Digital twin: meeting the technical challenges of intelligent fully mechanized working face
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摘要: 基于智能化综采工作面目标任务−自主完成综采工作面可靠割煤、保持工作面几何关系、顶板可靠支护，提出了综采工作面智能控制关键技术，包括采煤机定位技术、工作面可视化技术、液压支架电液控制技术（装置）、工作面通信技术、综采装备协同控制技术、采煤机自动调高技术、工作面自动调直技术和工作面围岩支护控制技术（其中前3种技术属于智能化综采工作面的感知与执行层，工作面通信技术是智能化综采工作面的传输层，后4种技术属于智能化综采工作面的决策层）。指出智能化综采工作面面临的挑战为决策层的自主决策能力不能适应复杂多变的工况、感知与执行层不能支撑决策层的信息需求和决策指令的可靠执行。针对上述挑战问题，采用基于仿真的数字孪生建模方法，提出了综采工作面数字孪生系统架构。综采工作面数字孪生系统虚拟实体包括机理模型和行为模型，利用综采装备机理模型可获得综采装备物理系统的不可测数据，行为模型可为综采工作面智能控制系统提供反映物理装备运行状态的全息信息，解决决策层数据信息匮乏问题；综采装备机理模型与其控制系统组合的离线运行模式形成综采工作面硬件在环仿真系统，为基于工艺规则的智能控制算法提供测试平台；综采装备机理模型、行为模型与其控制系统组合的离线运行模式形成综采工作面计算实验系统，为综采工作面智能控制系统真正的自主决策复杂算法开发提供测试平台。Abstract: The goal and task of intelligent fully mechanized working face are to independently complete the reliable coal cutting of the fully mechanized working face, maintain the geometric relationship of the working face and reliable roof support. According to the goal and task, the key technologies of intelligent control of fully mechanized working face are proposed. The technologies include shearer positioning technology, working face visualization technology, hydraulic support electro-hydraulic control technology (device), working face communication technology, collaborative control technology of fully mechanized mining equipment, autonomous height adjustment technology of shearer, autonomous straightening technology of working face and surrounding rock support control technology of working face. Among these technologies, the first three technologies belong to the perception and execution layer of intelligent fully mechanized working face. The working face communication technology is the transmission layer of intelligent fully mechanized working face. And the last four technologies belong to the decision-making layer of intelligent fully mechanized working face. The challenges faced by the intelligent fully mechanized working face are pointed out, which are that the autonomous decision-making capability of the decision-making layer cannot adapt to the complex and changeable working conditions, and the perception and execution layer cannot support the information demand of the decision-making layer and the reliable execution of the decision-making instructions. In order to solve the above challenges, the digital twin system architecture of fully mechanized working face is proposed by use of the simulation-based digital twin modeling method. The virtual entity of the digital twin system of the fully mechanized working face comprises a mechanism model and a behavior model. The unmeasurable data of a physical system of the fully mechanized working face equipment can be obtained by the mechanism model. The behavior model can provide holographic information reflecting the running state of the physical equipment for an intelligent control system of the fully mechanized working face. Thus the problem of the lack of data information in the decision-making layer is solved. The off-line run mode of the combination of the mechanism model of fully mechanized mining equipment and its control system forms the hardware in the loop simulation system of fully mechanized working face, which provides a test platform for intelligent control algorithms based on process rules. The off-line run mode of the combination of the mechanism model, behavior model and its control system of the fully mechanized mining equipment forms the calculation experimental system of the fully mechanized working face, which provides a test platform for the development of the real independent decision-making complex algorithm of the intelligent control system of the fully mechanized working face.
