0 引 言
智能化和互联网技术的迅猛发展正在加快推动煤炭企业由劳动密集型向技术密集型转变，目前我国煤矿生产正处于向智能化开采转型时期，智能化技术在矿山工程领域正在得到快速得到推广和应用[1]。煤矿开采地质条件复杂，特别是中东部矿区面临着冲击地压、煤与瓦斯突出等严重威胁安全生产；同时，随着开采强度逐渐增大，煤矿生产过程中存在的探测感知和信息传输不透明、系统不关联及预测难、监控难、效率低、井下作业人员多等问题成为制约资源的安全、高效开采的瓶颈。
煤矿智能化开采系统具有的井下运行信息有效关联、实时监测分析开采过程的动态规律、设备群远程协调控制、对工况的自适应记忆感知及系统与开采环境的较好耦合等优势成为解决以上难题的有效途径和煤炭工业技术革命升级发展的必然选择[2]。近年来我国专家学者和现场技术人员对采煤工作面的智能化生产进行了许多有益的研究和探索。王国法等[3]通过对综采智能化的概念和内涵分析，提出了“透明开采”技术、支架-围岩智能耦合、少人和智能辅助作业等破解当前智能化综采发展难题的有效对策。康红普等[4]针对千米深井超长工作面开采过程中覆岩分区破裂、矿压动态迁移的特点，提出开发超长工作面多信息融合的液压支架自适应群组协同控制技术与装备。文献[5-6]以陕西黄陵二号煤矿智能化工作面为背景，探索了大采高条件下智能化无人开采技术，并通过优化支架电液控系统的时间属性，完成了电液控系统与工作面作业主要动作，形成液压支架群的自组织协同控制方法，建立了大采高液压支架智能化标准。范京道等[7]结合陕煤集团黄陵矿业公司智能化无人开采成功实践经验，研究了薄、中、厚智能化开采实践技术，并得出了科技创新、信息化标准等煤矿智能化无人开采五大体系。张科学等[8]针对智能化无人开采关键难题之一的调斜控制问题，基于研究得到的综采工作面刮板输送机发生上窜、下滑和不发生上窜或下滑的力学条件，指出了工作面调斜控制技术中的单向割煤、反向推移刮板输送机、加刀、减刀及加刀减刀联合控制技术原理，提出了综采智能化工作面基于实时推进度监测的调斜控制技术，并在现场工业性试验中取得了较好的应用效果。申伟等[9]在分析自动割煤的影响因素及难点的基础上，基于采煤机的记忆割煤原理，对自动割煤系统的工作模式、流程进行设计，完善远程控制系统、通信系统、保护系统等，并在MG620/1660-WD等采煤机型上进行工程应用，取得了较好的应用效果。
平顶山矿区煤层开采逐步向深部发展，开采条件日趋严峻，平煤十矿作为平顶山矿区的主力矿井，部分开采煤层埋深已经超过千米，高围岩应力、矿井高地温环境、复杂的煤层赋存条件及作业人员劳动强度大已经成为制约矿井安全高效生产的主要瓶颈。同时，受到平煤十矿原有的信息传输系统传输和处理能力的限制，不能满足对全矿井生产动态、安全监管的实时跟踪和综合分析，而矿井工作面和采区逐步缩减整合，单个工作面的圈定储量、工作面长度、开采强度和设备数量都有明显的提高，因此，构建智能化开采系统就成为提升开采效率、对复杂地质条件的适应性及设备维护、安全管理水平，实现煤矿转型发展的必由之路。笔者以河南省首个智能化工作面平煤十矿己15,16-24130工作面为工程背景，基于“自动化减人，智能化无人，少人则安，无人则安”生产理念，对基于井下万兆工业环网的信息化平台建设、智能化工作面生产系统及远程控制框架等矿井智能化生产关键技术进行研究，为深部高应力复杂开采条件下智能化生产系统的发展提供借鉴与实践基础。
1 智能化工作面概况
平煤十矿位于河南省平顶山市区东部，核定生产能力为330 万t/a。井田东西走向长约5 km，南北倾向宽约6.5 km，面积32.5 km2，井田内主要开采煤层自上而下分别为戊、己组2个煤组，井田划分为东西两翼、3个生产水平。矿井主要开采煤层逐渐由二水平下部向三水平过渡，埋深普遍在800 m以深，属于大埋深开采煤层。己15，16-24130工作面位于二水平己四采区东翼下段，主采煤层为己15，16合层煤层，平均厚度3.5～3.7 m，工作面可采走向长870 m，倾向长307 m，平均倾角9°，采用“E”型通风方式。
