“智能掘进理论与技术”专题（《煤炭学报》）

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“智能掘进理论与技术”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“智能掘进理论与技术”主题论文。

行业视野: 智能化
类别; 90个
关键词; 76位
专家; 19篇
论文; 36299IP
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深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术

作者(Author)：刘志强, 宋朝阳, 纪洪广, 刘书杰, 谭杰, 程守业, 宁方波

摘要：深部矿产资源开采是我国资源持续供给和保障经济高速发展的重要物质支撑，井巷工程作为进入深部开采的安全通道是进入深部开采的咽喉，因此，深部矿井建设关键技术是实现深部矿产资源开采的重要技术支撑。基于深部矿产开采矿井工程设计与装备制造先行的理念，深部矿井建设模式、优化设计与理论、矿井建设技术与智能装备、智能监控技术体系、矿井建设与生态环境互馈等方面亟待取得突破。系统分析了矿井赋存地质条件探查、数据融合反演与透明化重构技术及其亟待攻克的科学问题；梳理了深部矿井井巷优化设计方法、建设模式、建井提运装备的发展现状和面临的难题；基于深部井巷围岩“应力调控-改性-支护”理念，提出了围岩应力调控技术，地面预注浆加固、抗渗、降-隔-保温技术等围岩改性技术，以及矿井工程支护结构等围岩控制理论与及其关键技术；提出了深井智能掘进装备与智能控制系统研发体系，梳理了机械破岩掘进装备制造与发展趋势，从高效破岩与排渣、装备构成与空间优化、精确智能钻井控制3个方面分析了上排渣竖井掘进机设计与制造亟需攻克的科学问题与技术难题；围绕破岩掘进复杂工序智能监控、围岩与井壁结构稳定智能监控、井筒内运行设备智能监控，提出了深部矿井全生命周期智能监控系统与关键技术体系。基于以上深部矿井开拓模式的优化设计、建井装备及其相应关键技术工艺的深入思考和分析，有望为深部矿井安全高效绿色建设提供解决思路。

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煤炭学报

2021年第03期

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煤矿巷道智能掘进关键共性技术

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

摘要：依据我国煤矿智能化发展战略，深入分析了国内外智能掘进研究现状，结合我国煤炭赋存条件复杂，巷道掘进问题突出，智能掘进挑战严峻等实际，提出了直接影响和制约我国煤矿巷道智能掘进加快发展的智能截割、智能导航、智能协同控制和远程智能测控四大关键共性技术并给出了解决思路和方法。针对掘进系统智能截割问题，提出了基于视觉伺服的掘进系统智能定形截割控制方法和基于遗传算法优化的BP(GA-BP)神经网络的自适应截割控制方法，旨在提高巷道截割成形质量和效率;针对掘进系统智能导航问题，提出了基于惯导与视觉信息融合的履带式掘进系统智能导航控制方法和基于惯导、数字全站仪与油缸行程信息融合的液压推移式掘进系统智能导航控制方法，旨在提高掘进定位定向精度，实现智能导航;针对掘进系统中掘进、支护、钻锚、运输等多系统协同控制和多任务并行控制问题，提出了基于强化学习的并行作业控制方法和基于Agent的并行控制方法，以及leader-follower法和基于行为法的智能协同控制方法，旨在实现多机器人系统或智能设备的智能协同控制和并行作业，提高掘进效率;针对掘进系统智能测控问题，创建了本地控制层、近程集控层和远程监控层的智能测控系统架构，提出了数字孪生驱动的虚拟远程智能控制方法，旨在保证掘进系统安全、可靠、高效运行，实现身临其境的虚拟远程智能测控。破解煤矿巷道智能掘进的四大关键共性技术难题。