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0. 引言
传统矿井煤炭资源日趋枯竭，充填开采是解放“三下”压煤、增加煤炭产量、避免安全生产和环境问题的重要技术手段[1-2]。《“十四五”能源领域科技创新规划》明确提出集中攻关固体废弃物充填采煤技术，开展矿区典型大宗固废资源化利用示范[3]。同时《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见》提出智能充填技术符合煤炭开采绿色化、智能化行业发展方向[4-7]，研发充填开采智能化技术、建设智能化矿山，有利于实现矿山少人化、无人化及安全绿色高效开采。
在充填开采智能化领域已有许多学者开展了研究。张吉雄等[8-9]构建了煤矿矸石井下智能化分选协同原位充填开采模式，阐述了采选充系统的时空协同关系。张昊等[10]系统阐述了包括煤基固废地面处理、煤基固废地面−井下高效运输、井下煤矸分选、煤基固废井下运输及工作面充填五大系统的采选充一体化的绿色充填开采系统。任帅等[11]对充填开采设备进行智能化升级，实现了回采巷道内远程控制的充填开采智能化，并构建了深部充填工作面智能监测预警系统及充填效果评价体系。张强等[12]、左小[13]以充填装备升级改造为基础，对矿山固体智能充填开采技术展开研究，形成了一套集合机构干涉状态判别、充填参数智能感知、采充工序自动组织的煤矿固体智能充填开采方法。充填开采智能化已有一定的理论研究基础，但对充填开采智能化关键技术缺乏系统性研究和实际工程应用。本文基于冀中能源股份有限公司邢东矿智能充填开采工程经验，提出了充填开采智能化技术，以期为智能充填矿井建设提供技术借鉴，促进煤炭绿色智能低碳高效开采。
1. 邢东矿概况
邢东矿井田面积约为14.5 km2，可采储量为6 127万t。采用单面生产，倾斜长壁综采工作面采煤，目前主采2号煤层。自2002年在工业广场煤柱区域内成功实施巷道式矸石充填至今，邢东矿已连续20 a在全矿区内实施充填开采[14-18]。邢东矿在密集建筑群下开采煤炭资源已经历了7种开采方法，从最初的垮落法开采，到条带开采、巷道矸石充填开采、高水充填开采、综合机械化固体充填开采，最后通过构建煤基固废井上下高效归集运输、井下分选与就地充填系统形成智能充填矿山生产模式。
2. 充填开采智能化技术
以固体充填开采面智能化升级为核心，以充实率智能控制为首要目的，以建设信息化与自动化深度融合的具有感知、联动、分析、决策能力的智能充填矿井为目标，结合生态环境低损害开采保护理念，根据不同系统工程需求，形成了以煤基固废智能预处理及投放控制技术、井下智能跳汰分选技术、多源煤基固废归集储运技术和固体智能充填开采技术等为代表的充填开采智能化技术体系，如图1所示。
2.1 煤基固废智能预处理及投放控制技术
2.1.1 地面煤基固废智能预处理
地面煤基固废智能预处理主要实现煤基固废从城市及周边矿区运输进矿、分布式仓储及精准给配料计量等功能，其流程如图2所示。
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图 2 地面煤基固废智能预处理流程Figure 2. Intelligent pretreatment process of ground coal-based solid waste邢东矿通过将矿山辐射区域煤基固废通过自卸式卡车运输至厂区，经洗车房洗车后到达地面原料车间。地面原料车间内配备6个大容量地下式仓储，用于储存充填所需的矸石、黄土等细骨料颗粒。
根据井下煤矸产能动态调配，计算出所需的地面煤基固废用量并将信息传递至地面控制室控制主机。控制主机控制仓下给料机进行落料，给料机磅秤装置按照5∶2的比例自动称量所需矸石、黄土等煤基固废，同时，控制主机通过调整带式输送机电动机转速及功率控制运料速度，使实际投料量匹配需求量。
2.1.2 大流量大垂深煤基固废智能投放控制
为了将地面预处理后的固体充填物料通过投料井向井下快速高效运输，设计了大流量大垂深煤基固废智能投放控制方法，其核心在于料仓料管信息实时感知、投料参数动态反馈调节。