己15，16-24130智能化工作面直接顶为厚度8.0～13.0 m深灰色砂质泥岩含薄层细砂岩，基本顶为厚度大于18 m厚层状细至中粒砂岩，直接底为厚度1.0～2.8 m砂质泥岩及薄层细砂岩，基本底为厚度5.0～6.0 m灰色条带细砂岩。
己15，16-24130工作面作为平煤十矿主要接替工作面，开采强度大，该工作面标高-663—-728 m，煤层埋深达千米以上，采场围岩处于高应力环境下，顶板变形大，且工作面倾向长度达到300 m以上，对采煤机、液压支架等开采设备的操作要求较高，同时，该工作面矿井地温高，严重影响作业人员的工作效率。按照原有的开采系统，由于受到煤层赋存条件的制约该工作面不仅需要投入较多的作业人员，存在较大的安全隐患，而且达不到预期产量。针对以上问题，提出了在己15,16-24130工作面构建深部大采长智能化综采工作面的技术构想，如图1所示，实现工作面无人操作条件下采煤设备自适应协调工作及远程监控、控制的智能化生产模式，并在现场进行成功的实践，有效加强对采场顶板稳定性控制，提高生产效率，大幅减少工作面作业人员，消除生产过程中的安全隐患，为类似条件下煤层的智能化安全高效生产具有较高的指导和借鉴意义。
图1 构建智能化生产系统技术框架
Fig.1 Technical framework of intelligent mining system
2 信息网络化基础升级建设
2.1 建立井下万兆(10G)工业环网
智能化无人开采系统具有开采作业区域、井下集控中心和地面调度中心三级控制功能，结合井下安设的大量数字化高清摄像仪，实现了对工作面生产的实时感知和操控，数字通信传输量巨大；同时，智能化工作面的顺利运行，集中控制平台不仅需要与记忆割煤、液压支架高精度惯性导航调直、智能化泵站等主要功能的监测和传感器信号之间实时交互传输，而且必须实现对生产设备的集成联动控制，加之井下复杂环境对信号源的干扰能力强，对井下网络带宽提出了较高的要求。平煤十矿原有的千兆光口的光纤环网仅涵盖矿井运输提升、电力辅助、安全监测功能，数据信息传输能力差，容易出现信号不同步、数字画面图像不流畅等现象，且网络智能形成信息的孤岛，不能实现采集数据信息的共享，无法满足智能化生产的需要和信息化网络传输，因此建立井下万兆以太环网成为解决以上难题的必然选择[10]。
为了实现平煤十矿智能化生产系统的高度集成和信息的高度共享，对整个矿井进行信息化传输平台建设。设计的网络为10 G以太主干环网，由井下、井上工业以太千兆环网共同构成信息传输平台，工业环网按区域、节点数量、规模划分为2个环网：地面环网、井下环网，环网之间相对独立。通过光纤环网交换机配套的Industrial HiVision网络管理软件，实现对整个通信网络更加全面的管理，在网管工作站上使用浏览器，通过光纤环网交换机的管理IP地址即可在图形化界面上实现对交换机管理、配置和状态的观测。地面光纤环网覆盖中心机房、变电所、绞车房、调度指挥中心及数据中心，井下设置KJJ12(A)万兆矿用本安交换机，每台交换机各配置1台井下专用矿用隔爆型电源箱KDW99-660/220B，提高了电源监控的灵活性和稳定性，能够随意组合和扩展，保证应用系统数据的不间断性及完整性；并通过在核心交换机划分VLAN保证了工业以太网内部数据传输不会出现广播风暴，导致数据的丢失或阻塞，使煤矿的综合自动化监控网络系统稳定、可靠、连续运行。此外，网络在主干线路上及主要设备点都进行了冗余设计，井上、下环网允许有一段线路出现故障，核心交换机允许有一台交换机出现意外情况而不影响网络运行。
通过以上信息化升级在整个矿井搭建一个统一的网络平台，使各类信息化应用系统之间是无缝衔接，数据统一存储和共享，支撑矿井智能化安全生产高效运营管理。
2.2 建成井下无线4G通信系统
基于无线通信技术具有的跨越性、布置简单及信号抗干扰能力强等优势[11]。
通过建立矿井4G无线宽带集群通信系统，系统无线通信工作区域内的语音、视频、短信、彩信等多种业务，通过网关，具备与公网(固定电话、程控电话、移动电话)间的互联互通的功能，如图2所示。
图2 矿井无线4G通信系统
Fig.2 Mine wireless 4G communication system
