《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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煤矿巷道快速掘进的“长掘长探”技术

作者(Author)：程建远, 陆自清, 蒋必辞, 李鹏, 王盼

摘要：煤矿巷道掘进效率低是造成采掘失调的主要原因，而掘进巷道超前探测距离短、精度低，且与巷道掘进存在施工时间、作业空间和探测环境上的矛盾，是导致掘进效率偏低的地质因素，常规的“短掘短探”技术已经不能适应巷道快速掘进对长距离、高精度地质超前探测的技术需求。“长掘长探”的工作模式是以煤矿井下千米定向钻机施工的主孔与分支孔为基础，实现对掘进巷道前方煤层赋存形态、隐蔽致灾地质因素的长距离探查；在定向长钻孔中采用钻孔瞬变电磁、钻孔地质雷达和方位自然伽马等孔中物探新技术，对钻孔径向30 m范围的地质构造、富水异常区进行探测，满足了快速掘进巷道前方长距离、高精度、全方位构造探测和隐患排查的地质需求。工程实践表明：基于“定向长钻孔+孔中物探”的“长掘长探”技术，实现了沿掘进巷道方向的“长距离”探测、巷道周围近距离高精度探测，为巷道安全、快速掘进提供了地质依据；同时，“长掘长探”技术能够满足井下探放水防治水细则的要求，解决了超前探测与快速掘进在施工时间、作业空间和探测环境上的冲突，有助于提高巷道快速掘进的有效时间，具有较好的技术适应性和推广价值，将为今后煤矿巷道快速掘进的高精度长距离超前探测提供可靠的地质保障。

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煤炭学报

2022年第01期

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煤矿远程智能掘进面临的挑战与研究进展

作者(Author)：张旭辉, 杨文娟, 薛旭升, 张超, 万继成, 毛清华, 雷孟宇, 杜昱阳, 马宏伟, 赵友军, 李晓鹏, 胡成军, 田胜利

摘要：煤矿巷道掘进智能化相关理论与技术研究是当前解决“采掘失衡”难题的基石。远程智能掘进是实现少人甚至无人化掘进作业的根本目标和远景，面临单一掘进装备定位与控制、设备群协同、人-机-环感知与呈现，以及远程智能决策等瓶颈问题。聚焦巷道近程或地面远程智能掘进场景控制需求，提出了数字孪生驱动掘进装备远程智能控制技术构架，通过构建掘进工作面数字孪生体，将井下人员、设备、环境相关信息呈现到数字空间，虚实融合，共智互驱，达到数字掘进与物理掘进智能协同的目标，破解掘进施工中人-机-环共生安全难题；针对掘-支-运并行作业要求，提出以掘进为智能化核心，自动钻锚和高效转运辅助的远程控制构架，介绍了远程虚拟呈现、精确位姿感知、孪生数据共享、虚实同步驱动、工艺记忆截割、设备群碰撞预警等方面的研究进展，以“DT+VR”远程决策、“视觉+”位姿测量、“人工示教”记忆截割，以及“虚拟设备”碰撞预警等四大核心技术，解决智能决策、精确定位（定向导航和成形质量的基础）、轨迹规划和设备群碰撞预警难题，总结了平面防爆玻璃以及光学球罩折射建模与矫正、振动工况下成像模糊机理、掘进机机身位姿精准测量、定向导航与纠偏、轨迹示教记忆截割，设备群协同与数字孪生驱动等基础理论和技术，以视觉感知的成像折射校正和去模糊入手，系统介绍视觉技术在定位、定向、定形截割方面的进展，并分析了数字孪生驱动技术是实现智能远程掘进工作常态化生产的有效途径。上述核心技术在实验室测试及陕煤小保当、榆林大海则等煤矿井下掘进工作面进行了初步验证，为解决煤矿远程智能掘进提供了新的实现路径。

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煤炭学报

2022年第01期

2442

5236
基于塔式池化架构的采掘工作面煤岩图像识别方法

作者(Author)：高峰, 殷欣, 刘泉声, 黄兴, 伯音, 张全太, 王心语

摘要：煤岩识别技术是实现开采、掘进智能化和无人化的关键技术之一。为提高煤岩图像识别技术的精度和效率，提出了一种基于塔式池化架构和卷积神经网络技术的煤岩图像分割识别网络模型（Coal-Rock Pyramid Network，CRPN）：① CRPN模型在图像编码部分采用了深度可分离卷积，使用了混合空洞卷积技术和嵌入全局注意力机制的残差卷积模块，在提高计算效率的同时扩大模型的感受野，并降低了全局无关特性对后续特征图的不利影响。CRPN模型在图像解码部分采用了基于空间塔式池化架构的计算框架，弱化了特征图内部不同区域之间关联信息的损失，显著增强了对全局信息的有效表征。② 为保证模型训练的有效性，使用高感光度井下防爆相机对煤矿井下薄煤层采煤工作面原位煤岩图像进行了信息采集，包括完整状态、含有裂隙和阴影、暗光条件、暗光且有支护遮挡等4类典型条件下的煤岩分布图像。通过噪声添加、改变图像的特征和形态等数据预处理方法，建立了含有6 400个有效样本的煤岩高清图像数据库。③ 提出了基于交叉熵损失函数和修正自适应矩估计的训练优化算法，兼顾了模型的训练效率和精度。④ 选择像素准确度和交并比指标对CRPN模型的识别效果进行评估，结果表明CRPN模型的2项指标平均值分别为96.05%和91.54%，优于U-net模型和Segnet模型等现有其他煤岩图像识别方法。CRPN模型单张图像计算时间平均值为0.037 s，高于井下防爆摄像设备25 fps的成像能力，具备现场应用部署条件。将CRPN模型部署在工作面现场获取的动态视频中进行测试，测试结果表明该模型在稳定和抖动条件下均取得了良好的煤岩识别效果，验证了该技术在复杂环境中的可行性、鲁棒性。

