《煤炭学报》专题报道丨“煤矿快速智能掘进理论与技术”

我国约有90%的煤炭资源以井工方式开采，井下开采的首先工序是掘挖出地下运输和通风巷道，必须做到“采掘并重，掘进先行”。当前，巷道掘进的智能化进展落后于采煤，出现严重的采掘进度失衡、井下作业人员依然很多的局面。目前，我国煤矿每年巷道掘进量超过12

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km，综掘工作面掘进班组作业人员20万～30万人。因此，快速智能掘进技术对于煤矿安全生产的减人增安提效具有重要意义，也是我国煤矿智能化发展的主要方向。为便于大家了解“煤矿快速智能掘进理论与技术”领域的最新科技成果，小编按照见刊时间，整理了该领域近几年在《煤炭学报》已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 煤炭学报
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基于变权模糊理论的掘锚一体机组掘进适用性数学评价

作者(Author)：马进功, 宋德军

摘要：掘锚一体机组具有掘锚钻同体、全宽截割、掘锚平行、锚运同步、多锚平衡等显著技术优势，具备远程操控和地面集中控制，满足日进百米要求，已成为“十四五”时期煤炭行业实现中高级智能化高效掘进、缓解采掘接续的关键装备群。然而，国内近5 a、数十个矿区的应用表明，掘锚一体机组对掘进煤层地质条件有一定的适用性要求，若条件不匹配，其掘进效率、经济性方面相比传统悬臂式掘进机的提升并不明显。因此，针对掘锚一体机组适用性程度的评估是亟需工作，提出了将层次分析、模糊数学以及变权理论等数学原理相结合的方法，基于数十个矿区的应用实践经验建立了掘锚一体机组地质适用性程度评价的数学评价指标框架体系，包括煤层地质赋存特征、掘进巷道特征、地质构造特征、安全影响要素等4个二级指标，并划分确定了21个三级子指标以及这些子指标所对应的特征取值条件，这些取值条件严格遵循并符合表征适用性程度的4种评语子集(“差、中等、较好、好”)要求，然后通过层次分析法得出了子指标的判断矩阵与常权权重，采用模糊数学隶属函数建立了子指标的模糊关系矩阵，引入对数函数与Hadamard矩阵原理实现了常权权重的变权(调低“好”因子权重、调高“差”因子权重，使其更符合实际)，最后经过两级综合评判得出最终评价结果值并根据最大隶属原则即选择其最大值所属的评语子集，从而得出其适用性程度。至此，将创建完成的完整的变权模糊层次综合评价模型，引入已经应用掘锚一体机组的3个不同条件的矿井特征值参数(简称为HB矿、HL矿、XZ矿)，进行评价模型的准确性验证。结果表明，本研究建立的变权模糊层次综合评价模型，在3个矿条件差异较大的情况下得出的评价结果能很好揭示出各个矿井的指标在不同评语集下的表现与隶属程度，与现场实践的效果吻合，综合评价模型中的权重赋值、矩阵构成、变权方法等计算模型的构建贴近现场实际，变权模糊层次综合评价模型量化表征了掘锚一体机组对某矿井煤层地质条件适用性程度，有助于矿井提前做出决策。

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煤炭学报

2023年第06期

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基于双屏视觉标靶的掘锚机机身位姿测量技术

作者(Author)：黄喆, 李佳雄, 杜文阳, 徐叶倩, 沈小玲, 赵世艺, 王浩森

摘要：针对掘锚机在煤矿巷道掘进过程中难以实现机身位姿的实时精确测量,进而导致难以实现定向掘进的问题,提出一种基于双屏视觉标靶的掘锚机导向方法。由2 块竖直安装的感光成像屏组成双屏视觉标靶靶面,巷道中的激光器发射指示激光并在前、后靶面上呈现光斑,利用视觉测量、高精度栅格标定等技术,建立光斑质心的图像坐标与三维空间坐标的映射关系,以形成坐标点云数据;再根据栅格索引、坐标变换、欧拉角解算等原理,结合标靶底部的双轴倾角仪来获得掘锚机机身的实时位姿,并解算出机身关键点相对于巷道设计轴线的横向/纵向偏差,为掘进过程中的偏差纠正提供数据支撑。通过构建数学模型对系统脱靶问题进行了分析,同时搭建实验平台验证了该导向方法的有效性。实验结果表明:该方法能够实现机身六自由度空间位姿的精确测量;在9 m 测试距离下偏航角重复性测量精度优于0.01º、偏航角绝对测量误差小于0.05º;在15~40 m测量范围内,用全站仪与矿用激光器设置计划线时机身关键点横向/纵向偏差测量误差分别小于5、15 mm。基于该方法研发的导向系统已成功应用于煤矿井下巷道掘进中,满足了巷道施工与掘锚机机身定位的精度要求。该导向方法的误差特性与测试距离无关,且该方法中涉及的所有光学测量功能均在标靶内部实现,可有效屏蔽井下复杂环境对测量功能的影响,大幅提升了现场应用时的抗粉尘干扰能力。

