0 引言

我国薄煤层资源丰富，在已探明储量中，84.2%的矿区有薄煤层分布，薄煤层保有工业储量9.83 Gt，可采储量6.15 Gt，分别占全国煤炭总储量的16.9%和2.8%。在大型煤矿中，综合机械化生产煤量比例不断上升，而薄煤层开采煤量比例却在不断下降。薄煤层开采难度大，经济效益低，存在配采比失调、采厚丢薄的现象[1-2]。薄煤层回采工作面自动化、智能化技术的发展成为实现薄煤层智能回采的关键。本文分析了国内外薄煤层工作面智能化技术发展概况，阐述了薄煤层智能回采系统关键技术原理，列举了我国薄煤层智能回采系统的应用情况，并分析了薄煤层智能回采系统技术发展方向，为实现我国薄煤层工作面科学、绿色、安全、高效、协调及智能开采提供技术参考。

1 薄煤层回采存在的主要难点

由于薄煤层开采厚度较小，与中厚煤层相比存在以下开采难点：

(1) 采高小,顶板压力小，煤质相对较硬，截齿吨煤消耗量大，回采成本较高。

(2) 投入产出比高，单产、工效经济效益低，其开采成本明显高于中厚煤层，经济效益不如中厚煤层好。

(3) 煤层赋存的厚度、角度、断层等地质变化对薄煤层开采影响很大，采出率低。

2 国内外薄煤层智能化技术发展概况

近年来，薄煤层工作面单机设备自动化技术取得很大发展，液压支架能够跟随采煤机的位置和方向自动完成升降、推移等动作，采煤机能够实现记忆切割，运输设备能够实现逆煤流启、顺煤流停、联锁控制等，在地质条件允许的情况下实现薄煤层自动化开采具备了可行性。国内很多单位开展了有关薄煤层自动化工作面的研究，提高薄煤层工作面生产的自动化水平也是当前国际采矿界研究的热点。

2.1 国外薄煤层智能化技术

在美国、英国、德国等主要采煤国，薄煤层开采均占有较大比例。英国和美国主要采用滚筒采煤机，德国、波兰、俄罗斯、法国、西班牙等主要采用刨煤机，其中德国研制和使用刨煤机的时间最长，技术水平最高。1.6 m以下的薄煤层采用刨煤机采煤，当煤层厚度超过1.6 m时，滚筒采煤机开采占重要地位，井工矿井利用地面遥控的方式进行自动化开采。

目前，以德国DBT公司研究开发的液压支架PM4电液控制系统为基础的全自动化无人刨煤机采煤工作面基本上实现了无人作业。在综采工作面，国外尚无智能化无人开采的成功先例，但澳大利亚正在研制远程控制全自动化无人工作面开采技术，近年来启动了LASC(Longwall Automation Steering Committee，长壁自动化指导委员会)研究计划，探索先进、安全、高效的自动化技术和模式，期望研发出能够代替人工实际操作的系统模式，并取得了一系列成果，主要包括利用陀螺仪进行采煤机三维检测、工作面工况与环境检测等[3-4]。

2.2 国内薄煤层智能化技术

我国薄煤层采煤机发展历程：20世纪60年代为MLQ系列，适用采高为0.8～1.5 m；20世纪70年代为BM系列滚筒采煤机，适用采高为0.75～1.3 m；20世纪80年代主要为MG150B型采煤机；20世纪90年代为新一代MG200/450-BWD型薄煤层采煤机，采用了多电动机驱动、交流变频调速、无链牵引等技术。2001年辽宁铁法能源有限责任公司小青煤矿采用“集成、嫁接”的技术方案，将国内厂家和DBT公司的技术进行了结合，利用刨煤机实现了薄煤层自动化回采。

我国高产高效薄煤层工作面主要包括2种：一是全部使用国产新型综采设备，生产能力达到年产3 Mt以上；二是国产液压支架、重型刮板输送机配以电牵引采煤机，生产能力可达年产4 Mt。近10 a来，以神东矿区为代表的现代化矿井采用先进的管理模式和国际一流装备，不断刷新薄煤层工作面高产高效记录，实现了在工作面巷道监控中心对工作面设备的远程干预控制，同时实现了远程自动配液、远程供液、泵站无人值守[5]。