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煤炭学报

2021年第01期

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基于岩渣粒径分布规律的TBM 刀具消耗分析

作者(Author)：闫长斌, 樊明辉, 陈馈, 杨延栋, 张兵, 杨继华

摘要：岩渣是TBM掘进过程中岩机作用的直接产物，其粒径分布规律是进行TBM地质适应性、掘进效率和刀具消耗评价的重要指标。针对刀具消耗评价问题，结合兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工，对TBM在不同岩体条件中掘进时产生的岩渣进行了现场量测与筛分试验，并对实测岩渣粒径分布数据进行了统计分析和理论分布函数拟合。对TBM掘进过程中刀具消耗规律进行了分析总结，探讨了不同岩体条件下TBM刀具消耗规律与岩渣粗糙度指数、岩渣颗粒级配系数以及岩渣粒径分组比例等参数之间的相关关系。研究结果表明:① 刀具消耗与岩体地质条件密切相关，岩石强度越高，耐磨性越强，刀具消耗越大，Ⅱ类和Ⅳ类围岩中TBM刀具消耗明显高于Ⅲ类围岩;滚刀直径对刀具消耗有一定影响，采用大直径滚刀可降低同等围岩条件下的刀具消耗;② 不同岩性条件下岩渣粒径分布不均匀，总体上属于级配良好，符合Rosin-Rammler函数，可采用Rosin-Rammler函数进行岩渣粒径分布参数计算;③ 刀具消耗与岩渣曲率系数的相关性不明显，与不均匀系数存在较好的二次函数关系，相关系数为0.875;④ 刀具消耗与岩渣粗糙度指数存在较显著的二次函数关系，相关系数为0.87,当岩渣粗糙度指数大于430时，岩渣粗糙度指数越高，TBM掘进效率越高，刀具消耗越小;⑤ 刀具消耗与岩渣几何平均粒径、R-R函数平均粒径呈正相关性，相关系数为0.84;⑥ 刀具消耗与岩渣形状含量比例之间密切相关。硬岩片状岩渣含量多时，刀具消耗较小，当片状岩渣含量大于40%时，刀具消耗降低速率加快;而块状与粉状岩渣多时，刀具消耗较大，当块状岩渣含量大于40%时，刀具消耗增加速率增高。研究成果建立了TBM刀具消耗与岩渣粒径分布规律之间的有效联系。

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煤炭学报

2020年第12期

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千米级竖井全断面科学钻进装备与关键技术分析

作者(Author)：刘志强, 宋朝阳, 程守业, 纪洪广, 谭杰, 荆国业

摘要：千米级竖井全断面钻进技术是我国深地开发的重要技术支撑。围绕机械高效破岩与智能安全钻进这一主题，阐述了机械破岩钻井装备和无人化钻井的研究进展，梳理得出以竖井钻机、竖井掘进机和反井钻机3种钻机构成的机械破岩科学钻井技术、工艺及装备体系，并凝练出竖井全断面科学钻进过程中破岩、排渣、智能监控、支护和辅助钻进5项核心技术及其涵盖的12项关键技术;提出千米级竖井全断面机械破岩钻井需要攻克的关键技术问题与科学问题。针对深部高应力、高岩温和高水压条件下岩石强流变、强扰动等特点，以破岩与围岩控制技术、高效排渣技术、装备钻进与支撑技术的“三位一体”协同控制为核心，将重点攻克:① 深部破岩机理和井帮围岩控制理论研究，以及辅助机械破岩的高效破岩技术;② 多相流流动理论研究，优化多相比、提升高度、多相流速等参数，建立低能耗高效循环排渣模式;③ 围岩智能感知、判识与精准钻进轨迹的智能化控制理论研究，开发深部地层钻进多信息融合的钻机自适应钻进技术。为解决机械破岩、多相流循环排渣、钻井智能推进3者之间的协调性和匹配性问题，从基础理论分析、装备性能、工艺研究3个方面，构建了机械破岩科学钻井参数动态优化设计体系，基于以上机械化全断面钻井技术和装备现有条件和尚待攻克难题的梳理，有望为国家千米级竖井全断面钻进成套技术与装备的开发与升级提供借鉴。

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煤炭学报

2020年第11期

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基于机构拓扑结构的悬臂式掘进机空间位姿偏差分析

作者(Author)：方立霞, 王彤, 李一鸣, 吴淼

摘要：基于悬臂式掘进机机械结构的拓扑结构分析，分别对悬臂式掘进机行走/支撑并联机构在空间掘进工作平面/滚动平面内可补偿的仰俯角偏差、巷顶距偏差、横滚角偏差，以及其回转并联机构/升降机构在空间掘进水平面内可补偿的水平偏角偏差、水平偏距偏差、车前距偏差进行深入研究分析，实现首次建立悬臂式掘进机机身空间全方位位姿偏差数学模型。应用空间机构结构学正/逆解求解思想，利用MATLAB及正解求解出已知各结构回路几何参量状态时，机身动平台的空间瞬时位姿偏差信息及可补偿空间位姿偏差的范围;逆解求出机身处于可补偿空间极限位姿偏差状态时，对应悬臂式掘进机的可调几何结构参量均满足工程设计要求。分析结果表明:通过调节前铲板/后支撑液压油缸驱动量，可实现补偿机身最大仰角偏差26.731°，最大俯角偏差27.468°，可补偿最大巷顶距偏差20.253 7 mm;同时，通过实时动态调整截割臂的截割姿态，可实现补偿机身最大水平偏角偏差36.067°。实验结果同样也验证了结论的正确性、可实施性与高效性。基于拓扑结构分析得到的掘进机机身空间位姿偏差数学模型可为实施智能化悬臂式掘进机实时动态精准纠偏提供有效思路和依据。

