适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产调度室主任、生产科长、自动化/信息化负责人
作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学技术支持
一、 为什么协同调度是多工作面充填的核心？
在大型煤炭企业推进“绿色开采”和创建“无废矿山”的进程中，为了降低制浆设备的投资成本，矿区通常采用“集中一站、多路分送”的地面制浆站布局。即建设一座日产达数千立方米的大型地面制浆注浆站，通过敷设多条地面-井下长距离输送管道，同时给 2 个或多个采区工作面进行覆岩离层注浆或采空区充填。
然而，在日常生产运营中，生产调度室和总工程师经常遭遇以下由于协同调度缺失造成的瓶颈痛点：
- 注浆站“产能供求失衡”导致的停产等待：工作面 A 和工作面 B 同时快速推进（推进速度均 ＞8 m/d），两者在相近的时间进入了覆岩离层最发育的“黄金注浆窗口”（滞后工作面 80-120米）。注浆站最大制浆量（如 120 m³/h）无法同时满足两个工作面（各需 80 m³/h）的爆发性需求。因资源抢夺，导致其中一个工作面必须被迫停产等待充填，每天造成数百万的产值损失。
- 管路频繁切换引发的“管内浆体沉积与堵管”：在多孔协同注浆时，由于阀门操作时序不当，浆液在管道切换的瞬间流速骤降，导致微细矸石颗粒在弯头处快速沉降，引发突发性长距离堵管，清理周期长达数天。
- 调度计划与采掘接续计划“两张皮”：生产科制定的回采进尺计划与注浆队制定的打钻注浆计划缺乏动态联动，无法根据岩层运动的动态位移场和压力变化实时微调泵送排量。
因此，引入排队论及智能控制算法，构建多工作面协同调度与注浆站产能动态平衡系统，是大型矿井实现“高产”与“绿色”兼顾的必由之路。
二、 协同调度的核心模型与数学算法
2.1 基于排队论的协同注浆排队调度模型
我们将多工作面的充填需求类比为“顾客排队接受服务”。
- 服务台：地面注浆站的各条独立制浆泵送管路（设数量为 C 条，制浆总产能为 Q_{total}）；
- 顾客：正在推进、急需注浆的 N 个工作面的目标注浆钻孔。其到达过程服从泊松分布，服务时间服从指数分布。
为了最大化减沉效果并最小化等待时间，我们建立“动态优先级权重模型”。第 i 个工作面钻孔的注浆优先级权重 W_i(t) 计算公式如下：
其中：
- L_{now} 为当前孔的实际滞后距离（m），L_{min}、L_{max} 为黄金时机窗口的上下限；
- P_{now} 为当前钻孔的瞬时憋压压力（MPa），P_{allow} 为设计安全憋压极限值；
- S_{surface} 为地表观测的累计变形量（mm），S_{limit} 为保护构筑物变形警戒红线；
- α, \beta, γ 为权重分配系数，通常 α = 0.5，\beta = 0.3，γ = 0.2。
每日调度时，系统优先将注浆站的优势产能分配给权重系数 W_i(t) 逼近 1.0 的特急需求孔，而将备用产能或低流量维持浆泵分配给权重低的工作面。
2.2 “机场塔台引导飞机起降”类比
我们可以把“多工作面协同充填调度”类比为“繁忙机场的塔台引导多架飞机起降”。
地面注浆站的输浆管道就是机场仅有的两条跑道。
井下不同的采煤工作面就像是多架正在空中盘旋、燃油即将耗尽的飞机（离层空间即将闭合）。
- 如果塔台（调度室）指挥混乱，让两架飞机同时去抢一条跑道，必然会发生空中相撞（双面跑浆或双孔堵死）。
- 塔台必须通过雷达（微震和位移监测）计算出哪架飞机的燃油最急迫（哪里的离层最先面临闭合失稳），然后指挥它优先降落（起注大流量），而让其他飞机在安全空域排队盘守（低流量持压或清水冲洗等待）。这样才能保证所有飞机安全着陆，机场效率达到最高。
三、 不同开采接续状态下的调度调度矩阵
基于采掘协同动态平衡，我们设计了以下多工作面在不同接续负荷下的协同调度策略矩阵：
3.1 协同充填调度决策矩阵
| 工作面推进组合状态 | 调度优先级划分 | 注浆泵运行组合配置 | 阀门切换控制逻辑 | 采掘接续协调策略 |
|---|---|---|---|---|
| 双面等速快速推进（各面 v ≥ 8\text{ m/d}） | 双高优先级（并列排队） | 双泵全流量并网运行（各分流 60-70 m³/h） | 智能调节自动分流阀门开度，维持双管等压泵送 | 限制工作面瞬时超产，确保注采速度比（v_{coal}/v_{grout}）稳定在 1.1 以下 |
