“煤矿快速掘进技术与装备”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“煤矿快速掘进技术与装备”专题

来源：《煤炭科学技术》2020年第11期

专题共7篇论文，来源于《煤炭科学技术》2020年第11期。

(1)系统介绍掘进技术与装备发展历程。中煤科工集团太原研究院王步康研究员通过分析介绍掘进技术的研究现状，回顾了掘进装备的发展历程和研究进展，归纳了巷道掘进领域的代表性成果;通过研究现阶段国家政策、行业发展、市场需求、新技术应用等方面的现状，分析了掘进技术与装备的未来发展趋势。

(2)即时定位与地图构建(SLAM)技术在掘进机上的运用。中国矿业大学(北京)杨健健博士团队针对煤矿井下掘进机在巷道内部难定位、难定向的问题展开研究，提出了基于激光SLAM技术的煤矿掘进机井下巷道环境建模与障碍检测的方法。将激光SLAM技术应用到煤矿掘进机上，将狭长密闭的巷道环境建模问题转换为数理上的概率统计与数学模型预测问题，实现对巷道边缘形状的准确判断及巷道内部障碍物做出有效检测。

(3)激光靶向扫描系统用于掘进机位姿调整。中国矿业大学(北京)薛光辉副教授团队为了实现掘进机机身绝对位姿的测量，提出了基于激光靶向扫描的掘进机位姿测量方法，并建立了基于激光靶向扫描的掘进机位姿测量系统数学模型，该方法可以通过一次扫描实现掘进机6个位姿参数的测量。

(4)建立了基于煤巷快速成巷主要影响因素的评价方法。中煤科工开采研究院刘旸等科研人员针对我国煤巷成巷速度普遍偏低的现状，综述了当前煤巷快速成巷技术与装备的发展现状，总结了影响我国煤巷快速成巷的主要因素，建立了基于煤巷快速成巷主要影响因素的评价方法及装备适应性评价方法，为煤巷快速成巷选型及效果评价提供参考。

(5)基于有限元分析软件研究不同参数作用对钻孔卸压岩体掘进效率的影响。钻孔卸压后岩体产生应力转移、强度劣化并在其内部呈非线性分布，随着钻孔参数的变化，岩体内部的应力分布也呈现多样化，这是阻碍钻孔卸压协同破岩发展的重要因素。基于上述原因，山东科技大学张强教授团队以高地应力钻孔卸压岩石为研究对象，使用有限元分析软件分析单齿与多齿在不同掘进参数下的载荷力学特性，对比了截齿三向受力确定最佳参数组合。

(6)利用VR技术呈现掘进机运行状态和环境变化。西安科技大学张旭辉教授团队提出一种悬臂式掘进机虚拟远程操控系统，将虚拟现实技术运用到悬臂式掘进机远程控制中，真实再现井下巷道施工过程中掘进机运行状态和环境变化，操作人员依据可视化的虚拟场景进行异常情况人工干预，实现巷道施工远程虚拟操控。

(7)根据多年工程经验给出的煤矿综掘工作面粉尘治理建议。山西天地煤机装备荔军副研究员系统介绍了煤矿综掘工作面控尘技术的发展历程，对2019年发货到矿并下井使用的17套HB-KO600型干式除尘风机的初次使用情况、持续使用情况进行了调研。最后作者根据自己在综掘工作面粉尘治理方面积累的多年工程经验，以及综掘工作面粉尘治理面临的问题，提出了4点建议。

行业视野: 智能化
类别; 32个
关键词; 26位
专家; 7篇
论文; 4503IP
点击量; 6657次
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煤矿巷道掘进技术与装备的现状及趋势分析

作者(Author)：王步康

摘要：“采掘失衡”是影响煤炭开采效率的主要原因，通过回顾煤岩截割理论与截割机构的发展历程，归纳了镐型截齿截割机理与截割滚筒研究现状与进展。介绍了地质条件、掘进装备、掘进工艺之间的相互关系，阐述了适应不同地质条件的掘进装备与掘进工艺发展现状，通过对当前悬臂式掘进机、掘锚一体机等煤矿巷道主力掘进装备及其配套工艺的研究，分析了掘进技术装备与工艺在提高巷道掘进效率中产生的作用效果。通过对比国内外掘进装备技术标准，指出标准的缺失落后已成为制约我国煤炭掘进技术与装备发展的重要因素，可通过国际对标，解决掘进技术装备可靠性问题。在总结掘进技术与装备现状的基础上，结合现阶段国家政策、行业发展、市场需求、新技术应用等方面的现状，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，预测了掘进技术与装备未来发展方向与趋势。