同时，基于4G通信系统形成多媒体集群调度，可将专业的语音、视频、短信、彩信、数据等集群调度业务以及实时的视频、数据回传；并实现智能化工作面采煤机、液压支架、乳化液泵等重要设备状况监测传感器数据、自动控制数据(信令)和设备故障点视频的无线传输；在井下发生突发状况断网时能及时与各部位人员与后方，包括调度指挥中心的语音通信联络，从而能够即刻掌握险情、指挥有效自救等。
3 智能化工作面实现功能
3.1 智能化工作面设备集成控制系统
煤矿智能化工作面系统的最终目的就是在煤层开采过程中，采场布置的采煤机、液压支架和刮板输送机等关联生产设备之间能根据煤层赋存条件实现自主耦合协同运转，因此，必须构建工作面的集中控制系统，有效解决生产设备之间的交互、协调问题。己15,16-24130工作面基于智能化开采控制集成配套设计、液压支架电液控自适应控制系统、可视化远程干预控制、采煤机截割路径自动规划和自主全面感知监控和井下万兆环网等关键技术，建立了由开采作业区域、井下集控中心和地面调度中心构成的三级控制框架，形成了以工作面数据上传云端控制、远程监控集中控制、电液控系统及红外感知功能为核心的成套智能化开采控制系统，如图3所示，采煤生产队伍由过去160人减少至59人，工作面由原来的每班2名采煤机司机、8名支架工，2名补架工减少至1名巡视人员和1名控制台操作人员，作业区域无人，实现了常态化的“有人巡视、无人操作”智能化开采模式。
图3 己15,16-24130工作面成套智能化开采系统
Fig.3 Complete set of intelligent mining system for No.F5,16-24130 working face
3.2 采煤机与支架协调联动采煤
采煤机和液压支架作为采煤工作面的主要设备，其工作效率对于实现快速、安全割煤至关重要，而采煤机工况及与液压支架之间的相互配合必须依据生产、地质条件实时调整，因此，实现无人开采不仅需要采煤机自主适应开采条件完成割煤作业，而且需要液压支架在集中控制系统协调下配合采煤机自主完成跟机移架。己15,16-24130智能化工作面采用178架ZY10000/23/45D掩护式液压支架、ZT23800/20/35端头液压支架及MG500/1340-WD大功率交流电牵引采煤机。如图4所示，通过人工操作采煤机完成一整刀，采煤机根据示范截割刀所记录的工况、姿态及滚筒高度等参数通过集控中心的分析、校正形成记忆轨迹模板，随即进入自适应记忆割煤模式，依据记忆轨迹和工艺段信息进行自动截割，并不断修正误差，进行采煤机自动调高、挖底和调速等动作，实现工作面智能化连续记忆割煤。与此同时，如图5所示，安装在每个液压支架的红外线接收和采煤机的红外线发射装置构成位置检测装置，随着采煤机的往复运行，并不断发射红外线信号，液压支架的红外接收装置将受到的红外信号转化为模拟信号传输至集控中心分析，反馈到支架控制模块，自动控制跟机、移架、推移刮板输送机、护帮、喷雾降尘等动作。
图4 自适应记忆割煤示意
Fig.4 Schematic of adaptive memory coal cutting
图5 自动跟机移架功能
Fig.5 Automatic following and moving function
采煤全过程采用液压支架自动跟机移架及自适应的记忆截割为主，人工干预为辅，只需跟机巡视人员进行对特殊工况进行远程适当干预，解放过去割煤全程操作的支架工和采煤机司机，相比过去工作面每天割煤增加2～3刀，回采工效也由过去的500～600 t/工提高到1 000 t/工以上，提高了工作效率，减轻工作强度。
3.3 智能工作面供液系统
支架与围岩系统中直接顶刚度与支架刚度相对大小不同, 决定了支架可处在不同的工作状态下工作, 从而使支架有不同的承载状态。合理的支架支护强度可以降低顶板下沉量与下沉速度，减轻顶板动载冲击对支架的影响，因而，支架自身稳定性及对围岩失稳的适应性是支架-围岩系统稳定性耦合的关键[12-13]。己15,16-24130工作面开采煤层深度达到千米以上，采场处于高应力环境，矿压显现和动力响应剧烈，顶板控制困难，因此液压支架系统对工作面区域围岩的稳定性控制提出了更高的要求。
