煤矿巷道智能化掘进关键技术研究

煤矿巷道智能化掘进关键技术研究

刘帅、张新明、马飞

山东泰安新泰新汶矿业集团 山东省 泰安市 271204

摘要：煤炭作为经济发展中必不可少的能源之一，且在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。中国煤炭资源赋存条件复杂，大多采用地下开采，井下巷道掘进工作量巨大。当前，中国综采工作面技术较为成熟，回采速度已有大幅提升，而巷道掘进速度受工作空间和地质环境的影响，仍存在进尺慢、效率低的问题，严重制约了矿井的开采效率。为了满足新形势下智能化矿井建设的要求，有必要对煤矿巷道智能化掘进关键技术进行研究。

关键词：煤矿巷道；智能化掘进；关键技术

引言

当今时代，新一轮科技革命和产业变革正在加速拓展，智能化已经成为我国经济社会创新发展的不竭动力，成为构建以国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进新发展格局的重要支撑，成为推动各行业高质量发展的根本路径。推进煤炭产业与智能化技术深度融合，加快煤矿智能化建设是防范化解煤矿安全风险的治本之策，是实现煤炭行业高质量发展的重要途径，是煤矿可持续发展的必由之路，是矿工对美好生活向往的迫切需求。

1现状

近几年，国内在远程智能掘进技术体系方面的研究有力促进了成套设备的进步。改进掘进工艺技术模式，攻克快速支护、掘进装备定位导航、自主连续掘进、远程智能管控和高效无人掘进成套装备等关键技术难题，探索实现配套装备自动化、智能化、一体化掘进模式，构建适用于不同煤层条件的煤矿智能化快速掘进工艺技术与装备体系。需要围绕安全、高效掘进两大目标，攻关定位导航、自动支护、自适应截割等智能掘进关键技术，突破环境智能感知、掘进装备智能决策、自动化执行等技术难题，构建“边缘感知、平台决策、设备执行、远程运维”4个维度的智能掘进系统基本架构。掘进机器人群组设备多机协同完成钻探、掘进、临时支护、永久支护等巷道智能化开拓作业的智能掘进理论，以智能感知技术、自主控制技术、群组协同技术为核心，构建“感知－控制－探、掘、护、锚”3个层次的智能化掘进技术体系，以实现煤矿综合掘进机器人化装备的协同作业。适应不同地质条件的掘进装备与掘进工艺，从巷道掘进基础理论研究、装备智能化与成套化、掘进机器人、现代感知技术等层面预测了未来发展方向与趋势。“掘进机位姿感知、工作面环境感知、设备状态感知”的空间一体化感知体系，按照“以智能化超前感知为基础，以多源数据计算为中心，以安全智能快速掘进为目标”的原则研究煤矿巷道智能化掘进的自主感知、基于5G通讯技术多源数据、图像传输和存储技术、大数据云计算和控制软件技术等协同工艺理论和关键技术，对煤矿巷道智能化高效掘进提供有效技术探索。给出了制约煤矿巷道掘进的智能截割、智能导航、智能协同控制和远程智能测控四大关键技术解决思路及方法，研发的护盾推移式煤矿巷道掘进机器人系统成套装备。总体而言，虽然综采工作面建设为智能掘进发展奠定了多方面的技术基础和组织经验保障，近几年智能远程掘进也取得了很多基础理论和关键技术方面的突破，但是尚存在一些亟待协同攻关的难题。

2煤矿巷道智能化掘进关键技术

2.1远程控制系统设计

①实现本机手动控制、视距无线遥控操作、井下任意距离超视距遥控操作和地面调度室四种控制方式。四种控制方式都可对综掘机进行独立控制并相互闭锁，且能够实现一键紧急停机。②可通过集控中心嵌入式操作面板实现远程控制，也可通过一个遥控器实现视距遥控和超视距遥控的无缝切换。③地面调度室根据矿上现有风格，配置高性能计算机、显示器，嵌入式操作面板和语音通话设备。④综掘机各种动作功能如截割升降、截割回转、铲板升降、油泵电机启停、截割电机启停、行走、后支撑升降、一运启停等，采用网络组网方式实现远程遥控操作方式，保证设备数据稳定传输，增大人员操作设备的距离，提高安全性。⑤定位或自动截割时悬臂牵引速度可根据负载趋势变化自适应调整。⑥定位截割时，一运、二运和胶带机可实现联锁启停控制。

