煤炭是我國當(dāng)前及今后較長一個(gè)時(shí)期的主體能源，是保證我國能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的戰(zhàn)略基石[1]。全國煤礦數(shù)量達(dá)4 700處，產(chǎn)能達(dá)40億t/a左右，其中，年產(chǎn)120萬t以上的大型現(xiàn)代化煤礦1 200處，產(chǎn)量占全國的80%左右[2]，這些大型現(xiàn)代化煤礦廣泛采用“一井一面”的集約化開采方式，每年新掘巷道長度約12 000 km，每個(gè)綜采工作面平均推進(jìn)進(jìn)度達(dá)30 m/d，要求單個(gè)掘進(jìn)隊(duì)巷道掘進(jìn)進(jìn)尺70～80 m/d，而我國綜掘平均進(jìn)尺10 m/d，傳統(tǒng)的綜掘方式已無法滿足綜采需求，新時(shí)代下通過增加掘采隊(duì)伍配比來滿足綜采需求的方式已不可持續(xù)。因此，快速掘進(jìn)技術(shù)是煤炭高效生產(chǎn)的客觀需求。掘進(jìn)工作面采用獨(dú)頭布置，人員逃生出口單一，作業(yè)危險(xiǎn)系數(shù)大，發(fā)展智能掘進(jìn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)少人化的根本途徑。

采掘裝備在煤炭工業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮了基礎(chǔ)性作用，基本實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、信息化、自動化，正在邁入智能化開采新階段[3]。其中，智能化采煤技術(shù)發(fā)展迅速，目前已形成了薄及中厚煤層智能化無人開采、大采高工作面智能耦合人機(jī)協(xié)同高效綜采、綜放工作面智能化操控與人工干預(yù)輔助放煤、復(fù)雜條件機(jī)械化+智能化開采4種智能采煤開采模式[4];與智能采煤技術(shù)進(jìn)展相比，煤礦智能掘進(jìn)受井下巷道特殊的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境及相對復(fù)雜的工藝環(huán)節(jié)等因素制約，掘進(jìn)智能化進(jìn)展相對較緩慢，目前主要以遠(yuǎn)程可視化控制+自動割煤+煤流一鍵啟停為特征的初級智能掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了示范性應(yīng)用[5-6]，90%以上掘進(jìn)工作面以機(jī)械化為主，巖巷掘進(jìn)仍以鉆爆法為主，需要圍繞安全、高效掘進(jìn)兩大目標(biāo)，提高裝備可靠性、適應(yīng)性、成套性，奠定智能化發(fā)展平臺基礎(chǔ)，攻關(guān)定位導(dǎo)航、自動支護(hù)、自適應(yīng)截割等智能掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)，突破環(huán)境智能感知、掘進(jìn)裝備智能決策、自動化執(zhí)行等技術(shù)難題，形成多類智能化掘進(jìn)模式。

我國各礦區(qū)煤層賦存條件復(fù)雜多變，掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展極不均衡。因此，發(fā)展智能掘進(jìn)技術(shù)既要考慮對特定煤層賦存條件的適應(yīng)性和配套性，又要考慮技術(shù)的可復(fù)制、可推廣性，通過不斷的理論、技術(shù)與裝備創(chuàng)新推動完善煤礦智能掘進(jìn)技術(shù)體系，為此，筆者在總結(jié)煤礦智能掘進(jìn)面臨的主要難題的基礎(chǔ)上，分析了智能掘進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)，并梳理了基于掘錨一體化技術(shù)的智能掘進(jìn)技術(shù)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)，介紹了目前智能掘進(jìn)的工程實(shí)踐情況并提出了4種煤礦智能掘進(jìn)模式，探討了未來智能掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展趨勢，為廣大煤礦智能掘進(jìn)工作者提供參考，提升掘進(jìn)行業(yè)技術(shù)水平。

1 煤礦智能掘進(jìn)面臨的主要難題

(1)作業(yè)環(huán)境惡劣，安全性差。工作面水害、瓦斯、頂板、粉塵、沖擊地壓等嚴(yán)重威脅人員安全。掘進(jìn)空頂、空幫的存在給巷道管理帶來極大安全風(fēng)險(xiǎn)，沖擊地壓巷道的圍巖控制一直是世界性難題;長期以來，煤礦事故中掘進(jìn)工作面潰水、瓦斯突出、頂板、沖擊地壓事故起數(shù)及死亡人數(shù)占比均超30%;工作面粉塵不僅對作業(yè)人員職業(yè)健康造成嚴(yán)重?fù)p害，同時(shí)對機(jī)器視覺技術(shù)在巷道掘進(jìn)場景應(yīng)用帶來了技術(shù)挑戰(zhàn)。

(2)地質(zhì)條件復(fù)雜，軟巖、大變形是我國煤礦巷道的主要特征。煤巖體具有非均質(zhì)、各向異性，內(nèi)含多尺度孔隙、裂隙，煤層含層理、節(jié)理等結(jié)構(gòu)面及分布不均的夾矸等，同時(shí)含有規(guī)模不等斷層、褶皺、陷落柱等不確定性地質(zhì)構(gòu)造，導(dǎo)致截割和鉆孔載荷呈現(xiàn)非線性、大沖擊、強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，給截割和鉆孔的自適應(yīng)控制帶來巨大的技術(shù)挑戰(zhàn);我國煤礦巷道軟巖巷道占比大，煤層作為圍巖的一部分，受風(fēng)化、水等作用，強(qiáng)度往往顯著劣化，增大了巷道圍巖控制難度。

(3)施工工序多，巷道掘進(jìn)包含截割落煤、裝煤運(yùn)煤、臨時(shí)支護(hù)、錨桿支護(hù)、超前探測、通風(fēng)除塵等工序，各工序受作業(yè)空間限制，多為串行作業(yè);其中，錨桿支護(hù)流程復(fù)雜，包括鋪聯(lián)網(wǎng)、安裝鋼帶、鉆孔、安裝錨固劑、安裝錨桿并攪拌錨固劑、預(yù)緊等多個(gè)環(huán)節(jié)，支護(hù)用時(shí)約占成巷時(shí)間的60%，用工數(shù)占比達(dá)70%，因此該工序是影響掘進(jìn)效率的主要因素，同時(shí)也是實(shí)現(xiàn)智能化的主要難點(diǎn)。

智能掘進(jìn)對掘進(jìn)裝備提出了更高的要求，需要掘進(jìn)裝備高度可靠、對地質(zhì)環(huán)境高度適應(yīng)、工序作業(yè)高度協(xié)同。要實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)裝備擺脫人的直接參與，依據(jù)自主決策實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動化運(yùn)行，整個(gè)掘進(jìn)系統(tǒng)需要解決以下問題:

(1)掘進(jìn)單機(jī)裝備完備性及可靠性、能力有待提升。裝備完備性方面，錨鉆設(shè)備主要以錨桿鉆車和單體錨桿鉆機(jī)為主，自動化程度低，智能化發(fā)展基礎(chǔ)薄弱，依然缺乏能夠完成全流程自動錨桿支護(hù)的錨鉆設(shè)備，鋪聯(lián)網(wǎng)、錨桿(索)輸送與存儲、錨索切斷、裝藥等工序均難以實(shí)現(xiàn)完全自動化;掘進(jìn)設(shè)備主要以懸臂式掘進(jìn)機(jī)、掘錨一體機(jī)為主，懸臂式掘進(jìn)機(jī)采用部分?jǐn)嗝娼馗睿锏莱尚慰刂齐y度大，且掘支不能平行作業(yè)，在本機(jī)上集成鉆機(jī)后，受機(jī)身尺寸限制，發(fā)展懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)載智能鉆機(jī)技術(shù)難度大;而掘錨一體機(jī)可實(shí)現(xiàn)全寬一次成巷、掘支平行作業(yè)，但其對地質(zhì)條件要求苛刻，受機(jī)身尺寸限制，只能發(fā)展小型化智能鉆機(jī)。其他設(shè)備方面，實(shí)現(xiàn)剛性架自動插架、地坪自動攤鋪、物料自動供給等設(shè)備依然空缺。裝備可靠性方面，國產(chǎn)掘進(jìn)設(shè)備整體可靠性低，難以適應(yīng)復(fù)雜多變、環(huán)境苛刻的工況，故障率高，開機(jī)率低，關(guān)鍵元部件壽命低，國產(chǎn)擺動式刮板鏈平均壽命不足1 a，多數(shù)礦用傳感器因強(qiáng)沖擊環(huán)境易發(fā)生故障，同時(shí)測量精度顯著下降。裝備能力方面，掘錨一體機(jī)截割能力不足，無法適應(yīng)半煤巖和巖巷以及過地質(zhì)構(gòu)造帶掘進(jìn);鉆箱受空間尺寸限制其工作轉(zhuǎn)矩難以達(dá)到300 N·m，無法適應(yīng)特殊條件下大緊固力矩要求;橋式轉(zhuǎn)載機(jī)受結(jié)構(gòu)限制僅滿足20 m/d進(jìn)尺，不能滿足日進(jìn)百米的需要，如延長橋式轉(zhuǎn)載機(jī)，易產(chǎn)生碰頂、卡機(jī)尾等問題。