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煤炭科学技术

2020年第11期

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煤矿掘进机井下巷道环境建模与障碍检测方法研究

作者(Author)：杨健健, 王超, 张强, 常博深, 王帆, 王晓林, 吴淼

摘要：针对煤矿井下狭长密闭巷道内掘进机难定位、难定向的问题，进行了基于激光雷达的煤矿掘进机井下巷道环境建模与障碍检测方法研究，用于判断巷道边缘形状，预测掘进机行进方向。建立了煤矿井下掘进机运动学模型与激光雷达观测模型，解算掘进机在煤矿井巷内部的掘进距离、位置等相关掘进参数，将狭长密闭的巷道环境建模问题转换为数理上的概率统计与数学模型预测问题。同时，对激光SLAM环境建模算法进行分析，将可行性巷道环境建模算法进行优化改进，进一步提高井下巷道环境建模线条特征提取的精确度。试验结果表明：基于激光雷达的煤矿掘进机井下巷道环境建模与障碍检测方法，可以有效解决掘进机在井下掘进过程无地图指导的问题，当距离阈值参数为0.05，角度阈值参数为0.06时，HectorSLAM算法可以精确提取片帮巷道边缘形状，对巷道中的障碍做出识别，为预测掘进机行进方向和判断巷道形状提供保障。

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煤炭科学技术

2020年第11期

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基于激光靶向扫描的掘进机位姿测量方法

作者(Author)：薛光辉, 张云飞, 候称心, 吴淼

摘要：智慧矿山是我国煤炭工业转型升级的发展方向，煤炭开采的智能化与无人化是煤炭工业发展的必由之路。掘进机是井工煤矿综合机械化巷道掘进作业的关键装备之一，其位姿的测量是控制掘进机自主行进与智能截割，进而实现巷道定向掘进的基础和前提，但现有的掘进机位姿测量方法或系统存在缺陷。为实现掘进机机身绝对位姿的测量，提出了基于激光靶向扫描的掘进机位姿测量方法，阐述了测量系统的组成及工作原理，研究了激光空间图形变换规律及测量系统中各坐标系之间的转换关系，建立了基于激光靶向扫描的掘进机位姿测量系统数学模型，解算了掘进机相对于巷道大地坐标系的绝对位置和姿态信息的数学表达式，分析了影响掘进机位姿测量精度的误差因素，得到不同测量距离和激光发射器间距情况下掘进机各位置和姿态参数测量误差的变化规律。结果表明：随着激光发射器间距的增加，误差减小。在测量次数为10次、测量距离为50 m的情况下,X轴精度小于1 cm，Y轴和Z轴误差较大，翻滚角精度小于0.1°，俯仰角精度小于0.4°，方向角精度小于0.6°。研究发现：测量系统的主要误差来源是激光标靶的激光光斑中心点坐标提取误差；增大激光发射器的间距以及合理规划激光标靶的安装姿态可减小位姿参数的测量误差。

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煤炭科学技术

2020年第11期

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煤巷快速成巷技术现状及应用效果评价方法研究

作者(Author)：刘畅, 姜鹏飞, 王子越, 韦尧中, 罗超, 郭吉昌

摘要：当前我国煤巷整体成巷速度慢，造成采掘失调。针对煤巷快速成巷，国内外在掘进装备、临时支护、永久支护等方面研发了多种形式的掘支装备。现有煤巷掘支装备主要包括：悬臂式掘进机、连采机、掘锚机及全断面掘进机；临时支护主要包括：自移式支架、掘进机液压顶棚、护盾式临时支护机构等，永久支护包括：钻锚一体化锚杆、掘锚一体机、锚杆钻车及其他集成化液压锚杆支护装备。现场实践发现，现有技术中掘进装备较为成熟，能够基本满足煤巷截割破岩的需求，但临时支护强度不足、不能顶帮全覆盖及时支护，难以满足我国大多数煤巷临时支护的要求。永久支护工艺复杂，提速效果有限。整体上看，现有装备尚难满足我国一般及复杂地质条件下煤巷快速成巷的需求，且在短期内难以实现较大突破。实现我国煤巷快速成巷除了需要针对我国煤矿具体的条件开展针对性研发外，还应建立针对我国各类围岩条件的快速成巷技术评价方法，最大程度利用现有装备提升煤巷成巷速度。影响煤巷快速掘进的主要因素包括：围岩地质力学条件、工程条件、掘进与支护装备条件等。快掘系统的效果评价应在确定影响巷道快速成巷主要因素的基础上，分析各因素对巷道掘进的影响程度并按影响程度排序，进而对比确定适用于相应条件的巷道快速成巷装备，为快速成巷装备的选型提供依据。