| 工作面A急进（＞8m/d），工作面B慢进（＜3m/d） | A为特级，B为普通 | 1号主泵（大排量 90 m³/h）全力供给A；2号辅助泵（40 m³/h）维持B | A孔主阀全开；B孔实施间歇式小排量注浆 | B工作面正常采煤，A工作面按小时调度注浆进程 |
| 工作面A正常推进，工作面B停产大修/检修 | A为高优先级，B为维持 | 1号主泵全力注A；B管路切入清水洗管并低压持压 | B孔阀门开度调小至 15%，仅维持 1.5 MPa 稳压防缩径 | A面全力推进，B面在检修期完成扫孔及帷幕加固作业 |
| 多面共用单泵站超负荷（3面同推） | 按 W_i(t) 权重值降序排队 | 主泵以 100% 负荷运行；动态分时切换至不同孔 | 每 2 小时交替切换分注阀门，切换前必须进行 3 分钟高压水冲洗 | 建立“采煤-充填”轮班制，交替安排推进和充填排班 |
四、 智能协同调度与控制实施工作流
为了将调度决策转化为可执行的操作，矿区应建立以下“PLC自动化-DCS调度控制”工作流：
4.1 协同调度控制工作流图
多工作面开采传感器监测
采集不同采区进尺、空心高度与离层位移的实时遥测读数
智能化集中中控（DCS）
将全部工业以太网数据统一汇总到控制层 PLC 与智能排程主机
计算排程优先级权重 (W_i(t))
基于排队论与工作面顶板断裂风险，每 10 分钟迭代计算各采区注浆分配权重
多路高压制浆变频匹配
自动调节变频给料给水阀门，匹配主泵流量分配方案
调节智能分流电动阀门开度
主控系统根据权重比例自动执行电动阀门调节，避免超压和偏注
注浆段吹扫清管（SOP）
每段注浆结束，自动联动高压引流泵水吹扫主管路，防止管道沉浆固化
工作面接续稳步进行
多面连续作业，采空区矸石充填量与煤层推进形成无缝接续
4.2 智能协同调度操作 SOP
- 数据集成同步：中控 DCS 平台实时采集地面粉煤灰/矸石料斗称重数据、制浆泵变频器频率、以及井下各支路电磁流量计和压力变送器数据。
- 动态权重计算：平台内置算法模块每 10 分钟自动扫描一次井下推进和微震参数，动态生成各工作面钻孔的权重系数。
- 泵送功率变频调节：系统根据权重，通过 Modbus/TCP 协议向高压泵送 PLC 发出频率微调指令（如 35Hz 调至 48Hz），智能调整制浆输出量。
- 无损管路切换：当需要将浆体由工作面 A 切换至工作面 B 时，必须启动“防沉积切换程序”：
- *第一步*：开启 A 孔旁路清水阀，以 1.8 m/s 的清管流速冲洗 A 管路 3 分钟；
- *第二步*：缓慢开启 B 孔进口阀，同时等比例调小 A 孔进口阀，保持总系统瞬时泵送压力波动小于 0.5 MPa；
- *第三步*：完全关闭 A 孔阀门，切换完成。
五、 多面协同调度的硬性边界与技术红线
协同调度必须在管网流体力学和设备额定功率的安全边界内运行：
5.1 额定承载与管路红线
- 主管路最大流速限制：长距离输送管道内的浆体流速必须控制在 1.6～2.4 m/s 之间。低于 1.5 m/s 极易发生重颗粒沉降导致局部堵管；高于 2.8 m/s 则会导致管道壁磨损率呈指数级上升，缩短管网寿命。
- 制浆机连续运行上限：地面双轴搅拌机和立式高剪切混浆机的连续高负荷运行时间不能超过 16小时/天，必须留足 4 小时的日常维护、冲洗和刀片更换时间。
5.2 调度“负面清单”
- 严禁无冲洗直接关阀：在协同调度中，严禁未对管路进行清水清管就直接切断阀门。否则留在管内的矸石高浓度浆体会迅速离析泌水，把管路彻底“锁死”形成断管事故。
- 严禁“平均主义”分浆：当注浆站产能不能满足两个快速推进面时，严禁采用将流量各平分一半（例如各分 40 m³/h）的折中方案。流量减半会导致两管均低于临界沉降流速，引发双管同时堵塞的灾难性后果。必须采用“保一停一”的绝对优先级调度。
六、 调度失序风险与现场应急处置 SOP
6.1 风险一：主管路压力突增超过设计负荷（突发性堵管预警）
- 表现特征：主管压力在 2 分钟内由 4.5 MPa 飙升至 8.0 MPa 以上，伴随地面注浆泵电机电流激增。
- 现场处置 SOP：
- 触发一键式泄压清管：中控员按下“紧急泄压按钮”，自动将浆体改道排入地面应急集浆池，并自动切入高压高清水泵对堵塞管路实施最大额定排量冲洗。
- 井下分路排查：调度员通过防爆电话指令井下巡检工逐段检查气动分路截止阀是否动作到位，确认堵塞段。
6.2 风险二：双工作面采掘失衡，充填严重滞后（停产警报）
- 表现特征：工作面 A 滞后距离已达到 165 米，逼近 180 米的极限断裂步距，但注浆站正全力供给工作面 B，无多余产能。