(2)圍巖時(shí)效控制。掘支過程中圍巖的穩(wěn)定性是智能掘進(jìn)的前提和基礎(chǔ)，冒頂、片幫、底臌等圍巖劣化行為可導(dǎo)致掘進(jìn)施工中斷。傳統(tǒng)的掘進(jìn)通過人工進(jìn)行敲幫問頂、輔助頂板離層儀判斷圍巖狀態(tài)，而智能掘進(jìn)需要將人工感知通過掘進(jìn)設(shè)備智能感知進(jìn)行替代，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)過程中裝備即時(shí)感知信息與圍巖狀態(tài)的動態(tài)解析，從而判斷掘進(jìn)工藝的可持續(xù)性、掘進(jìn)過程的不確定因素及優(yōu)化錨桿支護(hù)參數(shù)。目前，永久支護(hù)多存在一定的空頂距、空幫距，支護(hù)參數(shù)與空頂、空幫區(qū)的穩(wěn)定性有待厘清;臨時(shí)支護(hù)作為輔助永久支護(hù)的技術(shù)來控制圍巖變形，使巷道形成了時(shí)效自穩(wěn)區(qū)，因缺乏有效的兩幫臨時(shí)支護(hù)，在軟弱圍巖巷道掘進(jìn)內(nèi)無法保障錨桿支護(hù)作業(yè)期間內(nèi)的兩幫自穩(wěn)性，帶有兩幫臨時(shí)支護(hù)的護(hù)盾式掘進(jìn)機(jī)僅能在穩(wěn)定圍巖條件下使用，且對地質(zhì)條件變化適應(yīng)性低，難以普遍推廣。

(3)掘進(jìn)工序高效協(xié)同和掘進(jìn)裝備群的智能化協(xié)作。目前，掘進(jìn)工作面作業(yè)線上各設(shè)備各自獨(dú)立，缺乏信息感知、交流、互通功能，實(shí)時(shí)協(xié)作能力弱、人機(jī)交互性差，掘進(jìn)流水線沒有形成。為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)裝備群智能協(xié)同作業(yè)，馬宏偉等[7]提出了基于Agent和基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的并作控制方法，以及l(fā)eader-follower法和基于行為法的智能協(xié)同控制方法，吳淼等[8]提出了基于數(shù)字孿生的巷道并行工藝技術(shù)，利用多源傳感器信息鏈接和互譯實(shí)現(xiàn)并行掘進(jìn)裝備物理實(shí)體與“虛擬數(shù)字孿生體”之間的交互感知。

2 煤礦智能掘進(jìn)保障技術(shù)

我國煤礦巷道掘進(jìn)技術(shù)水平尚未到達(dá)完全機(jī)械化水平，設(shè)備開機(jī)率、可靠性、截割效率均較低，因此煤礦智能掘進(jìn)不僅需要以自動截割、智能支護(hù)等智能掘進(jìn)技術(shù)支撐，更需要地質(zhì)探測、圍巖控制、設(shè)備可靠性等技術(shù)保障。筆者團(tuán)隊(duì)提出了掘進(jìn)設(shè)備可靠性、巷道圍巖狀態(tài)在線感知、巷道圍巖時(shí)效控制、低比能耗高效截割、掘進(jìn)粉塵綜合防治5類煤礦智能掘進(jìn)保障技術(shù)。

2.1 掘進(jìn)設(shè)備可靠性技術(shù)

巷道掘進(jìn)的智能化和快速化決定掘進(jìn)設(shè)備應(yīng)具有較高的可靠性指標(biāo)。掘進(jìn)設(shè)備應(yīng)從設(shè)計(jì)論證階段開始，進(jìn)行質(zhì)量可靠性設(shè)計(jì)管理?？煽啃栽O(shè)計(jì)及分析的關(guān)鍵技術(shù)主要包括可靠性建模技術(shù)、可靠性預(yù)計(jì)技術(shù)、可靠性分配技術(shù)、薄弱環(huán)節(jié)分析技術(shù)、特性分析與適應(yīng)性分析技術(shù)、耐久性分析技術(shù)等。筆者團(tuán)隊(duì)從掘進(jìn)設(shè)備的特點(diǎn)出發(fā)，提出了掘進(jìn)設(shè)備可靠性分析方法，建立了數(shù)字化溯源制造體系和全生命周期性能監(jiān)控體系，主要包括耐久性仿真試驗(yàn)與加速壽命試驗(yàn)(圖1)、工藝可靠性分析及過程質(zhì)量監(jiān)控、虛擬維修與維修策略、安全性分析與風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、可靠性系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)分析評估。

提升掘進(jìn)設(shè)備的可靠性不僅需要按照科學(xué)的可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行可靠性攻關(guān)，還需要不斷利用新技術(shù)、新材料等工藝技術(shù)的創(chuàng)新來突破。筆者及其團(tuán)隊(duì)針對巖巷掘進(jìn)機(jī)可靠性低的瓶頸，開發(fā)了巖石截割頻率與整機(jī)固態(tài)頻率識別消振系統(tǒng)、低頻大振幅減振吸振裝置、元部件無鍵精密配合設(shè)計(jì)制造工藝，實(shí)現(xiàn)振動主動抑制;研發(fā)了油膜軸承行星傳動等元部件原位強(qiáng)化技術(shù)，同體積元部件強(qiáng)度提高50%以上;研發(fā)了傳動、液壓和控制系統(tǒng)的加速壽命試驗(yàn)方法和平臺，模擬井下工況試驗(yàn)持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化;研制的掘進(jìn)設(shè)備廣泛采用在線鐵譜、在線油液質(zhì)量檢測、集中潤滑等技術(shù)來實(shí)時(shí)監(jiān)測和優(yōu)化掘進(jìn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，提升設(shè)備的可靠性[9]。

2.2 巷道圍巖狀態(tài)在線感知技術(shù)

巷道圍巖狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知和掘支過程中的穩(wěn)定性控制是智能掘進(jìn)的共性基礎(chǔ)問題，智能掘進(jìn)需要即時(shí)感知圍巖的動態(tài)信息從而進(jìn)行圍巖穩(wěn)定性智能判斷。

(1)巷道圍巖地質(zhì)勘探技術(shù)。圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)是巷道圍巖時(shí)效控制的基礎(chǔ)。為快速獲得地應(yīng)力、圍巖強(qiáng)度等參數(shù)，康紅普等[10]建立了煤礦井下單孔、多參數(shù)、耦合地質(zhì)力學(xué)原位快速測試方法，并開發(fā)出配套測試儀器。彭蘇萍等[11]建立了三維地震可視化解釋與反演技術(shù)、縱橫波聯(lián)合解釋技術(shù)等為基礎(chǔ)的煤礦高分辨率三維地質(zhì)勘探技術(shù)體系，并研制了礦井地質(zhì)雷達(dá)和多波地震儀裝備。

(2)巷道圍巖隨掘探測技術(shù)。巷道圍巖隨掘探測一方面是為了獲得工作面前方隱蔽致災(zāi)地質(zhì)異常體的空間賦存及特性，解決掘進(jìn)中小斷層、煤厚變化、陷落柱、老空區(qū)、下組煤以及含水構(gòu)造等地質(zhì)問題，另一方面是為了在掘進(jìn)過程中實(shí)時(shí)感知和判斷圍巖的穩(wěn)定性，為支護(hù)機(jī)器人提供在線、連續(xù)、實(shí)時(shí)的圍巖狀態(tài)信息，以保證后者能根據(jù)圍巖狀態(tài)信息實(shí)時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)。在巷道圍巖穩(wěn)定性辨識方面，康紅普等提出2個(gè)研究方向：① 研究粉塵條件下圖像識別與處理技術(shù)，通過激光掃描、紅外相機(jī)等實(shí)時(shí)監(jiān)測圍巖的變形和破壞;② 研究圍巖穩(wěn)定性實(shí)時(shí)預(yù)警判據(jù)，通過預(yù)警判據(jù)來調(diào)整支護(hù)方式與參數(shù)[10]。在巷道超前物探技術(shù)方面，主要的探測手段有瑞雷波、二維地震、瞬變電磁儀、直流電法、音頻電透等物探技術(shù)，彭蘇萍等[11]建立了煤層穩(wěn)定性地質(zhì)力學(xué)評價(jià)與控制理論體系，并提出研發(fā)與慣導(dǎo)技術(shù)一體的高分辨煤巖辨識儀器裝備。目前，物探技術(shù)的探測精度難以滿足實(shí)際工程需要，超前鉆探技術(shù)在我國大量巷道中應(yīng)用，但超前鉆探技術(shù)的鉆探用時(shí)長，影響掘進(jìn)效率，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖控制難度增大。為此，筆者提出鉆探+物探融合探測技術(shù)(圖2)，即在掘進(jìn)路徑上采用短距鉆探方式，利用孔間物探透視技術(shù)提高探測距離同時(shí)控制鉆探方向，從而保證快速掘進(jìn)。