针对以上问题，己15,16-24130智能化工作面根据液压支架一级护帮板上安装的行程传感器和压力传感器反馈信息，实现三级联动护帮智能控制和平衡千斤顶自动调节、初撑力自动补偿等顶板耦合控制，大幅提升系统对地质条件的适应性，完成对顶板和煤壁支撑压力的智能控制，有效提高了对工作面顶板和煤壁片帮的管理水平。液压支架电液控系统将支撑压力参数通过万兆工业环网及时向集控中心和智能化泵站反馈，并对低于设定压力值的液压支架自动补压，有效避免补压滞后问题。智能化供液系统工作模式如图6所示，所采用的乳化液泵站为GYZ4型，液压支架压力目标值P2=28 MPa，补压下限分别为P0=12 MPa、P1=25 MPa，前3次补压延时分别为T0=5 s、T1=60 s、T2=180 s，补压次数设定为5次，支架在正常支撑的情况下，当顶板松动等原因导致立柱下腔压力低于设定值时，电控系统自动发送升柱指令将立柱压力补充至初撑力，保证工作面变流量恒压供液，自动应对差异地质条件，彻底解放支架工。
图6 智能集成自动供液补压模式
Fig.6 Intelligent integrated automatic liquid supply and pressure supplement mode
压力变化频率和立柱压缩量是反映液压支架与工作面顶板是否具有良好耦合关系的关键参数，根据己15,16-24130工作面周期来压过程中分区来压的特点，笔者选取工作面中间区域的86、101、116号以及靠近工作面端部的60、45、150、165号液压支架阻力作为研究对象，各阻力范围所占比例见表1。
表1 液压支架各压强范围占比
Table 1 Proportion of each resistance range of hydraulic support
支架编号液压支架各压强范围占比/%0—5MPa5—10MPa15—20MPa25—30MPa30—35MPa35—40MPa40MPa以上865.6313.1512.12036.6029.202.550.751016.3014.1511.3033.2031.303.020.731165.6314.3910.1137.1228.333.610.81605.7712.6511.6337.6928.613.020.71456.3115.3310.2632.1233.062.090.831503.4916.3713.6637.327.361.260.561653.6316.7811.1238.3628.161.320.63
己15,16-24130工作面通过智能泵站对液压支架自动补压，补压下限为25 MPa，上限为28 MPa，超过液压支架41.5 MPa的安全阀值，安全阀自动打开卸压。由表1分析可知，压力处于25～35 MPa所占比例达到65%以上，比平煤十矿原有类似条件下工作面所占比例提高了30%～40%，液压支架处于额定工作状态比例得到明显提高，对顶板起到有效的支撑作用；由于在推移和顶板破断卸压等原因液压支架压力回出现短期回落，小于补压下限，即25 MPa，所占比例仅为25%左右，其中工作面两端所占比例较大；同时，液压支架安全阀值上限为41.5 MPa，而压力大于35 MPa所占比例极小，仅为4%左右，因此，支架工作阻力具有较高的富裕系数。各支架受力分布和受力比原有工作面液压支架更为合理，且根据现场观测，在回采期间工作面煤壁片帮深度为450～500 mm，液压支架与顶板具有较好的耦合关系，智能化补压系统对工作面回采期间的顶板和煤壁片帮管理起到了良好的控制作用。
乳化液是煤矿液压系统的传动介质，在液压系统中起“血液”作用，从地面至井下对智能泵站供水进行10级过滤净化和软化，过滤精度可达微米级，严格按高于饮用水的标准管理水质，实现了对乳化液供水再次净化，每小时可产生10 t净水，乳化液严格按设计要求自动配比，要求浓度配比必须达到3%以上；并配备反冲洗功能，按照设定参数实现过滤芯的反冲洗，从而确保乳化液洁净以及液压系统稳定工作。
3.4 采煤工作面高精度惯性导航调直系统
