【能源人都在看|首席科学家专题 | 任怀伟研究员：煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用( 二 ) 【能源人都在看

【【能源人都在看|首席科学家专题 | 任怀伟研究员：煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用】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7m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Unity3D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967m ，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2.86～9.75m ，平均6.56m ，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。

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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7.0m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7.2m ，最小高度考虑运输与配套尺寸，确定为3.3m 。 140502工作面配套装备见表1 。

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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7.0m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。