2.3 巷道圍巖時(shí)效控制技術(shù)

圍巖控制需要體現(xiàn)時(shí)效性，需要快感知、快決策、快響應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)快速的掘支循環(huán)，保障智能掘進(jìn)的順利進(jìn)行。

(1)掘進(jìn)工作面低密度錨桿智能支護(hù)技術(shù)。掘進(jìn)工作面空間受限，難以布置多組鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)快速支護(hù)，有2個(gè)技術(shù)途徑解決。一方面，研究提升錨桿支護(hù)效率的技術(shù)，如(含或不含錨固劑、自鉆或非自鉆)空心錨桿、煤幫螺旋自錨、多相液體混合膨脹劑、柔性聚氨酯網(wǎng)、注漿錨索等技術(shù)；另一方面，研究空間多維度同步支護(hù)技術(shù)，即將一部分錨桿滯后到掘進(jìn)工作面后方進(jìn)行同步支護(hù)，而這種方式能夠?qū)崿F(xiàn)的前提是掘進(jìn)工作面的低密度錨桿能夠有效控制圍巖，形成自穩(wěn)區(qū)，故需要研究掘進(jìn)工作面在低密度支護(hù)應(yīng)力場、原巖應(yīng)力場等作用下圍巖損傷的時(shí)效特征，根據(jù)特征來調(diào)整掘進(jìn)工作面支護(hù)密度。此外，新型柔性錨桿、高預(yù)應(yīng)力錨固等新技術(shù)可在降低支護(hù)密度同時(shí)達(dá)到原有的圍巖控制效果。

(2)空頂區(qū)的圍巖穩(wěn)定性控制技術(shù)。掘進(jìn)工作面頂板在已支護(hù)區(qū)、臨時(shí)支護(hù)和端頭煤體的共同約束下形成時(shí)效自穩(wěn)區(qū)，為智能掘進(jìn)提供了時(shí)空條件。在自穩(wěn)期間內(nèi)，按現(xiàn)有錨桿支護(hù)工藝水平、獲得最大的錨桿支護(hù)密度(最大的錨桿支護(hù)密度≤設(shè)計(jì)支護(hù)密度)、形成連續(xù)性控頂是空頂區(qū)圍巖控制的主要目標(biāo)。當(dāng)自穩(wěn)期較短時(shí)，如軟弱破碎、高應(yīng)力軟巖、沖擊地壓巷道，應(yīng)用超前預(yù)注漿、支-卸組合支護(hù)等技術(shù)需要結(jié)合掘進(jìn)設(shè)備實(shí)際，將技術(shù)盡可能與掘進(jìn)裝備一體化設(shè)計(jì)，保證智能掘進(jìn)的平臺基礎(chǔ)。

2.4 低比能耗高效截割技術(shù)

低比能耗高效截割技術(shù)[1]的研究主要是為了提升截割能力和截割系統(tǒng)可靠性。筆者團(tuán)隊(duì)利用截齒截割試驗(yàn)臺(圖3)、掘進(jìn)機(jī)整機(jī)試驗(yàn)場開展相關(guān)研究，主要技術(shù)成果有:

(1)截割機(jī)理研究。針對煤巖截割機(jī)理不清、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)匱乏等問題，創(chuàng)建了截割試驗(yàn)臺(圖3)，經(jīng)試驗(yàn)確立了截齒角度、截深、切屑厚度、單刀力、截線間距之間的優(yōu)化匹配關(guān)系，提出了煤巖特性-截割速度-截齒單刀力-載荷譜-整機(jī)穩(wěn)定性耦合模型，揭示了掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)理，提出了小滾筒大單刀力的設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了高效截割。截齒旋轉(zhuǎn)截割巖石的破碎過程大致可以分為初始壓碎區(qū)細(xì)粒巖屑生成、密實(shí)核形成并儲能、各向裂紋的擴(kuò)展與連通、斷裂體崩落、二次壓碎區(qū)細(xì)粒巖屑生成5個(gè)階段，且?guī)r屑的斷裂是以拉伸為主并伴隨著擠壓和剪切的共同作用;通過截齒破巖試驗(yàn)，得到了截齒安裝角度與切削效率、截割對象的最優(yōu)匹配關(guān)系;不同形狀的截齒，隨著截齒合金頭直徑、齒身錐度的變化，其截割力的變化不同。齒身錐度、合金頭大小與截齒截割力的關(guān)系服從指數(shù)分布，截割力與錐度成正相關(guān)，與合金頭大小反相關(guān)。通過不同截線間距(s)和切削深度(d)的組合截割試驗(yàn)，得到s/d為2～4時(shí)比能耗最低。

(2)強(qiáng)力截齒研究。針對掘進(jìn)機(jī)截齒磨損大、易斷齒、單刀力小、經(jīng)濟(jì)性差等問題，研發(fā)了高硬度、高耐磨、大直徑硬質(zhì)合金和真空爐釬焊淬火連續(xù)工藝，截齒單刀力、綜合機(jī)械性能提高50%，損耗降低65%。通過截齒工作溫度與巖石硬度、截割深度關(guān)系的分析研究，得到截齒截割深度和截齒溫度分布的關(guān)系(圖4)。

(3)滾筒優(yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)截齒試驗(yàn)得到的截割規(guī)律，設(shè)計(jì)了截齒排布的算法，開發(fā)了截割滾筒交互式設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)截齒排布的優(yōu)化設(shè)計(jì)、截割滾筒的載荷計(jì)算和切屑圖模擬(圖5)。

(4)滾筒高精度制造。針對截齒定位偏差大造成的滾筒不均勻磨損、壽命低的問題，開發(fā)了滾筒高精度的自動定位專用焊接機(jī)器人，采用齒座焊接三維空間定位系統(tǒng)(圖6，其中，βR為倒角;αR為轉(zhuǎn)角;γR為仰角;θR為圓周角;P為齒尖坐標(biāo)點(diǎn))，刀具齒尖定位精度±2 mm，角度精度±0.5°。研制的截割滾筒平均壽命提高1倍以上。

(5)截割穩(wěn)定性控制技術(shù)。截割穩(wěn)定性是評價(jià)掘進(jìn)設(shè)備工作性能的重要指標(biāo)，一般用整機(jī)工作時(shí)縱向傾覆力矩來衡量。受截割載荷的隨機(jī)激勵和整機(jī)截割過程中重心的變化影響，傾覆力矩的變化呈現(xiàn)隨機(jī)性，為截割穩(wěn)定性控制帶來一定難度?；诖耍P者團(tuán)隊(duì)提出采用截割巖石動載荷特征提取及識別技術(shù)來精確控制截割牽引速度的方法，并基于組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和D-S證據(jù)理論的多傳感器信息融合技術(shù)開發(fā)了動載荷識別方法和相應(yīng)識別軟件(圖7)，動載荷識別的準(zhǔn)確率達(dá)到86%，有效避免了截割過程中劇烈振動和失穩(wěn)等問題[12];同時(shí)，研發(fā)了基于油氣懸掛的變坡穩(wěn)定性可調(diào)節(jié)的自適應(yīng)浮動式前后支撐機(jī)構(gòu)，解決了掘進(jìn)機(jī)大坡度作業(yè)下穩(wěn)定性控制的技術(shù)難題。