刮板输送机既是采煤机割煤时的运行轨道，也承担着运煤的任务，同时也是液压支架推移刮板输送机的支点，综采工作面作业空间狭长且采长不断增加，煤层赋存和地质环境复杂，支架、采煤机等大量生产设备需要跟随工作面推进及时跟进调直，因此在工作面不停止工作的情况下控制刮板输送机和液压支架直线度成为制约保障智能化无人开采的瓶颈之一[14-15]。己15,16-24130智能化工作面开采推进速度快，工作面长度和液压支架数量分别达到307 m和178架，且上覆岩层赋存和矿压显现复杂，因此工作面高效、精准调直成为实现智能化开采亟待解决的难题。
己15,16-24130工作面在采煤机与支架协调联动采煤工程中，通过将高精度惯性导航测量技术与采煤机割煤工艺有效融合，达到代替人工方式将工作面直线度控制在允许的范围内，降低劳动强度。由于工作面较长，在其两端和中间位置分别安装无线基站，使发射信号覆盖整个工作面范围，无线基站之间、无线基站与集控中心之间通过光纤连接，实现集控中心与惯性导航模块的高速通信；并将惯性导航模块、位置编码器及无线发射模块、天线安装在采煤机外部，用于将惯性导航数据传输至控制中心，并与液压支架的无线基站进行通信。
实现采煤工作面自动调直功能共分为以下3步：
1)对工作面弯曲程度进行测量。采煤机的运行轨迹代表了运输机的弯曲形状，同时也是工作面轮廓曲线，己15,16-24130智能化工作面高精度管道系统测量采煤机运行轨迹采用组合导航模式，只需要依赖一个外部参数，即物体的行走距离，惯性导航将自身感知到的运动方向与外部输入的行走距离相结合后得到物体的运动坐标，通过这种方式得到的运动轨迹精度较高，惯性导航测量采煤机运行轨迹时采用的也是这种方式，其过程如图7所示。
图7 采煤工作面高精度惯性导航测量功能
Fig.7 High precision inertial navigation alignment straightening measurement function of coal working face
惯性导航所测量的是采煤机的行走轨迹，并不是运输机的弯曲形状，从采煤工艺来看，通常是采煤机过后几架就要开始移架推移刮板输送机，而推移刮板输送机后运输机的形状就改变了，因此采煤机上刀割煤形成的实际轮廓只能在下刀进行测量。基于以上情况，己15,16-24130智能化工作面在实现自动调直时，采用一刀测量、一刀矫直的方式完成，规定所有的上行割煤为测量刀，下行割煤为矫直刀，如图8所示。
图8 惯性导航调直矫正过程
Fig.8 Process of inertial navigation alignment straightening
在测量刀中，所有的支架按照满量程移架推移刮板输送机，当测量刀完成后，虽然刮板输送机的形状被改变了，但由于支架是满量程移架推移刮板输送机，因此刮板输送机的弯曲形状应该和惯性导航所测量形状是相同的，可以认为惯性导航测量的形状就是刮板输送机的弯曲形状，并基于此计算下刀(矫直刀)的移架推移刮板输送机参数。测量刀和矫直刀的关系如图9所示，其中：
①、③为测量刀；②为矫直刀
图9 采煤机测量矫刀流程
Fig.9 Measuring and straightening process of shearer
矫直刀：
N=(N′-1)′
(1)
测量刀：
N=(N″-2)″
(2)
式中：N为红色线条，是每刀所测得的工作面轮廓；N′为蓝色线条，是每刀完成后工作面的实际轮廓；N″为绿色虚线，是每刀完成后所计算出的下刀的预期调直效果。
测量刀完成后，系统能够得到1条工作面轮廓曲线，根据该曲线计算出每个支架的移架距离，并将移架距离发送到工作面的每个控制器，在下刀割煤过程中，支架移架时按计算出的移架距离进行移架，推移刮板输送机时仍按最大量程推移刮板输送机，矫直刀完成后，惯性导航会测得1条新的工作面轮廓曲线。
2)移架参数计算。计算移架目标值时主要考虑2个参数：最大移架距离和最小移架距离。其中，最大移架距离是指支架满量程移架推移刮板输送机时每个支架的最大移架行程，最小调直过程中每个支架的最小移架距离，该参数的目的是保证工作面的正常推进，防止因为自动调直而严重影响产量。