大流量大垂深煤基固废智能投放控制具体流程：地面预处理后的煤基固废经地面带式输送机运入投料井，投料井井壁上的耐磨管安装有超声导波传感器探头，可通过周期性激发和感知返回的超声导波，对井壁磨损度进行监测及检修判断；煤基固废出投料井后落入储料仓，仓内安设速度传感器及压力传感器，感知落料过程中产生的风速及风压，将达到警戒值的风速及风压反馈至地面控制中心，通过调控地面带式输送机的运料速度及运料量，以适应投料需求；煤基固废堆积于储料仓内，储料仓顶安设雷达物位计，周期性感知堆料高度，当其超过入料设定值时，及时反馈控制投料停止，并开启储料仓下部的井下给料机及带式输送机运输物料，直至储料仓堆料高度低于给料临界值时，反馈控制给料机停止给料，重新开启投料。
2.2 井下智能跳汰分选技术
2.2.1 床层实时测控
床层实时测控主要监控测量指标为床层高度、床层松散度、水量和风量。床层高度与浮标的位置相互对应，通过高精度位移传感器进行监测，自动调节配重浮标装置。浮标检测出床层高度，经角位移传感器变成0～10 V的电信号，送入控制器进行信号处理和输出调节，控制电动机调速装置（变频器或直流调速箱），电动机带动排料轮相应改变排料量，实现床层高度的精准控制；床层松散度由压力传感器进行监测；水量与风量通过流量传感器和数控风阀进行监测。监测数据通过iFIX组态软件汇集控制，并通过上位机实现床层实时测控的人机交互。
2.2.2 排矸速度智能控制
井下智能跳汰分选方式是以水介质通过空气脉动将物料床层松散、扬起、沉降实现煤矸分层分离，煤与矸石床层为“亲密接触式”分离排出，小块煤极易被大块矸石挤压在床层下面被排入矸石料道。因此排矸速度智能控制需保证在煤与矸石床层充分分离且与空气脉动密切配合条件下实现高质量、高效率分选排矸。
井下煤流送至跳汰机后，跳汰机按照预设的参数（排矸速度的高低限等），协同床层高度和压力等数值模型的实时分析结果，自动控制跳汰机风箱4个工作周期（进气期、膨胀期、排气期和休止期）的频率和占比，同时经PID运算后对排料轮进行脉冲频率调制控制，实现排矸速度快速响应、精准调控。
2.2.3 混合分选控制
根据需要设置多种分选工作方式，如“手动/自动”、“PID自动排矸/手动恒速排矸”、“跳汰机设备耦合/跳汰机设备分离”、“远控允许/远控禁止”。通过混合分选控制一方面可实现集控系统瘫痪时保证跳汰机正常工作，另一方面可同时设定手动调速和自动调速，实现复杂煤流条件下的跳汰控制。
2.3 多源煤基固废归集储运技术
煤基固废来源包括煤矿井下自产煤基固废和地面运输煤基固废两大部分[19-21]，其中地面运输煤基固废不仅包括本矿地面堆积煤基固废，还包括矿山辐射区域煤基固废，如邻近矿山或选煤厂矸石、煤电厂粉煤灰、炼钢厂钢渣、城市建筑垃圾及尾矿、煤泥等大宗固废，如图3所示。
多源煤基固废归集储运的关键环节为对包括井下洗选矸石、岩巷掘进矸石、岩巷整修矸石和地面运输矸石等各来源煤基固废运输量及工作面原煤产量的实时精准监测，以及据此对包括带式输送机、给料机等煤基固废储运设备的精准反馈调控。
1） 多源煤基固废实时精准监测。监测参数主要包括各来源煤基固废运输量、工作面原煤产量、输送机功率、给料机频率及采煤机牵引速度。① 通过在输送机上安装输送带秤，实时监测单位时间内输送机运输的煤基固废质量。② 通过上位机监测输送机和给料机的电流、电压来监测输送机功率与给料机频率。③ 通过在采煤机牵引部电动机上安装速度传感器来实现采煤机牵引速度监测。
2） 多源煤基固废精准反馈调控。多源煤基固废的动态调配是以保证工作面充填需求为最终目标，因此需首先确定工作面煤基固废总需求量，再根据矿井实际生产需要，通过调控给料机的给料速度或带式输送机运输速度来调节各来源煤基固废的运输量，使其尽可能接近实际总量需求，保证工作面充填效果。调控时应根据充填需求、生产需求、各来源矸石量及充填目的综合考虑调控顺序。
2.4 固体智能充填开采技术
邢东矿在原固体充填开采技术基础上，通过各类传感器监测充填液压支架状态、位姿及充填效果，进一步联动图像复核双检验型计量系统及乳化液智能控制系统，实时控制采充质量、多泵联动自动切换，由主控计算机对充填液压支架油缸动作的执行序列进行优化，操控电液控制系统执行油缸动作，无需采煤机停机及人工参与，节省了油缸动作接续时间，实现减员增效及安全生产的目的。
2.4.1 智能充填监测
通过使用多种传感器精确控制充填过程中的每个动作环节，保证充填过程的安全性，防止产生机构干涉；自动识别充填效果，提高充填精度和效率，保证充实率。
