《工矿自动化》煤矿智能掘进技术 · 虚拟专题

来源：《工矿自动化》

近年来，巷道掘进制约采煤已成为煤炭生产的瓶颈和痛点。随着机械化、智能化、无人化在我国煤矿的逐渐普及，对煤矿生产提出“采掘并重，掘进先行”的要求，掘进工作面的智能化成为重要的研究领域，并取得了一系列成果。本刊整理了近年来发表的煤矿智能掘进技术代表性文章，以期促进同行交流。

行业视野: 智能化
类别; 81个
关键词; 50位
专家; 14篇
论文; 3119IP
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智能化掘进机悬臂和铲台机构关联位置干涉解算模型

作者(Author)：刘若涵, 刘永立, 刘爽

摘要：智能化悬臂式掘进机在工作状态感知与控制过程中悬臂和铲台机构关联位置干涉，而现有悬臂式掘进机防干涉碰撞的研究主要是基于单一的控制方法，将防干涉碰撞条件融入到控制中的较少。针对上述问题，提出了一种悬臂和铲台机构关联位置干涉解算模型。基于多自由度悬臂式掘进机悬臂和铲台机构运动过程中的相对空间位置关系，将悬臂机构简化为分段空间直线、铲台机构简化为空间平面，根据悬臂边界等效分段空间直线上特定点和截割刀具边界点至铲台等效空间平面的距离，判断悬臂与铲台是否干涉。悬臂与铲台机构关联位置干涉解算模型应用实例表明：当铲台处在中位状态时，主悬臂和辅助悬臂无相对摆动下，悬臂和铲台不发生干涉碰撞的极限约束条件为主悬臂下摆动位置角不超过29.5°，截割刀具卧底量不超过42 mm；主悬臂和辅助悬臂协同摆动下，悬臂和铲台不发生干涉碰撞的极限约束条件为截割刀具卧底量不超过163 mm。悬臂和铲台机构关联位置干涉解算模型为悬臂与铲台干涉碰撞全域预测预警的数字化与智能自主控制奠定了基础。

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工矿自动化

2024年第03期

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1
综掘系统视觉处理技术研究现状及发展趋势

作者(Author)：杜雨馨, 张贺, 王树臣, 张建化

摘要：机器视觉技术具有非接触测量、获取信息量大、数据处理能力强等优点，将其应用于综掘工作面，对于提高综掘工作效率、保障人员设备安全、减少事故发生具有重要意义。综述了近年来视觉处理技术在煤矿综掘系统中的具体应用与发展情况，依据综掘工作面的任务分工，结合具体实际案例，重点分析了机器视觉技术在视觉检测与定位、安全监测与事故预防、装备自动化与智能化等方面的应用。通过分析不同应用场景中各类视觉检测系统的结构与检测原理，明确了视觉处理技术在综掘工作面工程应用中的技术性能、工作流程及优缺点。分析了视觉技术在综掘工作面应用中存在的挑战，包括环境适应性问题、成像视野范围较窄、智能算法的鲁棒性和可靠性尚待提高等。指出多传感器信息融合技术、设备群协同控制技术与数字孪生驱动远程监控技术是基于机器视觉的煤矿智能化装备体系未来需要重点发展的新方向。

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2023年第11期

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基于虚实融合数据的悬臂式掘进机截割部故障预警技术研究

作者(Author)：张旭辉, 白琳娜, 杨红强

摘要：目前悬臂式掘进机截割部故障预警技术依赖于传统的数据采集方法，在掘进机截割部实际运行过程中存在信号获取困难、噪声较多等问题，导致掘进机截割部故障预测预警能力受到限制。针对上述问题，提出一种基于虚实融合数据的悬臂式掘进机截割部故障预警方法。对悬臂式掘进机截割部进行三维实体建模，利用机械系统动力学自动分析软件(ADAMS)获取截割部机械系统虚拟数据，构建其动力学仿真模型以获取虚拟数据，并采用余弦相似度函数表征其与真实数据的相似度，验证虚拟数据的可信度。将虚拟、真实数据分别采用贝叶斯估计与自适应互补加权融合方法进行相似关联与互补关联融合，获得虚实融合数据。针对传统自组织映射（SOM）神经网络学习效率易受学习速率的影响问题，建立了基于改进SOM神经网络的故障预警模型，引入关于时间的单调递减函数对SOM神经网络进行训练，在保证学习速率的同时，兼顾模型的稳定性。将融合数据输入基于SOM神经网络的故障预警模型以确定获胜神经元并进行权值调整，计算真实数据与获胜神经元间的距离并进行权值调整，进而实现故障预警。实验结果表明，改进SOM神经网络的平均运行效率可提高35.84%；基于虚实融合数据的悬臂式掘进机截割部故障预警方法可成功实现单一故障和复合故障的类型预测，其预测准确率达83.33%。

