0 引言
我国煤炭智能化开采经历了基于远程可视化的智能化开采1.0阶段，以及基于设备自适应的智能化开采2.0阶段[1-4]，实现了综采工作面“无人操作、有人巡视”的工作模式。但从严格意义上来说，综采工作面智能化开采还停留在远程控制和综采装备自动化控制生产方式。由于煤层信息不够全面、准确，煤岩识别难题尚未破解等原因，目前大部分综采工作面还不能实现适应煤层条件的智能化开采[5]。
随着综采工作面智能化开采向深水区攻关，行业提出了基于透明工作面的智能化开采设想[6-8]，以增强煤层赋存感知、实现综采装备与开采空间融合关联、构建实时数据支撑的动态透明工作面为研究方向，达到综采装备的智能决策和自主执行。但目前对基于透明工作面的智能化开采概念尚未形成统一认识，对基于透明工作面的智能化开采实现路径和关键技术亦不十分明确。笔者在调研文献和综合分析的基础上，对基于透明工作面的智能化开采的概念、实现路径及关键技术进行探讨。
1 基于透明工作面的智能化开采概念
透明工作面的提法源于“透明地球”概念，是地球物理探测理论及技术在煤炭资源开采领域的具体应用体现。建立透明工作面是以采矿工程、物联网、信息技术、大数据、人工智能为理论基础，利用地质勘探、地理信息系统、传感网络、三维虚拟仿真等技术手段，将真实的综采工作面作为“透明化”原型对象，形成一个基于绝对三维坐标参考系的多尺度、数字化的工作面煤层地质模型的过程。基于透明工作面的智能化开采是在综采工作面煤层地质增强感知的基础上实现工作面开采过程的全面感知、信息集成与分析、智能生产决策、综采装备自适应控制。
(1) 煤层透明化。借助先进的地质勘探技术[9]，以大数据和信息技术实现煤层内部结构的可视化、数据化，达到煤层结构信息全面、煤岩关系信息准确、地理参数信息精确、地质演化信息正确的目标，从而解决由于地质体和地质结构的复杂性、不可预见性导致煤层开采的不确定性问题。
(2) 综采装备透明化。通过对综采装备的位置、姿态信息及随工作面连续推进过程运动状态的感知与测量，建立综采装备集群之间、综采装备与实际开采煤层之间的信息交叉、数据交互机制，实现“机-环”在三维空间场的有效关联[10]，提升综采装备对开采条件的全面适应性。
(3) 决策及控制透明化。通过构建包含采煤机、刮板输送机、工作面液压支架、巷道支护装备等综采装备的关联模型，分析不同开采工况及地质条件下综采装备与煤层赋存、开采扰动之间相互关系，建立综采装备控制策略集，根据实际开采条件对下一采煤作业循环过程中综采装备与待开采煤层间相互作用进行预演，实现智能化开采系统自主决策、生产人员辅助调整的交互作业模式。
2 基于透明工作面的智能化开采实现路径
根据基于透明工作面的智能化开采概念，从感知、分析、决策、执行4个层次提出了基于透明工作面的智能化开采实现路径，即煤层超前探测、“机-环”模型关联、提前规划决策及随采智能控制。
(1) 煤层超前探测。依托矿井地质勘探钻孔、工作面切眼、回撤通道及巷道等实测地理信息，构建综采工作面初始地质模型。在初始地质模型的粗放数据基础上，利用精细化地质勘探技术实现对煤层赋存信息、煤层与顶底板岩层分界信息的精准识别，在煤层开采前建立精细化三维地质模型。
(2) “机-环”模型关联。在构建的工作面精细化三维地质模型基础上，通过绝对定位技术将综采装备与煤层三维空间场关联[11-14]，将综采装备位置、姿态信息转变为三维坐标信息的同时将其标定在三维地质模型的坐标系中，实现“机-环”模型关联，并在考虑一定边界约束条件的基础上，构建开采模型。
(3) 采前规划决策。基于开采模型，综合考虑煤层赋存条件、煤岩分界线、采煤机预估运动轨迹、液压支架群组耦合状态，围绕采煤机截割轨迹、采煤机调高、工作面伪斜控制、工作面直线度控制、液压支架群组协同推进等需求规划控制策略，以满足实际煤层开采的要求。
