天玛智控高亮亮：保德煤矿少人化放顶煤技术研究与应用

2025年09月10日 15:32 智能矿山杂志责编：戚金荣作者：智能矿山杂志

为解决综放工作面设备自动化率低、人工劳动强度大等问题，北京天玛智控科技股份有限公司以保德煤矿综放工作面为对象，研究了智能感知、智能控制、智能管理3大体系的少人化放顶煤技术，实现了工作面巡检三维扫描、AI 视频监控、设备工况监测的智能感知功能，攻克了自主割煤技术、三级融合智能放煤技术、煤流负荷平衡3项核心控制技术，建立了透明开采智能综放管理平台，形成了“智能采放、协同集控、远程干预”的工作面智能综放开采模式。研究应用结果表明，少人化放顶煤提高了保德煤矿综放工作面的智能化水平和开采效率，形成了示范性应用成果，为同类型工作面的智能开采研究提供借鉴和参考。

文章来源：《智能矿山》2025年第8期“学术园地”栏目

第一作者：高亮亮，现任北京天玛智控科技股份有限公司智能开采事业部副总经理，主要从事煤矿智能化开采装备、智能开采解决方案的相关研究工作。E-mail：gl517@163.com

作者单位：北京天玛智控科技股份有限公司

引用格式：高亮亮，叶壮.保德煤矿少人化放顶煤技术研究与应用[J].智能矿山，2025，6(8)：56-62.

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煤炭开采技术的智能化升级对保障能源安全、提升生产效率、推动无人化开采至关重要。放顶煤开采作为厚煤层高效开采的核心工艺之一，因地质条件复杂、作业环境恶劣，存在安全风险高、顶煤回收率低、煤流负荷波动严重等问题。随着《煤矿智能化建设指南（2021年）》的发布及“十四五”煤炭工业发展规划的推进，智能放顶煤技术研究成为破解上述难题的关键突破口。

国能神东煤炭集团保德煤矿（简称保德煤矿）煤层厚、地质条件复杂，工作面设备已具备单机自动化功能，但各子系统仍采用就地控制方式，设备开启、停止等操作均需就地人员实施，且后部放煤均采用人工放顶煤，存在放煤量控制难、顶板控制风险大、采煤机割煤底板控制差等问题。

为推进综放工作面智能化技术发展，2021年，开展了神东煤炭“5G+工业互联网”无人化矿井关键技术研发与工程示范，联合北京天玛智控科技股份有限公司（简称天玛智控）进行了保德煤矿综放工作面少人化放顶煤技术研究与应用，提高保德煤矿综放开采智能化水平和效率，达到减人增效目的，形成智能化综放解决方案及示范应用成果。

保德81203综放工作面基本情况

保德煤矿矿井现有1个综放工作面生产，为二盘区辅运大巷以南81203综放工作面。主要设备有7LS6C/LWS636型采煤机，ZFY12500/25/39D两柱放顶煤电液控支架，SGZ 1000/2400型前部刮板输送机和SGZ1000/2400型后部刮板输送机，SZZ1350/700型转载机及PCM700型破碎机。工作面总装机容量9 020 kW，装备总吨位约6 900 t。81203综放工作面设计尺寸240×2 812 m，预计回采煤量637万t，煤层厚度6.0～9.7 m。运输巷道巷道高度3.8 m，坡度为3°～13°，切眼尺寸9.8 ×3.7 m，以割煤、放煤工序为中心，以一刀一放为基本工艺，采放平行作业。

保德煤矿少人化放顶煤系统架构

保德煤矿少人化放顶煤系统架构如图1所示，主要包含智能感知、智能控制、智能管理3部分。

图1 保德煤矿少人化放顶煤系统架构

（1）智能感知

工作面智能感知系统由三维巡检小车、AI摄像仪、海量传感器等硬件组成，巡检小车集成了三维激光扫描功能，获取工作面地质和设备位姿的三维空间模型；AI摄像仪集成了边缘侧的AI识别算法，采集工作面视频图像，并实现了采煤机滚筒识别跟踪、护帮板状态监测以及电子围栏等功能；工作面设备安装温度、振动、油质、电压电流、倾角等海量传感器，监测设备内部工况状态数据。基于工作面三维扫描、AI视频监控、设备工况监测等技术的智能感知，为工作面智能化管控提供数据基础。

