焦穩(wěn)鋒總經(jīng)理：黃陵一號煤礦綜采工作面超前支護協(xié)同控制系統(tǒng)研發(fā)與應用

2025年03月06日 15:34 智能礦山雜志責編：戚金榮作者：智能礦山雜志

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煤礦綜采工作面運輸巷道端頭和超前段是安全管控的重點和難點區(qū)域。智能化工作面內(nèi)巷道設備自動化運行難度大，轉載機導向和自動調(diào)節(jié)控制、帶式輸送機自移機尾推進偏離調(diào)整和位置姿態(tài)調(diào)整、端頭支架與轉載機相對位置監(jiān)測等依賴人工操作，作業(yè)環(huán)境設備集中，人工作業(yè)安全風險大。為解決以上問題，以黃陵一號煤礦為試點，開展綜采工作面超前支護裝備自動化協(xié)同控制系統(tǒng)研發(fā)與應用，實現(xiàn)超前支架與工作面液壓支架的超前聯(lián)動智能高效開采，提升了工作面設備協(xié)同度和開采效率。

文章來源：《智能礦山》2025年第1期理事單位特刊“學術園地”專欄

作者簡介：焦穩(wěn)鋒，高級工程師，現(xiàn)任陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦總經(jīng)理，主要從事煤礦安全生產(chǎn)和經(jīng)營工作。E-mail：381443106@qq.com

作者單位：陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦

引用格式：焦穩(wěn)鋒，趙朋. 黃陵一號煤礦綜采工作面超前支護協(xié)同控制系統(tǒng)研發(fā)與應用[J].智能礦山，2025，6(1)：88-93.

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煤炭開采過程中，綜采工作面的高效穩(wěn)定運行對煤炭資源的安全、規(guī)模化開采極為重要，超前支護是關鍵環(huán)節(jié)。在設備協(xié)同控制方面，轉載機導向與自動化調(diào)節(jié)控制缺失，帶式輸送機自移機尾易偏離中心，人工校正效率低且不精準；端頭支架與轉載機相對位置監(jiān)測與聯(lián)動困難、協(xié)同性差。超前支架與轉載機設計布置獨立，推進方向控制精度低，擠架頻發(fā)，端頭與超前支架間距控制不準確，易出現(xiàn)推進偏移與設備干涉，嚴重影響開采穩(wěn)定性。

針對以上開采過程中的問題，開展了推移油缸位置精準控制系統(tǒng)、智能自動化協(xié)同控制系統(tǒng)研究，研發(fā)了超前支架位姿監(jiān)測系統(tǒng)，并進行現(xiàn)場應用實踐與成效評估等，為超前支護技術革新提供理論與實踐支撐，助力煤炭開采行業(yè)邁向智能化、高效化。

綜采工作面超前支護的關鍵技術難題

煤炭開采智能化發(fā)展需求，綜采工作面超前支護的智能化升級成為趨勢。但當前超前支護技術仍存在諸多不足，整體自動化協(xié)同作業(yè)水平較低。為了達成“精準位姿監(jiān)測-智能協(xié)同控制-高效自動化作業(yè)”的目標，綜采工作面超前支護技術亟待進行系統(tǒng)、全面且深入的創(chuàng)新與優(yōu)化。主要技術難題涵蓋設備協(xié)同性差、電液控制不完善等傳統(tǒng)綜采設備共性問題，也涉及轉載機無導向、超前支架與轉載機干涉、回風巷復雜環(huán)境下支架控制困難等超前支護特有的關鍵技術挑戰(zhàn)。

（1）轉載機無導向和自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

帶式輸送機自移機尾推進時與帶式輸送機中心易發(fā)生偏離，需人工反復調(diào)整。帶式輸送機自移機尾的位置和姿態(tài)依賴人工觀察、就地操作調(diào)整。端頭支架和轉載機相對位置缺乏有效監(jiān)測手段，無法聯(lián)動。

（2）超前支架與轉載機經(jīng)常性相互干涉

超前支架和轉載機獨立設計和布置，推進方向難以實現(xiàn)精確導向和控制，擠架現(xiàn)象頻繁發(fā)生，端頭支架和超前支架間距離難以精確控制同時要避免推進方向的偏移和設備間的干涉。

（3）回風巷環(huán)境復雜，超前支架難以自動定向及推移

回風巷粉塵大、巷道變形嚴重，超前支架難以實現(xiàn)精確定位、定姿感知；并且超前支架自動移架過程缺少統(tǒng)一的控制基準，各架組間相對獨立，缺乏統(tǒng)一的定向控制方法，難以實現(xiàn)自動推移。