- 现场处置 SOP：
- 实施生产限速指令：调度室向工作面 A 发出限速通知，限制支架进尺，将日推进度下调至 2.0 m/d，等待充填体硬化承载。
- 启动移动式地面辅助制浆站：将备用的移动式车载泵送站开至工作面 A 对应的地表钻孔旁边，采用袋装粉煤灰现场制浆，强行补充泵送流量，缓解地面中心站的产能压力。
七、 实践案例与技术验证
7.1 工程背景
以内蒙古准格尔旗某大型绿色示范矿井（经脱敏处理，产能 1000 万吨/年）为例：
- 工作面分布：共用地面制浆中心站（最大制浆量 150 m³/h），向 1201 工作面（采高 4.2m）和 1202 工作面（采高 3.8m）长距离泵送。
- 改造前痛点：由于缺乏科学的协同调度，调度室采用“谁催得急给谁注”的被动模式，导致 1201 面曾因“充填等待”累计非计划停产 18 天，直接损失煤炭产量达 28 万吨；且因切换操作粗糙，发生大范围堵管 3 次。
7.2 智能协同调度平台改造
技术团队引入了“中矿天智多工作面智能协同调度 DCS 系统”：
- 控制逻辑：以 $W_i(t)$ 决策算法为内核，通过防爆电动球阀和变频泵网联动实现一键式自适应分配。
- 改造前后核心效率对比数据：
7.3 实测效果
- 结果验证：系统投运 300天 以来，实现了“双面同时快速推进、管网零堵塞”的骄人战绩。年消纳煤矸石固废总量提升了 42%（累计处置达 85 万吨），因充填等待导致的非计划停产天数彻底清零，增产综合经济效益超 1.8 亿元。
八、 前期自查与调度台账清单
在多工作面协同调度系统投产前，调度室主任和总工程师应核对以下准备工作并填写自查表：
8.1 协同调度决策自查与台账清单
- [ ] 高压切换阀门气动/电动联锁测试：井下多路分注阀门是否能由地面 DCS 远控操作？切换响应时间是否小于 15 秒？
- [ ] 电磁流量计及密度计防扰校准：安装在各支路的测量仪表检定误差是否小于 1.0%？读数是否已实时上传系统？
- [ ] 地面应急排浆集浆池池容核定：地面集浆池有效容积是否大于 500 m³？（发生堵管清管时可足量容纳管道内存浆）。
- [ ] 工作面月度接续计划与注浆匹配会审：本月两个工作面的预计日均进尺是否经过注浆产能负荷极限校验？
- [ ] 备用管线阀门抗压强度复核：备用管路及高压旁通阀的额定抗压能力是否能承受主管路 1.25 倍的安全憋压峰值？
九、 常见问题 FAQ
Q：注浆管道长达数公里，如何保证切换时清水冲洗不会将大量水灌入采空区引发井下溃水？
A：这是一个非常切中工程实际的问题。如果清管水量过大，会导致采空区积水并软化底板。我们的解决策略是“气水混合高效清管”。在冲洗时，不是单纯使用清水，而是将高压压缩空气与少量清水混合泵入管路。气体的膨胀剪切力能以极少的水量（约为常规冲洗水量的 30%）将管壁附着的浆体带走，有效降低了采空区回水压力。
Q：如果工作面A的注浆憋压很快达到极限，富余的浆液流量应该怎么处理？
A：在智能 DCS 系统的协同下，当工作面 A 的压力变送器检测到憋压上升至设定值（如 6.0 MPa）时，控制系统会自动将制浆主泵的频率下调 15Hz（降低排量），同时等比例开启工作面 B 支路的阀门，实现富余排量的自动分流与消化，避免了突然停泵对管网造成的破坏性“水锤效应”。
Q：协同调度系统需要多少专业操作人员？
A：改造后，系统依托“工业物联网+边缘计算”，地面制浆站与井下阀门完全实现无人值守和自适应控制。主调度室只需设 1名 调度指挥员通过 DCS 大屏幕进行宏观监控与审批，注浆站和井下阀室仅需巡检工定期维护巡视，大幅降低了现场综合人工成本。
参考依据
- 国家发展和改革委员会、国家能源局《关于加快煤矿智能化建设的指导意见》
- 中华人民共和国行业标准 MT/T 5015-2026《煤矿井下管道输送工程技术规范》
- 中国矿业大学岩石力学重点实验室《多分支注浆管网流体力学计算与智能分流控制模型》
- 团体标准 T/ZGME 001-2026《煤矸石覆岩隔离注浆充填技术规范》
关于作者
张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，煤矿绿色充填与智能化解决方案顾问。长期服务陕西榆林、神木、府谷以及山西、内蒙古煤矿客户，专注于煤矸石治理、覆岩隔离注浆充填、绿色矿山创建与矿山智能化项目落地。技术方案设计及参数优化依托中国矿业大学科研团队强大的岩石力学及智能调度控制系统支持。
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