《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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巷道掘进截割钻进先进技术研究现状及展望

作者(Author)：毛君, 董钰峰, 卢进南, 李玉岐, 张鸿宇, 谢苗, 吴霞, 刘治翔, 王贺, 田博

摘要：为响应智能化煤矿发展需要，同时为改善综掘工作面智能化无人化发展较综采工作面滞后现状，提出了掘进装备自主定型定向截割、掘进装备自主巡航、掘进机健康管理技术及多机多工序智能协同控制技术四大截割钻进装备先进技术并给出研究方向。针对掘进装备自主定形定向截割技术，通过研究不同掘进装备的截割轨迹规划、机身振动特征对截割头轨迹误差的影响规律及不同掘进速度下掘进巷道顶板稳定性分析方法进行掘进装备截割路径及截割速度规划研究;通过研究位姿监测技术、恒功率截割技术、记忆截割技术实现掘进装备自主定形定向截割控制;通过数字采集系统构建掘进巷道数字孪生虚拟模型，采用掘进机虚拟操纵平台实现掘进机远程自动截割控制。通过掘进巷道环境感知技术，构建掘进巷道的三维模型并标明巷道的安全情况;利用激光扫描及多种算法，形成巷道三维点云模型;对激光、通信、视觉及惯性等传感器等进行技术互补性融合，利用多种融合算法，实现高精度巷道感知;采用随钻测量系统进行瓦斯监测和超前探水作业;将视觉感知技术、激光测距技术、全站仪、超宽带定位技术等融入井下巷道的设备定位系统中，实时监测巷道内的掘进机位姿。通过结合掘进机健康管理技术发展现状，梳理出掘进机健康管理技术在故障预警技术、故障诊断技术、寿命评估技术3个方面存在的不足，并针对所面临的挑战提出了跨时空域度的监测信息多源数据融合技术、掘进机与断面岩层耦合作用机理、突发事件风险识别模型、自学习健康管理系统4项拟解决的科学问题。通过多传感器信息融合技术，研究掘进系统截割单元及临时支护单元的控制方法，分析多源信息分析处理及优化策略，以自动截割系统和超前临时支架移架系统为例，阐明了多传感器信息融合的运行机制，提出多工序协同控制技术难点及实现这一目标需要解决的2个关键点。

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2021年第07期

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平行掘进:基于ACP理论的掘-支-锚智能控制理论与关键技术

作者(Author)：杨健健, 葛世荣, 王飞跃, 罗文杰, 张雨晨, 胡兴涛, 朱涛, 吴淼

摘要：虽然智能掘进技术已取得了一些进步，提出了护盾式、掘锚式等掘-支-锚多装备的样机设计，但从设备适用性及装备配套性角度，仍存在个体装备设计不严谨、样机改型成本高、装备控制不精准、巷道场景多样不适应、群体设备难一致协同等诸多问题。造成上述问题的首要原因是缺少煤矿特殊生产环境下群体设备联动协同控制的基础理论研究，主要表现为对智能掘进所需的设备模型、场景实验、数据驱动等基础理论缺少研究。针对掘进复杂系统难以建模与实验不足等问题，提出了平行掘进系统的研究思想，试图用一种适合复杂系统的计算理论与方法解决智能化掘进现存问题，主要利用大型计算模型、预测并诱发引导复杂系统现象，通过整合人工社会、计算实验和平行系统等方法，形成新的计算研究体系。以智能掘进复杂系统为研究对象，重点考虑掘-支-锚系统的整体控制理论与方法，结合智能化掘进相关研究基础和方法，融入当前国内外复杂系统研究的最新科研进展，基于平行控制基础理论及ACP(Artificial,Computing,Parallel)方法框架，运用代理控制理念及自适应动态规划多智能体研究方法，开展智能掘进复杂系统的掘-支-锚平行控制基础理论与方法研究。针对巷道复杂环境下的群体设备离散控制现状，运用整体系统论的方法，完成掘进系统的掘进、支护、钻锚群体设备代理模型的构建，根据多场景下复杂系统的计算实验克服掘进巷道环境复杂、恶劣的工程验证难题，最终实现智能掘进平行控制方法的理论创新与方法验证。

