研究人員采用數(shù)值模擬方法研究了掘進工作面圍巖應力、變形、破壞分布特征，研究了圍巖地質(zhì)力學參數(shù)、掘進與支護參數(shù)對掘進工作面圍巖穩(wěn)定性的影響。分析了掘進工作面圍巖穩(wěn)定性、煤巖可掘性、可鉆性、可錨性，指出巷道掘進存在的問題，及提高煤巷掘進速度的方法。最后，構建了掘進自動化、智能化總體技術架構，分析了自動化、智能化關鍵技術，提出我國煤礦自動化、智能化掘進技術的發(fā)展路徑。
近年來，我國煤礦智能化開采技術及智慧煤礦建設發(fā)展迅速 。掘進是煤礦生產(chǎn)中的一個關鍵環(huán)節(jié)，掘進自動化、智能化水平也得到一定程度的提升。以下重點介紹《掘進工作面圍巖穩(wěn)定性分析及快速成巷技術途徑》成果中對掘進工作面自動化、智能化關鍵技術及發(fā)展路徑的研究。
一、掘進自動化、智能化總體架構
掘進自動化、智能化包括智能感知、智能決策、自動執(zhí)行3個要素。掘進工作面智能感知涉及3個層面:
① 掘進前進行全面、系統(tǒng)的煤巖體地質(zhì)力學測試，在掘進過程中進行超前探測、隨掘探測、隨鉆測量，實現(xiàn)對掘進工作面及配套系統(tǒng)“人-機-環(huán)”信息的全面感知，在此基礎上建立掘進工作面動態(tài)地質(zhì)模型，作為基礎環(huán)境;
② 掘進工作面環(huán)境的感知，實時監(jiān)測頂板離層、巷道變形、圍巖應力、錨桿錨索支護體受力及瓦斯、粉塵質(zhì)量濃度等，監(jiān)測作業(yè)環(huán)境動態(tài)變化;
③ 設備感知，實時監(jiān)測截割動載、截割軌跡、錨桿錨索鉆機扭矩、推力等信息，記錄設備工況并進行故障診斷，監(jiān)測設備的位置、姿態(tài)信息，實現(xiàn)設備的行走導航與各功能動作定位感知。感知信息通過高網(wǎng)速傳輸系統(tǒng)傳送至智能掘進自主決策平臺，通過該平臺進行多源異構數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一、通信協(xié)議轉換。
基于感知層數(shù)據(jù)，獲得煤巷掘進工作面圍巖穩(wěn)定性、可掘性、可鉆性、可錨性特征，掘進工作面圍巖應力場與位移場動態(tài)演化規(guī)律，確定掘進、支護、運輸?shù)葏f(xié)同平行作業(yè)模式與工藝。以上述數(shù)據(jù)為支撐，以下位傳輸?shù)膭討B(tài)數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立基于掘進工作面動靜載疊加作用下截割控制模型，臨時支護、永久支護與圍巖耦合控制模型，探、掘、支、運等多機協(xié)同控制模型，進行控制邏輯自主決策，為自動執(zhí)行提供依據(jù)。
基于決策層控制邏輯，在執(zhí)行層進行掘進工作面各設備系統(tǒng)的導航定位、截割、支護、運輸、通風、降塵等動作，動作結果通過自主感知反饋至自主決策平臺，對巷道掘進各工序作業(yè)進行實時監(jiān)控、決策，對各動作進行執(zhí)行與修正，形成閉環(huán)控制。
二、掘進工作面自動化、智能化關鍵技術
（一）自動化、智能化截割技術
