為解決煤礦綜采工作面?zhèn)鹘y(tǒng)照明設(shè)備功能單一、能耗高、缺乏配套輔助指引與動(dòng)態(tài)控制等問題，提出智能照明與液壓支架開采工藝的自動(dòng)協(xié)同控制方法，設(shè)計(jì)智能照明控制工藝，實(shí)現(xiàn)地面規(guī)劃截割中不同動(dòng)作區(qū)域燈光分區(qū)指導(dǎo)及調(diào)整。智能照明工藝在小屯煤礦1702工作面應(yīng)用后，滿足不同場(chǎng)景照明需求并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)節(jié)能，解決了地面人員視覺分辨動(dòng)作區(qū)域困難的問題，促進(jìn)綜采工作面智能化開采的安全生產(chǎn)與動(dòng)態(tài)節(jié)能。

文章來源：《智能礦山》2025年第8期“學(xué)術(shù)園地”欄目

作者簡介：尹春雷，現(xiàn)任北京天瑪智控科技股份有限公司產(chǎn)品經(jīng)理，主要從事煤礦智能化、煤礦控制軟件的相關(guān)研究工作。E-mail：15510681673@163.com

作者單位：北京天瑪智控科技股份有限公司

引用格式：尹春雷.綜采工作面智能照明控制工藝與應(yīng)用[J].智能礦山，2025，6(8)：83-86.

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煤礦井下綜采工作面照明系統(tǒng)綜合兼顧安全性、功能性與智能化要求。智能化采煤工作面采用礦用LED無頻閃照明，對(duì)視頻系統(tǒng)與工作面提供良好的光照條件，每臺(tái)礦用LED燈照度>4 000 Lux，智能化采煤工作面巷道、設(shè)備列車、移動(dòng)變電站等場(chǎng)所采用礦用LED無頻閃固定照明，每臺(tái)礦用LED燈照度>6 000 Lux，布置地點(diǎn)應(yīng)符合《煤礦綜采采區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50536）相關(guān)規(guī)定。

綜采工作面是煤礦生產(chǎn)的核心區(qū)域，照明系統(tǒng)與開采工藝的智能化水平直接影響生產(chǎn)效率與安全性。傳統(tǒng)照明系統(tǒng)功能單一、能源浪費(fèi)、缺乏動(dòng)態(tài)調(diào)控等問題；傳統(tǒng)光源能耗高、顯色性差，且依賴人工操作無效照明占比約35%。

為解決以上問題，以貴州大方煤業(yè)有限公司小屯煤礦（簡稱小屯煤礦）1702工作面為例，針對(duì)薄煤層復(fù)雜地質(zhì)條件（頂板破碎、底板松軟等），開發(fā)了智能照明與液壓支架開采工藝的協(xié)同控制系統(tǒng)。通過千兆網(wǎng)絡(luò)型控制平臺(tái)（Longwallmind）與動(dòng)態(tài)分區(qū)算法，實(shí)現(xiàn)燈光指引與設(shè)備動(dòng)作的精準(zhǔn)匹配，解決傳統(tǒng)照明無法適應(yīng)自動(dòng)化開采需求的問題。

開采工藝整體設(shè)計(jì)

1.1 液壓支架自動(dòng)化控制體系

液壓支架作為綜采工作面的核心支護(hù)設(shè)備，智能化控制依托電液控制系統(tǒng)與多模態(tài)協(xié)同算法，實(shí)現(xiàn)了高效、精準(zhǔn)的頂板控制。自適應(yīng)跟機(jī)技術(shù)通過位移傳感器、壓力傳感器及姿態(tài)傳感器實(shí)時(shí)采集支架狀態(tài)，結(jié)合分布式蓄能供液系統(tǒng)優(yōu)化液壓流量分配，全工作面移架平均時(shí)間小于8 s。針對(duì)底板松軟等特殊工況，系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)移架與特性移架雙模式一鍵切換機(jī)制，確定規(guī)劃截割工藝，自動(dòng)化開采工藝界面如圖1所示。