(4) 随采智能控制。根据采前规划的控制策略，结合单机装备的自适应控制方法，实现综采装备动作精准、稳定、可靠执行。同时，通过智能化传感装置对综采装备自动控制执行效果进行实时反馈，以评估装备控制效果，相关评估结果会反馈至开采模型，以优化下一采煤作业循环的控制策略。
3 基于透明工作面的智能化开采关键技术
3.1 地质勘探技术
利用地质勘探技术系统性地开展综采工作面地质精细探测、地理信息解析，解决传统开采方式下煤层赋存不可预知的问题，将综采工作面地质信息由“黑箱模型”转变为“透明模型”，为煤炭智能化开采提供地质信息保障。目前应用较普遍的地质勘探技术有震波CT技术和微震探测技术。
震波CT技术是利用人工激发震源实现煤层勘探，在地质条件相对稳定情况下利用洛夫波速度成像原理可实现煤层厚度测量[15]，测量精度一般为煤层厚度的5%～10%。震波CT技术原理如图1所示，通过在巷道部署地震波激发点(炮点)和地震波接收点(检点)，按照顺序激发地震波，接收点部署传感器采集相关震动波，经过分析、解算地震波在传播过程中的波形来判断煤层厚度。通常在综采工作面初采前利用震波CT技术完成整个待开采煤层的勘探。
微震探测技术利用工作面微震事件形成的震动波在煤层介质内的速度场成像原理，实现综采工作面顶底板煤岩界面识别[16]。微震探测技术原理如图2所示，一般以采煤机截割煤壁时产生的震动信号作为震动源，在运输巷、回风巷顶底板布置钻孔用于埋设光纤微震传感器，对超前工作面一定范围的待开采煤层覆盖区域的微震波进行检测，再利用微震波波速反演、计算等方法实现工作面顶底板煤岩界面识别。光纤微震传感器随工作面回采推进交替前移，以持续对综采工作面未开采区域进行勘探。
图1 震波CT技术原理
Fig.1 Principle of seismic wave CT technology
图2 微震探测技术原理
Fig.2 Principle of microseismic detection technology
3.2 综采装备定位技术
综采装备定位技术用于实现综采装备间、综采装备与煤层三维空间场间的空间位置耦合关联。通过在工作面运输巷内布置定位基站，接收采煤机定位标签发送的脉冲信号，从而测量定位基站与采煤机的相对位置，再根据定位基站的基准坐标，实现采煤机的空间定位。在移动的采煤机上配置惯性导航装置，可将采煤机运动轨迹转变为三维空间坐标。利用采煤机、液压支架、刮板输送机之间的物理约束关系，并结合综采装备推移行程、高度、姿态、角度等传感数据，以及综采装备结构尺寸参数，可计算出综采装备的空间三维坐标，从而描述综采装备之间相对空间位置关系。同时，定位基站采用与煤层三维空间场统一的三维坐标系统，即可实现综采装备在煤层三维空间场内的空间位置定位。
3.3 三维激光扫描技术
三维激光扫描技术又被称为实景复制技术，其原理是扫描仪发射器发出的激光脉冲信号经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到接收器，通过发射器偏转角度与激光行程时间即可计算物体的空间位置[17-18]。该技术突破了传统激光单点测距的局限性，具有高效率、高精度的优势，可实现综采工作面复杂采场空间环境的三维激光点云数据采集[19]。
针对综采工作面狭长的采场空间，在工作面端头布置固定式三维激光扫描装置，在工作面中部布置移动式三维激光扫描装置，获取开采过程中整个工作面采场轮廓的三维坐标数据。同时，在运输巷、回风巷提前布置导向标志，用点对点传导的方式将导向标志的绝对坐标引入三维激光点云模型，从而构建具有绝对坐标的工作面数字化模型。
4 结语
基于透明工作面的智能化开采围绕煤层透明化、综采装备透明化、决策及控制透明化，以煤层超前探测、“机-环”模型关联、采前规划决策、随采智能控制为实现路径，通过综合应用地质勘探技术、综采装备定位技术、三维激光扫描技术，达到综采装备智能决策和自主执行的目标，为最终实现无人化开采奠定坚实基础。
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