煤矿巷道智能掘进关键共性技术

吕浩然

内蒙古银宏能源开发有限公司修护工区  内蒙古自治区

鄂尔多斯市017000

摘要：煤矿巷道掘进作业具有一定的危险性。随着煤矿开采的不断深入，巷道掘进量不断增加，同时，所面临的危险因素越来越多，危险等级也越来越高，突水、冒顶、瓦斯爆炸等都可能造成严重的人员伤亡。恶劣的巷道环境也在时刻威胁着井下操作人员的身体健康。为有效解决这些问题，巷道掘进机自动化和智能化成为了当下的研究重点，这也是煤炭行业发展的关键路径。

关键词：煤矿巷道；智能掘进；关键技术

前言

煤炭是中国的支柱能源，且在未来相当长时期内，煤炭作为主体能源的地位不会改变。2020年，煤炭在中国一次能源消费中占比高达56.58%。中国煤炭资源赋存条件复杂，大多采用地下开采，井下巷道掘进工作量巨大。当前，中国综采工作面技术较为成熟，回采速度已有大幅提升，而巷道掘进速度受工作空间和地质环境的影响，仍存在进尺慢、效率低的问题，严重制约了矿井的开采效率。为了满足新形势下智能化矿井建设的要求，有必要对煤矿巷道智能化掘进关键技术进行研究。

1中国煤矿巷道掘进技术和装备的现状

1.1综合机械化掘进技术和装备

综合机械化掘进技术是目前中国煤矿巷道掘进采用的最主要的技术方式。该技术的装备包括转载机、悬臂式掘进机和刮板输送机等。悬臂式掘进机起源于20世纪60年代，中国将其引入国内，度过了引进、吸收、消化和再创造4个阶段。20世纪80年代，中国再次从国外引进了2种当时较为先进的掘进机，并结合国内煤矿开采的情况和需求，对其进行了改进和调整。这在一定程度上也对中国的传统煤矿机械化技术进行了优化和创新。目前，中国的煤矿巷道掘进机数量已明显增加，机型也达到了20余种。就中国煤炭行业的发展现状而言，现有的机型基本上能满足平时的煤矿开采要求。国内相关研究单位还研发了领先于国际市场的EBJ-120TP新型巷道掘进机。该掘进机整体较小，突破了传统装备的局限性，提高了机械的稳定性。同时由于该设备超强的破岩能力，其适用范围更广，有效促进了中国的煤矿开发，也提高了煤矿开采的效率和质量。

1.2连续采煤机高效掘进技术和装备

大断面煤矿巷道连续采煤机作为一种高效、综合的设备，在实现大断面落煤运送作业的同时，还能适应多种条件下的多巷开采工作。虽然中国从一开始的单机发展到后来引进连续成套的采煤机，但是国内却没有能生产该设备的生产厂家，中国只能采取国外引进的方式满足中国煤矿开采的现实需求。如今，中国几家大型煤矿企业已开始利用连续采煤机进行巷道掘进，尤其是神东矿区，创下了单日70m的最高掘进纪录。连续采煤机的使用不仅能实现高效掘进，还能降低开采成本。不过，尽管连续采煤机拥有极高的采煤能力，但是其仍旧存在一些客观的缺陷有待解决。

1.3掘锚一体化机械技术和装备

开发掘锚联合装备，实现掘锚一体化是提高煤矿巷道掘进效率的重要途径。掘锚机组将掘进与支护进行有机结合，能在同一设备上完成两项作业，节约了两者换位的时间。目前，中国的掘锚机主要分为2种类别，一类以连续采煤机为基础，另一类是悬臂式掘进机。悬臂式掘进机由多种机构与系统组成，是可以实现截割、装载运输、自行走、喷雾除尘的联合机组，能有效提高作业效率。掘锚一体化机械技术作为中国乃至全世界研究的新方向，与传统掘进开采的运输、支护等作业不同，主要是通过截割落煤的方式对开采模式进行优化升级，在提高开采效率的同时还能降低成本。其因稳定性较强的优势，对中国煤矿巷道开采具有特别的实用价值。

2基于大数据和云计算的智能化掘进系统

煤矿巷道智能化掘进系统是基于大数据和云计算平台搭建的。大数据和云计算平台拥有强大的数据分析和处理能力，可对分布式、离散型的大量数据进行高效处理，并实现数据的可视化和互动化。本文设计的煤矿巷道智能化掘进系统从下往上由5个层次构成，具体内容如下。

