智能开采装备全位姿测量及虚拟仿真控制技术

针对深部开采复杂地质条件下的综采装备空间位姿及受力动态变化、随机倾斜错动难以描述和自适应控制难题,提出了基于全位姿测量及虚拟仿真控制的智能开采模式,以中煤新集口孜东矿140502工作面地质条件和7 m四柱大采高综采装备参数为基础,构建复杂条件下智能开采装备全位姿测量及虚拟仿真智能控制系统。首先,给出了智能开采"环境装备-仿真模拟-反向控制"运行体系下的智能决策过程,提出了融合视觉的装备全位姿测量、工作面装备位姿一体化描述及驱动关系建模、基于Unity3D的综采虚拟仿真控制等3项支持智能决策的关键技术。随后建立融合视觉的工作面综采装备群全位姿多参数测量系统,提出了基于设备特征点的视觉多参数测量方法,获取描述综采装备群空间全位姿的15个独立参数;给出综采装备群统一坐标描述及驱动模型,建立了特定的全局和局部坐标系、采煤机和刮板输送机位姿驱动关系模型和刮板输送机三维空间弯曲姿态模型;基于Unity3D虚拟仿真技术构建了工作面场景、装备、工艺流程等虚拟实体和关系模型,支撑井下综采装备开采过程运动仿真。开发出与全位姿测量系统通信的底层数据接口,获取装备的实际工况数据,从而驱动仿真模型实现三维场景下的虚实映射。分析计算和模拟优化下一割煤循环装备协同运动及工艺过程,通过反向控制链路实现对装备虚拟模型和实际装备体的闭环控制。实验室测试表明:虚拟仿真系统实现了数据获取、模型解算、单机装备及装备群协同运动仿真,满足装备实际运行逻辑关系,具有对工作面装备运行状态实时监测和反向控制能力,系统运行流畅性满足要求,帧率20 fps。全位姿测量系统经井下现场测试表明:图像识别检测的支架数大于5架,图像解算时间小于0. 5 s,支架顶梁测量角度误差小于1. 2°,满足系统数据测量需求。     

综采工作面智能化开采路径及关键技术

智能化开采是煤矿开采技术演进的必由之路,目前我国总体处于智能化开采的初级阶段,智能化开采理论体系尚需不断完善。通过分析我国不同煤矿开采阶段在生产信息获取、处理及控制技术等方面的技术特点,发现信息感知、分析和控制技术是煤矿开采方式进步的本质原因;基于智能化开采的基本要素,明确综采工作面智能化开采的内涵是以"互联互通"的智能化成套综采装备为载体,以物联网技术、人工智能技术、大数据技术、云计算技术、通信技术等现代技术与煤矿生产技术的深度融合为基础,通过智能信息感知、智能信息分析决策、智能控制与反馈,实现具有人工智能特征的工作面自动化采煤技术。提出综采工作面智能化开采的技术路径包含生产物理场景智能感知与矿山大数据储存,矿山大数据关联分析与智能决策,智能化生产装备精准协同控制等3个方面内容。结合目前我国智能化开采发展阶段和发展方向,提出了综采工作面智能化开采亟须突破的关键技术:开采全生命周期地质精准探测与建模技术;工作面生产场景精准感知技术;建立通信协议标准化的信息传输系统;复杂生产环境下的智能决策技术;智能化综采装备系统可靠性增强技术。结合工程实践介绍了基于人-装备-环境多源信息数据的特厚煤层智能化综放开采模式的初步应用。     