圖1 自動(dòng)化開采工藝界面

1.2 智能照明的協(xié)同需求

液壓支架動(dòng)作與照明系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互，通過智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)安全高效協(xié)同，包括區(qū)域指引與動(dòng)態(tài)響應(yīng)功能。

（1）區(qū)域指引基于綜采工作面網(wǎng)格化分區(qū)方法，將采煤機(jī)截割區(qū)域與支架移動(dòng)范圍劃分為回風(fēng)端頭、進(jìn)風(fēng)端頭、三角煤及中部采煤等區(qū)域。通過集成機(jī)器視覺識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)支架與采煤機(jī)開采的空間位置，并結(jié)合LED照明系統(tǒng)的多色溫調(diào)節(jié)功能，區(qū)域指引整體設(shè)計(jì)思路如圖2所示。

圖2 區(qū)域指引整體設(shè)計(jì)思路

（2）采用不同顏色燈光標(biāo)識(shí)作業(yè)區(qū)域，白色冷光標(biāo)記采煤機(jī)作業(yè)區(qū)域，黃色暖光標(biāo)識(shí)待移架，紅色警示帶標(biāo)定危險(xiǎn)邊界。分區(qū)標(biāo)識(shí)系統(tǒng)降低人工視覺分辨誤差>30%，尤其在低照度或煤塵干擾環(huán)境下顯著提升安全性。

綜采工作面部署設(shè)計(jì)

2.1 工作面基本情況

小屯煤礦1702工作面可采走向長度480.8 m，傾斜長150.0 m，面積72 120 m2。工作面范圍內(nèi)煤層厚度0.8～1.4 m，平均厚度1.13 m，可采儲(chǔ)量12.17萬t。1702綜采工作面安裝的設(shè)備為液壓支架102組，刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)、破碎機(jī)各1部，帶式輸送機(jī)2部，轉(zhuǎn)載機(jī)1部，電站設(shè)備21車以及工作面電纜管路等。

2.2 工作面智能照明適應(yīng)性配置

在煤礦井下照明的平均照度計(jì)算中，采用平均照度法。工作面平均照度（_av，Lux）為燈具數(shù)量（）、單個(gè)燈具光通量（，lm）、利用系數(shù)（為0.3～0.6，由燈具類型和空間反射率決定）、維護(hù)系數(shù)（，煤礦井下取0.7～0.8，考慮灰塵和老化等影響）的乘積，除以照明區(qū)域面積（，m），即工作面平均照度等于燈具數(shù)量、單個(gè)燈具光通量、利用系數(shù)、維護(hù)系數(shù)相乘的結(jié)果，再除以照明區(qū)域面積，計(jì)算煤礦井下工作面的平均照度情況，用于指導(dǎo)照明設(shè)計(jì)與評(píng)估。

小屯煤礦1702工作面煤層厚度最高1.4 m，支架中心距1.75 m，切眼寬度5.6 m，=999.6 m根據(jù)每3架1臺(tái)，共計(jì)34臺(tái)；空間反射率較低，取0.3；井下粉塵多，維護(hù)系數(shù)較低，取0.7。正常光照強(qiáng)度需結(jié)合具體場(chǎng)景判斷，根據(jù)《煤礦設(shè)計(jì)規(guī)范》，井下關(guān)鍵區(qū)域最低照度要求，_av=5 Lux，需要單個(gè)燈具光通量必須>700 lm。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試情況，選用智能照明燈為紅、藍(lán)、冷白、暖白4種顏色，且可自定義燈光閃爍頻率，具備多種模式燈光報(bào)警功能，與網(wǎng)絡(luò)型控制器通信，可警示液壓支架不同工作狀態(tài)，提醒工作面內(nèi)人員注意安全；支架燈可自定義調(diào)節(jié)亮度，有利于降低工作面功耗；支架燈外殼為鑄鋼材質(zhì)，具有IP66防護(hù)等級(jí)，適配井下不同類型工作面。智能照明燈實(shí)物關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括3個(gè)方面，智能照明燈實(shí)物如圖3所示。