3 薄煤层智能回采系统关键技术

3.1 液压支架全工作面跟机智能化技术

在液压支架电液控制系统实现全面跟机自动化的基础上，将电液控制系统与液压支架视频监控系统相结合，通过监控中心远程操作对液压支架进行干预，满足复杂环境下液压支架的自动化、智能化控制。

以自动化控制为核心，利用检测技术、液压技术、通信技术、电子技术等实现液压支架的自动跟机移架、姿态检测、智能调斜、高度测量等功能，实现薄煤层工作面支护设备的自动化、智能化及无人化的连续生产。

3.2 采煤机全工作面智能切割技术

结合采煤机实时数据与煤壁视频监控，通过监控中心远程操作对采煤机进行干预，实现智能俯采、仰采等功能，满足复杂环境下采煤机的自动化、智能化控制。

在实现采煤机过载保护、记忆截割、自动调低、调高等功能的基础上，通过雷达探测技术、红外技术、频谱技术等实现采煤机运行位置和姿态监测、故障诊断和远程集中控制。雷达探测技术用于探测采煤机周围的障碍物，红外技术用于提高采煤工作面低照度下的视频辨别能力，频谱技术用于根据采煤机滚筒截割煤壁发出的不同频谱声音来进行煤岩识别[6-7]。

3.3 工作面视频监控技术

根据薄煤层工作面实际情况，设计并安装高清晰度视频监控系统，实现对整个综采工作面的视频监控，提高了煤岩识别界面的可视化程度。通过红外线传感器获得采煤机位置，通过摄像仪画面跟随采煤机的无缝切换，实现对薄煤层工作面的全方位监控。

依托采煤工作面千兆环网及井上万兆工业以太网，建立工作面巷道监控平台和地面指挥中心。工作面巷道监控平台是采煤工作面自动化、智能化控制的核心机构，实现对采煤机、刮板输送机、液压支架、转载机、破碎机、乳化液泵站等综采装备的远程集中监控、故障诊断等，为地面指挥中心远程操作实现“一键启停”提供保障。

3.4 液压支架电液控制技术

采用专用控制器，通过工业现场总线将整个工作面设备进行集成，实现对液压支架行程、压力、倾角等参数的实时监测、控制，从而实现液压支架自动升降、输送机自动推移、跟机自动化等控制。在液压支架高度测量、支架姿态检测与控制等技术方面也取得了突破[8-9]。

3.5 工作面直线度控制技术

薄煤层工作面智能化、无人化开采必须保证刮板输送机、液压支架及煤壁三者成一条直线。目前国内还没有一种实用性、高可靠性、自动化的工作面调直方法，基本处于理论研究阶段。

惯性导航技术是一种代表性的工作面直线度控制技术，主要利用高精度陀螺仪和加速度计计算采煤机运行轨迹，从而判断刮板输送机和液压支架直线度。利用该技术不仅可实现采煤工作面直线度控制，还能实现采煤机三维定位。 惯性导航设备通过零速率修正方法减小导航误差，当工作面长度为300 m时，采煤机轨迹检测精度为10 cm，采煤工作面直线度在50 cm以内。另外，可通过掘进和钻孔相结合的方式，测绘煤层赋存变化，利用惯性导航技术采集采煤机三维位置并控制工作面直线度。

3.6 智能化远程集控技术

智能化远程集控系统是薄煤层工作面的“大脑”，采煤机、液压支架、运输系统、供电系统、供液系统等通过自动化控制系统联接起来，实现本地控制/远程遥控及“一键启停”。将采煤工作面装备运行状态与参数和现场视频图像集中显示在远程控制平台上，并对显示图像、数据进行分析，协调综采工作面三机配套安全、可靠运行。

3.7 智能化集成供液控制技术

通过网络传输方式实现对远程乳化液泵站、水站、喷雾泵等装备的实时监测、控制，确保采煤工作面供液系统可靠、安全运行。通过PLC控制技术，将远程配液、乳化液泵站、喷雾泵站、高压过滤系统、变频控制系统等串联起来，形成智能化集成供液控制系统，提高供液系统自动化水平及运行效率，降低系统损耗及能源消耗。