煤矿智能化开采模式与技术路径

基于煤矿智能化发展现状与要求，系统阐述了煤矿智能化开采模式的定义、技术内涵与特征。针对不同煤层赋存条件，提出了薄及中厚煤层智能化无人开采模式、大采高工作面智能耦合人机协同高效综采模式、综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤模式、复杂条件机械化+智能化开采模式等4种煤矿智能化开采模式。根据截割工艺、工序与装备的差异，将薄及中厚煤层智能化无人开采模式细分为刨煤机智能化无人开采模式、滚筒采煤机智能化无人开采模式，详细阐述了滚筒采煤机定位导航与智能调高技术、半截深高速截割工艺等薄及中厚煤层智能化开采模式关键技术。分析了大采高工作面智能化开采的主要技术瓶颈，论述了基于液压支架与围岩耦合关系的围岩智能耦合控制逻辑、重型装备群的分布式协同控制逻辑等大采高智能化开采模式关键技术。分析了放顶煤工作面与一次采全高工作面智能化开采模式的差异，提出了基于时序控制放煤、自动记忆放煤、煤矸识别放煤等智能化放煤控制逻辑与工艺流程。针对复杂煤层条件，提出了采用局部智能化开采降低工人劳动强度、提高作业环境安全水平的技术思路。     

煤矿智能化开采模式与技术路径

基于煤矿智能化发展现状与要求,系统阐述了煤矿智能化开采模式的定义、技术内涵与特征。针对不同煤层赋存条件,提出了薄及中厚煤层智能化无人开采模式、大采高工作面智能耦合人机协同高效综采模式、综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤模式、复杂条件机械化+智能化开采模式等4种煤矿智能化开采模式。根据截割工艺、工序与装备的差异,将薄及中厚煤层智能化无人开采模式细分为刨煤机智能化无人开采模式、滚筒采煤机智能化无人开采模式,详细阐述了滚筒采煤机定位导航与智能调高技术、半截深高速截割工艺等薄及中厚煤层智能化开采模式关键技术。分析了大采高工作面智能化开采的主要技术瓶颈,论述了基于液压支架与围岩耦合关系的围岩智能耦合控制逻辑、重型装备群的分布式协同控制逻辑等大采高智能化开采模式关键技术。分析了放顶煤工作面与一次采全高工作面智能化开采模式的差异,提出了基于时序控制放煤、自动记忆放煤、煤矸识别放煤等智能化放煤控制逻辑与工艺流程。针对复杂煤层条件,提出了采用局部智能化开采降低工人劳动强度、提高作业环境安全水平的技术思路。     

翟镇煤矿智慧矿山生产模式研究与实践

针对翟镇煤矿井下综采装备落后、生产效率低、矿井运行体系复杂的问题,提出了智慧矿山生产模式,围绕煤矿八大系统,建立了智慧生产系统评价模型,分析了智慧矿山建设中八大系统的权重.在翟镇煤矿研究应用了采煤工作面无人化开采智能集控技术、掘进工作面智能化自动控制技术、矿井运输系统无人化巡检及自动控制技术、矿井生产保障系统自动化控制技术、基于数据融合的安全检测智能控制技术及智慧矿山综合信息平台与手机APP软件等,形成了智慧生产系统关键技术体系.实践证明,翟镇煤矿智慧矿山建设后,采煤效率提高了35%,掘进效率提高了30%,辅助系统高度智能、安全监控系统更加可靠,单班下井人数减少了115人,实现了煤矿生产的少人化和自动化,为我国智慧矿山建设提供了理论与技术借鉴.     

智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析

为解决煤炭开采面临的突出问题,找到煤炭开采未来发展方向和急需突破的关键核心技术,分析了国内外能源结构及煤炭的现状,指出利用科技进步实现安全高效绿色开采和清洁高效利用是煤炭的发展方向,建设智慧煤矿发展智能化开采是煤炭工业发展的必然选择。提出了智慧煤矿的内涵和3个基础理论问题及研究方向:① 数字煤矿多源异构数据的统一表达及信息动态关联关系;② 复杂围岩环境-开采系统作用机理及设备群全程路径和姿态智能控制的理论基础;③ 矿井设备群的系统健康状况预测、维护决策机制。提出了建设智慧煤矿MOS多系统综合管理、井下机器人群协同智慧和馈电管理、井下精确定位导航和5G通信管理、地质及矿井采掘运通信息动态管理、视频增强及实时数据驱动三维场景再现远程干预、环境及危险源感知与安全预警系统管理、智能化无人工作面系统管理和全矿井设备和设施健康管理八大智能系统管理操作平台的构想,分析了各平台的功能、特征和关键核心问题,提出了相应的建设路径和方法;分析了智慧煤矿的构成和建设目标,提出了智能化开采的八大核心技术短板和亟待攻破的关键技术,提出了技术层面从数据获取利用、智能决策和装备研发3个主要方向进行突破,管理层面从科学产能布局、专业化运行服务和建立新规范规程体系等促进发展的措施,指出了智慧煤矿和智能化开采技术发展的目标和实现路径。     