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不同地质条件下掘锚机的行驶通过性能分析

作者(Author)：陈洪月, 元世浩, 张德生, 牛虎明, 钟东虎

摘要：掘锚机行驶通过性能是影响其地质适应性的重要因素，为研究掘锚机在不同地质条件下的通过性能，以Sandvik MB670型掘锚机为研究对象，国内某煤矿5-2煤层为研究背景，采用履带动力学理论与多体系统动力学仿真方法构建了巷道内不同地形条件下的掘锚机行驶动力学模型，仿真研究了掘锚机的运动特性和稳定性。结果表明:纵向地形是影响机身振动的主要因素，坡度越大掘锚机滑转现象越严重，当5-2煤层底板纵向坡度为17%时，掘锚机的平均滑转率达到0.214;底板倾斜是造成掘锚机偏航角和偏移量迅速增大的主要原因，掘锚机在凹形底板上的偏航角和偏移量很小，在凸型底板上的偏航角近似不变而偏移量随位移线性增加。通过DEM-MBD耦合仿真方法研究了掘锚机在全煤层、含水煤层、含30 mm矸石煤层和含60 mm矸石煤层4种底板的上的动力学特性。结果表明:煤层表面保留30 mm矸石层时掘锚机爬坡角度可达到19.5°左右，而当矸石层厚度为60 mm时爬坡角度降低为17°，当煤层含水时掘锚机最大爬坡角度略低于全煤层时的19°;虽然不同地质条件下掘锚机的平均接地比压相近，与理论值误差在5%左右，但在含60 mm矸石煤层上掘锚机接地比压分布最不均匀，不同位置履带接地比压相差达8 N/cm2，高于其他3种底板，增加矸石层厚度还会带来底板沉陷和堆积问题。而少量矸石层在提高行驶性能的同时也导致掘锚机偏移量和启动阶段加速度增加，因此针对不同工况要控制底板表面矸石含量。

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煤矿巷道智能化掘进感知关键技术

作者(Author)：胡兴涛, 朱涛, 苏继敏, 刘凯文, 代双成, 邢旭东, 郑光辉, 刘炳权, 王波, 张国玉

摘要：针对目前煤矿巷道掘进工作面智能化应用水平较低导致掘进效率低下、采掘接替紧张的问题，分析了制约巷道掘进工作面实现智能化的关键技术-快速掘进煤炭地质保障技术、智能超前自主感知技术、智能掘进大数据云计算及控制软件技术。论述了煤矿快速掘进理论及技术基础，以煤矿高分辨率三维地震勘探技术、矿井地质透明化技术为支撑，巷道围岩应力及其控制理论为基础，快速掘进设备为保障，形成实现煤矿智能高效掘进的探测、掘进、支护协同作业的基础支撑理论。重点阐述了煤矿巷道掘进工作面的智能超前自主感知技术，包括高分辨地质雷达探测技术、基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿感知技术、基于同步定位与建图(SLAM)原理的掘进工作面环境感知技术、掘进设备运行状态感知技术。形成实现智能化掘进工作面的“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。在分析煤矿综掘工作面实现智能化快掘自主感知和调控技术的基础上，提出按照“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”的原则进行设计和构建煤矿智能快速掘进技术体系。开发基于F5G通讯的多源数据和多源图像传输、存储技术，确保了数据传输的高效、可靠和稳定。依托大数据分析和云计算平台，开发具有CPU、存储和网络资源聚合计算基础架构VMware vSphere的软件-智能化掘进-SmartX，系统架构划分为数据源层、智能化超前感知数据采集层、多源数据和图像的传输存储层、大数据云平台数据分析层、决策应用层，包括超前地质探测精准感知、掘进设备位姿感知和掘进工作面环境感知等8个主要功能模块。形成智能化掘进工作面Hadoop&Spark一体化大数据云计算分析处理平台，智能化掘进-SmartX系统。分析煤矿巷道智能化掘进面临的挑战和未来发展，提出继续研制高质量感知设备与多源数据、图像深度融合技术，提高智能掘进设备上使用的感知设备种类、精度和智能性等，提升多源数据、图像在深度融合方面的精度和准确度。加大研发基于F5G通讯技术的掘进工艺智能化技术，智能化掘进设备在工作过程中，确保各项参数判定和指令动作在提前设定的状态下快速可靠准确完成。提出进一步提升巷道智能化掘进辅助生产环节的智能化水平，以减少现场作业人员数量，减轻作业人员劳动强度，实现掘进工作面智能化水平整体提升。

