天瑪智控高亮亮：保德煤礦少人化放頂煤技術(shù)研究與應用

2025年09月10日 15:32 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

為解決綜放工作面設備自動化率低、人工勞動強度大等問題，北京天瑪智控科技股份有限公司以保德煤礦綜放工作面為對象，研究了智能感知、智能控制、智能管理3大體系的少人化放頂煤技術(shù)，實現(xiàn)了工作面巡檢三維掃描、AI 視頻監(jiān)控、設備工況監(jiān)測的智能感知功能，攻克了自主割煤技術(shù)、三級融合智能放煤技術(shù)、煤流負荷平衡3項核心控制技術(shù)，建立了透明開采智能綜放管理平臺，形成了“智能采放、協(xié)同集控、遠程干預”的工作面智能綜放開采模式。研究應用結(jié)果表明，少人化放頂煤提高了保德煤礦綜放工作面的智能化水平和開采效率，形成了示范性應用成果，為同類型工作面的智能開采研究提供借鑒和參考。

文章來源：《智能礦山》2025年第8期“學術(shù)園地”欄目

第一作者：高亮亮，現(xiàn)任北京天瑪智控科技股份有限公司智能開采事業(yè)部副總經(jīng)理，主要從事煤礦智能化開采裝備、智能開采解決方案的相關(guān)研究工作。E-mail：gl517@163.com

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：高亮亮，葉壯.保德煤礦少人化放頂煤技術(shù)研究與應用[J].智能礦山，2025，6(8)：56-62.

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煤炭開采技術(shù)的智能化升級對保障能源安全、提升生產(chǎn)效率、推動無人化開采至關(guān)重要。放頂煤開采作為厚煤層高效開采的核心工藝之一，因地質(zhì)條件復雜、作業(yè)環(huán)境惡劣，存在安全風險高、頂煤回收率低、煤流負荷波動嚴重等問題。隨著《煤礦智能化建設指南（2021年）》的發(fā)布及“十四五”煤炭工業(yè)發(fā)展規(guī)劃的推進，智能放頂煤技術(shù)研究成為破解上述難題的關(guān)鍵突破口。

國能神東煤炭集團保德煤礦（簡稱保德煤礦）煤層厚、地質(zhì)條件復雜，工作面設備已具備單機自動化功能，但各子系統(tǒng)仍采用就地控制方式，設備開啟、停止等操作均需就地人員實施，且后部放煤均采用人工放頂煤，存在放煤量控制難、頂板控制風險大、采煤機割煤底板控制差等問題。

為推進綜放工作面智能化技術(shù)發(fā)展，2021年，開展了神東煤炭“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”無人化礦井關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)與工程示范，聯(lián)合北京天瑪智控科技股份有限公司（簡稱天瑪智控）進行了保德煤礦綜放工作面少人化放頂煤技術(shù)研究與應用，提高保德煤礦綜放開采智能化水平和效率，達到減人增效目的，形成智能化綜放解決方案及示范應用成果。

保德81203綜放工作面基本情況

保德煤礦礦井現(xiàn)有1個綜放工作面生產(chǎn)，為二盤區(qū)輔運大巷以南81203綜放工作面。主要設備有7LS6C/LWS636型采煤機，ZFY12500/25/39D兩柱放頂煤電液控支架，SGZ 1000/2400型前部刮板輸送機和SGZ1000/2400型后部刮板輸送機，SZZ1350/700型轉(zhuǎn)載機及PCM700型破碎機。工作面總裝機容量9 020 kW，裝備總噸位約6 900 t。81203綜放工作面設計尺寸240×2 812 m，預計回采煤量637萬t，煤層厚度6.0～9.7 m。運輸巷道巷道高度3.8 m，坡度為3°～13°，切眼尺寸9.8 ×3.7 m，以割煤、放煤工序為中心，以一刀一放為基本工藝，采放平行作業(yè)。

保德煤礦少人化放頂煤系統(tǒng)架構(gòu)

保德煤礦少人化放頂煤系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，主要包含智能感知、智能控制、智能管理3部分。

圖1 保德煤礦少人化放頂煤系統(tǒng)架構(gòu)