1） 智能充填液压支架关键参数检测。支架摆梁上安装角度传感器，监测支架角度；在压实千斤顶中安装行程传感器和压力传感器，检测压实千斤顶的压力及伸缩行程，从而判断矸石充填程度是否达到要求，并进行相应的时间控制。
通过测高传感器测量后顶梁后端到底座与摆梁铰接中心的垂直高度及后顶梁后端到摆梁端部的垂直高度；根据摆梁长度和顶梁后端到多孔底卸式刮板输送机下端的距离等数据可计算出摆梁角度，判断夯实机构是否与后部刮板输送机发生碰撞，并进行相应的安全保护控制。
2） 工作面及回采巷道监测。工作面前部每隔6个充填液压支架配备1台矿用本质安全型云台摄像仪，摄像仪安装于充填液压支架前顶梁上，用于获取采煤机运行位置和方向；工作面后部每隔3个充填液压支架配备1台矿用本质安全型云台摄像仪，摄像仪安装于充填液压支架后顶梁上，拍摄方向垂直于工作面，用于监视充填液压支架后部充填效果。
在带式输送机机头、转载机机头、前部刮板输送机机头和后部多孔底卸式刮板输送机机头各安装1台本质安全型摄像仪，对回采巷道关键设备进行实时监测。
矿用本质安全型摄像仪及云台摄像仪是网络摄像仪，具有红外补光功能，采用以太网进行视频传输，通过有线方式接到综合接入器，通过接入器供电并传输视频信息，如图4所示。
2.4.2 流量智能控制
1） 矸石流量智能控制。通过3套集控系统控制工作面矸石及原煤运输，其中1套控制4部运矸输送带及1部给煤机，1套控制3部运矸输送带及1部后部刮板输送机，1套控制3部原煤输送带、1部转载机及1部前部刮板输送机。所有设备均可通过集控中心实现一键启停。
图像复核双检验型计量系统核心为工业摄像仪+结构光的AI图像校验系统，可实时检测输送带上物料的体积变化，通过图像检测到的物料体积信息与电子输送带秤的称重信息实时进行多参数比对，出现偏差及时报警并可实现自动标校零点，采用动态砝码加载机构的方式可进行“一键验证校准”。因此，分别在运矸输送带及原煤输送带安装图像复核双检验型计量系统，通过实时监测运矸量及运煤量，实现矸石充填率控制，保证工作面矸石充填率达85%以上。
2） 乳化液智能控制。智能乳化液泵站自动化控制系统可实现乳化液浓度在线实时监控、自动配比，通过变频控制实现多泵联动、自动切换。水处理系统可将过滤后的水精度控制在5 μm以下，从而保证乳化液干净无杂质，大大延长矸石充填液压支架中立柱千斤顶及电液控制系统中的主阀、过滤器及阀芯的使用寿命，减少检修次数。
2.4.3 智能充填电液控
1） 支架电液控。智能充填液压支架硬件上增设电液控系统，通过PLC主控制器、电磁换向阀和传感器对液压千斤顶和泵站进行闭环控制；通过在PLC主控制器中编写根据充填工序流程、位态表征方法和干涉调控原理等设计的控制程序，实现对液压支架的智能控制。
2） 工作面电液控。在单架支架电液控基础上，集成工作面采煤机、前部刮板输送机、后部多孔底卸式刮板输送机和充填液压支架，通过巷道及地面控制器、电磁换向阀和传感器对工作面关键设备进行联动控制，实现采充平行作业及充填智能控制。
3. 工程实践
3.1 工程概况
邢东矿在多年充填开采实践的基础上，将1200采区原条带开采所遗留的煤柱区域作为智能充填矿井示范工作面建设区域，采用充填开采智能化技术，建成了包括煤基固废地面智能预处理系统、煤基固废地面−井下智能运输系统、井下智能跳汰分选系统、多源煤基固废归集储运系统、固体智能充填系统、智能通风系统、智能排水系统、智能煤炭运输系统等八大系统的智能充填矿井，如图5所示。
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图 5 邢东矿智能充填矿井组成Figure 5. Composition of intelligent backfilling mine in Xingdong Mine智能充填矿井将各系统按照统一的标准接入管控一体化平台，各系统间互联互通，在调度中心实现统一管控。在管控平台一体化的界面下可对生产环节的设备参数、状态、场景进行实时监测，对各系统的自动化数据进行实时监视与集中控制，实现了全矿井各系统能力的动态平衡。
3.2 工程建设情况
针对邢东矿智能充填矿井，着重介绍与充填高度相关的煤基固废地面智能预处理系统、煤基固废地面−井下智能运输系统、井下智能跳汰分选系统、多源煤基固废归集储运系统及固体智能充填系统建设情况。