智慧矿山数字孪生技术研究综述

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。数字孪生面向煤炭工业互联互通及智能化应用,发挥连接物理世界和信息世界的桥梁与纽带作用,将在煤炭开采、视频监控、人机交互等方面提供更加实时、智能、高效的服务。面向智慧矿山技术需求,提出了基于数字孪生+5G的智慧矿山建设新思路,将"数字孪生+5G"与AI技术相结合,为实现智慧矿山提供一种创新的方法。首先从智慧矿山建设进展及应用方面存在的问题入手,系统地梳理和分析了当前智慧矿山研究和发展现状,通过研究新一代信息技术与工业技术融合应用,阐述了数字孪生的概念内涵,指出数字孪生是智慧矿山发展的必然趋势并将为智慧矿山赋能;然后针对智慧矿山建设的难点和痛点问题,提出了基于"数字孪生+5G"的智慧矿山体系架构理论,通过构建矿山数字孪生模型(MDTM)实现物理矿山实体与数字矿山孪生体之间的虚实映射与实时交互。聚焦智慧矿山建设目标,以智慧矿山系统建设、优化和关键技术为核心,基于矿山信息物理空间的数字孪生和深度学习方法,以实际矿井为原型设计了智能开采的数字孪生一体化方案,构建了全域感知、边缘计算、数据驱动和辅助决策的智慧矿山平台。最后针对智慧矿山的数字孪生应用需求,提出并探讨了数字孪生赋能智慧矿山的关键技术问题,并指出了未来需要实现的关键技术路径。旨在通过对智慧矿山的数字孪生技术研究,为数字孪生模型构建、协同控制与交互优化等提供思路,为未来智慧矿山建设与设计提供理论借鉴。     

基于透明地质的综采工作面规划截割协同控制系统

随着煤矿智能化逐步应用开来，透明地质技术成为智能化开采的重要技术支撑之一。针对当前透明地质技术成果在智能开采应用中与装备控制集成融合度不高的问题，研发了基于透明地质的综采工作面规划截割协同控制系统。该系统以智能规划中心和开采控制中心为核心，智能规划中心以地质模型等数据为依据，生成截割模板和控制策略；开采控制中心负责协同控制综采装备，依据截割模板执行控制策略。阐述了系统的两项关键技术，截割模板规划技术和综采装备协同控制技术。截割模板规划技术包括滚筒高度规划和截割工艺段规划。滚筒高度规划采用基于趋势分解与机器学习的滚筒高度预测方法，生成规划高度模板；截割工艺段规划根据单个工艺段的特征，结合中部和端头的截割工艺，形成了工艺段规划表。综采装备协同控制技术包括采煤机支架协同控制和煤流负荷协同控制。采煤机支架协同控制提出了截割前工艺适配和截割中实时调整的控制策略，保证采煤机运行时，支架能够自动跟机作业；煤流负荷协同控制提出了基于线性规划的控制方法，推导出采煤机速度的线性规划函数，用以调整采煤机的速度实现煤流负荷平衡。现场应用和试验表明：采煤机按照规划截割工艺自动执行，试验过程中每刀人工干预次数最大...     