煤巷截割時間占總掘進時間通常少于30%，截割過程僅需要一名掘進機司機，截割不是影響掘進智能化的主要制約因素。目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵啟停、地面遠程視頻遙控等自動化控制。要實現(xiàn)更高層次的自動化、智能化，應進一步深入研究低擾動截割、截割動載識別與控制、截割軌跡自動規(guī)劃等技術。
首先必須考慮巷道圍巖條件，開發(fā)低擾動截割技術，通過優(yōu)化截齒結構與布置方式，減少截割擾動對圍巖穩(wěn)定性影響。開展不同工況下截割實驗室試驗，可建立1∶1比例相似模型，深入研究不同煤巖層條件下截割擾動影響規(guī)律。開展井下現(xiàn)場原位截割測試研究，通過大量測試與統(tǒng)計數(shù)據(jù)，獲得不同截割方式對掘進工作面圍巖擾動影響規(guī)律。
開發(fā)截割動載荷識別技術與截割轉速交流變頻調(diào)速控制技術，實現(xiàn)不同工況下截割參數(shù)自動調(diào)節(jié)，包括截割轉速、單刀力、牽引速度和截割深度等參數(shù)，實現(xiàn)電機輸出轉速、扭矩與破巖效果匹配，提高截割對不同煤巖層條件的適應性。
開發(fā)截割巖石動載荷數(shù)據(jù)提取及識別技術，實現(xiàn)對截割載荷信號的傳輸及特征提取，并配套研發(fā)大容量、高速采集、存貯及數(shù)據(jù)處理技術，實現(xiàn)載荷信息的實時分析，并建立各參數(shù)匹配關系，實現(xiàn)現(xiàn)場截割過程中自動調(diào)整截割參數(shù)來適應工況的變化。
截割軌跡的自動規(guī)劃目前已開展大量的研究，應進一步在掘進裝備運動學模型的基礎上，以掘進裝備機身為測量基準，在掘進裝備導航定位基礎上，以慣性空間為基準，配套相應監(jiān)測技術，開發(fā)與掘進工作面圍巖穩(wěn)定性相匹配的截割軌跡自動規(guī)劃算法及控制技術。
（二）臨時支護技術
巷道掘進后隨著應力釋放，圍巖會出現(xiàn)離層、破壞，導致圍巖自穩(wěn)能力差，甚至發(fā)生冒頂、片幫。不同類別的巷道圍巖對臨時支護的需求不同。對于易冒頂、片幫的圍巖，臨時支護尤為重要。如前所述，現(xiàn)有的多數(shù)掘進工作面臨時支護不能滿足快速掘進的要求，需要探索新型臨時支護技術，保障掘進工作面空頂、空幫范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性，為錨桿安裝提供較大的作業(yè)空間。臨時支護的發(fā)展主要有2個方向：
① 改進現(xiàn)有臨時支護裝置，根據(jù)掘進工作面圍巖條件開發(fā)與之相匹配的臨時支護結構及自適應控制技術，提高對圍巖的適應能力，減少對圍巖的反復支撐，提高臨時支護效果;
② 改變現(xiàn)有臨時支護方式，提出快速噴涂臨時支護技術，采用快速凝固噴涂材料，配套自動化高效噴涂設備，在巷道表面形成高強度、高韌性護表噴層，起到臨時支護的作用，同時可防止煤巖體風化，并替代金屬網(wǎng)。
（三）自動化錨桿施工技術
目前廣泛采用的樹脂錨桿的安裝工藝流程如圖所示，包括:鋪聯(lián)網(wǎng)、安裝鋼帶等護表構件、鉆孔、卸鉆桿、安裝錨固劑、安裝錨桿、攪拌錨固劑、擰緊螺母等多道工序。如前所述，由于工序復雜、自動化水平低，占去了60%以上的時間與人員。因此要實現(xiàn)快速掘進，錨桿支護的自動化、智能化是關鍵技術。
