“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
类别; 65个
关键词; 83位
专家; 16篇
论文; 22583IP
点击量; 18809次
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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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煤炭学报

2021年第07期

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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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煤炭学报

2021年第07期

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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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煤炭学报

2021年第07期

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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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煤炭学报

2021年第07期

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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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煤炭学报

2021年第07期

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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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煤炭学报

2021年第07期

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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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煤炭学报

2021年第07期

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悬臂式掘进机视觉导航与定向掘进控制技术

作者(Author)：张旭辉, 赵建勋, 杨文娟, 张超

摘要：煤矿巷道掘进装备位姿测量是国内外目前研究的热点，不同的巷道快速掘进系统均面临定向导航难题。为解决煤矿井下悬臂式掘进机自动定向掘进控制难题，提出一种基于视觉导航的悬臂式掘进机自动定向掘进控制方法，利用单目视觉测量技术，以巷道中激光指向仪的激光点和激光束为特征构建基于门形结构的掘进机机身位姿视觉测量模型，通过空间矩阵变换解算巷道中机身位姿。根据悬臂式掘进机运动特点确定掘进机纠偏控制策略，基于悬臂式掘进机运动学建立掘进机定向掘进运动控制模型，采用backstepping方法，选取合适的Lyapunov函数设计掘进机轨迹跟踪控制器，有效解决掘进机轨迹跟踪控制问题。实验结果表明:悬臂式掘进机机身位姿视觉测量方法可有效实现井下工作环境中悬臂式掘进机机身的位姿测量，得到掘进机机身位置测量误差在±40 mm以内，姿态角角度测量误差在±0.3°以内;轨迹跟踪控制器可实现悬臂式掘进机的自动定向掘进功能，其运动控制精度在±20 mm以内，满足巷道施工的精度要求。该方法中工业相机固定安装于掘进装备机身，且利用激光指向仪点-线特征构建门型三线模型作为位姿测量基准，与相关研究对比，具有不易脱靶、标靶移动少等优点。

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煤炭学报

2021年第07期

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