智能化综采工作面实时虚拟监测方法与关键技术

针对数字化综采工作面的场景构建、虚实交互通道和虚拟模型驱动三大基础问题,提出一种面向智能化综采工作面的实时虚拟监测方法,对高可信度煤层装备联合虚拟仿真与协同规划、实时可靠信息获取与"虚实融合"通道构建技术和虚实融合与感知一致性呈现等方法进行研究,具体包括:①基于Unity3D开发特点和模型所需特性,分别完成了三机装备数字模型和煤层顶底板模型的构建,将虚拟装备布置在虚拟煤层中,实现各装备之间的虚拟协同以及装备与煤层之间的关系构建,完成了虚拟煤层环境下的装备协同推进仿真并对装备群协同运行进行虚拟规划,实现了高仿真度综采虚拟场景的构建;②在装备反映位姿信息的关键位置上布置传感器,通过一系列接口和通道,构建Unity3D与组态软件、数据库和计算软件之间的信息交互。采用分布式协同的驱动模式,优化了数据的传输处理,最终将综采装备的实时运行数据导入虚拟平台,驱动虚拟设备运行,实现了稳定可靠的传感信息协同与调度;③构架了复杂综采虚拟场景实时驱动框架,研究了基于底层模型驱动虚拟单机关键技术,提出了采运装备协同仿真与实时数据驱动的方法、采煤机自动调高方法、刮板输送机和支架协同仿真与实时数据驱动方法、虚拟液压支架群的虚拟驱动方法以及动态透明工作面时空运动学实时分析方法,接着进行了虚拟监测界面设计,实现了传感数据与虚拟仿真运行信息高精度融合。最后在实验室综采成套试验系统和样机试验平台上分别完成了相关试验,验证了三大模块联合运行的正确性和可靠性。试验表明,VR监测系统运行清晰流畅,虚实映射状态同步,可切换性好,呈现信息准确,后台数据库压力也较小,可以完成预期目标。在仿真运行中可实时提取出各装备与煤层运行的相关参数,完成高可靠性虚拟规划。     

基于5G网络的庞庞塔煤矿智能矿山建设研究

将5G网络技术应用到煤矿的智能化矿山建设中,是当前提高矿山智能化水平的重要方向。为此,开展了庞庞塔煤矿中智能综采工作面、5G网络构架、视频界面等多方面的建设设计,并对建好后的智能矿山运行情况进行了评价分析,实现了对井下煤矿开采设备及配套设施的远程监控、操作及控制,智能矿山整体智能化程度相对较高,提高了该矿井的煤矿开采效率及作业安全性。     

煤矿综采工作面高效服务云管控平台

针对目前煤矿综采工作面远程监测监控系统存在信息孤岛、不利于煤矿智能管控的问题,提出了煤矿综采工作面高效服务云管控平台和多个煤矿综采高效服务云平台的设计思路。综采工作面高效服务云管控平台主要包括智能服务云平台系统、专家智能决策管控系统、设备工况数据交互系统、台账仓储交互系统、大数据决策平台管控系统、设备故障诊断数据交互系统、人员管理交互系统和安全监测监控系统等。在煤矿开展了试验验证,结果表明:该平台在PC端或手机移动终端实现了对综采工作面设备的实时监测、多个综采工作面人员高效协同管理和基于大数据的分析决策等功能,对煤矿安全、高效生产具有重要意义。     

煤矿智能化综采装备系统及其可靠性分析

为明晰智能化综采装备系统可靠性的受控因素,根据其内涵和特征,从系统、 装备、技术、 环境等角度对智能化综采装备系统可靠性的影响因素进行分析.首先明确阐述了智能化综采装备系统的概念,指出其主要特征为以智能化单机综采装备为基础、 以生产大数据为核心、 以智能化综采装备的互联互通为关键、 以智能化综采装备的精准协同控制为目标...     