（4）現(xiàn)有超前支架電液控制以時序控制為主，難以常態(tài)化運行

超前支架和自移機尾的電液控制系統(tǒng)，因超前支架和其他設備相對獨立，設備間狀態(tài)協(xié)同監(jiān)測不完善，各設備缺乏統(tǒng)一的位姿監(jiān)測基準，設備間協(xié)同性差；超前支架和自移機尾缺乏閉環(huán)控制功能，未實現(xiàn)常態(tài)化自動運行，兩巷超前支護作業(yè)成為工作面安全高效快速推進的瓶頸。

綜采工作面超前支架位姿監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 綜采工作面超前支架位姿監(jiān)測方法

工作面兩巷道智能支護裝備與協(xié)同控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自移機尾和超前支架組的定向、定位和定姿功能，以及前方障礙物實時監(jiān)測、超限報警等功能，為自動控制提供依據(jù)。

（1）運輸巷道傳感器布置方案

在姿態(tài)監(jiān)測方面，超前支架組內(nèi)的油缸安裝壓力-位移一體式傳感器，監(jiān)測推移行程和運動過程中的壓力異常；超前支架底座上安裝毫米波測距傳感器，可監(jiān)測超前支架到煤壁距離，實現(xiàn)防碰撞預警，傾角傳感器感知支架傾斜數(shù)；在壓力監(jiān)測方面，立柱安裝壓力傳感器控制初撐力，并監(jiān)測分析壓力顯現(xiàn)規(guī)律。運輸巷道超前支架位姿監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 運輸巷道超前支架位姿監(jiān)測系統(tǒng)

（2）回風巷傳感器布置方案

礦用本安型超聲波測距傳感器置于超前支架的底座前方，監(jiān)測最前端超前支架左右兩側支架到前方障礙物的距離、到巷道側幫距離。將礦用本安型雙軸傾角傳感器安裝在左右兩側支架頂梁的下端，監(jiān)測左右兩側支架姿態(tài)角度；超前支架組內(nèi)油缸安裝壓力-位移一體式傳感器，監(jiān)測推移行程和運動過程中的壓力異常；立柱內(nèi)安裝壓力傳感器，對初撐力進行控制、監(jiān)測分析壓力顯現(xiàn)規(guī)律，回風巷傳感器布置方式如圖2所示。

圖2 回風巷超前支架位姿監(jiān)測系統(tǒng)

2.2 超前支架空間位姿特征提取與快速測量

超前支護區(qū)域設備運行缺乏空間上約束，常規(guī)傳感器無法長時間運行。設計了基于視覺的超前支架位姿測量方法，構建了基于顏色校正的新視覺增強網(wǎng)絡模型，建立了基于“主動增強-圖像分割-去霧降噪”3級簡化的超前支架空間位姿視覺圖像快速處理機制；建立井下圖像庫，訓練、分析并提出適應井下復雜環(huán)境的視覺增強網(wǎng)絡模型參數(shù)?；诔爸Ъ芸臻g位姿視覺特征集，構建井下超前支架圖像視覺檢測特征庫，建立“殘差網(wǎng)絡骨架+反卷積”關鍵點檢測網(wǎng)絡模型；訓練并優(yōu)化檢測網(wǎng)絡參數(shù)，提出超前支架空間位姿視覺特征快速提取方法。

研究了毫米波雷達和視覺的信息融合目標識別算法，對比分析并選擇適合的層級架構。在空間層面，在超前支架前端放置標靶，利用標靶標定視覺攝像頭，實現(xiàn)視覺坐標系與世界坐標系轉換；在時間層面，將毫米波雷達信號作為觸發(fā)裝置，通過尋找相鄰時間戳的方法獲取最近鄰幀的相機數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了傳感器間的時間融合；在圖像信息融合層面，設計了1種多傳感器融合目標識別的神經(jīng)網(wǎng)絡模型，在模型主干網(wǎng)絡提取了毫米波雷達目標框信息和圖像標定信息，在模型中間層融合傳感器信息，并引融合模型損失函數(shù)。

2.3 綜采工作面超前支護區(qū)域安全監(jiān)測系統(tǒng)

設備監(jiān)測主要通過傾角傳感器、高度傳感器、毫米波傳感器，通過視覺分析技術，構建超前支架位姿監(jiān)測體系。確保超前液壓支架在運移過程處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，為常態(tài)化自動運行提供基礎。當出現(xiàn)異常時，發(fā)出聲光警報或通過控制器實現(xiàn)閉鎖。

