煤礦綜采工作面運(yùn)輸巷道端頭和超前段是安全管控的重點(diǎn)和難點(diǎn)區(qū)域。智能化工作面內(nèi)巷道設(shè)備自動化運(yùn)行難度大，轉(zhuǎn)載機(jī)導(dǎo)向和自動調(diào)節(jié)控制、帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾推進(jìn)偏離調(diào)整和位置姿態(tài)調(diào)整、端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)相對位置監(jiān)測等依賴人工操作，作業(yè)環(huán)境設(shè)備集中，人工作業(yè)安全風(fēng)險大。為解決以上問題，以黃陵一號煤礦為試點(diǎn)，開展綜采工作面超前支護(hù)裝備自動化協(xié)同控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用，實(shí)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(shè)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(xué)術(shù)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(hù)協(xié)同控制系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)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(yùn)行對煤炭資源的安全、規(guī)模化開采極為重要，超前支護(hù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在設(shè)備協(xié)同控制方面，轉(zhuǎn)載機(jī)導(dǎo)向與自動化調(diào)節(jié)控制缺失，帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾易偏離中心，人工校正效率低且不精準(zhǔn)；端頭支架與轉(zhuǎn)載機(jī)相對位置監(jiān)測與聯(lián)動困難、協(xié)同性差。超前支架與轉(zhuǎn)載機(jī)設(shè)計布置獨(dú)立，推進(jìn)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(zhǔn)確，易出現(xiàn)推進(jìn)偏移與設(shè)備干涉，嚴(yán)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(zhǔn)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(jìn)行現(xiàn)場應(yīng)用實(shí)踐與成效評估等，為超前支護(hù)技術(shù)革新提供理論與實(shí)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(hù)的關(guān)鍵技術(shù)難題

煤炭開采智能化發(fā)展需求，綜采工作面超前支護(hù)的智能化升級成為趨勢。但當(dāng)前超前支護(hù)技術(shù)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(dá)成“精準(zhǔn)位姿監(jiān)測-智能協(xié)同控制-高效自動化作業(yè)”的目標(biāo)，綜采工作面超前支護(hù)技術(shù)亟待進(jìn)行系統(tǒng)、全面且深入的創(chuàng)新與優(yōu)化。主要技術(shù)難題涵蓋設(shè)備協(xié)同性差、電液控制不完善等傳統(tǒng)綜采設(shè)備共性問題，也涉及轉(zhuǎn)載機(jī)無導(dǎo)向、超前支架與轉(zhuǎn)載機(jī)干涉、回風(fēng)巷復(fù)雜環(huán)境下支架控制困難等超前支護(hù)特有的關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。

（1）轉(zhuǎn)載機(jī)無導(dǎo)向和自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)

帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾推進(jìn)時與帶式輸送機(jī)中心易發(fā)生偏離，需人工反復(fù)調(diào)整。帶式輸送機(jī)自移機(jī)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(zhuǎn)載機(jī)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(zhuǎn)載機(jī)經(jīng)常性相互干涉

超前支架和轉(zhuǎn)載機(jī)獨(dú)立設(shè)計和布置，推進(jìn)方向難以實(shí)現(xiàn)精確導(dǎo)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(jìn)方向的偏移和設(shè)備間的干涉。

（3）回風(fēng)巷環(huán)境復(fù)雜，超前支架難以自動定向及推移

回風(fēng)巷粉塵大、巷道變形嚴(yán)重，超前支架難以實(shí)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(zhǔn)，各架組間相對獨(dú)立，缺乏統(tǒng)一的定向控制方法，難以實(shí)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(yùn)行