圖3 智能照明燈實(shí)物

（1）供電電源工作電壓：AC127 V±10%。

（2）光源：平均照度為150 Lux（照射距離2 m）；額定光通量為3 512 lm；峰值光強(qiáng)為1 551 cd；光源顏色及最大功率為暖白光40 W、冷白光40 W、紅光10 W、藍(lán)光10 W；色溫為暖白光3 000 K/冷白光5 700 K，色溫可配置。

（3）Zigbee通信：工作頻率2.4±0.1 GHz；通信信道：24（可配置）；發(fā)射功率0～20 dBm；最大傳輸距離10 m（無遮擋）。

2.3 設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

液壓支架電液控制系統(tǒng)配置含壓力傳感器、紅外接收器、測(cè)高傳感器。智能照明模塊每3架部署1組，集成LED光源、無線通信模塊。井下萬兆環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)支架控制器、照明終端與地面調(diào)度中心的數(shù)據(jù)交互。

智能照明燈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用分層分布式設(shè)計(jì)，清晰展示了從控制終端到終端設(shè)備的完整通信鏈路，設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。核心控制層利用千兆型網(wǎng)絡(luò)控制器與智能照明燈通過Zigbee無線通信，進(jìn)行控制交互；網(wǎng)絡(luò)傳輸層為有線千兆以太網(wǎng)交換機(jī)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)骨干節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)地面監(jiān)控中心到智能照明燈的數(shù)據(jù)交換。通過分層解耦設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了照明系統(tǒng)的集中管理與本地自治相結(jié)合，在保證控制精度的同時(shí)提升了系統(tǒng)可靠性。

圖4 設(shè)備通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

智能照明控制工藝實(shí)現(xiàn)

3.1 動(dòng)態(tài)分區(qū)與協(xié)同控制算法

煤礦井下場(chǎng)景的智能照明動(dòng)態(tài)分區(qū)與協(xié)同控制算法，結(jié)合環(huán)境感知、人員定位及能源優(yōu)化需求，根據(jù)開采、檢修等不同作業(yè)場(chǎng)景，設(shè)定亮度等級(jí)。智能照明采用通信架構(gòu)內(nèi)置ZigBee模塊，構(gòu)建Mesh網(wǎng)絡(luò)，支持100 m內(nèi)自組網(wǎng)，確保信號(hào)全覆蓋。

每個(gè)燈具作為智能體，分布式?jīng)Q策，利用共享人員位置、環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)來全亮、機(jī)走漸滅的跟隨照明效果。燈光分區(qū)與協(xié)同控制邏輯，燈光動(dòng)態(tài)分區(qū)與協(xié)同控制如圖5所示。

圖5 燈光動(dòng)態(tài)分區(qū)與協(xié)同控制

（1）采煤機(jī)作業(yè)區(qū)：高亮度冷白光覆蓋截割范圍。

（2）支架動(dòng)作區(qū)：暖白光覆蓋支架動(dòng)作范圍，紅色警示閃爍標(biāo)識(shí)動(dòng)作支架。

（3）人員安全區(qū)：低功耗藍(lán)光標(biāo)記避險(xiǎn)通道，感應(yīng)距離可調(diào)。

3.2 燈光協(xié)同控制流程

控制系統(tǒng)展示了綜采工作面環(huán)境下的動(dòng)態(tài)區(qū)域生成。通過3條并行路徑同步獲取關(guān)鍵數(shù)據(jù)，開采工藝參數(shù)、采煤機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行軌跡（位置、方向、速度）及井下人員定位信息，數(shù)據(jù)流匯聚至中央服務(wù)器，經(jīng)決策算法融合分析后，執(zhí)行動(dòng)態(tài)區(qū)域智能劃分。

燈光協(xié)同控制系統(tǒng)根據(jù)空間定位結(jié)果觸發(fā)3種響應(yīng)機(jī)制，當(dāng)識(shí)別到采煤機(jī)作業(yè)區(qū)時(shí)，下達(dá)冷白色指令，支架作業(yè)區(qū)激活暖白色指令，人員安全區(qū)則切換藍(lán)色指令。若設(shè)備或人員處于非特定區(qū)域，自動(dòng)進(jìn)入默認(rèn)的低色溫藍(lán)色節(jié)能模式。最終完成了所有決策路徑匯集，形成閉環(huán)控制。流程通過多源數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互與智能決策，實(shí)現(xiàn)了采礦作業(yè)的安全性與能效管理的雙重優(yōu)化，燈光協(xié)同控制流程如圖6所示。