如图10a所示，1个工作面轮廓中最大偏差为A点与B点之间的距离，A点向前移动为最小移动距离，B点向前移动为最大移动距离，取己15,16-24130智能化工作面采煤机滚筒最大截深，为固定值800 mm，采煤过程中实际的截割推进速度为700 mm，如果A点向前移动为0～100 mm，B点移800 mm，其他位置移架距离为100～800 mm，则只需1刀就能将工作面调直，只要A点和B点之间的偏差小于最大移架步距都可以实现1刀调直。如图10b所示，若最小移架距离取100～800 mm，B点在1刀内不能追赶上A点，因此无法实现1刀调直，可能需要2刀甚至更多刀；若最小移架距离取最大移架距离，则相当于关闭了自动调直功能。因此，最小移架距离是自动调直中的关键参数，最小移架距离取0～100 mm可以用最少的刀数实现调直。
图10 工作面调直示意
Fig.10 Schematic diagram of working face adjust straigt
3)自动调直采用的是移架调直而不是推移刮板输送机调直。因为移架过程中每个支架与相邻支架是相对独立的，2个支架之间不存在相互制约，可以通过行程传感器精确控制每个支架的移架距离，控制移架行程比控制推移刮板输送机行程要容易的多，而推移刮板输送机一般是多架成组推移刮板输送机，受刮板输送机机械结构限制，支架可能无法按照设定的目标值进行推移刮板输送机，也就无法实现最终的调直效果。与此同时，移架调直要求支架在移架时必须按照上文计算的移架参数进行移架，达到目标值后停止移架，推移刮板输送机时按满量程进行推移刮板输送机，从而在经过移架-推移刮板输送机后使刮板输送机的形状达到预期效果。
经现场监测分析可知，己15,16-24130工作面相邻液压支架推进方向位置误差最大为 30 mm，最小为2 mm，与平煤十矿原有类似工作面液压支架调直误差平均降低40%以上，满足了高精度移架调直的要求。
3.5 远程控制操作
如图11所示，己15,16-24130智能化工作面基于井下万兆环网较大的信息传输通道，位于工作面巷道内的片盘和地面调度室的集控中心对工作面作业区域的采煤机、刮板输送机、液压支架、乳化液泵站等生产控制设备的运行状态进行远程动态监控、远程操控、长距离数据传输及对设备故障进行预测，增强操作人员对系统的感知调控能力。遥控操作指在距离工作面10 m有效范围内利用液压支架专用遥控器，对目标支架进行动作控制，对特殊地质情况下的顶板维护和事故处理具有重要意义，有效保障操作人员的人身安全。
图11 工作面远程控制功能
Fig.11 Remote control function of working face
智能化工作面集控系统将液压支架自动跟机移架、视频监控系统、采煤机记忆割煤、智能泵自动配比等功能有机整合在一起，实现全工作面设备在地面和井下盘区的远距离一键启停操控，如图12所示，建立了“可视远程干预遥控，无人化操作”的智能化生产模式。
图12 一键启停功能示意
Fig.12 One key start stop function diagram
3.6 视频定位追机
如图13所示，基于万兆工业环网建立井下无线4G通信网络，位于工作面的云台摄像头能够得到的煤机位置信息，并实现录像回放、360°旋转、画面拉近放大、多画面同步显示存储，确保采煤过程中对煤机前后滚筒区域的跟机监控，当采煤机超出监控范围后能够自动切换合适位置的摄像头持续监控，保障关键设备全程可视化管理，实时把控现场状况。地面与井下、工作面生产地点与控制中心实现即时语音通信，包含摄像头和沿线通信分机，交流便捷。移动端采用基于4G矿用本安型智能手机或平板电脑，利用终端管理软件实时拍照、录取视频及巡察记录录入和即时通信，实现对隐患和事故的实时信息获取、在线分析、协同解决等功能。
图13 工作面现场视频传输
Fig.13 Live video transmission of working face
4 结 论
1)平顶山矿区煤层开采逐步向深部发展，开采条件日趋严峻，高围岩应力、矿井高地温环境、煤层赋存复杂及井下作业人员多、劳动强度大等制约着矿井安全高效生产，而智能化开采系统以其具有的工作面无人操作、采煤设备根据开采条件自主协调工作及远程监控、控制等突出优点，已经成为煤矿转型发展的必由之路。基于 “自动化减人，智能化无人，少人则安，无人则安”生产理念，在平煤十矿己15,16-24130工作面建成河南省首个智能化工作面。