基于精确大地坐标的煤矿透明化智能综采工作面自适应割煤关键技术研究及系统应用

目前煤矿智能综采工作面存在生产环境状态不透明、成套装备难以应对煤层起伏变化、信息化与智能化集成度不高等问题,其系统的适应性和实用性受到影响。具体而言,主要是缺乏基于地理信息系统的可视化数字孪生管控平台,无法实现基于统一大地坐标驱动的透明化工作面的自适应割煤。为突破相关技术难题,提出并研究了测量机器人大地坐标传导、透明化工作面系统建立和动态修正、5G通信、采煤机与地质模型的自适应耦合以及基于时态地理信息系统（TGIS）的“一张图”一体化管控平台等多项关键技术,完成了多维可视化软件系统的开发与硬件系统的高度集成,实现了：(1)采煤机、刮板输送机等固定或移动目标点达毫米或厘米级的精确定位;(2)三维地测模型、设备模型、开采环境与工业控制之间的基于逻辑关系的一体化集成和数字孪生系统的构建;(3)综采工作面采煤机、视频、惯导、测量机器人和地质雷达等信息的可靠、实时传输;(4)为地面调度指挥控制中心的远程决策和智能自适应控制提供了可视化管控环境。系统已经成功应用于临沂矿业集团菏泽煤电郭屯煤矿3301,2305两个工作面,初步实现了较为复杂地质条件下的智能化自适应开采和地面远程管控。     

煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑

提出了煤矿智能化是煤炭工业高质量发展核心技术支撑的科学思想,阐述了煤矿智能化的定义和总体要求,明确了煤矿智能化发展的目标是建设智慧煤矿,分析了煤矿智能、智慧、信息化、数字化等术语的内涵和关联关系,提出了我国煤矿智能化建设原则和阶段目标。进行了煤矿智能化顶层设计,提出了统筹规划煤矿智能化发展模式、科学设计智慧煤矿总体架构、建设100个智能化示范煤矿的发展思路。探讨了井工煤矿精准地质探测与4D-GIS系统、智能化开拓规划与工作面设计、智能化巷道快速掘进成套技术、智能化综采工作面成套技术、智能化主/辅运输技术、危险源智能感知与预警技术、智能化洗选系统、智能化综合保障技术、矿井物联网综合管控系统和操作平台等主要环节的发展路线。阐述了露天煤矿智能化发展方向,提出了建设露天煤矿信息化系统、开发露天煤矿智能化连续开采技术、建立露天煤矿空-天-地一体化安全预警系统、推进露天煤矿生态环境协调绿色发展的理念。大力发展煤机装备智能制造,提高煤机装备的可靠性与适应性,促进煤炭资源开发的机器人化替代,为煤矿智能化发展提供智能装备保障。提出了加大煤矿智能化发展政策支持、设立煤矿智能化标准体系建设专项、建立国家级煤矿智能化技术创新研发实验平台等政策建议。     

特厚煤层智能化综放开采理论与关键技术架构

综放开采方法是我国特厚煤层矿区实现高产高效的主要技术途径,智能化综放开采是未来综放开采技术发展的重要方向。在分析千万吨级特厚煤层智能化综放开采技术和问题的基础上,围绕安全、高效、智能这一主题,综合考虑特厚煤层顶煤体和上覆岩层的相互作用,以掌握特厚顶煤冒放理论,实现综放工作面放煤智能化,降低含矸率、提高顶煤采出率为主导,提出要解决的关键科学问题和技术构想。针对综放开采存在的煤矸智能识别、智能放煤控制、“采-支-放-运”系统智能协调等主要难题,凝练出特厚煤层智能综放开采大尺度顶煤体破碎与冒放机理,特厚煤层智能化采放协调控制机理与方法,特厚煤层智能综放开采群组放煤过程控制原理三大科学问题。攻克特厚煤层群组协同智能放煤工艺决策技术,特厚煤层顶煤厚度与放煤量实时监测技术,冲击振动和高光谱融合的煤矸识别技术,多模式融合的智能化放煤装备及控制技术,综放工作面“采-支-放-运”系统智能协调控制技术五项关键技术。突破特厚煤层智能化综放开采技术与装备瓶颈,研发煤矸识别装置、开发智能放煤控制系统及软件,解决采放协调、煤矸识别、群组放煤等难题,创建年产1 500万t智能化综放开采示范工程。最终实现特厚煤层智能化综放开采,为我国特厚煤层的安全、高效开发提供可靠的技术支撑。     

