为总结中国煤炭科工集团“十三五”期间的科技成果，展示中国煤炭科工集团在构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系方面做出的成就，并为“十四五”煤炭科技发展提供参考。《煤炭科学技术》年第4期特邀中国工程院院士、中国煤炭科工集团科学技术委员会主任康红普院士担任客座主编，中国煤科一级首席科学家吴拥政研究员担任客座编辑，策划了“中国煤科首席科学家成果”专题。

煤科总院李首滨研究员以题为“综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用”撰写论文，首先，对国内外智能开采技术进展进行了分析，重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次，按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。

个人简介

李首滨，男，研究员，现任煤炭科学研究总院中央研究院矿山大数据研究院院长，中国煤炭科工集团一级首席科学家，中国煤炭工业技术委员会委员、煤炭行业安全标准化技术委员会防爆技术设备分会副主任委员，中国煤炭科工集团技术委员会装备分会主任。年获国务院“享受政府特殊津贴”自然科学研究专家称号，年入选国家百千万人才工程，获得国家有突出贡献的中青年专家称号，年以李首滨为团队负责人的“煤炭智能化无人开采创新团队”被国家科技部列为“国家创新人才推进计划——重点领域创新团队”。主持承担了“综采智能控制技术与装备”、“无人工作面巡检机器人”、“煤炭综采成套装备智能系统”等国家计划、国家重点研发计划、国家智能制造发展专项等国家重大科技攻关项目6项，先后获国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步特等奖和一等奖8项，中国专利优秀奖1项，授权国家发明专利36项，学术著作3部，学术论文20余篇、其中EI检索2篇。（来源于中国煤炭科工集团官方网站）

摘要

“十三五”期间，我国煤矿开采开始进入了智能化模式，但处于智能开采的初级阶段。首先，对国内外智能开采技术进展进行了分析，重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次，按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术，建立了智能感知技术体系，攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术，解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题；以物联网推动了围岩透明感知技术，基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量，具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力，高精度三维动态地质模型的动态修正技术；将机器人技术引入到综采工作面感知体系中，通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知；通过对传统VR的建模技术升级，建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术，建立了智能控制技术体系，研究了远程监督型控制技术和自主控制技术，利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别，实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制，开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺；通过对5G通信系统的协议改进，实现了工作面移动传输上行带宽超过Mbps和传输延时小于20ms的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用，进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题：深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。

引言

煤炭智能开采将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人等智能装备和技术与综采工作面的生产设备、围岩、采场等深度融合，形成全面感知、实时互联、分析决策、自主学习、动态预测、协同控制的机器智能和人工智能系统，目标是实现综采工作面安全生产工艺全流程的自主运行，通过大幅度减少直至取消综采工作面现场操作和巡检人员，从而实现煤炭开采的本质安全生产。经过“十三五”的智能开采实践，我国煤矿开采生产已开启了智能化模式，部分技术及工程实践引领国际煤矿智能化开采发展方向。在“十二五”期间建成了３个智能化采煤工作面，“十三五”期间建成了超过个智能化采煤工作面，综采智能化无人开采技术已广泛应用于大采高、中厚煤层、薄煤层以及放顶煤工作面，很多矿井的主要生产系统都实现了地面远程集中控制。年，全国安全高效生产煤矿有处，其产量占全国煤炭产量的56％，利润总额占全行业的78％，全国煤炭百万吨死亡率为0.，已实现初步智能化阶段的矿区煤炭百万吨死亡率降低至0.；目前，全国有处煤矿实现了零死亡，已经超过国外先进煤矿的安全水平（年，百万吨死亡率0.02）。煤炭智能开采技术还处于初级阶段，条件良好的综采工作面已经实现了无人化开采，但当面对看不见、摸不着、测不准的复杂地质条件时，还难以实现智能化开采。为适应复杂地质条件的变化及保障智能开采的常态化运行，亟须掌握厘米级分辨率的地质信息探测技术，在精准探测和智能控制技术上实现颠覆性创新，构建数据、信息和知识３层架构的智能感知、智能决策和智能控制技术体系，为智能开采提供全方位超前精确导航，在“十四五”期间将煤炭智能开采技术水平提升到中级阶段。

1综采工作面智能化技术现状

通过智能开采的技术研发和工程实践探索，综采工作面智能感知和智能控制已取得了若干关键技术突破，现有的智能装备和技术能够基本满足综采生产各子系统的智能化需求。为全面衡量“十三五”末期的智能开采水平，从国内外２个方面分析智能开采的技术进展。

1.1国外智能开采进展

1.2国内智能开采进展

1.3未解决问题

2智能感知关键技术

2.1智能感知技术体系

煤炭生产是人的智慧与开采机器、煤岩３者之间交互作用的过程，综采工作面是复杂系统，智能开采须具备工艺规划、煤岩变化识别、截割状态调控、运行效果优化和安全保障的自主能力，为智能决策和智能执行提供智能感知信息。除了采支运等主要生产系统外，供电、供液、通信和照明等辅助系统也要进入智能开采的装备群协同作业中，通过集中控制作业平台实现各子系统的数据采集、信息交互和协同控制，构建基于多传感器数据信息融合实现空间精确定位与实时场景三维模型，为井下环境、设备目标对象在三维空间中的感知应用提供算法模型基础，形成综采智能感知技术体系，如图7所示。