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自振脉冲射流预制裂隙对机械刀具破岩过程温度影响特性

作者(Author)：李洪盛, 刘送永, 郭楚文

摘要：针对硬岩巷道掘进过程中机械刀具磨损加剧问题，利用高压水射流破岩系统以及机械刀具截割破岩试验系统，建立评价自激振荡脉冲射流预制裂隙情况下机械刀具破岩性能参数指标，研究了不同自激振荡喷嘴结构参数(振荡腔腔长、截面锥角)以及工作参数(系统压力、横移速度)对机械刀具降载减磨特性的影响规律，分析了自激振荡脉冲射流预制裂缝对机械刀具破岩过程中截割载荷与刀具温度的影响特性，试验结果表明，截割载荷与刀具温度均随射流系统压力的增加而降低，随振荡腔腔长与截面锥角的增加呈先升后降的变化趋势，随横移速度的增大而逐渐增大。相对于无预制裂隙情况下的截割载荷，当系统压力处于30，40，50以及60 MPa时，机械刀具截割载荷减小率分别为15.12%，20.84%，27.01%以及29.24%。当截面锥角分别为90°，120°，140°，160°及180°时，截割载荷受力变化率分别降低了22.87%，27.27%，31.13%，33.82%及29.78%。对于横移速度分别为4，6，8，9及10 m/min的截割载荷变化率分别降低了43.6%，35.3%，32.9%，31.1%及30.7%。当射流系统压力、振荡腔腔长、截面锥角及横移速度分别取50 MPa，65~75 mm，140°~160°，6~8 m/min时，自激振荡脉冲射流预制裂隙情况下的机械刀具破岩性能较好。

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高原矿井掘进工作面截割粉尘污染效应及通风控尘参数分析

作者(Author)：蒋仲安, 杨斌, 张国梁, 曾发镔, 王亚朋

摘要：为降低高原矿井掘进工作面开挖过程的粉尘污染，改善工作面整体施工环境，根据海拔上升环境参数的变化，运用数值模拟软件对黏性流体及粒子运动特性的变化规律进行分析;研究掘进机动态截割煤岩时粉尘的污染效应，分析不同海拔高度下颗粒物的扩散及沉降特性，并根据颗粒物的扩散特性对高原矿井掘进工作面通风“控尘”及“排尘”参数进行确定。结果表明:截割落岩形成的粉尘受截割头运动和掘进工作面涡流的影响，粒子主要沿截割臂向回风侧方向运动，截割左侧岩体时涌向司机工作区的粉尘明显多于右侧，且以粒径在40 μm以下的颗粒为主。受海拔上升环境参数改变的影响，流体性质会发生变化，导致颗粒受力情况和运动轨迹改变，扩散距离变小，沉降加快，其中对PM5以上的微粒影响较为明显;虽然海拔上升流体携带粉尘的能力减弱，导致掘进工作面沿程粉尘质量浓度下降，但粉尘沉积量会增多，存在二次飞扬的风险。在掘进工作面安装压入式“附壁控尘风筒”后，会在掘进工作面形成顺时针旋转涡流风幕，可将产生的粉尘有效的控制在掘进工作面前段，而另一侧的“除尘风机”会将掘进工作面聚集的粉尘及时排出。当附壁风筒径轴风量比m≥0.7、压抽比n＜1时，在“射流、汇流以及旋转风幕”的作用下，能使距掘进工作面20 m之后的区域粉尘质量浓度降低70%以上，有效的降低了高原矿井掘进过程中粉尘对人员和机械设备的损害。