超前支架和自移機(jī)尾的電液控制系統(tǒng)，因超前支架和其他設(shè)備相對獨(dú)立，設(shè)備間狀態(tài)協(xié)同監(jiān)測不完善，各設(shè)備缺乏統(tǒng)一的位姿監(jiān)測基準(zhǔn)，設(shè)備間協(xié)同性差；超前支架和自移機(jī)尾缺乏閉環(huán)控制功能，未實(shí)現(xiàn)常態(tài)化自動運(yùn)行，兩巷超前支護(hù)作業(yè)成為工作面安全高效快速推進(jìn)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(hù)裝備與協(xié)同控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自移機(jī)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(shí)時監(jiān)測、超限報警等功能，為自動控制提供依據(jù)。

（1）運(yùn)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(yùn)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(shí)現(xiàn)防碰撞預(yù)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(yùn)輸巷道超前支架位姿監(jiān)測系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 運(yùn)輸巷道超前支架位姿監(jiān)測系統(tǒng)

（2）回風(fēng)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(cè)支架到前方障礙物的距離、到巷道側(cè)幫距離。將礦用本安型雙軸傾角傳感器安裝在左右兩側(cè)支架頂梁的下端，監(jiān)測左右兩側(cè)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(yùn)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(jìn)行控制、監(jiān)測分析壓力顯現(xiàn)規(guī)律，回風(fēng)巷傳感器布置方式如圖2所示。

圖2 回風(fēng)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(hù)區(qū)域設(shè)備運(yùn)行缺乏空間上約束，常規(guī)傳感器無法長時間運(yùn)行。設(shè)計了基于視覺的超前支架位姿測量方法，構(gòu)建了基于顏色校正的新視覺增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)模型，建立了基于“主動增強(qiáng)-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(jī)制；建立井下圖像庫，訓(xùn)練、分析并提出適應(yīng)井下復(fù)雜環(huán)境的視覺增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)。基于超前支架空間位姿視覺特征集，構(gòu)建井下超前支架圖像視覺檢測特征庫，建立“殘差網(wǎng)絡(luò)骨架+反卷積”關(guān)鍵點(diǎn)檢測網(wǎng)絡(luò)模型；訓(xùn)練并優(yōu)化檢測網(wǎng)絡(luò)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(dá)和視覺的信息融合目標(biāo)識別算法，對比分析并選擇適合的層級架構(gòu)。在空間層面，在超前支架前端放置標(biāo)靶，利用標(biāo)靶標(biāo)定視覺攝像頭，實(shí)現(xiàn)視覺坐標(biāo)系與世界坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換；在時間層面，將毫米波雷達(dá)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(jī)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了傳感器間的時間融合；在圖像信息融合層面，設(shè)計了1種多傳感器融合目標(biāo)識別的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在模型主干網(wǎng)絡(luò)提取了毫米波雷達(dá)目標(biāo)框信息和圖像標(biāo)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(hù)區(qū)域安全監(jiān)測系統(tǒng)

設(shè)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(shù)，構(gòu)建超前支架位姿監(jiān)測體系。確保超前液壓支架在運(yùn)移過程處于動態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)，為常態(tài)化自動運(yùn)行提供基礎(chǔ)。當(dāng)出現(xiàn)異常時，發(fā)出聲光警報或通過控制器實(shí)現(xiàn)閉鎖。

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

運(yùn)輸巷采用礦用本安型邊緣計算視覺攝像儀，通過網(wǎng)絡(luò)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(dāng)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(yuǎn)程控制開關(guān)，避免設(shè)備對人員造成傷害。擁有管理權(quán)限的人員可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)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(jī)。

超前支架推移油缸位置精準(zhǔn)控制方法

超前支架推移油缸是超前支架的關(guān)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(shí)驗(yàn)平臺的液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，仿真研究包括閥響應(yīng)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(yùn)動機(jī)理。基于超調(diào)量變化規(guī)律，結(jié)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(yùn)動仿真分析