(6)基于最大功率密度的截割減速器緊湊設(shè)計(jì)方法。針對掘進(jìn)機(jī)截割傳動系統(tǒng)體積受限難以適應(yīng)大載荷、強(qiáng)沖擊的問題，提出了最大功率密度的緊湊設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了超高強(qiáng)度和高淬透性齒輪材料低溫馬氏體處理工藝、傳動副齒形和齒向修緣技術(shù)和無軸承行星傳動技術(shù)，研制了橫軸式硬巖掘進(jìn)機(jī)截割減速器(圖8)，實(shí)現(xiàn)了同體積減速器功率增大1/3。

針對大功率密度下截割減速器熱功率無法平衡的問題，開發(fā)了截割減速器用無額外動力強(qiáng)制冷卻潤滑系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)減速器全位姿潤滑和重載連續(xù)運(yùn)行，其原理系統(tǒng)如圖9所示。

(7)硬巖截割技術(shù)。采用鎬型截齒破碎煤巖，當(dāng)巖石硬度和磨蝕性增加時(shí)，截齒無法有效切入巖體時(shí)，導(dǎo)致齒尖溫度升高，截齒加快磨損，截割經(jīng)濟(jì)性急速下降。當(dāng)單向抗壓強(qiáng)度小于100 MPa時(shí)，截齒消耗率約0.3把/m3。因此，普通硬質(zhì)合金截齒在硬巖截割方面存在技術(shù)瓶頸，國外探索了超硬多晶金剛石截齒、盤形滾刀、鑲齒滾刀、一體式截盤+扭震截割、高壓水射流輔助截割、沖擊破巖等技術(shù)[13]，進(jìn)一步豐富了硬巖截割方法。筆者認(rèn)為硬巖截割的最經(jīng)濟(jì)、高效的方式是高壓水射流輔助截割+鎬型截齒組合破巖方式，利用高壓水射流輔助截割技術(shù)形成足夠的自由面和巖石裂隙，再利用鎬型截齒進(jìn)行截割。李洪盛等[14]開發(fā)了高壓水射流破巖系統(tǒng)試驗(yàn)臺，采用自激振蕩脈沖射流輔助破巖技術(shù)代替連續(xù)高壓輔助破巖技術(shù)，取得了較好巖石破碎效果。

2.5 掘進(jìn)粉塵綜合防治技術(shù)

掘進(jìn)工作面粉塵大，在常規(guī)的內(nèi)外噴霧措施下掘進(jìn)工作面粉塵質(zhì)量濃度高達(dá)100 mg/m3，粉塵除嚴(yán)重影響職工健康外，也制約了視覺技術(shù)在巷道掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，筆者從產(chǎn)塵、控塵、除塵、主動防護(hù)4方面論述快速掘進(jìn)工作面粉塵成套防治技術(shù)[1]。

(1)基于截割裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化的產(chǎn)塵抑制技術(shù)。截割產(chǎn)塵與截割破巖機(jī)理密切相關(guān)，巖屑在周期性崩落過程中，在截齒的切削作用下形成密實(shí)核，并通過截齒錐面與巖體間的間隙高速釋放，從而形成大量粉塵。通過截齒截割試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，截齒錐角、切削角、切削速度及磨損等因素對產(chǎn)塵量均有不同程度影響，截線距與切削厚度之比為3時(shí)產(chǎn)塵量最小，耐磨寬型合金頭對降低產(chǎn)塵量效果明顯，通過優(yōu)化截線距、轉(zhuǎn)速、牽引速度等截割參數(shù)，可有效降低截割產(chǎn)塵量。截割內(nèi)噴霧技術(shù)是截割滅塵的有效方法，但旋轉(zhuǎn)水封的壽命低制約該技術(shù)難以普遍應(yīng)用。為此，筆者研發(fā)了內(nèi)噴霧浮動旋轉(zhuǎn)水封裝置，壽命可達(dá)6個(gè)月[15]。

(2)基于附臂風(fēng)筒的控塵技術(shù)。附壁風(fēng)筒控塵是利用風(fēng)流附壁效應(yīng)原理，將壓入式通風(fēng)的軸向風(fēng)流變?yōu)閺较蝻L(fēng)流并在除塵器負(fù)壓抽吸的作用下，形成向掘進(jìn)工作面逐漸推進(jìn)的風(fēng)墻，從而將掘進(jìn)機(jī)截割的粉塵抑制在距離掘進(jìn)工作面一定的范圍內(nèi)。筆者及團(tuán)隊(duì)研制了基于風(fēng)筒材料的風(fēng)量可調(diào)附壁風(fēng)筒，并在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，隨著掘進(jìn)進(jìn)尺增加附壁風(fēng)筒并未及時(shí)向前移動時(shí)，控塵效果均處于高效控塵階段，并基于此開發(fā)了新型附壁風(fēng)筒控塵工藝。如圖10所示(其中，Qc為抽風(fēng)量;Qy為壓風(fēng)量;A為巷道斷面面積)，在低瓦斯巷道，附壁風(fēng)筒距掘進(jìn)工作面距離推薦但不應(yīng)超過除塵器出風(fēng)口[16]。

(3)干式除塵技術(shù)。地面成熟的干式除塵系統(tǒng)因體積大、不防爆、不防靜電，不能直接應(yīng)用在掘進(jìn)工作面，為此開發(fā)了無龍骨扁框袋式除塵器，采用小體積無龍骨自承式菱形濾袋、Z形風(fēng)道、氣動脈沖自動清灰技術(shù)，總塵除塵效率達(dá)99.7%，呼塵除塵效率98%。

(4)濕式除塵技術(shù)。濕式除塵器因體積小、價(jià)格低廉，在我國煤礦巷道中大量應(yīng)用，但其除塵效率較低，為此，對粒徑小于10 μm粉塵過濾效率可達(dá)99%的濕式除塵器，采用濾網(wǎng)表面超疏水改性、雙面兩級流線形氣液分離等技術(shù)，降低了除塵器凈化后氣流含水量。

(5)主動防護(hù)技術(shù)。針對國內(nèi)普遍使用的防塵口罩呼吸阻力大、過濾效果差、易積塵、佩戴舒適性低、影響工作效率等問題，中國煤炭科工集團(tuán)沈陽研究院研制礦用動力送風(fēng)式濾塵口罩，其主機(jī)內(nèi)特別設(shè)計(jì)的微型風(fēng)機(jī)高效吸入外界空氣，經(jīng)過濾器過濾后傳送至呼吸面罩，在面罩內(nèi)產(chǎn)生正壓，供佩戴者呼吸清潔空氣。J H Fletcher公司開發(fā)了頂棚空氣幕技術(shù)[17]，將工作區(qū)域用增壓空氣包圍，利用帶過濾功能的風(fēng)機(jī)將過濾后的新鮮氣流通過管路輸送至頂棚下的增壓室，從而在錨桿司機(jī)周邊形成保護(hù)區(qū)。

3 基于掘支運(yùn)一體化技術(shù)的智能快掘系統(tǒng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)以上對智能掘進(jìn)主要難題和保障技術(shù)的分析，筆者提出了以邊緣感知、平臺決策、設(shè)備執(zhí)行、遠(yuǎn)程運(yùn)維4個(gè)維度的智能掘進(jìn)系統(tǒng)基本架構(gòu)，如圖11所示。

(1)邊緣感知層。通過感知掘進(jìn)工作面的地質(zhì)條件、掘進(jìn)環(huán)境、裝備工況，改變傳統(tǒng)掘進(jìn)過程中依靠人工來進(jìn)行工作面“環(huán)境感知”的工作。

基于圍巖狀態(tài)在線感知技術(shù)，構(gòu)建面向掘進(jìn)工作面的高精度三維動態(tài)地質(zhì)模型，根據(jù)掘進(jìn)過程中揭露的實(shí)際地質(zhì)信息對模型修正，將裝備狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)、超前探測參數(shù)、巷道成形質(zhì)量與三維地質(zhì)模型進(jìn)行有效融合，為截割、支護(hù)控制提供數(shù)據(jù)支撐。

(2)平臺決策層。通過數(shù)據(jù)匯聚并引入由裝備行為準(zhǔn)則為支撐的掘進(jìn)決策控制平臺中，基于大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)，形成決策思想來代替原有靠人工“判斷”的環(huán)節(jié)?；谙锏绹鷰r時(shí)效控制技術(shù)，研究圍巖失穩(wěn)判據(jù)、錨桿支護(hù)承載特性、煤巖截割載荷特性等截割、支護(hù)的作用機(jī)理及特性，構(gòu)建裝備行為控制模型。