2.2智能化感知技术

①掘进工作环境感知技术

井下巷道掘进工作面环境复杂，对环境进行感知是智能化设备运行的基础。若不能有效感知周围环境，可能出现设备偏离掘进位置、无法发现障碍物等问题，甚至会引发掘进事故，危害设备及人员安全。一般来说，可在掘进设备上搭载一系列传感器来实现其对环境信息的收集、分析和处理。但井下掘进工作面环境复杂，常包含粉尘、有毒有害气体等危险源，在掘进过程中也需特别注意对此类环境的感知，最大限度保证作业安全，提高作业效率。

②掘进设备运行状态感知技术

掘进设备组成较为精密和复杂，但总的来说可划分为机械、电气和液压三大系统。由于掘进设备所处的工作环境比较恶劣，其在实际运行过程中也常发生各类故障。对掘进设备运行状态进行感知的主要目的之一便是及时发现设备异常状态，做出相应调整，避免故障的发生，以及对各类故障做出诊断，准确判识故障原因。掘进设备的运行状态包含截割速度、截割姿态、皮带运输速度、运输载荷及电流、电压等参数。传统的以阈值为判识标准的故障诊断识别方法，无法实现对故障的快速、准确判识。因此，研究人员将神经网络算法应用于掘进设备的运行状态感知和故障判识中。

2.3备参数监测操作人员对掘进工作面设

备进行远程控制，视频信息提供直观的视角感触，但掘进工作面设备相对较大、较长，必然存在视野盲区。远程操作时，人员无法实时掌握设备的运行状况，尤其是液压元件、视野盲区。通过对掘进机、带式转载机、自移机尾等工作面设备的运动特性、整机关键参数、机身位姿参数、常见故障、视野盲区、设备之间位置关系进行分类研究，应用智能传感器检测技术，开发适应强振动、高频干扰的传感器，合理、有序地对上述参数进行采集、处理。通过对参数的二次处理，给予远程操作人员以提示、警告、关键时刻停机等信息，保证在远程操作时工作面设备和人员的安全。悬臂上安装动态倾角传感器，用于检测在强振动下悬臂的俯仰姿态，为悬臂自动摆动提供精确俯仰姿态信息。掘进机回转台安装旋转变压器，用于检测悬臂偏航姿态，为悬臂自动摆动提供精确偏航姿态信息。后支撑、铲板安装静态倾角传感器，用于测量后支撑、铲板相对地面的位置关系。悬臂的俯仰姿态和铲板的俯仰姿态，通过角度计算可以实现机身视野盲区的防碰撞功能。掘进机机身装有超声波测距传感器，用于在粉尘情况下测量掘进机距巷道两侧的距离，防止机身与侧帮发生碰撞。

2.4自主导航系统设计

采用组合导航方式实现机身定位，巷道悬挂全站仪，通过无线通讯与机载导航控制箱进行实时数据交互，实现惯导定位数据实时补偿。通过测距传感器与导航控制箱实现机身距侧帮和机身距迎头的实时距离检测。导航控制箱同时配备UPS电源箱，保证综掘机频繁停送电状态下不用频繁初始化惯导系统。系统利用位姿解算软件实现截割头位姿数据和机身位姿数据融合，经控制单元计算出巷道空间下截割头实时位置，在误差范围内准确的实现截割位置轨迹监测，

结束语

综上所述，煤炭开采，掘进先行，全国掘进智能化水平普遍较低，掘进仍处在机械化阶段，智能化掘进，将人从恶劣危险的工作环境中解放出来，实现“安全、高效、绿色”掘进，完成成套设备的一键操作，将地面“点下鼠标就能出煤”成为现实。

参考文献

[1]马超.煤矿岩石巷道掘进机械化作业探讨［J］.科技创新与应用，2021(25)：76-78.

[2]李国华.矿井巷道智能掘进装备的关键技术问题探讨［J］.矿业装备，2021(4)：217.

[3]王飞.煤矿掘进工作面智能化改造方案探讨［J］.煤炭，2021(4)：182-185.