圖6 燈光協(xié)同控制流程

3.3 節(jié)能控制策略

通過環(huán)境光傳感器與人員定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)人來燈亮、人走燈滅?？臻e時(shí)段降低照明功率，動(dòng)態(tài)電源管理降低無效能耗36%。在作業(yè)區(qū)和動(dòng)作區(qū)進(jìn)行色溫提升，采用高色溫指標(biāo)LED光源，減少色彩失真導(dǎo)致的誤判。動(dòng)態(tài)控制燈光工藝，年節(jié)電約2.5萬度。

智能照明的綜采工作應(yīng)用

針對(duì)煤礦“三軟”和“雙突”的特殊條件，結(jié)合煤礦實(shí)際生產(chǎn)工藝，定制化千兆控制系統(tǒng)和Longwallmind系統(tǒng)解決方案，地面規(guī)劃截割控制界面如圖7所示。為實(shí)現(xiàn)地面遠(yuǎn)程開采模式，引入智能照明輔助指引和協(xié)同控制系統(tǒng)，解決地面人員視覺切換和區(qū)域快速定位的問題，支持了地面規(guī)劃截割的推廣應(yīng)用。

圖7 地面規(guī)劃截割控制界面

液壓支架處于支架動(dòng)作區(qū)，該范圍內(nèi)智能照明處于暖白色燈光，支架動(dòng)作區(qū)燈光如圖8所示，采煤機(jī)作業(yè)區(qū)燈光如圖9所示，具有明顯視覺差。在支架動(dòng)作區(qū)，支架進(jìn)行動(dòng)作過程中，通過紅色閃爍進(jìn)行預(yù)警提示，支架推移刮板輸送機(jī)動(dòng)作中預(yù)警燈光如圖10所示。

圖8 支架動(dòng)作區(qū)燈光

圖9 采煤機(jī)作業(yè)區(qū)燈光

圖10 支架推移刮板輸送機(jī)動(dòng)作中預(yù)警燈光

經(jīng)過支架動(dòng)作區(qū)，支架不進(jìn)行必要?jiǎng)幼?，處于人員安全區(qū)，該區(qū)域?yàn)闊o人狀態(tài)，結(jié)合人員定位，降低燈光亮度和色溫，一段時(shí)間后進(jìn)入節(jié)能模式，人員安全區(qū)燈光如圖11所示。

圖11 人員安全區(qū)燈光

智能照明控制系統(tǒng)在小屯煤礦1702工作面實(shí)施后，燈光分區(qū)指引使支架移架響應(yīng)時(shí)間縮短至5 s，開采效率提升，循環(huán)周期減少18%。節(jié)能效果方面，動(dòng)態(tài)調(diào)控策略降低照明能耗40%，年節(jié)約電費(fèi)約25萬元。安全生產(chǎn)方面，事故率降低，故障燈具遠(yuǎn)程診斷率100%。

智能照明控制系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)支持不同地質(zhì)條件的快速適配，滿足大傾角工作面燈光傾斜校準(zhǔn)；地面遠(yuǎn)程運(yùn)維方面，通過云臺(tái)視頻與井下平板監(jiān)控，減少人工巡檢頻次50%。

結(jié) 語

通過智能照明與液壓支架的協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)了綜采工作面照明-開采-安全的一體化調(diào)控。綜采工作面的“光”不再是簡單的照明工具，而是智能化開采的“神經(jīng)末梢”，是工藝狀態(tài)的可視化載體，也是人機(jī)協(xié)同的交互界面，更是無人化場(chǎng)景的基礎(chǔ)支撐。小屯煤礦1702工作面應(yīng)用表明，該系統(tǒng)在地面和自動(dòng)化開采模式下具有顯著的輔助指導(dǎo)優(yōu)勢(shì)，為煤礦智能化升級(jí)提供了可復(fù)制的解決方案。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動(dòng)計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

《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(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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