（1）智能感知

工作面智能感知系統(tǒng)由三維巡檢小車、AI攝像儀、海量傳感器等硬件組成，巡檢小車集成了三維激光掃描功能，獲取工作面地質(zhì)和設備位姿的三維空間模型；AI攝像儀集成了邊緣側(cè)的AI識別算法，采集工作面視頻圖像，并實現(xiàn)了采煤機滾筒識別跟蹤、護幫板狀態(tài)監(jiān)測以及電子圍欄等功能；工作面設備安裝溫度、振動、油質(zhì)、電壓電流、傾角等海量傳感器，監(jiān)測設備內(nèi)部工況狀態(tài)數(shù)據(jù)?；诠ぷ髅嫒S掃描、AI視頻監(jiān)控、設備工況監(jiān)測等技術(shù)的智能感知，為工作面智能化管控提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

（2）智能控制

采煤機、液壓支架、刮板輸送機是工作面的“三機”核心裝備，采、放、運是綜放工作面煤炭開采的核心工序。綜放智能控制系統(tǒng)攻克了綜放工作面的數(shù)字化自主割煤技術(shù)、三級融合智能放煤技術(shù)、煤流負荷平衡技術(shù)3大關(guān)鍵核心技術(shù)，提高了保德煤礦綜放工作面采、放、運3大核心工序的智能化水平。

（3）智能管理

綜放智能管理系統(tǒng)基于透明開采智能綜放管理平臺，集成了大數(shù)據(jù)中心、綜采設備協(xié)同控制中心與安全管理中心等管理協(xié)同模塊，是煤礦智能化建設中實現(xiàn)高效協(xié)同、安全管控與決策優(yōu)化的核心大腦。

保德煤礦智能感知系統(tǒng)

3.1 工作面巡檢小車與三維重建

工作巡檢小車搭載了高清攝像儀、紅外熱成像攝像儀、三維激光掃描儀、位置檢測系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等系統(tǒng)，并集成了甲烷檢測功能和自我位姿檢測功能，工作面巡檢小車如圖2所示。

圖2 工作面巡檢小車

由于工作面起伏、俯仰變化復雜，導致安裝于刮板輸送機上的軌道也起伏扭轉(zhuǎn)，研制出適應軌道橫滾及俯仰形狀變化的巡檢小車。行走機構(gòu)通過在巡檢小車中部設置縱向轉(zhuǎn)軸，實現(xiàn)巡檢小車對橫滾變形的自適應調(diào)節(jié)；通過設計履帶輪上下擺動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)單個履帶輪的自適應俯仰，解決了軌道彎曲對車輪的阻塞問題。

在工作面兩端部及巡檢小車上分別部署了三維激光掃描儀，通過點云識別技術(shù)，提取到具有絕對坐標的標識物，以此作為工作面三維坐標系的通信源，將巡檢小車掃描的三維點云的相對坐標轉(zhuǎn)換為絕對坐標，完成三維地質(zhì)模型絕對坐標通信的引入與采場空間三維模型的坐標統(tǒng)一，實現(xiàn)了工作面巡檢小車三維掃描重建，與攝像儀融合渲染生成彩色點云的掃描結(jié)果如圖3所示。

圖3 巡檢小車融合彩色點云掃描結(jié)果

3.2 AI智能視頻監(jiān)測

綜放工作面智能視頻系統(tǒng)，將人的視覺從巷道延伸到工作面，實時監(jiān)控工作面實際情況。通過基于AI智能識別技術(shù)，在基本視頻監(jiān)控的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了護幫板動作狀態(tài)識別、煤機滾筒識別及追蹤、智能人員識別、電子圍欄等功能，智能視頻監(jiān)測界面如圖4所示。

圖4 AI智能視頻監(jiān)測界面

3.3 設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)

設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、采集器和上層服務器等設備組成。傳感器采用無線或有線傳輸方式將采集到數(shù)據(jù)，通過采集器上傳到上層服務器（結(jié)合設備結(jié)構(gòu)特性、參數(shù)、故障機理等）分析判斷、實時報警等。

