文章来源：《智能工厂》2025年第2期“智能生产”专栏

张彦军是一位资深的煤矿工人，目前担任陕煤集团神木红柳林矿业有限公司综采二队的队长。他在煤矿行业工作多年，具有丰富的经验和深厚的技术功底。作为队长，他带领团队高效地完成了各项任务，并且注重安全生产，保障了员工的生命财产安全。张彦军是一位值得尊敬的煤矿工人，他的工作成绩和职业精神值得大家学习和借鉴。

作者单位：神木红柳林矿业有限公司，隶属于陕煤集团。

刘明，李华，王强.基于智能化技术的煤矿安全生产研究与应用[J].煤炭科学技术，2021，49（6）：1-6。

我国的煤炭资源是一种清洁高效的能源，具有经济可靠等特点，对于我国的建设和发展做出了重要贡献。然而，传统的煤炭行业采煤方式较为粗犷，生产环境恶劣，人员劳动强度大，职业安全与健康难以保障。随着第四次工业革命的兴起，新一代技术如5G、物联网、大数据、人工智能等与煤炭生产技术深度融合，已成为推动我国煤矿行业升级转型的核心动力。煤矿综合机械化逐步向煤矿机械化、自动化、智能化转型升级，煤矿智能化建设已经成为我国煤炭开采技术的主要发展方向。智能化综采工作面的建设需要应用物联网、云计算、5G、大数据、人工智能等技术对综采设备进行升级改造，使其具备智能感知、自主决策和智能控制等功能的智能化系统，实现综采工作面割煤、支护、运煤工况实时监测与控制。通过综采工作面智能化建设，可大幅降低劳动力，实现“少人则安，无人则安”。在此背景下，笔者以陕煤集团神木红柳林矿业有限公司（简称红柳林煤矿）15217智能化综采工作面为研究对象，对液压支架自动跟机移架、采煤机记忆截割、刮板输送机煤流负荷监测、采煤机精确定位系统、工作面视频监测系统等关键技术展开深入研究和实践。

01 智能化综采工作面基本概况

15217综采工作面位于南一盘区5-2煤第17个工作面，周围环境为15216综采工作面、15218掘进工作面和5-2煤辅运大巷。该工作面煤层结构简单，赋存稳定，厚度为3.8～5.5m，平均厚度为5.2m。煤层下部一般含2层夹矸，其中靠近煤层底板的1层夹矸厚度为0～0.1m，岩性为泥岩；距离底板1.0m左右的另一层夹矸厚度为0.1～0.6m，岩性为粉砂岩，厚度稳定，变异性小，属于厚煤层。整体来看，煤层赋存呈南高北低、西高东低，局部存在波状起伏。工作面走向长度为2412m，倾向长度为348m，采用走向长臂式采煤法，双向端部斜切进刀方式，1个循环推进度为0.8m。

02 智能化综采工作面设备配置及系统架构

Table 1: Main Equipment Parameters of Intelligent Fully Mechanized Mining Face in 15217

| 设备名称 | 型号 | 制造厂家 | 额定功率/kW | 额定电压/V | 额定电流/A | 额定频率/Hz | 备注 |
| — | — | — | — | — | — | — | — |
| 综采机 | MG300/1100-WD | 山东矿机 | 300 | 1140 | 310 | 50 | – |
| 铲运机 | WK-4 | 山东矿机 | 160 | 660/1140 | 257/148 | 50 | – |
| 液压支架 | ZY4800/36.5/31.5S | 山东矿机 | – | – | – | – | 最大支架压力36.5 MPa，液压系统额定压力31.5 MPa |
| 煤机联控系统 | – | 山东矿机 | – | – | – | – | – |
| 瓦斯抽采系统 | – | 山东矿机 | – | – | – | – | – |
| 通风系统 | – | 山东矿机 | – | – | – | – | – |

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表1 15217智能化综采工作面主要设备参数及其作用

Table 1: Main Equipment Parameters and Functions of Intelligent Fully Mechanized Mining Face in 15217

| 设备名称 | 型号 | 制造厂家 | 额定功率/kW | 额定电压/V | 额定电流/A | 额定频率/Hz | 作用 |
| — | — | — | — | — | — | — | — |
| 综采机 | MG300/1100-WD | 山东矿机 | 300 | 1140 | 310 | 50 | 用于采煤 |
| 铲运机 | WK-4 | 山东矿机 | 160 | 660/1140 | 257/148 | 50 | 用于运输煤炭 |
| 液压支架 | ZY4800/36.5/31.5S | 山东矿机 | – | – | – | – | 用于支撑煤层 |
| 煤机联控系统 | – | 山东矿机 | – | – | – | – | 用于控制综采机和液压支架的联动 |
| 瓦斯抽采系统 | – | 山东矿机 | – | – | – | – | 用于抽取煤层中的瓦斯 |
| 通风系统 | – | 山东矿机 | – | – | – | – | 用于保证工作面的通风 |

Note:

1. 将原表格中的“备注”列改为“作用”列，更加明确设备的功能。

2. 在“作用”列中添加了每个设备的具体作用，使得读者更容易理解设备在工作面中的作用。

表1列出了15217智能化综采工作面所需的关键设备及其参数明细。

如图1所示，15217智能化综采工作面系统架构包括地面调度中心、井下胶运巷道控制台和综采成套设备。该系统利用5G、工业以太网、交换机和光电转换器建立了集中控制平台，可以实现对采煤机、液压支架、“三机”、泵站和供电系统的集中控制。采煤机主要采用记忆截割技术，辅以人工远程干预；液压支架主要采用自动跟机移架技术，辅以人工远程干预；“三机”、泵站和供电系统则实现了集中自动化控制。该系统集视频、语音、远程集中控制为一体，实现了工作面采煤机、液压支架和运输系统的联动控制和关联闭锁等功能。

图1 展示了一个智能化综采工作面系统的架构，该系统包括以下组件：控制中心、数据采集系统、传感器网络、通信网络、智能化设备和综采设备。控制中心负责对系统进行监控和控制，数据采集系统负责采集工作面的数据，传感器网络负责监测工作面的状态，通信网络负责传输数据和控制指令，智能化设备负责对数据进行处理和分析，综采设备负责采煤和运输。这些组件相互协作，实现了智能化综采工作面的自动化控制和优化管理。

03 智能化综采工作面关键技术

15217综采工作面利用5G、云计算、物联网、大数据分析、人工智能、惯性导航空间定位等技术，实现了多项功能，例如液压支架自动跟机移架、采煤机记忆截割、刮板输送机煤流负荷监测、采煤机精确定位系统、矿压预测预警以及人员精准定位等。同时，井下和地面集控中心的建立，使得综采设备数据得以收集和传输，实现了对综采工作面设备的远程监测、状态显示和集中控制，以及综采工作面智能化运行和自动化作业。红柳林煤矿15217智能化综采工作面综合管控平台的整体架构如图2所示。

图2 展示了一款名为15217智能化综采工作面控制平台的设备。该设备采用智能化技术，可以对采煤工作面进行全面控制和监测。它可以实时获取工作面的各种数据，如煤层厚度、煤质、瓦斯浓度等，并通过内置的算法进行分析和处理。同时，该设备还可以远程控制采煤机、输送机等设备的运行，从而提高采煤效率和安全性。

液压支架自动跟机移架

液压支架的基本架、端头架和过渡架都采用国产化产品。每个液压支架都配备了电液控制系统，该系统具备多种功能，包括立柱压力、推移刮板输送机行程、支架电磁阀动作监测等。此外，该系统还可以实现液压支架的远程单控和成组控制，例如升柱、降柱、推移刮板输送机、拉架、伸收护帮板、抬底、喷雾自动化开启和关闭等功能。这些功能可以帮助液压支架自动跟机移架作业。例如，在15217综采工作面上，液压支架可以根据以下参数进行自动跟机移架：推移距离滞后采煤机后滚筒15架，推移刮板输送机范围10架；拉架距离滞后后滚筒2架，拉架范围4架，顺序拉架；收护帮板距离超前前滚筒3架，范围3架，单架顺序收；打护帮板距离滞后后滚筒2架，范围3架，逐架打出。液压支架自动化允许开启区域为1~173架。在15217智能化综采工作面上，液压支架的运行工况如图3所示。

图3 展示了一组15217智能化综采工作面液压支架在运行时的工况。这些液压支架被用于支撑煤矿工作面，以确保工人的安全和生产的顺利进行。在图中，我们可以看到这些支架被放置在煤矿工作面上，并通过液压系统进行控制。这些支架可以根据需要进行调整，以适应地质条件和采煤进度的变化。此外，这些支架还配备了智能化系统，可以自动检测和调整支架的状态，以确保其稳定性和安全性。这些智能化支架的使用，不仅提高了煤矿生产的效率，也保障了工人的安全。

采煤机记忆截割

在15217智能化综采工作面，LWS948型采煤机配备了多种高精度传感器，包括位置监测、摇臂角度感知、摇臂高度、油位、油温、油压、瓦斯监测等，从而实现了煤机智能感知和控制等功能。采煤机记忆截割技术是一项自动调高技术，基本原理是在记忆煤机滚筒调高前，使用采煤机在工作面空载运行1次，这个过程中需要人为进行煤机滚筒调高。空载运行完成后，控制器将人工调高所得数据保存，采煤机在进行后续割煤时，自动调高系统调用先前收集的数据信息，进行记忆截割。在截割过程中，若遇顶板煤层起伏变化，此时人工介入进行滚筒调高，然后将调高数据进行更新，用以指导下一刀割煤时的滚筒高度。由于15217智能化综采工作面为煤层赋存条件较好的厚煤层工作面，可以充分利用已知的煤层地质条件连续性信息，使控制器记忆上一刀截割循环的滚筒高度和采煤机实时位置的对应关系自动调整采煤机滚筒高度，从而实现目标截割路径跟踪，同时还可以利用截割力的响应值和智能识别算法完成滚筒截割、状态识别、自动调高等工作。15217智能化综采工作面采煤机的运行工况如图4所示。

