“青年科学家”特刊丨王世博教授：长壁综采工作面无人自主开采发展路径与挑战

智能化无人开采是实现煤矿安全高效开采的技术途径。根据无人控制系统发展的一般规律，分析了综采工作面控制系统发展历程包括远程遥控、自动控制和自主控制3个阶段。综采工作面自主控制需要解决综采工作面环境实时感知、综采“三机”协同控制、高精度煤层地理信息系统、开采工艺智能决策与无人综采工作面评估试验方法5 个方面的问题。总结了综采工作面控制系统的3个目标任务：可靠割煤与装煤、保持工作面几何关系、围岩可靠支护；凝练了综采工作面控制系统的8项关键技术：液压支架电液控制技术、综采装备协同控制技术、工作面通信技术、工作面可视化技术、采煤机定位技术、采煤机自动调高技术、工作面自动调直技术、工作面围岩支护控制技术，并分析了综采工作面控制系统关键技术与其目标任务之间的逻辑关系。通过分析综采工作面控制系统关键技术的功能需求和综采工作面自主控制的研究问题，提出了综采工作面由自动控制迈向自主控制首要解决的问题，即工作面煤层地理信息系统精细化、采煤机截割规划策略、工作面围岩智能支护策略以及综采工作面控制系统适用性评估检验方法。

煤炭是我国的基础能源和重要原料，它占我国化石能源资源的90％以上。虽然煤炭在我国一次能源结构中的比重在逐步降低，但在长时期内其主体能源地位不会变化。智能化无人开采既是国际煤炭开采领域共同追求的前沿技术，也是实现我国煤矿安全、高效开采的技术跨越。近年来我国先后发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》《煤炭工业发展“十三五”规划》《安全生产“十三五”规划》《能源技术革命创新行动计划（2016-2030）》《煤矿机器人重点研发目录》《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》等相关政策对煤炭自动化开采和智能化开采设定了目标和发展方向。

近年来国内学者通过相关研究提出了无人开采、智能开采等相关定义与内涵。方新秋等提出了无人工作面系统模型和技术框架，认为无人工作面是利用采煤机自主定位与导航、煤岩自动识别、液压支架电液控制、刮板输送机自动推移、工作面自动监控监测、井下高速双向通信和计算机集中控制等技术，对关键生产装备遥控与检测，使之自动完成割煤、移架、移刮板输送机、放煤和顶板支护等生产流程。葛世荣提出综采工作面智能化开采是在不需要人工干预情况下，通过采掘环境的智能感知、采掘装备的智能调控、采掘作业的自主巡航，由采掘装备独立自主完成的回采作业过程。张良等认为工作面连续正常生产过程中，利用数字化、信息化、自动化和智能化技术手段，操作工人不出现的工作面即为无人工作面，并根据技术发展程度提出无人工作面将经历遥控型无人开采和智能型无人开采2个过程。袁亮院士提出了煤炭精准化开采科学构想。煤炭精准开采是基于透明空间地球物理和多物理场耦合，以智能感知、智能控制、物联网、大数据云计算等作支撑，具有风险判识、监控预警等处置功能，能够实现时空上准确安全可靠的智能少人（无人）安全精准开采的新模式法。王国法院士根据综采装备在感知、决策和执行方面的技术水平，提出了综采工作面自动化、智能化、无人化的概念，并从液压支架控制、采煤机控制、工作面运输控制和工作面控制系统4个方面阐述了3个不同水平的综采工作面具备的技术特征。李首滨提出了智能化开采的4个阶段：以“可视化远程干预”为特点的智能化开采1.0、以“工作面找直”为特点的智能化开采2.0、以“透明工作面”为特点的智能化开采3.0、以及“全智能自适应开采”的智能化开采4.0。

借鉴无人控制系统发展的一般规律分析了综采工作面控制系统（技术）的发展历程及其主要目标任务，凝练了智能化综采工作面关键技术，提出了综采工作面无人自主开采原理及其相关控制技术的发展趋势。