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煤炭科学技术

2020年第11期

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掘进机截割卸压岩石时截齿力学特性研究

作者(Author)：张强, 张润鑫, 王禹

摘要：钻孔卸荷是提高在高地应力作用下深部岩石掘进效率的主要措施，可有效降低围岩应力，提高掘进效率；钻孔卸荷后岩石产生应力转移、强度劣化且在岩体内部呈非线性分布，导致岩体的掘进特性发生变化。为保证对钻孔卸荷岩石的快速高效掘进，基于有限元分析软件研究不同参数作用对钻孔卸荷岩石掘进效率的影响，研究结果表明：在地应力为50 MPa的工作环境下，截割角度为30°时，截齿受到高地应力的持续作用，受力较大，不适于对卸荷岩石的掘进；截割角度为45°、60°时截齿三向受力明显减小，且随着截割参数的变化，截齿受力变化率在8%～54%，截割参数配比对截齿力学特性有较大影响，其中最佳掘进参数为截割角度60°、截割速度2 m/s、截割深度0.07 m；多齿模拟中截齿间距为0.075 m时，截齿受力最小，且同步截割截齿在X向和Z方向受力最大特征值均小于异步截割截齿受力特征值，同步截割掘进效率高于异步截割。研究结果为高地应力卸荷岩石非爆式机械化连续开采提供理论依据。

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煤炭科学技术

2020年第11期

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悬臂式掘进机远程虚拟操控系统研究

作者(Author)：张旭辉, 魏倩楠, 王妙云, 张雨萌, 杜昱阳, 吕欣媛

摘要：为解决悬臂式掘进机远程控制中存在的控制距离短及高粉尘和高水雾而导致操作人员劳动强度过大，无法真正脱离井下恶劣环境等问题，提出一种悬臂式掘进机虚拟远程操控系统，将虚拟现实技术运用到悬臂式掘进机远程控制中，实现虚拟设备与井下设备同步运动，虚拟模型数据驱动和动态修正等功能。首先，对悬臂式掘进机的机身与截割部进行姿态解析，在Unity 3D开发平台中实现悬臂式掘进机的运动仿真；其次，对可视化人机交互控制进行设计，建立虚拟交互界面，为远程操控者提供可视化控制决策依据，使操作者能在虚拟可视化平台中对悬臂式掘进机进行控制，对关键部位动态修正方法进行解释说明；最后，通过试验验证实时状态下掘进机截割臂在虚拟界面与真实情况下位姿的对比，利用悬臂式掘进机虚拟远程操控系统控制设备截割一个断面，同时采集真实设备与虚拟设备的位姿数据，对2者的截割轨迹进行比较。结果表明：2者截割轨迹重合度达到99.6%，虚拟悬臂式掘进机能够实时准确地呈现真实悬臂式掘进机的位姿状态与变化，对于井下机械设备虚拟远程控制提供理论支撑与应用实践。

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煤炭科学技术

2020年第11期

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基于附壁风筒的综掘工作面除尘技术研究进展

作者(Author)：荔军

摘要：为了提高煤矿综掘工作面粉尘治理效果，改善综掘工作面工作环境，首先介绍了控尘技术的工作原理及发展历程，论述了控尘技术为适应我国煤矿条件在工艺参数、设备轻量化等方面的改进研究；然后对煤矿广泛使用的湿式、干式除尘器的工作原理、技术特点、优缺点进行了全面的对比分析，为不同地质条件巷道除尘器的配置提供了参考依据。通过对17套井下干式除尘器的初始使用情况和长期使用情况进行调研，发现控尘技术在巷道粉尘治理中起着重要作用，配置有控尘技术的巷道，其总除尘效率可达96%～98%，呼吸性粉尘除尘效率可达93%～95%；而在未配置控尘技术的巷道，其总除尘效率降至76%，呼吸性粉尘除尘效率降至71%。调研发现控尘工艺与当前通风规程相冲突，控尘设备移动困难、操作复杂等因素是影响煤矿综掘工作面粉尘治理效果的主要原因。最后结合笔者的工程经验及当前技术的发展趋势，提出了煤矿综掘工作面粉尘治理的几点建议，包括：开展控尘工艺对煤矿巷道通风安全的影响研究及评价，消除通风规程与控尘工艺的冲突；开展巷道通风除尘工艺参数的在线检测监控系统研究，为控尘工艺在巷道中持续安全运行提供技术支撑；开展个体及巷道粉尘浓度连续在线监控，加强巷道粉尘治理水平的监控；将粉尘治理水平纳入管理考核体系，加强粉尘治理观念及管理。

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