采掘工作面设备智能化控制系统的研究

针对采掘工作面设备智能化的问题,对智能化设备的主要研究内容进行论述,即单机集中操作与智能控制技术、智能监控、检测、故障诊断与维护技术和基于网络的机群智能化管理技术等。煤矿机械装备的智能化不仅可以降低劳动强度,保障人员安全,而且也是采掘工作面无人或少人的前提。采掘工作面设备智能化是煤矿机械装备发展的必然趋势。     

智能化综采管理平台中多源异构数据处理

针对智能化综采管理平台存在的信息孤岛以及子系统割裂等煤矿建设中存在的一系列问题,提出了智能化综采管理平台中的多源异构数据处理系统为主体的智能化煤矿建设体系架构。通过对大数据的采集、存储、分析以及系统实现,在井下构建智能化的多源异构大数据平台,成功建成了各个子系统之间能够统一管理、信息之间能够共享的格局。分析认为,多源异构数据处理系统可实现各类多源异构数据的高效传输和快速处理分析,能消除信息孤岛,以及设备持续开采的周期寿命进行预警预判和自动分析。     

我国煤矿井下综采工作面供电系统的现状和发展趋势研究

 摘要：分析我国煤矿井下综采工作面供电系统的现状以及与国外技术的差距,提出了综采工作面供电系统逐步向电压高等级化、设备集成化、控制智能化等方向发展。研究综采工作面供电系统的现状和发展趋势对推动我国综采工作面供电系统的进步具有重要的意义。     

锦界煤矿智能矿山自动化开采技术与应用

我国现阶段新能源开发技术无法满足国民经济发展对能源需求的特点,决定了煤炭资源短期内仍是无法被取代的资源,当下急需对煤炭开采技术升级,通过自动化、智能化安全、经济、高效的开采方式,实现能源可持续发展.国家能源集团正努力建设具有全球竞争力的世界一流能源集团,选择神东锦界煤矿作为智能矿山自动化开采项目试点,共包括1个平台,2...     

深井厚煤层长工作面支护应力特性及分区协同控制技术

加长工作面长度是智能高效长壁综采发展趋势,工作面长度加长后矿压显现一般会出现明显变化,工作面围岩和液压支架的控制难度加大。采用现场实测和理论计算相结合的方法,针对淮南口孜东煤矿千米深井长工作面开展了长工作面来压频率、来压峰值和来压范围的变化特性研究,研究分析了该矿121304工作面支架受力特性及姿态变化特点,建立了基于弹性独立支座的液压支架群组支护力学模型,发现了深井超长工作面支护应力特性,理论计算与实测具有较好的一致性,在此基础上对140502工作面支护参数及控制技术进行了研究。结果表明:随着工作面长度增加,综采工作面支护应力由单峰值逐步转化为多峰值,并向两端头扩展,工作面不同区域来压具有明显的时序性且强度区别较大等特点。深井围岩劣化(低强度顶板)增大了这种趋势,工作面长度300 m即出现了超长工作面多峰值的特征。工作面支护应力出现"M"型三峰值可作为超长工作面的判据,合理工作面长度应综合煤层赋存条件、工作面参数和装备能力进行确定。根据液压支架在空间和功能的不同属性,结合长工作面不同分区特点,揭示了超长工作面判据和群组分区协同控制原理,提出了一种基于状态误差和代价函数的工作面装备群组协同控制方法,制定了"单架控制→组控制→群控制"三级协同控制策略和实现方法,可有效指导深井厚煤层超长综采工作面装备群实现最优协调控制。