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煤炭学报

2023年第04期

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矿山煤岩破碎方法研究进展及展望

作者(Author)：刘送永, 李洪盛, 江红祥, 张强, 崔玉明, 刘晓辉

摘要：针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题,开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩,并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题,阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原理及前沿研究现状。首先,针对煤巷掘进中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题,进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述,指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术,以解决煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述,结合半煤岩巷掘进效率低、机械刀具磨损严重等问题,从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状,并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率,应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式,并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘进工艺,提高掘进装备系统可靠性、智能化及综掘工艺水平以实现半煤岩巷快速掘进;针对硬岩巷从理论、实验和数值模拟方面进行了滚刀 / 圆盘刀破岩机理、破岩性能、刀盘设计准则等方面的综述,进行了水射流辅助截齿 / 钻孔 / 滚刀 / 圆盘刀破岩及涨裂辅助破岩技术的总结,提出了液力或者机械涨裂辅助破岩是目前应对硬岩有效的方法,充分利用岩石抗压不抗拉特点实现硬岩的高效经济破碎,结合智能化算法实现钻孔与涨裂的协同作业,实现硬岩巷道的高效掘进。最后,分析了现有破岩技术的优势、劣势及其局限性,并指出了我国矿山硬岩截割技术的未来发展趋势,煤矿机械、非煤矿业机械、盾构机械破岩技术相互融合,机械与非机械多场耦合破岩技术及矿山装备智能化是实现矿山复杂地质条件下煤岩高效破碎的发展方向。

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煤炭学报

2023年第02期

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基于特征优选和随机森林的掘进机多工况截割岩石硬度识别

作者(Author)：常聚才, 戚鹏飞, 陈潇

摘要：为了实现岩巷掘进机不同工况截割岩壁岩石硬度的识别,通过掘进机多截割工况岩石硬度识别实验平台,获得不同工况截割不同硬度岩石的截割电机电流及扭矩信号,提出一种基于特征优选和随机森林(RF)的掘进机截割岩壁岩石硬度识别方法。该方法首先利用自适应噪声的完全集合经验模态分解(CEEMDAN)对实验获得的电流及扭矩信号进行分解,获得本征模态分量(IMF)并计算 IMF 的样本熵(SE),将 SE 最高的 IMF 进行变分模态(VMD)二次分解。计算二次分解 IMF的模糊熵后对电流及扭矩信号重构,再计算重构信号的时频特征,与二次分解 IMF 的模糊熵组成电流及扭矩信号的时-频-熵特征。为了避免特征过多影响模型识别,提出 Relief-F 结合 Pearson相关系数的特征选择方法,最后通过乌燕鸥算法( STOA) 优化随机森林( RF) 的最大特征数和决策树个数,完成了不同截割工况下岩石硬度识别模型的建立。结果表明:1 对电流及扭矩信号先CEEMDAN 分解再 VMD 分解可以降低原始信号的随机性和波动性,相较于 CEEMDAN 及 VMD 的一次分解,岩石硬度识别准确度分别提升 15.2%和 23.9%;2 不同截割工况下岩石硬度识别,电流信号的时域特征占岩石硬度识别准确度权重最大;3 提出的 Relief-F 结合 Pearson 相关系数的特征优选方法对 3 种工况下截割 4 种硬度岩石的电流及扭矩信号特征聚类明显;4 STOA 对 RF 关键系数的选取有优化效果,且算法迭代次数少,相较于传统的粒子群优化算法,以不同工况截割不同硬度岩石识别准确度提高 7.2%。