依據(jù)超前支架推移油缸液壓系統(tǒng)實(shí)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(shè)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(jìn)行仿真。通過設(shè)置閥的響應(yīng)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(zhǔn)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(diǎn)、終點(diǎn)、誤差距離、速度、運(yùn)行時間。油缸往復(fù)運(yùn)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(fù)載平衡約為15MPa。速度由油缸運(yùn)動過程中每時刻的位置與時間求數(shù)值微分得到。推導(dǎo)出油缸推移過程中，運(yùn)行速度與油壓值均穩(wěn)定，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)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(yùn)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(jìn)行歸一化處理。采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對所得數(shù)據(jù)進(jìn)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(gòu)建具有5個隱含層、1個輸出層的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，利用MATLAB內(nèi)置的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱，對電液換向閥啟動提前量進(jìn)行訓(xùn)練。設(shè)定最大學(xué)習(xí)次數(shù)為1000次，經(jīng)過10次學(xué)習(xí)便達(dá)到了預(yù)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(luò)學(xué)習(xí)過程如圖5所示，BP網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)果如圖6所示。

圖5 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)過程

圖6 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)結(jié)果

超前支護(hù)智能自動化協(xié)同控制系統(tǒng)

4.1 超前支護(hù)智能控制系統(tǒng)

運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷監(jiān)控數(shù)據(jù)通過光纖經(jīng)交換機(jī)傳輸至井下集控中心主機(jī)，運(yùn)輸巷超前支護(hù)裝備群組協(xié)同推進(jìn)系統(tǒng)，在監(jiān)測系統(tǒng)提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)超前支護(hù)裝備群組自動運(yùn)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(dāng)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(guān)系及超前支架結(jié)構(gòu)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(yīng)的推移作業(yè)，自動控制系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)如圖7所示。

圖7 自動控制系統(tǒng)硬件總體架構(gòu)

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(hù)裝備群組自動校直方法，通過位姿監(jiān)測系統(tǒng)獲取當(dāng)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(jìn)行補(bǔ)推，實(shí)現(xiàn)前架姿態(tài)調(diào)整。若當(dāng)前推移油缸已經(jīng)達(dá)到最大行程，則在推移油缸拉架的時候，2條推移油缸進(jìn)行差速拉架以實(shí)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(jī)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(shí)時顯示傳感器及熱成像攝像頭數(shù)據(jù)，為遠(yuǎn)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(shí)際條件調(diào)整超前巷道設(shè)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(guān)鍵數(shù)據(jù)，為分析超前支護(hù)區(qū)域支護(hù)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(yīng)用情況

目前綜采工作面超前支護(hù)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(jìn)行井下試驗(yàn)應(yīng)用，并于2024年4—10月連續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了超前支護(hù)區(qū)域裝備自動控制，超前支護(hù)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(hù)應(yīng)用前

傳統(tǒng)超前巷支護(hù)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(hù)應(yīng)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(fèi)用180萬元。

總結(jié)

（1）煤礦綜采工作面超前支護(hù)系統(tǒng)基于視覺位姿測量方法，構(gòu)建的模型與機(jī)制可實(shí)現(xiàn)特征快速提取，利用AMEsim軟件與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高了推移油缸控制精度，構(gòu)建智能自動化協(xié)同控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)裝備群組自動校直與運(yùn)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(hù)系統(tǒng)降低了人工安全風(fēng)險，提高了經(jīng)濟(jì)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(hù)裝備自動化協(xié)同控制技術(shù)成果可在工作面升級改造、新建智能化工作面全面應(yīng)用，并可推廣到煤機(jī)裝備廠家，具有很強(qiáng)的適用性和推廣性。

（3）煤礦綜采工作面超前支護(hù)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)人工操作向自動化協(xié)同控制轉(zhuǎn)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(jìn)一步優(yōu)化位姿監(jiān)測與智能控制算法、拓展應(yīng)用范圍、加強(qiáng)與其他智能化開采技術(shù)融合，以實(shí)現(xiàn)全智能化無人開采，并推動相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范建立與成果廣泛應(yīng)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(tuán)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(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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聯(lián)系人：李編輯 010-87986441

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