(3)設(shè)備執(zhí)行層。突破智能支護(hù)、自動截割等關(guān)鍵技術(shù)，構(gòu)建智能掘進(jìn)系統(tǒng)平臺，依靠智能掘進(jìn)成套裝備來實(shí)現(xiàn)截割、支護(hù)等工序動作。基于掘支運(yùn)一體化技術(shù)的智能掘進(jìn)成套裝備解決了裝備與工藝間的協(xié)同問題，實(shí)現(xiàn)了多設(shè)備協(xié)同作業(yè)。掘錨一體機(jī)實(shí)現(xiàn)自動截割、錨桿支護(hù)、臨時(shí)支護(hù)、裝載和出料功能;錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)自動跟隨掘錨一體機(jī)，實(shí)現(xiàn)煤流緩沖、塊煤破碎、出料、滯后錨桿支護(hù)功能;柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長距離轉(zhuǎn)載搭接、轉(zhuǎn)運(yùn)功能。

(4)遠(yuǎn)程運(yùn)維層。智能掘進(jìn)設(shè)備需要全生命周期維護(hù)，其運(yùn)維主體應(yīng)從使用者轉(zhuǎn)移至設(shè)備供應(yīng)商。在大數(shù)據(jù)分析和歷史數(shù)據(jù)挖掘的支撐下可對設(shè)備進(jìn)行維護(hù)預(yù)警;當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)上傳至云端，設(shè)備供應(yīng)商通過專家系統(tǒng)遠(yuǎn)程判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并下發(fā)基于VR技術(shù)的經(jīng)典維護(hù)教程，指導(dǎo)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)。

包含以上4個(gè)環(huán)節(jié)的基本架構(gòu)解決了傳統(tǒng)掘進(jìn)模式中遇到的看不清、斷不明、掘不快、修不了的實(shí)際問題，并轉(zhuǎn)化為邊緣感知、平臺決策、設(shè)備執(zhí)行、遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)保障，通過感知煤層賦存和圍巖特性、掘進(jìn)環(huán)境和裝備工況，將工作面各種設(shè)備和環(huán)境有機(jī)和諧地統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自主運(yùn)行，減少人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)安全、高效、綠色掘進(jìn)，成套設(shè)備一鍵操作，成為自主感知、自主分析、自主決策、自主執(zhí)行的掘進(jìn)生產(chǎn)系統(tǒng)。筆者從設(shè)備執(zhí)行層方面總結(jié)了基于掘支運(yùn)一體化技術(shù)的智能快掘系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括掘錨(探)一體化、自動截割、智能支護(hù)、掘進(jìn)導(dǎo)航、遠(yuǎn)程集控、連續(xù)運(yùn)輸、空間多維度同步支護(hù)等技術(shù)。

3.1 掘錨(探)一體化技術(shù)

掘錨一體化技術(shù)是為提升掘進(jìn)效率和掘進(jìn)作業(yè)安全水平而將掘進(jìn)和錨桿支護(hù)功能集成在同臺設(shè)備上的技術(shù)，主要包括懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)載錨桿鉆機(jī)(標(biāo)準(zhǔn)名稱“掘錨機(jī)”)和掘錨機(jī)組(標(biāo)準(zhǔn)名稱“掘錨一體機(jī)”)。掘錨機(jī)應(yīng)用于20世紀(jì)80年代，其將1～2臺鉆機(jī)布置于截割部或機(jī)身兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)掘后即錨，其最小空頂距0.3 m，滿足較復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進(jìn)全機(jī)械化作業(yè)要求，主要問題是掘支無法平行作業(yè)、鉆臂數(shù)量少、效率低;掘錨一體機(jī)20世紀(jì)90年代由現(xiàn)在的Sandvik公司研制，其通過主副機(jī)架相對滑動解決掘錨平行作業(yè)難題，機(jī)載多至6臺鉆機(jī)，最小空頂距2.5 m，主要問題是空頂(幫)距和接地比壓均較大，適應(yīng)范圍小。筆者團(tuán)隊(duì)在分析和總結(jié)國外掘錨一體機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研制了掘錨探一體機(jī)(圖12)，主要技術(shù)特點(diǎn)有:

(1)截割系統(tǒng)采用雙驅(qū)動高速合流重型截割減速器，截割功率達(dá)340 kW(進(jìn)口機(jī)型270 kW)，截割采用限矩器、扭矩軸、電氣三重保護(hù)技術(shù)(進(jìn)口機(jī)型僅電氣保護(hù))，提高了截割能力。

(2)行走系統(tǒng)采用低比壓寬履帶+履帶交流變頻驅(qū)動(進(jìn)口機(jī)型液壓馬達(dá)驅(qū)動)，過載能力強(qiáng)，接地比壓0.2 MPa(進(jìn)口機(jī)型0.28 MPa)，提高了對偏軟底板的適應(yīng)性。

(3)錨桿鉆機(jī)根據(jù)圍巖條件存在2種配置。4臺頂錨鉆機(jī)采用橫向滑移式設(shè)計(jì)，滿足垂直支護(hù)要求，2臺幫錨鉆機(jī)采用大提升行程設(shè)計(jì)，滿足大范圍幫錨支護(hù)要求。

(4)前探式臨時(shí)支護(hù)，將臨時(shí)支護(hù)空頂距0.4 m(進(jìn)口機(jī)型1.0 m)，提高對破碎頂板適應(yīng)性。

(5)集成超前鉆機(jī)。掘錨一體機(jī)因機(jī)身龐大，傳統(tǒng)坑道鉆機(jī)無法布置到掘進(jìn)工作面施工，通常采用耳巷鉆孔施工方式，施工效率低，故將超前鉆機(jī)有效集成到掘錨一體機(jī)上，滿足鉆孔深度80～120 m的鉆探需求。

針對掘錨一體機(jī)空頂(幫)距大、適應(yīng)范圍小的問題，小松JOY研制的12ED15等系列掘錨一體機(jī)采用“犁式”鏟板、截割滾筒裝煤及“藏刀”支護(hù)作業(yè)的方式將空頂距降至1.4 m，但“藏刀”支護(hù)作業(yè)并不利于圍巖的穩(wěn)定;中國煤炭科工集團(tuán)上海研究院研制的EJM2×200/2掘錨一體機(jī)[18]，采用雙臂鉆機(jī)折疊式可伸縮設(shè)計(jì)，滿足空頂距小于1個(gè)排距的巷道施工要求，采用雙截割臂內(nèi)擺設(shè)計(jì)以減小轉(zhuǎn)彎半徑，局限性是機(jī)載2臂鉆機(jī)無法滿足快速掘進(jìn)要求;為此，筆者提出攻關(guān)軟弱圍巖巷道條件下掘錨探一體化技術(shù)，將頂/幫6組鉆臂通過滑移平臺前探至掘進(jìn)工作面從而降低空頂距，設(shè)計(jì)有效防護(hù)頂棚和臨時(shí)支護(hù)，保障作業(yè)安全。

3.2 掘進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)

掘進(jìn)導(dǎo)航技術(shù)主要解決3類問題:① 掘進(jìn)定向。保證成型巷道在空間位置上滿足使用要求，保證綜采工作面的順利布置和高效開采;該問題需要將掘進(jìn)系統(tǒng)的導(dǎo)航信息與三維動態(tài)地質(zhì)模型進(jìn)行有效融合。② 掘進(jìn)機(jī)定位。保證掘進(jìn)機(jī)和成型巷道的相對位姿，為自動截割控制提供精確位姿信息，保證巷道成型質(zhì)量。③ 掘進(jìn)系統(tǒng)協(xié)同作業(yè)。保證掘進(jìn)機(jī)與后配套設(shè)備自動跟機(jī)作業(yè)。

慣導(dǎo)系統(tǒng)采用自主航位推算方法，適用于煤礦井下封閉空間，但存在長航時(shí)累積誤差且無法自行修正的缺陷，為此，筆者團(tuán)隊(duì)開發(fā)了慣導(dǎo)+里程計(jì)的組合導(dǎo)航系統(tǒng)(圖13)，通過里程計(jì)在設(shè)定時(shí)間標(biāo)定慣導(dǎo)系統(tǒng)的初始位置，可提供設(shè)備航向角、爬坡角、底板橫向傾角3種導(dǎo)向參數(shù)，航向精度達(dá)0.25(°)/h，橫滾、俯仰精度0.05(°)/h。

3.3 自動截割技術(shù)