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煤炭学报

2023年第02期

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多机械臂多钻机协作的煤矿巷道钻锚机器人关键技术

作者(Author)：马宏伟 , 孙思雅, 王川伟 , 毛清华 , 薛旭升, 王鹏, 夏晶, 贾泽林, 郭逸风, 崔闻达

摘要：针对煤矿巷道掘进智能化进程中存在的“ 掘快支慢” 难题，总结分析了国内外快速掘进钻锚技术和装备以及类似多任务多机械臂控制技术的研究现状，指出研发具有多机械臂多钻机协作的煤矿巷道钻锚机器人是破解永久支护难题的重要发展方向。提出了多机械臂多钻机协作的钻锚机器人基本方案，凝练了影响钻锚机器人性能的“ 有限时空多机械臂与多钻机布局优化、面向装卸任务的机械臂姿态控制、复杂受限空间机械臂最优轨迹规划和多机械臂多钻机智能协同控制” 四大关键技术，并给出了解决思路和方法。针对在有限时空约束下钻锚机器人结构布局优化问题，构建了钻锚机器人配置优化模型，提出了时空最优的钻锚机器人多机械臂与多钻机结构布局方案，旨在提高钻锚效率的同时获得最优空间布局;针对机械臂与钻机协同位姿控制问题，提出了基于机器视觉和强化学习的机械臂抓取与布放控制方法，旨在提高机械臂末端位姿控制精度，实现精准装卸物料作业;针对复杂受限空间机械臂最优轨迹规划问题，建立了机械臂多目标轨迹优化模型，提出了基于随机采样与包围盒相结合的机械臂防碰撞轨迹优化方法，旨在保证机械臂在搬运过程中安全、可靠、高效运行;针对钻锚机器人多机械臂与多钻机并行协同控制问题，构建了以工序时长最短为目标的时间协同任务分配模型，通过求解得到最优任务指派矩阵和多机械臂相交任务轨迹的优先级，并提出了在所有机械臂无碰撞运动的同时收敛于期望轨迹的分布式协同控制策略，旨在实现钻锚机器人多机械臂多钻机系统的智能协同控制和并行作业。多机械臂多钻机的钻锚机器人及其关键技术研究，对于创新研发高性能、高效率、高可靠、高智能的煤矿巷道钻锚机器人，确保煤矿巷道安全、高效、绿色智能掘进具有十分重要的意义。

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煤炭学报

2023年第01期

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千米竖井硬岩全断面掘进机凿井关键技术与研究路径探析

作者(Author)：刘志强, 李术才, 王杜娟, 宋朝阳, 刘征宇, 田彦朝, 荆国业

摘要：机械破岩为代表的非爆破破岩技术是现阶段竖井凿井技术发展的重要方向，是解决现有钻孔爆破凿井井下作业人员多、工序复杂、职业伤害严重和环境污染等问题的可行技术途径。目前，已形成适用松软地层条件的竖井钻机钻井和适用井筒下部存在通道的反井钻机钻井，适用条件受到限制且未突破千米难关，竖井硬岩全断面掘进机凿井技术与装备依然处于研发起步阶段。竖井机械破岩凿井重大装备不仅是国家高端装备制造新兴产业发展的需求，也是千米竖井凿井技术变革的重要支撑。梳理了竖井掘进机发展历程与现状，分析了千米竖井多变地层稳定和高压涌水控制、坚硬岩石破碎、克服重力排渣、与支护相适应的井筒断面变化4个方面的难题，提出了地层预改性“干井掘进”、坚硬岩石“组合破岩”、克服重力“协同排渣”、掘-支协同“智能变径”等硬岩全断面掘进机凿井的核心功能需求。为满足复杂环境和工况下竖井掘进机高效可靠服役的需求，凝练了拟攻克的3个关键科学问题和8个关键技术问题，其中科学问题包括：1）基于千米地层原位状态探识的竖井掘进机凿井围岩分级理论，2）硬岩大断面多刀协同与射流辅助破岩机理，3）大直径破岩掘进面岩渣分布与运移规律及垂直输送机制；关键技术问题包括：1）千米地层原位探测、风险识别与改性技术，2）大断面硬岩镶齿滚刀-盘形滚刀联合与水射流辅助高效破岩技术，3）大直径刀盘机械与流体组合排渣技术，4）竖井掘进机姿态调控与整机集中控制技术，5）竖井掘进机系统耦合动力学分析及优化，6）时空关系协同的竖井掘进机掘进与地层改性平行作业，7）基于竖井掘进机凿井的井筒空间断面优化布置，8）竖井掘进机前置高韧性薄喷临时支护与掘-支协同永久支护技术。最后根据科学问题和技术问题，面向工程示范制定了5项攻关任务，包括：竖井掘进机凿井工艺及工程适应性，2）千米竖井地层原位精细化探测、岩性识别与地层预改性关键技术，3）千米竖井大体积破岩、垂直排渣与掘支协同关键技术，4）千米竖井硬岩全断面掘进机研制，5）千米级井筒竖井掘进机凿井工程示范，并明确了攻关任务之间的逻辑关系。基于以上内容，初步构建了千米竖井硬岩全断面掘进机凿井技术体系和研发路径，以期为我国千米竖井安全、高效、绿色、智能建设提供基础参考。

