藝表編輯器如圖3所示。

圖3 工藝表編輯器

針對(duì)截割模板數(shù)據(jù)適應(yīng)性問題，從軟件算法建立可靠的數(shù)據(jù)采集、分析模塊，實(shí)時(shí)收集每個(gè)割煤循環(huán)內(nèi)的滾筒截割高度數(shù)據(jù)，通過分析歷史數(shù)據(jù)，使用插值算法、濾波算法，計(jì)算每個(gè)支架位置滾筒最佳高度，有效緩解了因傳感器異常導(dǎo)致的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)、精度不夠等硬件問題；系統(tǒng)增加了人工干預(yù)修正功能，采煤工人根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合采煤機(jī)截割電流、振動(dòng)信號(hào)、粉塵濃度、視頻識(shí)別等多種數(shù)據(jù)，判斷滾筒高度準(zhǔn)確性，實(shí)時(shí)在線修正模板數(shù)據(jù)；通過開采工藝引擎，實(shí)時(shí)更新主機(jī)下發(fā)模板數(shù)據(jù)，使模板數(shù)據(jù)更健壯，更加貼近生產(chǎn)，截割模板優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 截割模板優(yōu)化流程

2.3 工作面視頻流媒體技術(shù)

為提高井下工作面視頻監(jiān)控的可用性、利用率和安全性，引入流媒體技術(shù)，通過數(shù)據(jù)分片和流式傳輸技術(shù)，實(shí)現(xiàn)視頻攝像頭實(shí)時(shí)播放、按需直播、多路分發(fā)、多協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)和錄像及回看功能?；贚ongWallMind6平臺(tái)提供視頻調(diào)度服務(wù)，實(shí)現(xiàn)綜采工作面實(shí)時(shí)視頻跟機(jī)播放和動(dòng)態(tài)切換；在流媒體基礎(chǔ)上搭建智能視頻識(shí)別和特征提取，搭建智能視頻服務(wù)器集群增強(qiáng)AI算力，提升智能視頻性能和效果，解決了攝像頭資源局限和網(wǎng)絡(luò)帶寬受限等問題。

流媒體服務(wù)器主要功能包括視頻轉(zhuǎn)碼、視頻直播、視頻點(diǎn)播、視頻轉(zhuǎn)發(fā)、播出協(xié)議轉(zhuǎn)換、視頻加密與防盜鏈、大并發(fā)播出、CDN加速、終端播放適配、快速集成代碼和樣例、集成API接口等。流媒體服務(wù)器作為工作面攝像儀的管控一體化平臺(tái)，為SAV視頻客戶端、智能視頻客戶端提供視頻播放和調(diào)度，流媒體系統(tǒng)視頻流傳輸設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 流媒體系統(tǒng)視頻流傳輸設(shè)計(jì)

2.4 沉浸式操作島的遠(yuǎn)程操控平臺(tái)

針對(duì)地面操作方式，研究符合采煤機(jī)司機(jī)和支架操作工的地面操作平臺(tái)，輔助操作人員進(jìn)行工藝選擇、截割模板的調(diào)整和控制。地面控制中心操作島替代傳統(tǒng)的地面分控中心，并集成了井下運(yùn)輸巷監(jiān)控中心功能，通過調(diào)整監(jiān)視器升降平臺(tái)、人機(jī)工程座椅及交互屏幕角度，為地面操作人員提供舒適的作業(yè)環(huán)境。

操作島部署了全新的無人化采煤控制軟件LongWallMind6.0平臺(tái)，融合工藝表驅(qū)動(dòng)引擎、規(guī)劃截割、數(shù)字孿生、智能視頻、工作面直線度控制等功能，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)、液壓支架全自動(dòng)、智能化運(yùn)行。地面操作員也可通過觸控屏調(diào)度、跳轉(zhuǎn)開采工藝，也可根據(jù)工作面寫實(shí)數(shù)據(jù)調(diào)整截割模板。通過跟機(jī)視頻畫面遠(yuǎn)程調(diào)整和干預(yù)采煤機(jī)。地面操作員可及時(shí)準(zhǔn)確地掌握工作面生產(chǎn)作業(yè)情況，形成了“地面規(guī)劃采煤、裝備自動(dòng)執(zhí)行、面內(nèi)無人作業(yè)”的無人化采煤新模式，沉浸式操作島的遠(yuǎn)程操控平臺(tái)如圖6所示。

圖6 沉浸式操作島的遠(yuǎn)程操控平臺(tái)

薄煤層無人化智能開采控制技術(shù)優(yōu)勢(shì)

（1）軟件+網(wǎng)絡(luò)+控制3維度全新開采模式

基于C/S軟件、井上/井下萬兆直連網(wǎng)絡(luò)和主從調(diào)度控制方法3個(gè)維度，形成了1套采煤工藝、2道控制工序、3項(xiàng)控制參量、4種調(diào)整策略的綜采裝備群主從調(diào)度控制方法，開發(fā)了采煤工藝驅(qū)動(dòng)引擎技術(shù)，創(chuàng)新了加減刀、反向推移刮板輸送機(jī)等自適應(yīng)糾偏調(diào)控工藝，實(shí)現(xiàn)了綜采裝備群100%協(xié)同自動(dòng)作業(yè)，突破了綜采裝備群復(fù)雜工序下協(xié)同控制關(guān)鍵難題，無人化控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖7所示。