全寬截割技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割效率低的難題，同時(shí)也降低了截割的自動化控制難度。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的自動截割屬智能定形截割問題，包括機(jī)身精確定位、截割軌跡路徑規(guī)劃、循跡跟蹤控制及斷面成形誤差分析與修正等，而掘錨一體機(jī)的自動截割控制則相對容易，其對機(jī)身定位精度要求較低，只需對掏槽油缸、截割升降油缸進(jìn)行精確控制，即可實(shí)現(xiàn)升刀、掃頂、下切、掃底等工序全截割工序自動化。如圖14所示，掏槽位移通過位移傳感器測量，截割高度則通過安裝與截割臂回轉(zhuǎn)軸的編碼器測量。目前，掏槽位移的控制精度5 mm，滿足實(shí)際工程要求，而采高的測量是通過角度換算得到，受結(jié)構(gòu)加工偏差的影響，其控制精度50 mm，需要進(jìn)一步采用截割油缸內(nèi)置位移傳感器的方式來提高采高控制精度。

自動截割技術(shù)不僅要完成截割作業(yè)的程序化控制，同時(shí)還需要在外界工況變化下及時(shí)調(diào)整截割參數(shù)，實(shí)現(xiàn)截割參數(shù)與環(huán)境、裝運(yùn)系統(tǒng)動態(tài)自配準(zhǔn)。為此，筆者及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了掘錨一體機(jī)自動截割系統(tǒng)，其控制架構(gòu)如圖15所示。該控制系統(tǒng)的功能主要有截割動作與瓦斯含量聯(lián)動閉鎖、截割動作與截割齒輪箱溫度和流量的聯(lián)動閉鎖、截割速度與裝載、運(yùn)輸電機(jī)溫度的自適應(yīng)控制、截割速度與截割電機(jī)的自適應(yīng)控制。

3.4 智能支護(hù)技術(shù)

智能支護(hù)技術(shù)是解決錨桿支護(hù)少人化、無人化的問題，主要技術(shù)難點(diǎn)有全流程自動化鉆架機(jī)械系統(tǒng)、鉆機(jī)軌跡跟蹤與定位找孔、樹脂錨護(hù)劑自動裝填、自動鋪網(wǎng)、自適應(yīng)鉆孔等。國外小松JOY公司研制的智能鉆機(jī)采用電液控技術(shù)，具有自適應(yīng)鉆孔、自動鉆孔循環(huán)、防失速等功能，Sandvik公司的鉆機(jī)具有構(gòu)建頂板巖層硬度地圖功能，J H Fletcher，Atlas等公司推出了全自動錨桿鉆車產(chǎn)品;國內(nèi)景隆重工推出了全自動兩臂頂錨桿鉆車[19]，采用錨固劑與錨桿組合式方案，具有適應(yīng)巷道高度高、對孔困難、成本高等問題;馬宏偉等[20]提出基于激光測距傳感器和激光雷達(dá)的組合傳感器定位方法，實(shí)現(xiàn)錨桿-鉆錨機(jī)器人-工作面3者的定位;康彥君[21]采用直接標(biāo)定法獲得鉆臂末端運(yùn)動學(xué)參數(shù)。筆者及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了鉆機(jī)電液控制、錨索支護(hù)自動連續(xù)鉆孔[22]和全自動錨桿支護(hù)等成套智能支護(hù)技術(shù)，研制了全自動錨桿鉆車，如圖16所示。

全自動錨桿鉆車可自主完成錨桿支護(hù)全部工序。采用鉆/錨箱切換+鏈?zhǔn)藉^桿倉的智能錨護(hù)模塊實(shí)現(xiàn)鉆孔、安裝錨桿的全自動化，基于轉(zhuǎn)矩傳感器測量可以實(shí)現(xiàn)鉆箱旋轉(zhuǎn)速度、鉆進(jìn)速度和推進(jìn)力參數(shù)自適應(yīng)功能，使鉆機(jī)工作參數(shù)達(dá)到最優(yōu)匹配，在鉆頭磨損量最小的前提下取得最佳的鉆孔速度，采用分段線性回歸法和不確定區(qū)間算法解決鉆臂定位誤差補(bǔ)償問題[23-24]，采用氣動裝填技術(shù)實(shí)現(xiàn)錨固劑的自動裝填，設(shè)計(jì)了自動鋪網(wǎng)裝置將錨網(wǎng)自動安裝至頂板和兩幫。

針對掘錨一體機(jī)上集成智能鉆機(jī)的問題，受掘錨一體機(jī)的空間限制，目前尚未有較理想的解決方法，需要在智能鉆機(jī)小型化、工藝簡化、錨固質(zhì)量自檢驗(yàn)等技術(shù)方面進(jìn)一步研究。

3.5 遠(yuǎn)程集控技術(shù)

遠(yuǎn)程集控技術(shù)是解決地面和井下遠(yuǎn)程集控中心對掘進(jìn)工作面人-機(jī)-環(huán)協(xié)同、自主管控問題，實(shí)現(xiàn)多機(jī)協(xié)同控制、設(shè)備狀態(tài)可視監(jiān)控與健康診斷、環(huán)境智能檢測、主動安全防護(hù)、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理、供配電等功能。筆者及其團(tuán)隊(duì)開發(fā)了基于掘支運(yùn)一體化智能掘進(jìn)技術(shù)的遠(yuǎn)程集控系統(tǒng)，具有回采巷道和地面調(diào)度室2種集控方式，其架構(gòu)如圖17所示。

(1)多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)。掘進(jìn)作業(yè)系統(tǒng)各作業(yè)單元在空間上各自獨(dú)立、作業(yè)數(shù)量相對較少，只需解決系統(tǒng)的自動跟機(jī)、煤流啟停、一鍵啟停等基本問題。系統(tǒng)采用超限處理、區(qū)間警報(bào)、設(shè)備姿態(tài)調(diào)整、區(qū)間停車等多種控制方式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自調(diào)試性、自組織性和自穩(wěn)定性。在自動跟機(jī)方面，錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)安裝測距傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)，來實(shí)時(shí)判斷和調(diào)整2者的相對位姿，保證錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)能夠有效受料和沿巷道中心行走，邁步式自移機(jī)尾首尾兩側(cè)安裝測距傳感器(實(shí)現(xiàn)有效行走調(diào)偏)，并安裝碰撞開關(guān)檢測其與帶式轉(zhuǎn)載機(jī)的相對位置，從而確定其行走路程。基于運(yùn)輸協(xié)同控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)回采巷道所有運(yùn)輸設(shè)備的逆煤流啟動、順煤流停車等功能。

(2)供配電與可靠通信。采用多回路組合開關(guān)對設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理。針對系統(tǒng)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)量大、無法信息互通的難題，基于無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，構(gòu)建工作面4G無線局域網(wǎng)，通過中繼器解決由遮擋造成的信號衰減問題，通過設(shè)備現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)+工作面無線局域網(wǎng)+礦山工業(yè)以太網(wǎng)的方式，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面數(shù)據(jù)交互、上傳;因5G等技術(shù)尚存在局限性，地面調(diào)度室主要實(shí)現(xiàn)的是監(jiān)控和一鍵啟停功能，尚未對裝備和系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

(3)設(shè)備狀態(tài)可視監(jiān)控與健康診斷。建立多模式感知的遠(yuǎn)程集中數(shù)字控制平臺，基于WINCE嵌入式軟件、分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫和MACS-SCADA工控組態(tài)軟件等技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視監(jiān)控、故障在線可視化診斷、設(shè)備維護(hù)預(yù)警、信息共享與多點(diǎn)訪問等功能;基于視頻拼接、圖像識別、全景成像、高清防塵攝像等技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作面的視頻采集和處理;基于數(shù)字孿生技術(shù)，創(chuàng)建成套裝備的虛擬模型，將采集的工作面的動作數(shù)據(jù)通過虛擬模型同步在線展示。

(4)主動安全防護(hù)。將掘錨一體機(jī)工作區(qū)域劃分為危險(xiǎn)、停機(jī)和安全3種區(qū)域，采用UWB測距+紅外熱成像目標(biāo)識別融合技術(shù)[25]，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域人員接近識別、報(bào)警或停機(jī)，實(shí)現(xiàn)人員雙重保護(hù)，同時(shí)具有設(shè)備主動避害、雙向報(bào)警、特殊人員管理、速度補(bǔ)償?shù)裙δ堋?