3.8 超前支护智能控制技术

采用具有多个伸缩单元的交错迈步式电液控制超前支架，在电液控制系统数据和视频检测的基础上，实现以“数据+视频+模型”为技术支撑的远程控制系统。结合多传感器位置识别系统、采煤机位置检测系统等，实现液压支架成套化、高端化和智能化[10-12]。

4 薄煤层智能回采系统应用实践情况

近年来，薄煤层智能回采系统先后在神东煤炭集团公司、山西阳泉煤业(集团)有限责任公司、陕西煤业化工集团有限责任公司、山东能源集团有限公司等矿区的60多个薄煤层工作面进行了应用。

(1) 2008年，神东煤炭集团公司榆家梁矿44305薄煤层自动化工作面实现了远程操作的跟机自动化作业和采煤机记忆割煤，试验了煤岩识别技术和无线接力通信技术。

(2) 2014年，山西阳泉煤业(集团)有限责任公司联合天地科技股份有限公司、天津华宇股份有限公司等多家单位，开始了薄煤层智能化综采关键技术与装备的研究，经过长达3 a多的科技攻关，实现了在工作面巷道对薄煤层工作面装备的集中控制和远程干预控制、远程自动配液、远程供液、泵站无人值守。

(3) 2017年，陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿1004薄煤层自动化工作面实现了以综采工作面自动化控制为主、监控中心远程干预为辅的生产模式，实现了无人跟机作业、有人安全巡视的采场无人作业目标。

(4) 2017年，山东能源枣庄矿业(集团)有限责任公司滨湖煤矿16108工作面装备了薄煤层可视智能化远程割煤三机配套系统，改变了传统薄煤层矿井的生产工艺，助推了矿井可持续发展。

5 薄煤层智能回采系统技术发展方向

(1) 采煤机三维智能定位。由于采煤机是动态作业，线缆传输环境恶劣， 要准确确定某一时刻切割部的速度、加速度及位置等运动状态参数比较困难。常用的采煤机三维定位方法是通过传感器、旋转编码器采集切割部的位置姿态计算切割部的位置关系，寻找切割部的运行轨迹，实现切割部与其他部件的联动。但是这种方法精度不高，无法满足薄煤层工作面自动化开采的需求。目前攻关研究的惯导技术加误差补偿方法，可以提高采煤机自主定位的精度[13-15]。

(2) 煤岩界面智能识别。煤岩界面智能识别是实现薄煤层综采工作面自动化、无人开采的前提条件。现有煤岩界面识别技术有红外探测、雷达探测、超声波探测、频谱探测等技术，由于煤层赋存条件复杂，这些技术存在辨别能力差、可靠性低等问题，都未能成功应用于实践。近期发展趋势是利用红外热遥感技术检测煤壁温度，从而识别煤层结构。

(3) 液压支架智能控制。采用电液控制技术实现液压支架的单机自动化、成组自动化、跟机自动化、智能调斜、支架姿态监控、高压快速卸载等功能。但目前存在支架姿态自动调整能力弱、传感器精度低等问题。目前PM4控制器、SAC型控制器等主流产品在液压支架姿态检测和控制、调高、调斜等方面的应用取得了突破，需进一步研究和攻关液压支架与薄煤层围岩刚度、强度、稳定性的耦合作用等关键技术。

6 结语

简要介绍了薄煤层开采存在的主要难点，分析了国内外薄煤层开采智能化技术发展概况，重点阐述了应用于我国薄煤层智能回采系统的关键技术，列举了自动化、智能化生产模式在我国薄煤层工作面成功应用情况，最后探讨了薄煤层智能回采系统关键技术发展趋势与技术途径。

我国薄煤层智能回采系统关键技术已经取得了一些成果，支架电液控制系统、泵站智能控制系统、“三机”控制系统等已经完全实现了国产化。信息化、自动化、智能化技术及高端装备制造技术与煤矿开采技术的深度融合，为实现薄煤层工作面智能化无人开采提供了必要的技术支持。

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