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煤炭学报

2021年第12期

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基于红外热像的夹矸巷道断面记忆截割试验研究

作者(Author)：张德义, 刘送永, 贾新庆, 崔玉明, 姚健

摘要：夹矸煤巷掘进过程中，截割夹矸会引起载荷突变，导致截齿严重磨损与机体剧烈振动，进而增加悬臂式掘进机的故障率，降低其使用寿命。为保证夹矸巷道断面截割平稳性，提高掘进设备服役可靠性，提出“红外热像+记忆截割”的掘进机避矸截割策略。考虑截齿磨损特征，分别对未磨损及存在磨损截齿截割热封闭系统进行解析，建立截割产热与煤岩强度数学关系模型，证明采用非连续截割温升判断煤岩强度合理性;对不同配比岩样进行摆进截割试验并获取截割红外热像及温度信号，分析稳定阶段截割温度随煤岩强度的变化规律，验证基于截割温升区分巷道断面的夹矸的可行性;以掘进机截割试验台为基础，以上一轮截割获取的红外热像及截割温度信号为依据，以避开大块矸石为目标，研究基于红外热像的夹矸断面记忆截割过程。研究结果表明:与未磨损截齿相比，存在磨损截齿截割产热包含煤岩受截齿挤压剪切产热、煤岩与截齿前刀面的摩擦产热、煤岩与截齿后刀面的摩擦产热，截割温升总量与煤岩强度成呈正相关关系;随着岩样强度的增大，平均截割温度，最高截割温度及平均截割温度变化幅值均呈现增大趋势，证明了采用红外热像识别巷道断面夹矸可行性;截割头截割夹矸位置时，红外热像特征及截割温度变化非常显著，基于红外热像的记忆截割策略使截割夹矸产生最高截割热量降低60%左右，最大机体振动加速度降低90%左右，有效地提高夹矸巷道断面截割平稳性。

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煤炭学报

2021年第10期

540

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掘进工作面围岩稳定性分析及快速成巷技术途径

作者(Author)：康红普, 姜鹏飞, 高富强, 王子越, 刘畅, 杨建威

摘要：分析了煤矿巷道掘进技术与装备现状及存在的问题，采用数值模拟方法研究了掘进工作面围岩应力、变形、破坏分布特征;分析了围岩稳定性的主要影响因素，包括围岩强度、围岩结构及地应力等地质力学参数，巷道断面尺寸、开挖方式、空顶距、掘进速度等掘进参数，及临时支护、永久支护等。巷道开挖后在掘进工作面顶角和巷道四角周围出现应力集中区;围岩位移、破坏在超前工作面一定位置开始出现，随着远离掘进工作面围岩位移和破坏范围不断增大，达到2倍巷道宽度时基本稳定;煤层强度、地应力对围岩变形与破坏的影响十分显著;分步开挖的顶板下沉量及破坏程度明显大于一次开挖;空顶距越大，围岩破坏裂隙越多、分布越广;过快、过慢的掘进速度对围岩稳定性均不利;掘进后安装及时、主动、支护阻力大的临时支护效果好;分次支护围岩位移和裂隙场的扩展均大于一次支护，通过分次支护提高掘进速度是以影响锚杆支护效果为代价的，应限定在一定的围岩条件。根据煤巷掘进工作面空顶距及自稳时间，对煤巷掘进工作面围岩稳定性进行了分类，并提出了相应的支护要求;提出煤巷可掘性的概念，根据被掘煤岩体条件，对煤巷可掘性进行了分类;分析了围岩的可钻性、可锚性及对掘进速度的影响。提出提高煤巷掘进速度的主要技术途径:确定适合的掘进模式，优化掘进工艺，优选掘进装备;确定合理的支护形式与参数，适当降低支护密度;掘进全系统整体配套与协同。根据掘进工作面围岩稳定性、可掘性、可钻性及可锚性，提出煤巷掘进自动化、智能化技术总体架构及应解决的关键技术:自动化、智能化截割、临时支护、自动化锚杆施工、超前探测、定位与导航、围岩稳定性与环境监测及大数据分析等，最后提出我国煤巷掘进自动化、智能化的发展路径。