4 智能掘進(jìn)模式及工程實(shí)踐

我國煤礦巷道煤層賦存條件的復(fù)雜性決定了掘進(jìn)技術(shù)及裝備的多樣性，因此，智能掘進(jìn)要不斷擴(kuò)大智能掘進(jìn)核心技術(shù)支撐的覆蓋面，同時(shí)要總結(jié)、優(yōu)化智能掘進(jìn)模式，并在工程實(shí)踐中不斷完善。為此，筆者及其團(tuán)隊(duì)針對不同掘進(jìn)設(shè)備，提出了掘支運(yùn)一體化、全斷面掘進(jìn)機(jī)、雙錨掘進(jìn)機(jī)及5G+連續(xù)采煤機(jī)4種智能掘進(jìn)模式，在國能、中煤、山能、陜煤等集團(tuán)得到推廣應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.1 掘支運(yùn)一體化智能掘進(jìn)模式

我國已建成年產(chǎn)120萬t以上大型現(xiàn)代化煤礦1 200處以上，產(chǎn)量占全國的80%左右[2]，這些煤礦對采掘接續(xù)要求迫切，同時(shí)在資金、人才及智能化建設(shè)基礎(chǔ)方面均具有一定的優(yōu)勢。因此，針對截寬5 m以上、空頂距0.5 m以上、空幫距1.0 m以上的煤巷掘進(jìn)，應(yīng)優(yōu)先選用掘支運(yùn)一體化智能掘進(jìn)模式。該模式是以掘錨一體機(jī)為核心、以多維度同步支護(hù)等技術(shù)為支撐，配套錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)、跨騎式錨桿鉆車、柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)、自移機(jī)尾等設(shè)備組成的智能掘進(jìn)系統(tǒng)，共4種適應(yīng)不同圍巖條件下的配套方式，見表1。

(1)配套方式1:主要應(yīng)用于神東等礦區(qū)的穩(wěn)定圍巖條件(半堅(jiān)硬—堅(jiān)硬頂?shù)装?，如圖18所示，掘錨一體機(jī)截割落煤，煤巖經(jīng)破碎轉(zhuǎn)載機(jī)緩沖、破碎后，通過下穿于跨騎式錨桿鉆車的柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)出料，柔性搭接系統(tǒng)搭接100 m，滿足月進(jìn)尺2 500 m的搭接要求;跨騎式錨桿鉆車機(jī)載多臂鉆機(jī)進(jìn)行錨桿支護(hù)，實(shí)現(xiàn)掘支完全獨(dú)立;跨騎式錨桿鉆車集成集控中心功能，實(shí)現(xiàn)自動截割、可視化監(jiān)控、流程起停等功能[13]。

(2)配套方式2:主要應(yīng)用于榆林大部、鄂爾多斯北部等地區(qū)的中等穩(wěn)定圍巖條件(半堅(jiān)硬頂?shù)装?，采用掘錨一體機(jī)和錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)行平行支護(hù)，錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)兼作轉(zhuǎn)載單元，柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)搭接50 m左右，滿足月進(jìn)尺1 500 m的搭接要求;集控中心安裝于柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)后部，具有多機(jī)協(xié)同控制、可視化監(jiān)控等功能。

(3)配套方式3:主要應(yīng)用于中等復(fù)雜圍巖條件(軟弱—半堅(jiān)硬頂?shù)装?。與配套方式2相比，可采用橋式轉(zhuǎn)載機(jī)+自移機(jī)尾+自延伸托輥系統(tǒng)替換原有的柔性連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)，搭接25 m左右，滿足月進(jìn)尺700 m的搭接要求，自移機(jī)尾后部集成纜線存儲、材料暫存等裝置，并安裝集控中心。

(4)配套方式4:主要應(yīng)用于復(fù)雜圍巖條件(軟弱頂?shù)装?。與配套方式3相比，掘錨一體機(jī)需要采用小空頂、小空幫距設(shè)計(jì)。

典型應(yīng)用:2020年，針對黃陵二號煤礦屬中等復(fù)雜地質(zhì)條件，在充分論證水、瓦斯、油型氣、油氣井等7害俱全的施工條件基礎(chǔ)上，研發(fā)了快速掘進(jìn)地面遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)(圖19)，應(yīng)用集群設(shè)備多信息融合網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程割煤、煤巖運(yùn)輸、錨索支護(hù)自動連續(xù)鉆孔的一鍵啟停、設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測等功能，工作面共5人作業(yè)(錨桿支護(hù)5人)，掘進(jìn)工效提高2倍。

4.2 全斷面掘進(jìn)機(jī)智能掘進(jìn)模式

針對斜井、平硐、瓦斯抽放巷等巖巷掘進(jìn)，應(yīng)優(yōu)先選用全斷面掘進(jìn)機(jī)智能掘進(jìn)模式。全斷面掘進(jìn)機(jī)集截割、支護(hù)、出渣、除塵等功能于一體，具有低擾動、成型好、高效率(主要指硬巖截割效率)、高安全性等優(yōu)勢，同時(shí)也有進(jìn)轉(zhuǎn)場時(shí)間長(安裝、拆除工期2.5個(gè)月)、地質(zhì)條件變化適應(yīng)性差、支護(hù)效率低、轉(zhuǎn)彎半徑大(不能聯(lián)巷轉(zhuǎn)彎掘進(jìn))等缺陷，故要求施工巷道長度長(3 km以上)、緩傾斜(坡度8°以內(nèi))、揭煤少、圍巖穩(wěn)定(軟巖易卡機(jī))等，其配套方式主要有3種，見表2。

與工程隧道掘進(jìn)相比，煤礦巷道全斷面掘進(jìn)一般采用錨網(wǎng)噴支護(hù)來替換傳統(tǒng)的管片施工，要求掘進(jìn)機(jī)集成支護(hù)鉆機(jī)。針對傳統(tǒng)礦用TBM采用圓形巷道斷面利用低、兩幫穩(wěn)定性差和支護(hù)難度大等問題，中煤科工集團(tuán)上海研究院在頂管技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了MJJ3800×5800全斷面護(hù)盾式矩形掘進(jìn)機(jī)(圖20)，整機(jī)質(zhì)量320 t，裝機(jī)功率2 807 kW，采用鎬型和刀型截齒、5組刀盤實(shí)現(xiàn)全斷面切割，并通過刀盤運(yùn)動實(shí)現(xiàn)可變異形截割(拱形、梯形)，機(jī)載4組頂錨鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè);同時(shí)，Sandvik、Prairie、北方重工等公司研制了全斷面敞開式矩形掘進(jìn)機(jī)，主要采用2組或多組刀盤+上下頂?shù)装鍧L筒進(jìn)行全斷面截割，巷道形狀為雙腰矩形。

全斷面掘進(jìn)機(jī)智能掘進(jìn)技術(shù)主要有巖體感知、煤巖界面識別、智能截割、智能導(dǎo)向、智能支護(hù)、故障診斷等[26]。巖體感知采用激發(fā)極化、破巖震源等超前地質(zhì)探測方法;煤巖界面識別技術(shù)是融合巖渣圖像視覺識別、電-液傳感數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對煤巖分界面的預(yù)知預(yù)判;智能截割是以獲取最佳粒度值、最佳比能耗、減少滾刀消耗、換刀時(shí)間及換刀頻率為目標(biāo)，基于煤巖界面預(yù)測結(jié)果對推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速及貫入度等自適應(yīng)調(diào)整;智能導(dǎo)向采用慣性導(dǎo)航及激光雷達(dá)融合技術(shù)，對全斷面掘進(jìn)機(jī)的行走位置及三維姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測及動態(tài)調(diào)整，滿足精準(zhǔn)導(dǎo)向需要;針對管片支護(hù)難以適應(yīng)煤礦巷道支護(hù)的問題，創(chuàng)新集成機(jī)載錨桿鉆機(jī)，實(shí)現(xiàn)空間大斷面實(shí)時(shí)錨桿支護(hù)要求;研制基于大數(shù)據(jù)信息的TBM云平臺，實(shí)現(xiàn)多源傳感器信息感知、傳輸、融合及智能決策等功能，以及全斷面掘進(jìn)機(jī)智能故障診斷，實(shí)時(shí)顯示卡機(jī)等故障狀態(tài)預(yù)警信息。

典型應(yīng)用:2020年，MJJ3800×5800全斷面矩形掘進(jìn)機(jī)在神東煤炭集團(tuán)哈拉溝煤礦22524運(yùn)輸巷投入使用，累計(jì)掘進(jìn)超900 m，實(shí)現(xiàn)6 h截割落差5.1 m、長30 m斷層的破巖紀(jì)錄。