2)通过构建万兆以太环网的核心的矿井信息化传输平台，在整个矿井搭建一个统一的网络平台，使各类信息化应用系统之间是无缝衔接，数据统一存储和共享，满足矿井智能化生产和信息化网络传输需要，矿井智能化生产系统具备了高度集成和信息的高度共享功能；并基于万兆工业环网建立了矿井4G无线宽带集群通信系统，形成多媒体集群调度，实现智能化工作面生产设备状况监测数据的无线传输，及视频、语音通信联络，从而有效解决原有千兆环网数据信息传输能力差，容易出现信号不同步、数字画面图像不流畅、采集数据信息无法共享等难题，满足了智能化生产的需要和信息化网络传输，支撑矿井智能化安全生产高效运营管理。
3)根据深部煤层采场围岩压力大，顶板压力显现剧烈的特点，基于液压支架与顶板之间相互耦合关系对工作面围岩稳定性的决定性影响，己15,16-24130工作面建立了基于根据液压支架实时监测反馈数据对液压支架多级自动补液的工作模式，保证工作面变流量恒压供液，自动应对差异地质条件，彻底解放支架工。通过分析液压支架立柱压缩规律可知：己15,16-24130工作面液压支架支护位态稳定，没有出现支架的结构性破坏，液压支架处于额定工作状态比例比平煤十矿原有类似条件下所占比例提高了30%～40%，确保了在深部高应力环境下液压支架与顶板岩层之间良好的耦合关系和工作面围岩的稳定性，对工作面回采期间的顶板和煤壁片帮管理起到了良好的控制作用。
4)己15,16-24130工作面通过集成智能化控制系统，构建了以井下远程集中干预控制、采煤机记忆截割、液压支架自动跟机移架及长距离视频跟踪定位等关键技术为核心的综采成套装备智能生产系统，实现了千米埋深采煤工作面自行感知、决策及生产设备自动协调联动等智能化开采模式；同时，在己15,16-24130智能化工作面采用“测量—计算—调直”的高精度惯性导航调直模式，克服了大采长生产设备定位精度和调直控制的瓶颈，达到代替人工方式完成工作面设备高精度调直。相比平煤十矿以往类似的开采系统，采煤生产队伍由160人减少至59人，工作面操作人员由12人减少至2人，作业区域无人，液压支架调直误差平均降低40%以上，每天多割煤2～3刀，产量也由3 000～4 000 t/d增加至8 000 t/d以上，为深部高大采长煤层开采向智能化、信息化方向的发展具有重要的指导意义。
[1] 李首滨.煤炭智能化无人开采的现状与展望[J].中国煤炭, 2019, 45(4):7-14.
LI Shoubin.The present situation and prospect of coal intelligent unmanned mining[J].China Coal, 2019, 45(4):7-14.
[2] 王国法,刘 峰, 孟祥军,等.煤矿智能化(初级阶段)研究与实践[J].煤炭科学技术, 2019,47(8):1-36.
WANG Guofa，LIU Feng，MENG Xiangjun，et al.Research and practice on intelligent coal mine construction(primary stage)[J].Coal Science and Technology, 2019,47(8):1-36.
[3] 王国法, 张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望[J].中国矿业大学学报, 2018, 47(3):459-467.
WANG Guofa, ZHANG Desheng.Practice and development prospect of coal intelligent comprehensive mining technology innovation[J].Journal of China University of Mining and Technology, 2018, 47(3):459-467.