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煤炭学报

2022年第08期

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随机载荷冲击下采掘机械截齿竞争失效可靠性分析

作者(Author)：秦彦凯, 张晓红, 曾建潮, 梁好, 石冠男

摘要：采掘机械的高效运行是煤矿企业降低生产成本，提高生产效率，实现利润最大化的主要途径之一。截齿作为采掘机械的关键消耗部件，其可靠性直接决定了采掘机械的工作性能和使用寿命。在采掘过程中，将煤岩视为正常工作载荷，将矸石和断层视为随机冲击载荷。截齿受煤岩引起的自然磨损及矸石和断层引起的载荷冲击的影响，其失效是磨损退化导致的软失效和随机载荷冲击导致的硬失效相互竞争的结果。由于矸石和断层具有一定的体积和硬度，随机载荷冲击会持续一定的时间，并在不同硬度下对截齿的磨损产生不同的加速作用。同时，截齿抵御致命性冲击的能力会随着磨损程度的增加而减弱。通过考虑持续冲击、变速率加速退化和硬失效阈值变化对截齿磨损的影响，研究了随机载荷冲击下截齿竞争失效的可靠性建模。首先，通过同时考虑自然磨损退化、冲击瞬时退化以及冲击持续时间内的变速率加速退化，构建了随机载荷冲击下截齿的退化模型。其次，在此基础上构建了竞争失效模式下截齿的可靠性模型。最后，基于工程数据对截齿的可靠性模型进行了数值实验和有效性分析。结果表明考虑持续冲击、变速率加速退化和硬失效阈值变化的截齿竞争失效可靠性模型符合工程实际，为截齿的设计优化、维修决策和备件管理提供了理论基础。

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煤炭学报

2022年第08期

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基于三激光束标靶的煤矿井下长距离视觉定位方法

作者(Author)：杨文娟, 张旭辉, 张超, 万继成, 杜昱阳, 杨红强, 石硕

摘要：煤矿井下掘进装备长距离动态定位是巷道掘进智能化发展面临的首要难题，准确、可靠的位姿测量与估计对提高掘进效率具有重要意义。由于煤矿环境中存在振动噪声、磁干扰、静电干扰等因素，传统测量方法的稳定性和准确性难以保证。与其他定位方法相比，视觉测量方法以其无接触、无累积误差的优点备受关注。针对井下视觉定位面临的精度和稳定性难题，提出基于多激光束的煤矿井下长距离视觉定位方法，采用矿用激光指向仪构建了三激光束标靶解决低照度、高粉尘和复杂背景的干扰问题。以悬臂式掘进机为应用对象，构建了基于三激光束标靶的掘进机机身位姿单目视觉测量系统，提出基于颜色分量的峰值聚类约束的激光束标靶图像分割方法，利用Hessian矩阵求解激光束粗略中心线像素点的法线方向，结合泰勒展开实现三激光束中心线的亚像素级特征提取和定位；构建了三点三线（3P3L）掘进机机身位姿测量模型，并建立了测量模型的最小二乘法损失函数，结合最小化重投影误差实现非迭代全局最优解估计，获得了掘进机机身位姿的最优解，并对测量模型主要参数的误差分布进行了数值仿真研究。最后，搭建基于三激光束标靶的掘进机机身定位系统平台并进行实验评估，结果表明，该方法可满足煤矿井下恶劣环境下的精确定位需求。

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煤炭学报

2022年第02期

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