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煤炭学报

2020年第11期

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自移式临时支架的异步耦合调平控制方法

作者(Author)：李瑞, 蒋威, 王鹏江, 程佳萌, 吴淼

摘要：首先设计了一种新兴的综掘巷道自移式超前支护装备并阐明了其装备组成及工艺原理,为确保其自移式临时支架在非水平底板环境下实现煤巷顶板的快速有效支护,提出了一种自移式临时支架的异步耦合多液压缸调平控制方法。基于煤巷地质成分不均造成的非水平底板工况与自移式临时支架的结构特性,采用了适用于自移式临时支架的逐最高点双向异步控制方法,并利用三维空间欧拉角法原理解算出了自移式临时支架支撑立柱液压缸的期望位移坐标值。然后针对自移式临时支架顶梁空间姿态调平过程中相邻支撑立柱液压缸之间同步误差的权重失衡问题,采用了多缸驱动下的相邻交叉耦合控制结构并构建了基于变权因子调节器的同步控制器,实现了对自移式临时支架支撑立柱相邻液压缸之间的同步误差精度优化。最终通过Interface Block 模块实现了AMESim 与Matlab/ Simulink 的情景交互,并进行了基于异步耦合调平控制模型的半实体物理联合仿真,仿真结果表明:异步耦合调平控制方法相较于模糊PID 控制,可使得自移式临时支架的4 个液压缸之间的同步误差值从±4 mm 精确到±1 mm 范围内,同时其同步误差的波动幅度更为均匀平缓不易于发生震颤现象,验证了所建立异步耦合调平控制方法的可行性与先进性。

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煤炭学报

2020年第10期

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深井巷道全断面硬岩掘进机及其快速施工关键技术

作者(Author)：程桦, 唐彬, 唐永志, 姚直书, 王传兵, 荣传新

摘要：针对煤矿深井硬岩巷道掘进效率低下的技术难题，综合考虑深立井煤矿巷道工程环境和全断面掘进机技术特点，通过全断面掘进机施工煤矿深井岩巷可行性研究，制定了煤矿深井巷道全断面硬岩掘进机技术指标，研制了煤矿深井巷道全断面硬岩掘进机;基于考虑全断面掘进机施工扰动影响的岩石循环加卸载试验，建立了全断面掘进机快速施工围岩准静态循环加卸载损伤本构模型和非线性强度准则，并用于巷道围岩稳定性数值模拟中;通过数值模拟和现场监测，揭示了全断面掘进机快速施工围岩力学响应机理，提出了满足全断面掘进机快速施工煤矿硬岩巷道特点与要求的巷道支护形式和施工技术;通过分析煤矿全断面硬岩掘进机施工巷道围岩的稳定性，提出巷道顶板锚杆快速支护方案，并得到现场实测验证;针对立井井筒运输能力受限、井下工作环境空间狭小、设备需要频繁拆装转场等问题，研发了全断面岩石掘进机井下有限空间运输、组装、拆解技术,创新了全断面岩石掘进机井下始发、掘进关键技术;采用掘进、支护、排矸、辅助运输同步作业方式，解决了硬岩巷道快速施工难题。最后，通过在淮南张集煤矿西二采区1413A高抽巷进行工业性试验验证研究成果。结果表明:全断面掘进机施工煤矿深井硬岩巷道，平均月进尺达404 m，最高月进尺达560 m，为现有硬岩巷道掘进效率的5~10倍。

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煤炭学报

2020年第09期

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煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展

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

摘要：基于煤矿巷道掘进智能化、无人化的发展要求，综述了悬臂式掘进机综掘技术、连续采煤机掘进技术和掘锚一体化掘进技术3条掘进作业线的国内外发展现状，依据国家煤炭安全监察局发布的《煤矿机器人重点研发目录》中对煤矿掘进机器人的规划，从感知、决策、执行 3个层面分析了煤矿掘进机的机器人化应具备的特征，感知层通过多类传感器对煤矿井下巷道环境信息进行采集感知，决策层分析和求解作业任务，并融合感知层传输的环境信息，制定规划出最适合的控制策略，执行层接收决策层的指令，对机器人化掘进群组的位姿和运动进行控制。系统阐述了机器人化掘进群组关键技术:掘进机器人的自主定位、煤岩识别与自动截割、远程监控与故障检测等技术;临时支护机器人的自动支护技术;钻锚机器人的平行钻锚技术;辅助装载输送机器人的同步运输技术等。对比分析国际先进机器人化掘进装备和群组，结合我国煤矿巷道掘进技术与装备的现状，提出了煤矿掘进机的机器人化技术与装备发展思路和研究方向:冲击致裂-快速掘进新技术;远程前探-精准惯导新技术;协同掘支-自适护顶新装备;钻锚一体-智能锚固新装备，实现钻探-掘进-支护-锚固-运输协同作业的机器人化掘进群组快速掘进技术，最终达到煤矿巷道掘进作业少人化、无人化的目标。

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煤炭学报

2020年第08期

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