圖7 無人化控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

（2）遠(yuǎn)-中-近階梯式截割參數(shù)預(yù)測(cè)模型

基于截割歷史模板AI規(guī)劃、整刀規(guī)劃、超前調(diào)整及BTS精準(zhǔn)控制，研發(fā)了截割參數(shù)預(yù)測(cè)模型、截割模型軌跡碰撞算法，構(gòu)建了采煤機(jī)截割滾筒導(dǎo)航路徑可視化調(diào)控方法，創(chuàng)新實(shí)踐了“地面規(guī)劃路徑+地質(zhì)寫實(shí)驗(yàn)證”相結(jié)合的工程作業(yè)模式，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)規(guī)劃的截割模板準(zhǔn)確率大于95%，達(dá)到了采煤機(jī)精準(zhǔn)割煤控制。

（3）工作面及兩巷設(shè)備協(xié)同推進(jìn)

提出了支架控制功能模塊組態(tài)化編輯和自動(dòng)移架多模式控制方法，實(shí)現(xiàn)了支架控制功能“一鍵式”配置；研發(fā)了工作面及兩巷設(shè)備協(xié)同推進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工作面與兩巷裝備100%自動(dòng)協(xié)同推進(jìn)；提出了基于液壓支架推進(jìn)度散點(diǎn)模型的下一割煤循環(huán)支架推進(jìn)量預(yù)設(shè)算法，確保工作面連續(xù)推進(jìn)狀態(tài)可控。

（4）薄煤層無人化項(xiàng)目實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化路線

提出了薄煤層無人化項(xiàng)目實(shí)施的“配套標(biāo)準(zhǔn)化、安裝標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)化、軟件標(biāo)準(zhǔn)化”4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化路線，并在多個(gè)項(xiàng)目中應(yīng)用并實(shí)施，為同類項(xiàng)目施工和部署積累了整套標(biāo)準(zhǔn)化流程。以棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司濱湖煤礦（簡稱濱湖煤礦）31606薄煤層控制系統(tǒng)最快部署工作面為例，無人化系統(tǒng)通信調(diào)試、硬件安裝、軟件調(diào)試等，從工作面試刀到實(shí)現(xiàn)地面割煤僅用10天完成。

應(yīng)用效果與推廣前景

4.1 應(yīng)用效果

2023年2月—9月，薄煤層無人化智能開采控制在國家能源集團(tuán)神東煤炭榆家梁煤礦揭榜項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了43207工作面連續(xù)7個(gè)月常態(tài)無人化開采模式，于2023年9月召開成果發(fā)布會(huì)，并獲得2023年全國煤礦十大技術(shù)成果。

2023年11月，薄煤層無人化智能項(xiàng)目所在的兗礦能源集團(tuán)股份有限公司楊村煤礦（簡稱楊村煤礦）4703工作面和濱湖煤礦31610薄煤層工作面分別榮獲2023全國煤礦采煤工作面智能創(chuàng)新大賽薄煤層智能綜采賽道特等級(jí)和一等級(jí)。

2024年6月至今，不斷完善和提升開采方案和技術(shù)細(xì)節(jié)，在楊村煤礦通過4703和濱湖煤礦31606的2個(gè)薄煤層工作面，開采效率提升了30%，采高降低了0.1m，平均少割矸石8cm，噸位煤質(zhì)提高了400kcal，年收入超過4000萬元，年生產(chǎn)能力為百萬噸，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.2 示范意義

2024年6月18日，由國家能源局主辦、中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)協(xié)辦，山東能源集團(tuán)承辦的全國薄煤層智能化開采現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)交流會(huì)，楊村煤礦4703工作面和濱湖煤礦31606的薄煤層工作面作為現(xiàn)場(chǎng)示范點(diǎn)，向行業(yè)展示了無人化技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，北京天瑪智控科技股份有限公司協(xié)同山東能源集團(tuán)有限公司打造國內(nèi)首次采用“AI+1+2+0”的薄煤層無人化開采典范。

4.3 推廣前景

“地面規(guī)劃采煤、裝備自動(dòng)執(zhí)行、面內(nèi)無人作業(yè)”的采煤模式，從全國2個(gè)試點(diǎn)逐步推廣到陜蒙、西北、華北、西南多個(gè)區(qū)域性試點(diǎn)，為行業(yè)薄煤層無人化開采提供示范方案。

薄煤層無人化智能開采控制已經(jīng)在國家能源集團(tuán)、山東能源集團(tuán)、淮河能源集團(tuán)、貴州安晟能源有限公司、陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司、陜西延長石油巴拉素煤業(yè)有限公司等10多個(gè)工作面推廣應(yīng)用。

“煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)”自 2021年開始，至今已舉辦4次，發(fā)布會(huì)吸引了眾多煤礦智能化建設(shè)領(lǐng)域的專家及科研、工程技術(shù)人員，成為展示煤礦智能化建設(shè)成果，交流煤礦智能化科技成果的盛會(huì)。

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2024年煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)

2023年煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)

2022年煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)

2021年煤礦智能化重大進(jìn)展發(fā)布會(huì)

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F(tuán)成立于2015年，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、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(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：王國法院士

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聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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