（2）智能控制

采煤机、液压支架、刮板输送机是工作面的“三机”核心装备，采、放、运是综放工作面煤炭开采的核心工序。综放智能控制系统攻克了综放工作面的数字化自主割煤技术、三级融合智能放煤技术、煤流负荷平衡技术3大关键核心技术，提高了保德煤矿综放工作面采、放、运3大核心工序的智能化水平。

（3）智能管理

综放智能管理系统基于透明开采智能综放管理平台，集成了大数据中心、综采设备协同控制中心与安全管理中心等管理协同模块，是煤矿智能化建设中实现高效协同、安全管控与决策优化的核心大脑。

保德煤矿智能感知系统

3.1 工作面巡检小车与三维重建

工作巡检小车搭载了高清摄像仪、红外热成像摄像仪、三维激光扫描仪、位置检测系统、通信系统等系统，并集成了甲烷检测功能和自我位姿检测功能，工作面巡检小车如图2所示。

图2 工作面巡检小车

由于工作面起伏、俯仰变化复杂，导致安装于刮板输送机上的轨道也起伏扭转，研制出适应轨道横滚及俯仰形状变化的巡检小车。行走机构通过在巡检小车中部设置纵向转轴，实现巡检小车对横滚变形的自适应调节；通过设计履带轮上下摆动结构，实现单个履带轮的自适应俯仰，解决了轨道弯曲对车轮的阻塞问题。

在工作面两端部及巡检小车上分别部署了三维激光扫描仪，通过点云识别技术，提取到具有绝对坐标的标识物，以此作为工作面三维坐标系的通信源，将巡检小车扫描的三维点云的相对坐标转换为绝对坐标，完成三维地质模型绝对坐标通信的引入与采场空间三维模型的坐标统一，实现了工作面巡检小车三维扫描重建，与摄像仪融合渲染生成彩色点云的扫描结果如图3所示。

图3 巡检小车融合彩色点云扫描结果

3.2 AI智能视频监测

综放工作面智能视频系统，将人的视觉从巷道延伸到工作面，实时监控工作面实际情况。通过基于AI智能识别技术，在基本视频监控的基础上，实现了护帮板动作状态识别、煤机滚筒识别及追踪、智能人员识别、电子围栏等功能，智能视频监测界面如图4所示。

图4 AI智能视频监测界面

3.3 设备状态监测系统

设备状态监测系统主要由传感器、采集器和上层服务器等设备组成。传感器采用无线或有线传输方式将采集到数据，通过采集器上传到上层服务器（结合设备结构特性、参数、故障机理等）分析判断、实时报警等。

在采煤机、刮板输送机、转载机、破碎机等设备安装了磁塞式铁磁颗粒、油品品质、温度和振动等多种传感器，采集运行状态数据融入智能综放系统，实现油液老化污染程度、设备振动和温度数据的收集、显示、故障诊断与异常报警，工作面设备状态监测系统界面如图5所示。

图5 工作面设备状态监测系统界面

保德煤矿“采-放-运”智能控制系统

4.1 数字化自主割煤技术

数字化自主割煤技术是工作面智能化开采的核心技术，通过透明地质系统提供的工作面三维地质模型数据，将煤层切分为片状，结合惯性导航提取的底板高度数据及系统内部通过滤波算法获取的实际截割高度，融合分析地质模型数据、底板高度数据和实际截割高度数据，规划出下一刀截割高度曲线；再依据采煤工艺象限定义各阶段参数通信，实时下发截割高度、牵引速度等关键参数控制命令至采煤机通信接口，完成整个采煤工艺的自主规划截割，采煤机数字化自主割煤系统界面如图6所示。