回風巷超前支護裝備群組電子圍欄，回風巷采用礦用本安型熱成像攝像頭防止運動過程人員入侵，實現(xiàn)超前支護裝備群組安全監(jiān)測、前方障礙物實時監(jiān)測等功能。電子圍欄在煤礦人員定位系統(tǒng)中，實現(xiàn)誤入提醒、滯留報警、超員報警等功能。

運輸巷采用礦用本安型邊緣計算視覺攝像儀，通過網(wǎng)絡向控制系統(tǒng)提供障礙物數(shù)據(jù)、人員入侵報警數(shù)據(jù)等。當邊緣計算攝像頭檢測到有障礙物、人員入侵時，觸動聲光報警裝置及遠程控制開關，避免設備對人員造成傷害。擁有管理權限的人員可根據(jù)現(xiàn)場實際情況，判斷入侵人員及障礙物，在安全情況下解除警報，重新開機。

超前支架推移油缸位置精準控制方法

超前支架推移油缸是超前支架的關鍵執(zhí)行部件，推移油缸控制精度對超前支架自動控制、糾偏等功能產(chǎn)生直接影響。為了研究影響超前支架推移油缸活塞位置超調(diào)量因素，使用AMEsim軟件，對現(xiàn)有推移液壓缸實驗平臺的液壓系統(tǒng)進行建模，仿真研究包括閥響應速度、載荷、摩擦力等在內(nèi)的變量對液壓缸活塞位置超調(diào)量的作用，研究各變量在超前支架推移油缸的運動機理?；诔{(diào)量變化規(guī)律，結合活塞位置傳感器，提出了提高活塞位移控制精度的方法，減小超前支架推移油缸控制誤差，為超前支架高精度控制提供理論支撐。

3.1 超前支架推移油缸運動仿真分析

依據(jù)超前支架推移油缸液壓系統(tǒng)實際情況，在AMEsim中繪制液壓系統(tǒng)仿真模型如圖3所示。模型分為液壓部分和控制部分，設定各段液壓管的長度和內(nèi)徑，綜合考慮摩擦力、重力和管壁彈性模量的影響，使用CFD-1D液壓直管模型進行仿真。通過設置閥的響應速度的頻率，控制各閥口開閉速度。

圖3 液壓系統(tǒng)AMEsim仿真模型

3.2 油缸位置精準控制算法

通過專用超前控制器，采集超前支架推移油缸壓力、速度等數(shù)據(jù)，計算每次推移起點、終點、誤差距離、速度、運行時間。油缸往復運動過程中速度、壓力、位置隨時間變化特征如圖4所示。油缸在推出過程中，無桿腔提供的推力與有桿腔形成的背壓以及負載平衡約為15MPa。速度由油缸運動過程中每時刻的位置與時間求數(shù)值微分得到。推導出油缸推移過程中，運行速度與油壓值均穩(wěn)定，利用神經(jīng)網(wǎng)絡求取壓力、速度與換向閥切換的提前量具備可行性。

圖4 油缸運行過程中參數(shù)變化值

通過專用超前控制器采集超前支架推移油缸壓力、速度等數(shù)據(jù)，并進行歸一化處理。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡對所得數(shù)據(jù)進行處理，將液壓系統(tǒng)中P口乳化液壓力以及油缸推移過程中推移平均速度作為輸入，電液換向閥切換提前量作為輸出，構建具有5個隱含層、1個輸出層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡，利用MATLAB內(nèi)置的神經(jīng)網(wǎng)絡工具箱，對電液換向閥啟動提前量進行訓練。設定最大學習次數(shù)為1000次，經(jīng)過10次學習便達到了預期誤差值，95%測試誤差小于±2mm，控制精度滿足超前支架推移千斤頂以及其他大型裝備的控制需求，BP神經(jīng)網(wǎng)絡學習過程如圖5所示，BP網(wǎng)絡學習結果如圖6所示。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡學習過程

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡學習結果

超前支護智能自動化協(xié)同控制系統(tǒng)

4.1 超前支護智能控制系統(tǒng)

運輸巷和回風巷監(jiān)控數(shù)據(jù)通過光纖經(jīng)交換機傳輸至井下集控中心主機，運輸巷超前支護裝備群組協(xié)同推進系統(tǒng)，在監(jiān)測系統(tǒng)提供準確數(shù)據(jù)的基礎上，實現(xiàn)超前支護裝備群組自動運行。