[4] 康红普，王国法，姜鹏飞，等.煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术构想[J].煤炭学报，2018，43(7):1789-1800.
KANG Hongpu, WANG Guofa, JIANG Pengfei, et al.Surrounding rock control and intelligent mining technology of one kilometer deep coal mine[J].Journal of China Coal Society, 2018，43(7):1789-1800.
[5] 刘建伟.大采高智能化无人开采技术的探索[J].陕西煤炭, 2018(2):23-25.
LIU Jianwei.Exploration of intelligent unmanned mining technology for large mining height[J].Shaanxi coal,2018(2):23-25.
[6] 雷照源，姚一龙，李 磊，等.大采高智能化工作面液压支架自动跟机控制技术研究[J].煤炭科学技术，2019，47(7):194-199.
LEI Zhaoyuan, YAO Yilong, LI Lei, et al.Research on automatic follow-up control technology of hydraulic support in intelligent chemical working face of large mining height[J].Coal Science and Technology, 2019，47(7):194-199.
[7] 范京道, 徐建军, 张玉良,等.不同煤层地质条件下智能化无人综采技术[J].煤炭科学技术, 2019, 47(3):48-57.
FAN Jingdao, XU Jianjun, ZHANG Yuliang, et al.Intelligent unmanned fully mechanized mining technology under different coal seam geological conditions[J].Coal Science and Technology, 2019, 47(3):48-57.
[8] 张科学, 李首滨, 何满潮, 等.智能化无人开采系列关键技术之一：综采智能化工作面调斜控制技术研究[J].煤炭科学技术，2018，46(1):139-149.
ZHANG Kexue，LI Shoubin，HE Manchao，et al.Study on key technologies of intelligent unmanned coal mining seriesⅠ:study on diagonal adjustment control technology of intelligent fully-mechanized coal mining face[J].Coal Science and Technology，2018，46(1):139-149.
[9] 申 伟, 晋 瑜.基于记忆原理的采煤机自动割煤系统研究及应用[J].自动化应用, 2019(6):19-20.
SHEN Wei, JIN Yu.Research and application of automatic coal cutting system of Shearer Based on memory principle[J].Automation Application, 2019(6):19-20.
[10] 崔 柳, 王占飞, 熊 鹰.神东矿区井下万兆以太环网的设计与应用研究[J].中国煤炭, 2017, 43(3):78-83.
CUI Liu, WANG Zhanfei, XIONG Ying.Design and application of ten thousand megabytes Ethernet ring network in Shendong Mining Area[J].China Coal, 2017, 43(3):78-83.
[11] 王首杰.4G无线通信技术在煤矿井下的应用[J].能源技术与管理, 2015, 40(4):178-180.
WANG Shoujie.Application of 4G wireless communication technology in coal mine[J].Energy technology and management, 2015, 40(4):178-180.
[12] 王国法, 庞义辉.液压支架与围岩耦合关系及应用[J].煤炭学报, 2015, 40(1):30-34.
WANG Guofa, PANG Yihui.Coupling relationship between hydraulic support and surrounding rock and its application[J].Journal of China Coal Society, 2015, 40(1):30-34.
[13] 刘长友, 钱鸣高.采场支架与围岩系统刚度的研究[J].矿山压力与顶板管理,1998,14(3):2-4.
LIU Changyou, QIAN Minggao.Study on the rigidity of support and surrounding rock system in stope[J].Ground Pressure and Strata Control,1998,14(3):2-4.
[14] 王世博, 何 亚, 王世佳, 等.刮板输送机调直方法与试验研究[J].煤炭学报, 2017, 42(11):3044-3050.
WANG Shibo, HE Ya, WANG Shijia, et al.Straightening method and experimental research of scraper conveyor[J].Journal of China Coal Society, 2017, 42(11):3044-3050.
[15] 王 超, 李 威, 杨 海, 等.基于航位推测的刮板输送机形态检测研究[J].煤炭学报, 2017, 42(8):2175-2182.
WANG Chao, LI Wei, YANG Hai, et al.Research on shape detection of scraper conveyor based on dead reckoning[J].Journal of China Coal Society, 2017, 42(8):2175-2182.