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2023年第08期

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煤矿掘进多行为协同控制智能决策模型

作者(Author)：王宏伟, 郄晨飞, 付翔, 李进, 王浩然

摘要：智能决策支持的掘进多行为协同控制是煤矿掘进工作面智能化的核心之一，掘进多行为协同控制的最优时序规划是智能决策的关键。针对煤矿掘进多行为控制模式单一、固化、协同作业能力差等问题，设计了一种煤矿掘进多行为协同控制智能决策模型，实现了掘进多行为在最优时序下的协同作业。首先，提出了掘进多行为协同控制智能决策方法，确定了掘进多行为可行时序规划集和多目标最优时序规划策略；其次，根据掘进现场的规定和工艺要求，确定了掘进动作事件集，通过对事件集中两两动作事件之间时间关系的分析，求出掘进多行为时间关系约束矩阵；然后，根据时间点关系约束矩阵转换方法，将掘进多行为时间关系约束矩阵转换为时间点关系约束矩阵，再求出掘进多行为可行时序规划集；最后，定义不同掘进目标下的求解函数，求得不同掘进目标的最优时序。实验结果表明，在不同掘进目标下，按照模型决策出的掘进动作最优时序规划结果，掘进机器人可无干涉协同作业，且掘进作业1个工作循环的执行时间与决策模型计算的时间基本一致。

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2023年第06期

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基于人机关系的煤巷掘进作业优化

作者(Author)：高宇, 刘佳

摘要：目前针对煤巷掘进效率提升的研究大多从改进掘进设备的角度出发，对煤巷掘进作业工序及人员配置的考虑较少，而保持和谐稳定的人机关系是保障煤巷掘进效率的关键。以马道头煤矿8404工作面2404进风巷为工程背景，在考虑人机匹配关系的基础上，提出了煤巷掘进作业优化方案。对掘锚机割煤支护工序进行了优化，提出了顶部和帮部锚杆空间不成排的掘进巷道支护体系，即在连续作业2个循环进尺后不退掘锚机组，使顶部锚杆领先帮部锚杆300 mm，以节约巷道支护时间。数值模拟结果表明，顶部和帮部锚杆空间不成排支护的应力场与顶部和帮部锚杆空间对齐成排支护的应力场相差不大，验证了顶部和帮部锚杆空间不成排支护体系的可靠性。通过多工序并行作业优化了煤巷掘进作业流程，进而计算各工序任务量，优化各工序相关的人员配置。工程应用结果表明，基于人机关系对煤巷掘进作业进行优化后，日循环数由10次增加到15次，月进尺由300 m增加到450 m，工人效率从0.1 m/工提升到0.14 m/工，循环周期由80 min缩减到44.6 min，明显提升了煤巷掘进效率。