图6 数字化自主割煤系统界面

4.2 三级融合智能放煤技术

综放工作面后部放煤粉尘、噪声严重，工作环境恶劣，通过三级融合智能放煤技术解决人工放顶煤生产效率低、含矸率不稳定、劳动强度大等问题。三级融合智能放煤技术架构如图7所示，根据实际情况，应用自动放煤、记忆放煤、智能放煤3种模式，架构设计循环迭代，渐进收敛，为放煤作业提供精准的控制，提升放煤自动化效率和资源利用率。

图7 三级融合智能放煤技术架构

工作面通过电液控制系统实现自动跟机放煤控制工艺；记忆放煤通过学习上一刀的人工放煤，基于深度学习优化理论，得到合理的放煤执行参数，下发给控制器执行记忆放煤；智能放煤通过集成透尘除尘煤矸识别摄像仪和声纹振动一体式传感器，采集后部放煤的图像和声音振动信号，进行多源通信融合煤矸识别，构建放煤堆积体表面与内部含矸率的映射关系，准确计算结束放煤的时机，同时对计算放煤时间参数进行学习，提高放煤控制精确度，透尘除尘煤矸识别摄像仪安装如图8所示。

图8 透尘除尘煤矸识别摄像仪

基于图像、声纹和振动融合的煤矸识别技术，将煤矸识别准确度由40%提升到85%，并通过边缘控制器实现了放煤精确控制，通过识别含矸率精确控制放煤的结束时间，同步提升顶煤回收率与回采率，放煤工由2人专职放煤减少为1人兼职放煤。

4.3 综放工作面煤流负荷平衡控制系统

在工作面前部刮板输送机和带式输送机上安装3D摄像仪，基于3D摄像仪和三维空间重建技术，根据点云图数据获取煤流切面面积及三维煤流空间图，实现工作面刮板输送机和输送带煤流负荷的视觉测量感知，煤流监测3D摄像仪安装位置如图9所示。

图9 煤流监测3D摄像仪安装位置

采用“Petri网模型+基于数据驱动模型+在线更新”双轮驱动的方式，建立煤流负荷平衡自适应控制系统模型，实现前后刮板输送机、转载机和带式输送机变频调速，并调整采煤机截割速度和后部放煤速度，实现工作面采、放、运煤流负载平衡，保障工作面快速连续性推进，达到节能降耗的效果。

保德煤矿综放透明开采管理平台

5.1 大数据管理中心平台

大数据管理中心建立了完善的通信交互机制，各类设备间实现实时数据交换和通信共享，包括设备工作状态、故障通信、维护记录等关键数据。大数据管理中心平台分别从数据集成总览、视频监控、监控分析、统计分析、矿压分析5个方面，处理分析集成工作面数据，实时获取各类设备工作状态和运行数据，通过智能算法进行分析和处理，为设备的监控、调度和管理提供了全面数据支持，大数据管理中心平台界面如图10所示。

图10 大数据管理中心平台界面

5.2 综放设备协同控制中心

综放设备协同控制中心实现采煤机、前后刮板输送机及转载机3类关键综采设备的协同控制。通过实时采集采煤机、刮板输送机、液压支架的工作状态数据，包括位置、速度、负载等关键参数，智能分析并预测设备工作趋势，实现对设备的协同控制，综放设备协同控制中心界面如图11所示。

图11 综放设备协同控制中心界面

综放设备协同控制中心实时接入地质模型数据，包括煤层厚度、倾角、断层等关键地质数据，并对“三机”设备进行智能调整。通过精确控制采煤机截割高度、速度、方向，以及前后刮板输送机和转载机运行参数，确保开采过程与地质条件的最佳匹配，提高开采效率和煤炭回收率。

5.3 安全管理分析中心

安全管理分析中心将传统被动应对安全问题转为主动防控危险发生，安全管理分析中心通过整合多源数据、智能分析与动态预警，集成了瓦斯异常预警、冲击地压预测、火灾防控等功能，实现对生产全流程的安全风险精准管控。当瓦斯浓度超限时，自动切断电源并联动通风系统，同时推送预警通信至终端；基于微震监测与地音分析，结合机器学习模型预测冲击风险，提前24 h进行冲击预警。通过CO浓度监测与红外热成像，识别采空区早期发火迹象，及时报警，安全管理分析中心界面如图12所示。