4.3 雙錨掘進(jìn)機(jī)智能掘進(jìn)模式

我國年產(chǎn)30萬t以下的小煤礦1 000處左右，這些煤礦地質(zhì)條件較差、智能化基礎(chǔ)薄弱。針對此類煤礦的智能快速掘進(jìn)，應(yīng)優(yōu)先選用雙錨掘進(jìn)機(jī)智能掘進(jìn)模式。該模式適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件下煤、半煤巖和巖巷掘進(jìn)(空頂(幫)距0.3 m)，采用雙錨掘進(jìn)機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)+橋式轉(zhuǎn)載機(jī)+自移機(jī)尾+集控中心的配套方式，錨桿支護(hù)選用雙錨掘進(jìn)機(jī)+錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)平行支護(hù)方式，雙錨掘進(jìn)機(jī)機(jī)載2組鉆機(jī)和臨時(shí)支護(hù)，實(shí)現(xiàn)部分頂幫支護(hù);錨桿轉(zhuǎn)載機(jī)對剩余錨桿補(bǔ)支護(hù)(圖21)。

雙錨掘進(jìn)機(jī)智能掘進(jìn)技術(shù)主要包括斷面自動成形、自適應(yīng)截割、遠(yuǎn)程集控等[27]。斷面自動成形技術(shù)通過實(shí)時(shí)在線采集、監(jiān)測掘進(jìn)機(jī)位姿信息，解算截割頭運(yùn)動狀態(tài)參數(shù)，規(guī)劃截割頭運(yùn)動軌跡，控制截割機(jī)構(gòu)動作，自動完成一個(gè)截割循環(huán)。實(shí)現(xiàn)斷面自動成型;自適應(yīng)截割技術(shù)通過振動、電機(jī)電流等參數(shù)的提取和處理，控制截割電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與巖石硬度的自適應(yīng)匹配;遠(yuǎn)程集控技術(shù)通過在工作面后方建立遠(yuǎn)程操作站，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)超視距遠(yuǎn)程監(jiān)控。

典型應(yīng)用:中煤新集劉莊煤礦煤層平均厚度3.54 m，平均傾角14°，煤層直接頂為砂質(zhì)泥巖，直接底為泥巖，較致密，性脆。雙錨掘進(jìn)機(jī)智能掘進(jìn)系統(tǒng)在該礦應(yīng)用累計(jì)進(jìn)尺925 m，臨時(shí)支護(hù)效率提高25%，錨索支護(hù)效率提高30%，單日進(jìn)尺23 m，月最高進(jìn)尺506 m，掘進(jìn)效率提高1倍以上(原月進(jìn)尺約240 m)，刷新該礦單日單面掘進(jìn)進(jìn)尺紀(jì)錄。

4.4 5G+連續(xù)采煤機(jī)智能連掘模式

我國陜北礦區(qū)因巷道圍巖條件穩(wěn)定或中等穩(wěn)定(空頂距大于6 m)，多采用雙(多)巷道施工工藝[28]，該工藝的特點(diǎn)是存在2個(gè)逃生出口，安全性好，同時(shí)采用連續(xù)采煤機(jī)雙巷掘進(jìn)工藝，掘進(jìn)效率高。筆者及其團(tuán)隊(duì)基于5G通信技術(shù)，對連續(xù)采煤機(jī)、梭車等裝備進(jìn)行自動化、智能化提升，突破了連續(xù)采煤機(jī)遠(yuǎn)控割煤、梭車自主駕駛、破碎機(jī)自動啟停等關(guān)鍵技術(shù)，形成了5G+連續(xù)采煤機(jī)智能連掘模式。

(1)連續(xù)采煤機(jī)遠(yuǎn)控割煤。如圖22所示，連續(xù)采煤機(jī)成巷分切槽和采垛工序，為保證連續(xù)采煤機(jī)正確調(diào)動入位，連續(xù)采煤機(jī)兩側(cè)各安裝2組激光測距傳感器，實(shí)時(shí)采集并計(jì)算連續(xù)采煤機(jī)與兩幫的夾角和距離;通過慣性導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)定向;截割臂和運(yùn)輸機(jī)尾回轉(zhuǎn)中心均安裝角度傳感器，實(shí)時(shí)檢測采高和運(yùn)輸機(jī)擺動角度;通過角度傳感并安裝360°云臺攝像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測截割和運(yùn)煤過程。

(2)梭車自主駕駛。該技術(shù)包括梭車自主行走和自主卸料泊位、自主裝料泊位3部分。梭車自主行走是通過激光掃描和UWB定位融合測距技術(shù)實(shí)施巷道路徑跟蹤，保證梭車外廓點(diǎn)與巷道側(cè)壁及巷道內(nèi)障礙物的距離保持相對穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)梭車按巷道中心直線行走，當(dāng)梭車進(jìn)行聯(lián)巷轉(zhuǎn)彎時(shí)，在轉(zhuǎn)彎點(diǎn)安裝轉(zhuǎn)向定位標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)按目標(biāo)轉(zhuǎn)彎;梭車自主卸料泊位通過在破碎機(jī)安裝自主泊位標(biāo)簽，通過毫米波雷達(dá)判斷是否進(jìn)入卸料泊車位;梭車自主裝料泊位需要已知連續(xù)采煤機(jī)的位置，并在連續(xù)采煤機(jī)安裝定位標(biāo)識卡，一般設(shè)計(jì)梭車泊位處于巷道中心，連續(xù)采煤機(jī)擺動機(jī)尾卸料，當(dāng)梭車與連采機(jī)距離小于10 m時(shí)，梭車控制進(jìn)入裝料泊位程序，通過降低車速、超聲雷達(dá)精確微調(diào)進(jìn)入泊位。

(3)破碎機(jī)自動啟停。當(dāng)梭車進(jìn)入自主卸料泊位時(shí)，破碎機(jī)和可伸縮膠帶機(jī)自動啟動，當(dāng)梭車遠(yuǎn)離泊位時(shí)，破碎機(jī)結(jié)合負(fù)載電流情況，適時(shí)停機(jī)。

典型應(yīng)用:2020年，5G+連續(xù)采煤機(jī)智能連掘在陜西紅柳林礦應(yīng)用，利用低延時(shí)、低功耗、高速率、大帶寬的5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)紅柳林礦地面集控中心、井下工作面連采機(jī)及太原遠(yuǎn)程控制中心的3方實(shí)時(shí)、高清視頻通話互動交流，可實(shí)現(xiàn)地面集控中心對連續(xù)采煤機(jī)遠(yuǎn)程割煤、破碎機(jī)自動啟停等功能。

5 展 望

(1)井下空間定位導(dǎo)航新技術(shù)。慣性導(dǎo)航技術(shù)在井下成熟應(yīng)用仍存在一定難度，研究將地面位置信息以無偏差的方式引入井下封閉空間，建立基本坐標(biāo)系中的定位基站，并研究基于基本坐標(biāo)與井下定位基站的定向?qū)Ш剿惴?，從而建立井下定位?dǎo)航新的技術(shù)體系。

(2)支護(hù)效果動態(tài)監(jiān)測與支護(hù)工藝精確調(diào)整。掘支運(yùn)一體化智能快掘需要完善不同巷道支護(hù)工藝調(diào)整的科學(xué)依據(jù)。一方面，采集、整理分析用戶巷道支護(hù)資料，形成樣本庫，為同等地質(zhì)條件提供借鑒;另一方面，研究隨鉆測量技術(shù)，在線、實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測頂板狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)支護(hù)工藝參數(shù)實(shí)時(shí)優(yōu)化。

(3)掘錨一體機(jī)器人。研究掘進(jìn)工作面掘、支、錨、運(yùn)工序全部機(jī)器人技術(shù)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面無人操作，少人巡視。考慮非結(jié)構(gòu)環(huán)境因素，應(yīng)盡可能研究邊緣端智能傳感器、元器件，實(shí)現(xiàn)就地感知和決策。

(4)掘進(jìn)工作面高精度智能感知與數(shù)字孿生。研究基于4DGIS的巷道結(jié)構(gòu)信息數(shù)字化技術(shù)、巷道頂?shù)装甯呔戎悄芨兄R別技術(shù)、低可視空間多模態(tài)主動感知技術(shù)、實(shí)現(xiàn)環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)字化描述、掘進(jìn)機(jī)器人本體的數(shù)字化模型表征。

(5)掘進(jìn)系統(tǒng)平臺化。掘進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展為井下綜合平臺，按需集成各類智能探測模塊，掘進(jìn)過程同步采集工作面地理坐標(biāo)、煤層狀態(tài)、瓦斯含量、地質(zhì)水文等數(shù)據(jù)。兩巷及開切眼完成后，全部數(shù)據(jù)匯總至綜采工作面地理信息系統(tǒng)，細(xì)化透明工作面模型，保障智能綜采精確運(yùn)行，成為煤炭開采真正意義上的先行者。

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來源：煤炭學(xué)報(bào)