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2023年第05期

210
煤矿智能化掘进关键技术研究

作者(Author)：李飞, 张林, 尚宇琦, 孔德中, 王玉亮, 陈龙, 张枝伟

摘要：介绍了近年来煤矿巷道掘进主要技术（悬臂式掘进机综掘技术、连续采煤机掘进技术及掘锚一体化掘进技术）的研究成果，分析了这3种主要巷道掘进技术在我国的适用性及推广价值，指出：(1)悬臂式掘进机综掘技术仅能“前掘后锚”，掘进与支护的过程不能同时进行，限制了掘进效率。(2)连续采煤机掘进技术仅可在近水平煤层条件下进行，且对顶板的稳定程度有一定要求，适用性不强。(3)掘锚一体化掘进技术仅适用于巷道断面大的单巷快速掘进，所用到的掘锚一体机机身大且价格昂贵，并对所掘进巷道的底板稳定性有一定的要求。相比连续采煤机掘进技术，掘锚一体化掘进技术在我国有较好的应用前景。将原有掘进机的掘进功能拓展为掘进兼支护的功能，这对掘锚一体化掘进技术的研究与普及可起到推动作用。分析了近年来煤矿巷道机器人化智能掘进技术中智能截割、远程智能监控、智能协同控制3个方面的研究成果，得出：(1)智能截割技术主要集中在对煤岩自适应识别方面的研究。(2)远程智能监控技术已从远程实时监测向远程可视化监控方向发展，虚拟仿真技术的发展将井下掘进巷道的情况可视化地展现在地面，并将控制信号反馈到掘进工作面来对掘进工作面掘进机组进行远程同步控制，成为当前巷道掘进远程监控智能化的重要标志。(3)目前针对智能协同控制技术的研究较少。探讨了煤矿巷道掘进智能化的发展方向：加强掘进设备集成协同化、设备模块化组合、5G矿用无线网络设备、掘进远程智能监控系统及难掘慢掘巷道掘进工程等方面的研究。

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2023年第04期

223
悬臂式掘进机自主调速截割控制系统

作者(Author)：张旭辉, 石硕, 杨红强, 杨文娟, 张超, 王甜

摘要：现有悬臂式掘进机截割控制采用较为单一的控制方法且截割头以定速完成巷道断面截割，未综合考虑轨迹规划和自主调速控制，在复杂地质条件下难以实现较高的巷道工程质量。针对上述问题，提出了一种悬臂式掘进机自主调速截割控制系统。首先，建立截割头和煤层的三维模型并导入ABAQUS软件进行有限元分析，获取截割头受到的反作用力与截割臂摆动速度之间的关系，进而得到截割臂摆动速度与截割头加速度之间的关系，利用k-means聚类方法对加速度进行分层。然后，采用层次包围盒算法建立截割头碰撞检测模型，规划合适的矩形巷道断面截割轨迹，经多次离散化生成离散截割轨迹规划点，对截割臂进行运动学逆解计算，获取截割头到达离散截割轨迹规划点所需的截割臂回转弧度、抬升弧度和伸长量，并利用全局最优速度模型求解截割头运动至离散截割轨迹规划点的速度。最后，利用加速度传感器采集截割臂振动信号，根据加速度分层结果确定截割臂目标摆动速度，并通过模糊PID控制使截割臂摆动速度及时准确地随截割头加速度的变化调整到目标摆动速度。实验结果表明：采用模糊PID控制可实现较为快速、无超调量的截割臂摆动速度调节；与定速截割控制相比，采用自主调速截割控制的巷道断面成形质量高，宽度规格偏差降低了37%，高度规格偏差降低了17%，满足MT/T 5009-1994《煤矿井巷工程质量检验评定标准》规定的巷道成形质量要求。

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2023年第01期

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基于捷联惯导与差速里程计的掘进机组合定位方法

作者(Author)：王浩然, 王宏伟, 李正龙, 付翔

摘要：掘进机自主精确定位是实现掘进工作面智能化乃至无人化的关键，捷联惯导与里程计组合是一种较理想的掘进机定位方案。针对捷联惯导定位误差随时间累计、单里程计位姿感知能力有限等问题，在捷联惯导定位的基础上引入差速里程计作为辅助定位，提出了一种基于捷联惯导与差速里程计的掘进机组合定位方法。该方法的实现由基于捷联惯导的位姿感知、基于差速里程计的航位推算、基于卡尔曼滤波的数据融合3个部分组成：通过捷联惯导获得导航坐标系下掘进机参考位移与姿态角；由2个分别安装于掘进机左右履带的里程计组成差速里程计，通过差速里程计对掘进机进行航位推算；根据捷联惯导与差速里程计的误差方程设计卡尔曼滤波器，并以捷联惯导与差速里程计得到的掘进机位姿数据之差作为卡尔曼滤波器输入，以卡尔曼滤波器输出值对捷联惯导数据进行校正与补偿。将里程计数据有效性判断融入组合定位方法中，避免了履带打滑对定位精度的影响。在模拟巷道进行了掘进机定位实验，结果表明：该组合定位方法测得的掘进机航向角误差能够控制在0.6°以内，位置误差能够控制在0.19 m以内，具有较高的定位精度。

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工矿自动化

2022年第09期

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