在采煤機、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、破碎機等設備安裝了磁塞式鐵磁顆粒、油品品質(zhì)、溫度和振動等多種傳感器，采集運行狀態(tài)數(shù)據(jù)融入智能綜放系統(tǒng)，實現(xiàn)油液老化污染程度、設備振動和溫度數(shù)據(jù)的收集、顯示、故障診斷與異常報警，工作面設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)界面如圖5所示。

圖5 工作面設備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)界面

保德煤礦“采-放-運”智能控制系統(tǒng)

4.1 數(shù)字化自主割煤技術(shù)

數(shù)字化自主割煤技術(shù)是工作面智能化開采的核心技術(shù)，通過透明地質(zhì)系統(tǒng)提供的工作面三維地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，將煤層切分為片狀，結(jié)合慣性導航提取的底板高度數(shù)據(jù)及系統(tǒng)內(nèi)部通過濾波算法獲取的實際截割高度，融合分析地質(zhì)模型數(shù)據(jù)、底板高度數(shù)據(jù)和實際截割高度數(shù)據(jù)，規(guī)劃出下一刀截割高度曲線；再依據(jù)采煤工藝象限定義各階段參數(shù)通信，實時下發(fā)截割高度、牽引速度等關(guān)鍵參數(shù)控制命令至采煤機通信接口，完成整個采煤工藝的自主規(guī)劃截割，采煤機數(shù)字化自主割煤系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 數(shù)字化自主割煤系統(tǒng)界面

4.2 三級融合智能放煤技術(shù)

綜放工作面后部放煤粉塵、噪聲嚴重，工作環(huán)境惡劣，通過三級融合智能放煤技術(shù)解決人工放頂煤生產(chǎn)效率低、含矸率不穩(wěn)定、勞動強度大等問題。三級融合智能放煤技術(shù)架構(gòu)如圖7所示，根據(jù)實際情況，應用自動放煤、記憶放煤、智能放煤3種模式，架構(gòu)設計循環(huán)迭代，漸進收斂，為放煤作業(yè)提供精準的控制，提升放煤自動化效率和資源利用率。

圖7 三級融合智能放煤技術(shù)架構(gòu)

工作面通過電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動跟機放煤控制工藝；記憶放煤通過學習上一刀的人工放煤，基于深度學習優(yōu)化理論，得到合理的放煤執(zhí)行參數(shù)，下發(fā)給控制器執(zhí)行記憶放煤；智能放煤通過集成透塵除塵煤矸識別攝像儀和聲紋振動一體式傳感器，采集后部放煤的圖像和聲音振動信號，進行多源通信融合煤矸識別，構(gòu)建放煤堆積體表面與內(nèi)部含矸率的映射關(guān)系，準確計算結(jié)束放煤的時機，同時對計算放煤時間參數(shù)進行學習，提高放煤控制精確度，透塵除塵煤矸識別攝像儀安裝如圖8所示。

圖8 透塵除塵煤矸識別攝像儀

基于圖像、聲紋和振動融合的煤矸識別技術(shù)，將煤矸識別準確度由40%提升到85%，并通過邊緣控制器實現(xiàn)了放煤精確控制，通過識別含矸率精確控制放煤的結(jié)束時間，同步提升頂煤回收率與回采率，放煤工由2人專職放煤減少為1人兼職放煤。

4.3 綜放工作面煤流負荷平衡控制系統(tǒng)

在工作面前部刮板輸送機和帶式輸送機上安裝3D攝像儀，基于3D攝像儀和三維空間重建技術(shù)，根據(jù)點云圖數(shù)據(jù)獲取煤流切面面積及三維煤流空間圖，實現(xiàn)工作面刮板輸送機和輸送帶煤流負荷的視覺測量感知，煤流監(jiān)測3D攝像儀安裝位置如圖9所示。

圖9 煤流監(jiān)測3D攝像儀安裝位置

采用“Petri網(wǎng)模型+基于數(shù)據(jù)驅(qū)動模型+在線更新”雙輪驅(qū)動的方式，建立煤流負荷平衡自適應控制系統(tǒng)模型，實現(xiàn)前后刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機和帶式輸送機變頻調(diào)速，并調(diào)整采煤機截割速度和后部放煤速度，實現(xiàn)工作面采、放、運煤流負載平衡，保障工作面快速連續(xù)性推進，達到節(jié)能降耗的效果。