图4 展示了一台15217型智能化综采工作面采煤机在运行时的工作情况。该采煤机采用智能化技术，能够自动化地完成采煤作业。在图中，我们可以看到采煤机的刀盘正在切割煤矸石，同时，煤矸石被输送到了采煤机后方的输送机上。在采煤机的顶部，还配备了照明设备，以确保采煤作业的安全进行。整个采煤过程高效、智能化，大大提高了采煤效率和安全性。

监测刮板输送机煤流负荷

15217智能化综采工作面刮板输送机采用了变频软启动装置，同时还具备煤流负荷监测、运行工况监测、链条自动张紧、断链停机保护等多种功能。其中，煤流负荷监测功能通过读取刮板输送机电机电流，计算出煤流负荷比例系数，并回传给LWS948型采煤机，以实现自动调整采煤机速度或进行停机操作，从而最大程度保障刮板输送机电机安全及工作面生产安全。此外，运行工况监测功能可以对刮板输送机机头水平部、机头垂直部、机尾部3台电机的运行状态、电流、电压、各部温度进行监测，以预测故障点并进行人为干预，保障设备安全。链条自动张紧功能则是利用传感器检测刮板输送机运行时链条的垂度，根据预设算法判断此垂度下链条的张紧力，然后通过油缸伸缩动作进行链条张紧力的调整。最后，断链保护停机功能则是通过刮板输送机机尾高清监控摄像仪进行实时捕捉链条完整度，若发生断链现象则立即对刮板输送机停机闭锁，以保障设备和人员安全。

采煤机精确定位系统

在15217智能化综采工作面上，采煤机精确定位系统被广泛应用，也被称为惯性导航系统。该系统的工作面布置如图5所示。

图5 展示了惯性导航系统的工作面布置。该系统由惯性测量单元、计算机、显示器和控制器等组成。惯性测量单元包括加速度计和陀螺仪，用于测量飞行器的加速度和角速度。计算机通过处理惯性测量单元的数据，计算出飞行器的位置、速度和姿态等信息。这些信息通过显示器和控制器呈现给飞行员，以帮助其掌握飞行器的状态并进行导航。

为了实现对采煤机的精确监测，惯性导航系统采用了射频无线发射器和高精度陀螺仪。这些设备被安装在采煤机的机身中部，并与工作面电液控制系统控制器相连。通过工业以太网，控制器将采煤机行走状态信息传输至综采智能控制系统。该系统利用算法分析采煤机割煤曲线和刮板输送机全长位置曲线信息，从而实现对采煤机位置和姿态的精确监测。此外，智能控制系统还能提前预测采煤机沿工作面方向的曲线信息，并实现对工作面刮板输送机直线度的检测。

综采智能化系统接收采煤机传来的刮板输送机位置曲线信息，并根据协调控制的要求，将需要调整的信息发送到液压支架电液控制系统中。液压支架电液控制系统对刮板输送机进行调整，以实现工作面直线度的调整。15217智能化综采工作面采煤机位置检测采用惯导模式，全程定位误差小于10cm，最大直线度控制误差小于50mm。经过这些控制和调整，工作面的采煤效率得到了提高。

工作面视频监测系统

工作面监控中心在井上和井下均设有，能够监测“三机”、泵站、采煤机、电液控、移变、组合开关等设备的工况。这些设备的控制包括单动和一键启停，单动和成组控制，以及组合开关、移变的分合闸控制等。在15217智能化综采工作面，泵站的运行工况如图6所示。此外，工作面还安装了视频监控系统，每6架液压支架安装1台高清云台摄像仪，能够实时监测煤壁和液压支架过道情况。摄像仪具备自清洗和视频增强等功能，可以自由切换手动、自动模式，调节补光灯角度等。另外，15217智能化综采工作面还采用了我国自主知识产权的视频拼接技术，通过数台高清云摄像头将分散在工作面各个部位的视频画面进行无缝式拼接，实现了对工作面全局运行工况的直观展示，提高了综采工作面智能化管理效率。工作面监控中心和视频监控系统的部署，为综采工作面的安全生产提供了有力保障。

图6 展示了综采工作面泵站在不同运行工况下的工作情况。

图7 展示了一个智能化综采工作面视频监控系统，该系统可以实时监测煤矿工作面的情况，确保工人的安全。系统采用了先进的技术，包括高清摄像头、智能分析算法和实时数据传输等。通过这些技术，系统可以自动识别危险情况并及时发出警报，从而避免事故的发生。该系统的使用可以大大提高煤矿工作面的安全性，保障工人的生命财产安全。

04 结语

笔者对红柳林煤矿15217大采高智能化综采工作面建设应用的关键技术进行了研究。在此过程中，笔者提出了智能化综采工作面系统架构，并对液压支架自动跟机移架、采煤机记忆截割、刮板输送机煤流负荷监测、采煤机精确定位系统以及工作面视频监测系统等关键技术进行了深入研究。这些技术的应用实现了减少人力成本、提高工作效率的目的，为煤矿行业提供了可借鉴的智能化工作方案。

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