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巷道快速智能掘进超前探测技术与发展

作者(Author)：张平松, 李圣林, 邱实, 郭立全, 胡雄武

摘要：新时代矿井智能化发展成为趋势，智能掘进条件下超前探测技术需要为掘进工作面安全生产提供保障。快速掘进、复杂地质条件下要求探测精度与预报实时程度高，随掘多源多场信息采集、大数据智能分析与透明化表达是超前探测系统构建的新发展模式。结合近年来隧道、井巷等领域超前探测技术发展现状，讨论其方法、技术、应用等方面的问题及动态;在分析巷道快速智能掘进超前探测技术发展面临的复杂地质问题与基础技术选择局限等关键问题的基础上，提出能够满足巷道快速智能掘进超前探测需求的技术主要为随掘探测技术以及超长钻孔孔中探测技术等。在关键技术创新方面，给出了适用于巷道快速掘进的2种超前探测技术体系，分别是应用于煤巷的掘进机震源随掘地震技术与超长钻孔孔中瞬变电磁联合的技术体系，以及应用于岩巷的TBM震源随掘地震技术与BEAM随掘电法联合的技术体系;并针对每种基础超前探测技术给出了发展思考，其中，随掘地震技术在原始信号脉冲化即重构处理研究的基础上，还需发展全空间三维立体探测、多波多分量方法、全波形反演、极化、散射等高精度探测与精细成像技术;超长钻孔孔中瞬变电磁技术首先需要突破有/无异常情况下孔中瞬变电磁信号数据特征的基础研究，在此基础上重点开展波场转换、全程全空间视电阻率反演等数据处理解释技术以及适用装备的研究;BEAM随掘电法技术的探测距离过短是未来首先需要解决的问题，其高精度数据解释与反演技术、含水异常体实时动态监测与定量化预测也是研究的重点与趋势。再者，为有效解决物探方法多解性问题，提出重点发展地震体波-槽波联合反演、地震-电法联合反演、地震-瞬变电磁联合反演等融合解释技术。在关键技术应用方面，提出构建地质保障技术体系海量基础数据库，融合5G通讯、大数据、云平台等智能技术，建设综掘工作面探测信息大数据分析平台，进行多源数据融合交互，实现对前方地质体的精准预报;充分利用含水异常体实时动态监测系统、随掘探测系统等提供的在线数据，创新数据智能解释方法，开发探测结果实时处理、动态成像等技术，提高探测时效性;通过异常判识精度与速度双重突破，促进掘进快速智能发展;在此基础上，构建高精度三维巷道地质地球物理模型，提高巷道超前地质透明化程度，动态展示随掘巷道三维空间地质条件，为实现快速智能掘进提供精准地质支撑。

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深部高温矿井大断面岩巷TBM智能掘进技术、以“新矿1号”TBM为例

作者(Author)：张洪伟, 胡兆锋, 程敬义, 朱传奇, 赵毅鑫, 郑兴博, 吕长刚, 高翔, 周俊

摘要：我国中东部众多矿区相继进入深部开采，面临着采掘接续紧张的突出问题。大断面岩巷TBM掘进以其智能化程度高、作业安全、掘进效率高等特点已逐渐应用于浅部矿井，在深部矿井中却应用极少，匮乏建设经验。因此，为研究深部矿井岩巷TBM智能高效掘进技术，提升深部矿井机械化、智能化建设的水平，山东新巨龙煤矿研发了大断面岩巷TBM智能掘进系统(“新矿1号”)，系统集成了掘进、出渣、支护、除尘、通风、降温、导向、防爆、防冲等技术于一体，实现了深井直径6.33 m硬岩巷道智能掘进、掘进时锚杆自动化施工、掘支平行作业等技术。基于此，综述了深部高温矿井TBM全断面硬岩掘进机应用的关键技术，主要包括:① 适用于深部高温矿井的岩巷TBM掘进装备建造模式;② TBM大尺寸部件的大埋深、长距离运输与安装技术;③ TBM智能掘进技术;④ 深井超大断面安装硐室和掘进巷道围岩稳定性控制技术;⑤ 深部高温高地应力矿井TBM智能掘进综合保障技术，包括：TBM通过高应力软岩破碎带等不良地层的地质预报、降温、除湿、降尘等技术。旨在通过论述该设备的研发和应用过程，提出深部矿井硬岩TBM掘进的难点和解决方法，为类似矿井采用TBM法掘进岩巷提供一定的经验和技术借鉴，以便于国内同行对该技术进行全面认识与深入研究。

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