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煤炭学报

2021年第07期

2732

3754
悬臂式掘进机行走轨迹及偏差感知方法

作者(Author)：吴淼, 沈阳, 吉晓冬, 王鹏江, 姜海, 郑伟雄, 李悦

摘要：悬臂式掘进机机身位姿参数的实时精准感知是煤矿巷道定向掘进，乃至综掘工作面智能化、无人化建设的关键环节，在综掘工作面复杂工况下目前还不能真正实现掘进机机身位姿实时、自主、精准感知。提出了一种悬臂式掘进机行走轨迹及偏差感知方法，旨在实时确定掘进机机身的方位偏差，为掘进机定向掘进提供纠偏基准参数。在以往研究的基础上，搭建了基于激光偏距感知、捷联惯导、二维里程计的掘进机行走轨迹及偏差感知系统，分析了掘进机机身方位偏差与巷道定向掘进的关系，制定了基于此系统的掘进机自主定向掘进策略;基于捷联式惯性导航系统在综掘工作面的适用改进推导了其初始粗对准和姿态更新算法，确立了掘进机航向角与偏角的联系;研制的二维里程计可同时测量掘进机横向和纵向里程增量，推导了基于二维里程和偏角的航位推算算法，得到了掘进机实时位置坐标。研发了掘进机位姿参数可视化交互式远程显示系统，搭建了包括掘进机井下、井上可视化远程控制平台、全站仪在内的掘进机行走轨迹及偏差感知精度验证实验系统。工业性实验结果表明所提方法实现了掘进机机身偏角、偏距(横坐标)、纵坐标的精准感知，验证了所提方法的可行性及优越性，满足巷道掘进对于掘进机机身定位定向要求。

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煤炭学报

2021年第07期

1447

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煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法

作者(Author)：马宏伟, 王鹏, 王世斌, 毛清华, 石增武, 夏晶, 杨征, 薛旭升, 王川伟

摘要：煤矿巷道掘进长期存在的“采快掘慢”“掘快支慢”顽症，尤其是掘进工作面装备成套化、自动化、智能化程度偏低、顺序作业工艺技术落后等问题，严重影响生产接续和安全高效开采。对此，研发了护盾推移式煤矿巷道掘进机器人系统成套装备，提出了一种煤矿巷道掘进机器人系统智能并行协同控制方法。首先，结合掘进机器人系统与巷道的耦合关系，分析了掘进机器人系统中各个子系统之间的相关性以及多任务之间的相互影响机理，得出了决定掘进效率的关键因素在于截割机器人和钻锚机器人的并行协同控制;其次，针对钻锚机器人各钻机之间的时空关系，构建了多钻机多任务协同钻锚作业数学模型，获得了钻机布置排距、排数及其各排钻锚任务数，同时使用优化组合的方法进行求解，并对计算结果通过安全距离最大原则进行优化，获得了钻锚机器人各排钻机最佳时空匹配策略;最后，通过钻锚机器人系统并行协同控制仿真和实验，证明了该方法的有效性;通过对掘进机器人工作时截割机器人与钻锚机器人的时序分析，得出优化后的钻锚机器人工作时间能够与截割机器人工作时间有效匹配，2者能够并行协同的完成截割和钻锚任务。该方法已经应用在团队研发的煤矿智能掘进机器人系统上，实现了多机器人系统的智能并行协同控制。具有智能并行协同控制的掘进机器人系统已经在大断面(6.50 m×4.25 m)、夹矸与片帮共存的巷道运行近10个月，经受了夹矸厚度达2.1 m、硬度f=5~7的严酷考验，日进尺突破50 m。

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煤炭学报

2021年第07期

1470

1071
煤矿智能快掘关键技术与工程实践

作者(Author)：王虹, 王步康, 张小峰, 李发泉

摘要：掘进智能化为智慧矿山建设提供不可或缺的科技支撑，智能快掘技术是煤炭安全高效生产的客观需求，是解决采掘失衡问题的根本途径。我国煤矿井下巷道掘进作业呈现作业环境恶劣、地质条件复杂、施工工序多、安全性差等问题，智能掘进主要面临掘进单机装备完备性、可靠性和能力不足、围岩时效控制技术薄弱、掘进工序高效协同和掘进装备群的智能化协作技术欠缺三大难题。针对智能掘进保障性技术不足的问题，提出了掘进设备可靠性、巷道围岩状态在线感知、巷道围岩时效控制、低比能耗高效截割、掘进粉尘综合防治5类智能掘进保障技术;基于掘支运一体化技术，提出了以“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，分析和讨论了掘锚(探)一体化、自动截割、智能支护、掘进导航、远程集控5种智能掘进关键技术;为扩大智能掘进核心技术支撑的覆盖面，针对不同掘进设备配套和不同煤层赋存条件，提出了掘支运一体化、全断面掘进机、双锚掘进机及5G+连续采煤机4种智能掘进模式，并在国能、中煤、山能、陕煤等集团得到推广应用;最后，提出巷道掘进智能化的发展方向和建议，建议研究井下空间定位导航新技术、支护效果动态监测与支护工艺精确调整、掘锚一体机器人、掘进工作面高精度智能感知与数字孪生、掘进系统平台化。

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煤炭学报

2021年第07期

2216

2003