1） 煤基固废地面智能预处理系统及地面−井下智能运输系统。邢东矿建成了地面矸石投料智能化控制系统，投料能力可达452 t/h，实现了站内矸石储、运、投及收尘、降尘等各环节的一键控制，并可以根据输送带保护、车辆冲洗、卸料喷淋、井下储料仓上限监控等设备运行情况自动停机。地面原料车间内设4台射程30 m的雾炮进行喷雾降尘；设有地磅对入仓矸石进行称重计量；建有6个7.5 m×7.5 m ×7 m（长×宽×高）的连体地下式储仓，总占地5 100 m2，总储量为1 620 m3；投料井深度为766 m，井底建有储料仓，确保固体充填物料在井下均衡运输，并通过安装雷达物位计实现满仓报警、仓位监测等功能；地面投料机控室远程控制投料量。
2） 井下智能跳汰分选系统。邢东矿井下智能跳汰分选系统可实现煤泥水自动平衡、跳汰机跳汰比例智能调节、矿床智能测控、风量智能调控等功能。煤矸100%井下洗选，入洗粒径为20～200 mm块状原煤，跳汰面积达4.28 m2，处理能力为600 t/h，矸石带煤率＜3%。
3） 多源煤基固废归集储运系统。邢东矿建有总容量达2 050 m3的井下汇集储料仓，保证井下多源煤基固废有足够的储存空间，并建成了输送带中心，其中智能化运矸系统由8部运矸输送带和3个矸石仓组成，实现了带式输送机的智能集中控制、称重计量、一键启停、无人值守。
4） 固体智能充填系统。邢东矿年矸石充填量约为40万t，建成了智能化矸石充填工作面控制系统（包括矸石充填自动化控制、采煤自动化控制、矸石充填率自动控制、乳化液泵站自动化供液、矸石运输自动化控制、原煤运输自动化控制及视频监控自动化控制7个子系统），实现了采煤机工况显示、输送机工况显示、液压支架工况显示、工作面设备与监控中心各主控计算机通信状态显示等监测功能，液压支架远程控制、采煤机远程控制、工作面“三机”工况集中自动化控制、工作面泵站集中自动化控制、回采巷道输送机集中自动化控制等控制功能，采煤机故障诊断、电路故障诊断等诊断功能。
3.3 工程效益
通过在邢东矿实践应用充填开采智能化技术，智能充填工作面能力大幅度提高，充填工作面产量由月产3.6万t增加至月产7.2万t，每班人员减少8～10人，1个循环作业时间减少约2.5 h，效率提高约50%。
4. 结语
以充填采煤为主力开采方法的充填矿井为研究对象，将煤基固废预处理、煤矸井下分选、多源煤基固废储运及固体充填采煤作为一个整体，形成了涵盖煤基固废智能预处理及投放控制技术、井下智能跳汰分选技术、多源煤基固废归集储运技术及固体智能充填开采技术等的充填开采智能化技术体系，显著提升了煤基固废处置水平及煤炭开采效率，对充填矿井安全高效智能开采具有重要的推进作用。邢东矿运用充填开采智能化技术，对井上下储运、充填、采煤等系统进行了智能化建设，建成了智能充填矿井，全面解决了邢东矿煤基固废排放问题，使得充填工作面产量及效率大幅提高，具有广阔的推广应用前景。
【编者按】煤矿采掘装备智能化是实现煤炭安全高效开采的技术保障。国家发展改革委、国家能源局、应急管理部等八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》指出，重点突破智能快速掘进、复杂条件智能综采等技术与装备，对于冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害严重的矿井优先开展智能化采掘（剥）的机器人替代。近年来，我国煤矿智能采掘装备在定位导航、智能感知、智能采掘工作面示范等关键技术和工程应用方面取得了一批先进成果，为实现煤矿采掘工作面少人化与安全高效作业提供了支撑。为进一步交流共享科研成果，探讨智能采掘装备在数字孪生、智能运维、智能决策等技术发展方向和难题，加快推动煤矿采掘作业智能化发展，保障矿山安全高效生产，《工矿自动化》编辑部特邀中国工程院葛世荣院士担任客座主编，中国矿业大学王世博教授担任客座副主编，于2022年第7期组织出版“煤矿智能采掘装备技术与应用”专题。在专题刊出之际，衷心感谢各位专家学者的大力支持！ -
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图 7 综采工作面数字孪生系统架构
Figure 7. Digital twin system architecture of fully mechanized working face
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