保德煤礦綜放透明開采管理平臺

5.1 大數(shù)據(jù)管理中心平臺

大數(shù)據(jù)管理中心建立了完善的通信交互機制，各類設備間實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交換和通信共享，包括設備工作狀態(tài)、故障通信、維護記錄等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)管理中心平臺分別從數(shù)據(jù)集成總覽、視頻監(jiān)控、監(jiān)控分析、統(tǒng)計分析、礦壓分析5個方面，處理分析集成工作面數(shù)據(jù)，實時獲取各類設備工作狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)，通過智能算法進行分析和處理，為設備的監(jiān)控、調(diào)度和管理提供了全面數(shù)據(jù)支持，大數(shù)據(jù)管理中心平臺界面如圖10所示。

圖10 大數(shù)據(jù)管理中心平臺界面

5.2 綜放設備協(xié)同控制中心

綜放設備協(xié)同控制中心實現(xiàn)采煤機、前后刮板輸送機及轉(zhuǎn)載機3類關(guān)鍵綜采設備的協(xié)同控制。通過實時采集采煤機、刮板輸送機、液壓支架的工作狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括位置、速度、負載等關(guān)鍵參數(shù)，智能分析并預測設備工作趨勢，實現(xiàn)對設備的協(xié)同控制，綜放設備協(xié)同控制中心界面如圖11所示。

圖11 綜放設備協(xié)同控制中心界面

綜放設備協(xié)同控制中心實時接入地質(zhì)模型數(shù)據(jù)，包括煤層厚度、傾角、斷層等關(guān)鍵地質(zhì)數(shù)據(jù)，并對“三機”設備進行智能調(diào)整。通過精確控制采煤機截割高度、速度、方向，以及前后刮板輸送機和轉(zhuǎn)載機運行參數(shù)，確保開采過程與地質(zhì)條件的最佳匹配，提高開采效率和煤炭回收率。

5.3 安全管理分析中心

安全管理分析中心將傳統(tǒng)被動應對安全問題轉(zhuǎn)為主動防控危險發(fā)生，安全管理分析中心通過整合多源數(shù)據(jù)、智能分析與動態(tài)預警，集成了瓦斯異常預警、沖擊地壓預測、火災防控等功能，實現(xiàn)對生產(chǎn)全流程的安全風險精準管控。當瓦斯?jié)舛瘸迺r，自動切斷電源并聯(lián)動通風系統(tǒng)，同時推送預警通信至終端；基于微震監(jiān)測與地音分析，結(jié)合機器學習模型預測沖擊風險，提前24 h進行沖擊預警。通過CO濃度監(jiān)測與紅外熱成像，識別采空區(qū)早期發(fā)火跡象，及時報警，安全管理分析中心界面如圖12所示。

圖12 安全管理分析中心界面

總結(jié)

（1）通過保德煤礦少人化放頂煤技術(shù)的研究與應用，建成了綜放透明開采管理平臺，攻克了數(shù)字化割煤、智能放煤、煤流負荷平衡等3大關(guān)鍵控制技術(shù)，實現(xiàn)了工作面的巡檢三維掃描、AI視頻監(jiān)控、設備工況監(jiān)測3大智能感知功能，提高了工作面的智能化程度。

（2）保德煤礦少人化放頂煤技術(shù)實現(xiàn)了工作面綜合自動化率>90%、人工干預率<10%、回采率>94%、放頂煤回收率>85%、工作面設備開機率>92%、智能放煤煤矸識別準確率>85%。工作面放煤工人由2人專職減少為1人兼職，采煤工作面生產(chǎn)班配置由13人減少了8人，實現(xiàn)綜放工作面5人下井生產(chǎn)。

（3）保德煤礦通過智能感知、智能控制、智能管理3大體系的少人化放頂煤技術(shù)研究與應用，建成了綜放工作面智能開采工程示范，并通過了國家能源集團高級智能化評級，取得了全國采煤工作面智能創(chuàng)新大賽特等獎，為同類型工作面的智能化開采研究提供有益的借鑒和參考。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

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《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

月刊CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139，聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學研用新進展的綜合性技術(shù)刊物。

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