控制系統(tǒng)由控制器、驅(qū)動器、電磁閥組、數(shù)字油缸、監(jiān)測裝置等部分組成。監(jiān)測裝置采集并處理視覺傳感器、超聲波傳感器、行程傳感器等數(shù)據(jù)，計算得到超前支架當前姿態(tài)以及與巷道相對位置孿生數(shù)據(jù)；控制器綜合處理位置關系及超前支架結構尺寸等參數(shù)，得到支架間推拉油缸的推移參數(shù)，并發(fā)送至立柱和數(shù)字油缸，數(shù)字油缸得到每次推移的移動值，根據(jù)迭代控制算法，控制驅(qū)動器、電磁閥動作，完成相應的推移作業(yè)，自動控制系統(tǒng)硬件總體架構如圖7所示。

圖7 自動控制系統(tǒng)硬件總體架構

4.2 超前支架自動糾偏方法

超前支架推移過程中，因阻力分配不均勻、底板起鼓等問題，易出現(xiàn)偏移。提出了超前支護裝備群組自動校直方法，通過位姿監(jiān)測系統(tǒng)獲取當前超前支架姿態(tài)，由控制器計算2條推移油缸在單次推移作業(yè)中的推拉行程，由數(shù)字油缸執(zhí)行推移動作。前架支架因外界因素影響產(chǎn)生偏移，則在推移動作完成時，位于上方的推移油缸進行補推，實現(xiàn)前架姿態(tài)調(diào)整。若當前推移油缸已經(jīng)達到最大行程，則在推移油缸拉架的時候，2條推移油缸進行差速拉架以實現(xiàn)姿態(tài)調(diào)整。

4.3 超前巷道自動控制軟件

超前巷道一體化控制系統(tǒng)的上位機控制軟件，可部署在超前巷道集控中心或地面調(diào)度中心，實時顯示傳感器及熱成像攝像頭數(shù)據(jù)，為遠程控制人員提供參考依據(jù)。軟件系統(tǒng)具備工藝調(diào)整功能，可根據(jù)礦井實際條件調(diào)整超前巷道設備動作時序。數(shù)據(jù)分析模塊可查詢超前支架立柱壓力等關鍵數(shù)據(jù)，為分析超前支護區(qū)域支護效果及來壓情況提供數(shù)據(jù)支撐。超前巷道一體化控制系統(tǒng)界面如圖8所示。

圖8 超前巷道一體化控制界面

現(xiàn)場應用情況

目前綜采工作面超前支護裝備自動協(xié)同控制系統(tǒng)已在陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦1012工作面進行井下試驗應用，并于2024年4—10月連續(xù)運行，實現(xiàn)了超前支護區(qū)域裝備自動控制，超前支護裝備自動協(xié)同控制系統(tǒng)提高了工作面裝備群協(xié)同度。

（1）超前支護應用前

傳統(tǒng)超前巷支護方式采用邁步式超前支架，每班需約4人，采用人工操作方式移動超前支架，每天2個生產(chǎn)班需人員8人，每年投入人工成本30萬元/人。

（2）超前支護應用后

每班人數(shù)由4人減少為1人，每班節(jié)約3人，作業(yè)人員配置共減少6人，每年可節(jié)約人工成本費用180萬元。

總結

（1）煤礦綜采工作面超前支護系統(tǒng)基于視覺位姿測量方法，構建的模型與機制可實現(xiàn)特征快速提取，利用AMEsim軟件與BP神經(jīng)網(wǎng)絡提高了推移油缸控制精度，構建智能自動化協(xié)同控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)裝備群組自動校直與運行控制及具備工藝調(diào)整與數(shù)據(jù)分析功能。

（2）煤礦綜采工作面超前支護系統(tǒng)降低了人工安全風險，提高了經(jīng)濟效益與生產(chǎn)效率，破解了智能化開采面臨的難題，綜采工作面超前支護裝備自動化協(xié)同控制技術成果可在工作面升級改造、新建智能化工作面全面應用，并可推廣到煤機裝備廠家，具有很強的適用性和推廣性。

（3）煤礦綜采工作面超前支護實現(xiàn)了從傳統(tǒng)人工操作向自動化協(xié)同控制轉變，提升了裝備群協(xié)同度與開采效率、智能化水平，未來將進一步優(yōu)化位姿監(jiān)測與智能控制算法、拓展應用范圍、加強與其他智能化開采技術融合，以實現(xiàn)全智能化無人開采，并推動相關技術標準規(guī)范建立與成果廣泛應用推廣。

END

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤科總院出版?zhèn)髅郊瘓F成立于2015年，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計劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

《智能礦山》

Journal of Intelligent Mine

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

主編：王國法院士

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聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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