“煤矿快速智能掘进理论与技术”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“煤矿快速智能掘进理论与技术”专题

来源：《煤炭学报》2021年第7期

“十四五”是我国“两个一百年”奋斗目标的历史交汇期，是全面开启社会主义现代化强国建设新征程的重要机遇期，也是煤炭行业实现高质量发展的关键时期。在碳达峰、碳中和的“双碳”行动方案规划中，优化产业结构和能源结构、强化煤炭绿色智能开采、大力推动煤炭清洁高效利用，加强“新基建”、推进智能化发展新模式新业态是煤炭行业发展的大趋势。因此，煤炭行业强大挑战与难得机遇并存，严重困难与快速发展同在。

煤矿巷道掘进主要指在岩层或煤层中开掘各种井、巷、硐室，可分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道，一般有垂直巷道、水平巷道和倾斜巷道3种。从掘进工艺方法角度，可分为钻爆法和综合机械化掘进法。近年来，较之我国智能化综采工作面的发展成效，智能化掘进发展水平明显滞后，效率低下，致使煤炭开采过程中“采掘矛盾”日益突出。针对掘进智能化发展理念不清晰，装备智能化不完备、相关标准与规范缺失、支撑理论与关键技术研究严重不足等问题，亟需深化理论研究、创新先进工艺、攻克关键技术、研发智能化装备，推动智能化掘进快速健康发展，满足煤炭智能化开采的需求。

面向智能快速掘进所需的工艺与装备需求，重点开展掘进、支护、钻锚机器人化新装备创新研究，创建掘进并行作业工艺，优化多机协同控制策略。研究高应力与快速掘进扰动下巷道围岩应力变化与临时支护装备之间的耦合机理以及围岩控制技术，创新复杂条件下智能快掘临时支护理论与智能调控方法。

在国家相关政策的大力支持下，掘进机自动截割、定位、纠偏控制等方面的相关研究已取得较多理论与技术成果，但随着对于智能掘进快速、安全、高效的要求越来越高，掘-支-锚群体设备协同控制方法的理论与技术瓶颈仍然尚待突破。《煤炭学报》特别组织策划“煤矿快速智能掘进理论与技术”专题，专题自征稿发布以来，受到了煤炭科技界同仁的高度关注，在此，对大力支持本专题的专家学者表示衷心的感谢!

本专题共收到来稿80余篇，最终录用13篇，紧紧围绕以下12个专题展开，即：①掘进超前探测先进理论与技术;②掘进协同工艺先进理论与技术;③智能化掘进导航定位理论与技术;④智能化掘进纠偏定向理论与技术;⑤掘进截割钻进装备先进理论与技术;⑥掘进巷道锚护先进理论与技术;⑦掘进临时支护先进理论与技术;⑧掘进通风抑尘先进理论与技术;⑨连采机，掘锚一体机关键理论与技术;⑩岩巷快速掘进理论与技术;智能化盾构机掘进理论与技术;12掘进机器人理论与技术。专辑将着重介绍原创性科研成果，以促进我国煤矿智能快掘新理论、新工艺和新技术的展示与交流。

希望借助于专题的发表，深入交流煤矿快速智能掘进新理论、新技术，探讨新标准、新规范，创新先进掘进工艺、攻克关键掘进技术、研发快速智能化掘进新装备，推动智能掘进快速健康发展。

艰难困苦，玉汝于成!希望社会各界能人志士不断钻研，勇于拼搏，为国家能源事业的发展而努力奋斗!

行业视野: 采矿
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《煤炭学报》2021年第7期封面

作者(Author)：《煤炭学报》

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2021年第07期

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《煤炭学报》2021年第7期目次

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“煤矿快速智能掘进理论与技术”专题特约主编致读者

作者(Author)：吴淼

摘要：　　“十四五”是我国“两个一百年”奋斗目标的历史交汇期，是全面开启社会主义现代化强国建设新征程的重要机遇期，也是煤炭行业实现高质量发展的关键时期。在碳达峰、碳中和的“双碳”行动方案规划中，优化产业结构和能源结构、强化煤炭绿色智能开采、大力推动煤炭清洁高效利用，加强“新基建”、推进智能化发展新模式新业态是煤炭行业发展的大趋势。因此，煤炭行业强大挑战与难得机遇并存，严重困难与快速发展同在。　　煤矿巷道掘进主要指在岩层或煤层中开掘各种井、巷、硐室，可分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道，一般有垂直巷道、水平巷道和倾斜巷道3种。从掘进工艺方法角度，可分为钻爆法和综合机械化掘进法。近年来，较之我国智能化综采工作面的发展成效，智能化掘进发展水平明显滞后，效率低下，致使煤炭开采过程中“采掘矛盾”日益突出。针对掘进智能化发展理念不清晰，装备智能化不完备、相关标准与规范缺失、支撑理论与关键技术研究严重不足等问题，亟需深化理论研究、创新先进工艺、攻克关键技术、研发智能化装备，推动智能化掘进快速健康发展，满足煤炭智能化开采的需求。　　面向智能快速掘进所需的工艺与装备需求，重点开展掘进、支护、钻锚机器人化新装备创新研究，创建掘进并行作业工艺，优化多机协同控制策略。研究高应力与快速掘进扰动下巷道围岩应力变化与临时支护装备之间的耦合机理以及围岩控制技术，创新复杂条件下智能快掘临时支护理论与智能调控方法。　　在国家相关政策的大力支持下，掘进机自动截割、定位、纠偏控制等方面的相关研究已取得较多理论与技术成果，但随着对于智能掘进快速、安全、高效的要求越来越高，掘-支-锚群体设备协同控制方法的理论与技术瓶颈仍然尚待突破。《煤炭学报》特别组织策划“煤矿快速智能掘进理论与技术”专题，专题自征稿发布以来，受到了煤炭科技界同仁的高度关注，在此，对大力支持本专题的专家学者表示衷心的感谢!　　本专题共收到来稿80余篇，最终录用13篇，紧紧围绕以下12个专题展开，即：①掘进超前探测先进理论与技术;②掘进协同工艺先进理论与技术;③智能化掘进导航定位理论与技术;④智能化掘进纠偏定向理论与技术;⑤掘进截割钻进装备先进理论与技术;⑥掘进巷道锚护先进理论与技术;⑦掘进临时支护先进理论与技术;⑧掘进通风抑尘先进理论与技术;⑨连采机，掘锚一体机关键理论与技术;⑩岩巷快速掘进理论与技术;11智能化盾构机掘进理论与技术;12掘进机器人理论与技术。专辑将着重介绍原创性科研成果，以促进我国煤矿智能快掘新理论、新工艺和新技术的展示与交流。　　希望借助于专题的发表，深入交流煤矿快速智能掘进新理论、新技术，探讨新标准、新规范，创新先进掘进工艺、攻克关键掘进技术、研发快速智能化掘进新装备，推动智能掘进快速健康发展。　　艰难困苦，玉汝于成!希望社会各界能人志士不断钻研，勇于拼搏，为国家能源事业的发展而努力奋斗!

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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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2021年第07期

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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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2021年第07期

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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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2021年第07期

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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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