2.1数据源层

数据源层主要包含采集到的掘进工作面数据，例如地质信息、设备姿态、周围环境状态、围岩状态等。对于不同类型的掘进工作面，需采用什么类型的数据作为数据源层，应经过合理分析后确定，以保证数据的有效性。

2.2数据采集层

数据采集层是通过在机械设备及工作面围岩或其他位置安设传感器，对数据源层的数据进行采集。数据源层的传感器位置和数量必须合理设置，保证得到真实可靠的工作面信息，且传感器须能适应高温、潮湿等恶劣工作环境。

2.3数据传输层

数据传输层是利用以太网及数据传输模块，将采集到的数据传输至上层架构中。数据传输方式包含有线传输和无线传输2种，由于井下环境的复杂性，为了保证数据的可靠传输，可对不同的环境进行评估后选择合适的传输方式。

2.4数据分析层

数据分析层是煤矿巷道智能化掘进系统的核心模块，主要基于各类数学模型，对采集到的海量数据进行处理和分析，并应具有自主学习能力，不断优化，逐步构建出适应某个工作面的数据分析处理模型。

2.5决策应用层

决策应用层的主要功能是对分析处理后的数据进行归纳，并将处理结果呈现给决策者，若发现系统参数不合理，决策应用层可及时做出调整，并发送相关指令，保证掘进工作面的安全、高效开采。

3智能化技术在煤矿巷道掘进机中的发展趋势

3.1导航定位技术辅助掘进机位姿纠偏

利用导航定位技术能大大减小位姿偏差。调整掘进机前铲板和后支撑腿可对其初始位姿进行控制，但在截割期间形成的动态位姿偏差纠正却仍是一大问题，对此可利用截割机构对设备本身位姿偏差进行动态化补偿。

3.2加快掘进作业智能化感知的研究

当前，基于自动截割及断面自动成形技术的研究，对截割期间的臂前端传动和截割头转速都能实现有效控制，但由于煤岩的性质不同，截割参数没有有效匹配，而且截割期间煤岩性质的变化也难以通过智能感知来监测。对此，应加快对掘进期间作业感知的研究，构建煤岩性质及最佳截割参数的匹配模型。

3.3巷道掘进机全状态智能化监测

在掘进机运行期间，需要掌控的数据量较大，软件与硬件交互等问题都可能造成掘进机控制系统故障，既有的基于硬件状态的监测方法并不能实现智能化的系统状态感知。因此，需要获得掘进机的全方位全状态传感信息，建立失效下的软硬件冗余切换，实现掘进机的全状态监测，为掘进机智能化发展提供保障。此外，掘进工艺的一体化发展、掘进机操作无人化、掘进自动灭尘等技术也是智能化技术应用的主要趋势，对于巷道智能化掘进来说都具有现实意义。

3.4工作面智能除尘

在掘进机完成截割作业后会生成大量粉尘，导致巷道中面临严重的粉尘污染，不但不利于作业人员的身体健康，影响工作视野，而且粉尘污染期间不能开展其他工作。对此要在工作面除尘方面应用智能化技术，确保粉尘能得到及时清理，提高巷道清洁度，确保辅助支护等作业可与掘进机工作同步开展。

结束语

智能化技术在掘进机中的合理应用，对于巷道掘进生产中的各种不足都起到了有效的改进作用。但煤矿巷道本身环境条件较为复杂，随着掘进作业的深入，所面临的不确定因素越来越多，因此无人化巷道掘进是智能化掘进技术发展的必然方向，现有的技术仍然还有很长的路要走。可将远程视频监控系统应用到掘进系统中，进一步提高掘进机的智能化水平和控制水平，实现设备与系统的高度智能化。

参考文献：

［1］韩健.煤矿综掘智能化开采技术研究［J］.技术与市场，2021，28(2)：124-125.

［2］刘送永，张德义.巷道掘进机智能化技术研究现状及展望［J］.工矿自动化，2019，45(10)：23-28.

［3］王辉，胡方海，金瓒.智能化技术在掘进机中的应用及发展趋势［J］.煤矿机械，2014，35(12)：3-4.