中煤华晋集团有限公司王家岭矿

掘进工作面相比综采工作面，机械化、自动化水平相对较低。特别是在大断面巷道采用悬臂式掘进机+锚杆钻车的配套方式，存在掘进不连续、多次掘进成巷，锚护工作劳动强度大、锚护工艺占用时间长、占用人员多，生产效率低等问题。同时，掘进工作面设备多，系统分散，在生产运输、通风、供电、排水、探水等方面缺乏集中控制与监测。本案例以王家岭矿12307胶带巷大断面小控顶距的矩形巷道，采用锚网联合支护，巷道沿煤层底板掘进。以“掘”、“支”环节智能化为研究中心，实现工作面掘、锚、运等主要工序及通风、除尘、供电等辅助工序智能化运行等功能，构建“以工作面自动控制为主，集控中心远程干预为辅”的自动化掘进模式，达到掘进工作面少人化、无人化的目标。主要建设内容如下所示：

（一）智能掘进系统

首次成功研发惯性系统+激光标靶+工业相机的掘进机绝对位置定姿系统，并将掘进机改造为全国第一台变频掘进机，结合记忆截割功能，实现掘进机自动截割与自适应截割。智能掘进机具备工况参数、视频画面远程在线监测及视距遥控、人员接近预警、远程可视截割等控制功能。

图1 变频掘进机

图2 组合式定位系统

（二）智能锚固系统 

首次成功研发多传感器+机器视觉的锚杆钻车自动定位系统，人工辅助下实现第一根锚杆的自动支护，锚杆钻车自动完成两排其余锚杆的支护工作。全自动锚杆钻车具备自动铺顶网、自动定位锚护位置、自动喷射药卷、自动连续打锚杆、自动注入锚索、自主检测锚固质量功能。

图3全自动锚杆钻车

（三）智能探放水系统

优化全自动探水钻车结构减少断面宽度，提高探水钻车的灵活性与探水效率。全自动探水钻车具有自动上下钻杆、无线遥控操作、一键全自动钻孔、数据自动记录、智能防卡钻功能。

图4全自动探水钻机

（四）智能除尘系统

基于粉尘浓度、瓦斯浓度建立掘进机、局部通风机和除尘风机的耦合关系，实现掘进工作面高效除尘。智能变频局部通风机具备运行噪声低、实时感知的环境参数、自动控制变频器的运行频率、能调节工作面新鲜风流风量的功能。智能除尘系统具备除尘风机与加压泵、喷雾阀门的远程一键启停和基于粉尘、甲烷浓度变化的智能控制除尘风量功能。

（五）多机协同控制及远程集中控制系统

开发基于C/S架构的智能掘进管控平台和操作面板，实现智能设备5G通讯、在线监测预警和所有单机设备的远程停送电、远程操控功能。井下、地面软件平台和操作面板实现对掘进机、除尘风机、运输设备全流程一键启停协同控制功能。

图5地面集中控制系统

图6智能掘进管控平台

（六）安全连锁保障系统

利用AI视频识别系统，实现区域限员、卸载点堆煤、煤量扫描、皮带跑偏智能识别，并与生产系统联动，为安全生产提供保障。

图7 AI识别系统

（七）带式输送机控制系统

安装卷带装置，实现遥控卷带，降低卷带过程的劳动强度。安装自动清扫装置，实现带式输送机的自动清扫。

本案例突破了“掘”、“支”智能化难题，以惯性系统+激光标靶+工业相机的掘进机绝对位置定姿技术和多传感器+机器视觉锚杆钻车相对位置定姿技术为抓手，突破掘进工作面智能除尘、5G控制和集中远程控制技术，实现工作面掘、锚、运等主要工序及通风、除尘、供电等辅助工序智能化运行。适用于大断面小控顶距掘进工作面。在各项技术均达到了领先水平，主要创新点如下所示：

（一）创新点1：研发了智能掘进工作面掘进机惯性导航和机器视觉定位系统，采用机器视觉定位+军用光纤惯导+扇形激光束组合式定位技术，提出了狭长巷道掘进机厘米级高精度定位和导航技术，实现了大断面巷道掘进机精准定位导航与两次自主移机。

（二）创新点2：研发了智能掘进工作面掘进机智能控制系统，采用多传感器融合技术，实时感知掘进机工况、截割负载、悬臂俯仰角及航向角等数据，结合掘进机牵引调速控制算法，实现了截割牵引速度与截割电流合理匹配及掘进机贯入度、截割头转速和截割臂摆动状态的自动调整，实现了掘进机自适应截割。

（三）创新点3：攻克了锚护全工序智能控制关键技术，研制了国内外首台集自动铺顶网、自动定位锚护位置、自动喷射药卷、自动连续打锚杆、自动注入锚索、自主检验锚固质量等功能于一体的全自动锚杆锚索钻车，实现了锚护工序全流程自动化作业，减少了锚护工序的作业时间和辅助作业人员，大大降低了工人劳动强度。

（四）创新点4：研发了“风尘联动”高效智能除尘装备和系统，采用多传感器融合技术全时空实时感知局部通风机和除尘风机的工况及巷道全断面粉尘浓度、风量等环境参数，结合智能除尘系统控制策略，实现了除尘控尘装备与局部通风机联动控制，基于局部通风机与除尘风机的协同控制理论与技术，动态调节掘进风机与除尘风机的转速，实现了掘进供风量、除尘风机风量与粉尘浓度的智能最佳匹配，形成了高效智能通风除尘技术，总粉尘除尘效率高达98%以上，有效改善了掘进工作面的作业环境，保障了工人职业健康。

（五）创新点5：基于多机协同控制理论和智能掘进工作面施工工艺，深度融合数字孪生、物联网、5G通信、大数据分析、人工智能等技术，开发了掘进工作面成套装备系统的智能管控一体化平台。配套AI视频智能识别系统，实现了“人、机、环、管”多要素、多系统数据的智能管控，真实再现掘进工作面实时场景，开创了“可视化远程干预”自动化掘进模式。通过作业装备远程操控和协同控制技术，构建了掘-支-运-辅“四位一体”的协调、连续、高效作业智能掘进技术体系，实现了符合生产工艺全流程的“掘-支-运-辅”配套装备的智能联动。

（一）安全效益

智能掘进工作面远程集控平台与操控系统将之前在掘进工作面作业的人员从迎头回撤到井下集控中心甚至地面操作台进行远程操控，降低掘进、支护过程中人员作业的危险程度，极大的提高了安全系数。

（二）经济效益

智能掘进工作面实现运输系统一键启停、设备集中控制等功能，可减少掘进工作面每班的人员数量；掘进机的自适应截割，在提升掘进效率的基础上，减少截割截齿的消耗与截割电机发生故障的概率；除尘风机变频吸风功能、局部通风机的变频供风功能，在保证工作面正常供风与除尘效果的同时，能极大限度的减少不必要电力消耗，从而减少掘进成本。