2.2综采装备全方位感知技术

智能化需要综采工作面“三机”开采装备的全面感知、多传感器融合、高精度探测和实时响应技术，典型的感知技术如惯性导航检测工作面直线度，由于成本高且难以满足大多数综采智能化开采的要求，通过引入三维雷达扫描可以在降低装备技术成本的同时保证综采装备位置和姿态的检测精度，实现智能开采的闭环控制。

2.3综采工业互联网技术

综采工作面借助互联网+物联网技术，形成适合自身环境特点的煤矿井下物联网，实现综采生产全流程要素、全产业链、全价值链的全面感知和连接，为综采智能化感知和控制提供高速可靠的通信系统。

2.4围岩透明感知技术

建立综采采场围岩地质模型是实现工作面全面感知和自主生产的必要条件，裸露的煤岩分界采用视觉图像可以采用灰度阈值分割，可以直接建立简单的卷积模型，但对于留顶煤综采和综放工作面则需要具有穿透地层的透地雷达，必要时要进行钻孔超前探测。

2.5快速无缝巡检技术

经过对采支运“三机”装备进行智能化改造后，综采工作面进入智能开采的初期阶段，但由于工作面范围大、受采动影响且工作面整体不断推进移动等采矿业的生产特点，采用安装于“三机”上的智能装备不能无缝覆盖全工作面的生产监控。通过在综采工作面引入机器人技术，适应工作面的布置特点，将机器人设计成移动巡检形式。根据综采工作面推进过程中在水平、高程、倾向等3个维度的变化，采用柔性轨道，需要设计高带宽、低延时的无缝漫游快速切换无线通信系统。在巡检机器人上集成高清视频采集、红外热成像采集和激光三维采集装备，能够实时、无缝覆盖监控综采生产全过程。按照综采工作面的薄、中厚、厚煤层等研制不同的巡检机器人，替代综采工作面的人工巡检。

3智能控制关键技术

智能开采在传统采煤方式基础上摆脱人的直接参与，依据自主决策实现煤炭开采智能化运行，以智能开采基础理论及数学模型，建立三维实景真实场景的智能开采复杂巨系统多源信息融合架构，构建以开采行为大数据分析及推理为核心的预测机制和基于综采先验知识驱动的动态决策模型，给出时变多因素影响下开采设备群模型跟随自适应控制方法，形成了基于组合赋权法的开采装备系统健康状态评估方法及维护决策机制，建立围岩环境与生产系统耦合的安全稳定运行保障技术理论体系。

4智能感知与控制实践过程

针对我国不同矿区煤层赋存条件，制定并实施科学合理的智能开采建设方案，首先在薄煤层工作面进行智能感知和智能控制工业试验和技术验证。

4.1工作面巡检智能割煤工艺

4.2基于巡检机器人的自主控制延时

4.3基于真实场景的综采工作面三维建模实践

5结论与展望

1)综采智能化仍处于初级阶段，国内综采智能化技术已领先于世界，受制于智能开采装备与探测技术的制约，工作面全面感知自主控制的可靠性和时效性仍不能满足工程应用要求，在工程化应用方面仍落后于澳大利亚。

2)对综采智能化进行了顶层设计，将人工智能、工业物联网、云计算、大数据、机器人和智能开采装备等核心技术融入智能开采中，按照智能感知和智能控制2个环节分别研究关键技术，提出了尚待解决的深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等理论、技术和工程问题。

3)初步建立了综采智能感知技术体系，随采场推进变化的实时动态构建模型还需要人工标注和干预，受光照度、水雾和煤尘等方面限制，对综采生产中的目标捕捉和识别成功率偏低，对综采多源图像的融合比如全工作面视频图像拼接还达不到实用要求，对煤壁片帮和大块煤的关联图像序列还不能快速生成语义，从而制约了视频驱动的智能化开采技术实现;煤岩分界未彻底解决，煤岩识别技术未达到工程化应用阶段。

4)初步建立了综采智能控制技术体系，提出了远程监督型、巡检机器人型和自主型3种控制模式，分析了3种控制模式的综合运用机制，引入了机器人、三维实景和5G等新技术实现快速无缝巡检、工作面实景建模，开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺;但智能感知缺乏融合分析，信息反馈具有滞后性，记忆割煤人工干预比较频繁，条件复杂的工作面达不到综采生产时“无人化“的本质安全目标。

引用格式

李首滨，李森，张守祥，等.综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用[J].煤炭科学技术，，49(4):28-39.

LIShoubin，LISen，ZHANGShouxiang，etal.Keytechnologyandapplicationofintelligentperceptionandintelligentcontrolinfullymechanizedminingface[J].CoalScienceandTechnology，，49(4):28-39.

免责声明：以上内容转载自煤炭科学技术，所发内容不代表本平台立场。全国能源信息平台联系-，邮箱：hz