圍繞錨桿施工自動化、智能化主要有2個方向，一是基于傳統(tǒng)錨桿施工工藝進行自動化改進，例如中國煤炭科工集團太原研究院通過高壓氣體將樹脂錨固劑送入孔中，并研發(fā)了自動鉆孔、輸送錨固劑、自動安裝錨桿的臺車。景隆重工機械有限公司在錨桿前方安裝塑料套筒，將錨桿與錨固劑聯(lián)結為一體，通過錨桿將錨固劑送入孔中，研制出鉆孔、安裝錨固劑并預緊的自動化錨桿臺車，設置專門的錨桿存儲機構。上述技術實現(xiàn)了鉆孔、輸送錨固劑、安裝錨桿、攪拌及預緊的自動作業(yè)，但沒有改變錨桿施工工藝，錨桿施工用時與人工相比并沒有縮短，且對塌孔、錨固劑入孔困難、因圍巖片落引起的錨桿外露超長等問題難以解決，抗干擾能力差。
錨桿自動化施工的另一個方向是對傳統(tǒng)施工工藝進行改變，開發(fā)出新型鉆錨一體化錨桿及配套施工工藝，以高強度無縫鋼管為桿體，前端鑲嵌一次性鉆頭，錨桿作為鉆桿在鉆箱帶動下逆時針旋轉打孔鉆進，順時針旋轉擰緊螺母進行預緊。研發(fā)出新型觸變性錨注材料，由A，B兩組分組成，1∶1混合均勻后具有觸變性。該錨注材料通過原漿進入錨桿尾部混合，自鉆頭流入鉆孔，充填錨桿與鉆孔間的環(huán)形空隙。停止泵送后，錨固劑觸變特性可使錨固劑克服重力作用不沿鉆孔流動，從而實現(xiàn)端錨至全長錨固任意長度錨固。選用高扭矩、高轉速液壓馬達，實現(xiàn)了錨桿高扭矩預緊。該鉆錨一體化錨桿實現(xiàn)了鉆孔、注錨、預緊工序由同一機構完成，避免了施工機具的反復切換，同時節(jié)省了拆卸鉆桿的時間，施工效率明顯提高?？朔怂?、錨固劑難以輸送、圍巖片落引起的錨桿外露超長等問題導致錨桿安裝失敗。基于鉆錨一體化錨桿施工工藝，開發(fā)出“一鍵打錨桿”控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了錨桿自動化快速施工。井下試驗數(shù)據(jù)表明:單根錨桿施工時間不超過2 min，施工速度提高1倍。
（四）超前探測技術
掘進工作面探測是巷道掘進必要的安全保障，目前主要采用物探、鉆探結合的方法。物探主要采用槽波、地震波對掘進構造進行超前探測，采用瞬變電磁進行超前探水，物探需要停止掘進作業(yè)，布設信號發(fā)射、接收裝置，影響正常掘進。由于掘進工作面空間有限信號收發(fā)裝置無法按照理想條件布設，一定程度上影響了物探的精度。另外，還開發(fā)了基于掘進機隨掘震源的巷道前方構造探測技術，以掘進機切割煤壁和巖石時產(chǎn)生的地震波作為震源，通過連續(xù)采集地震波并從中尋找反射波實現(xiàn)巷道超前探測。鉆探是最可靠的超前探測手段，隨著掘進裝備集成化程度提高，整機裝備體積增大，鉆探與掘進裝備換位困難，超前鉆探逐步成為影響巷道快速掘進的重要因素。為實現(xiàn)便捷的超前鉆探，研發(fā)了掘探一體化的裝備，包括基于懸臂式掘進機的掘探裝備、基于掘錨一體機的掘探裝備，通過將超前液壓鉆機集成于掘進機、掘錨一體機上避免了掘探換位作業(yè)。
為了解決隨掘隨探存在的問題，中煤科工西安研究院提出區(qū)域探測技術方案，在掘進前利用千米定向鉆機一次性完成整條巷道的鉆探，通過鉆孔物探一次性完成擬開掘巷道周圍區(qū)域的物探，并開發(fā)出物探與鉆探相結合的綜合探測技術，實現(xiàn)了“探測先行、掘探分離”，消除了超前探測對掘進的影響。
（五）定位與導航技術
定位與導航技術是掘進工作面裝備實現(xiàn)自動化、智能化的重要技術，包括掘進裝備行走的定位導航和錨桿支護的定位等。
掘進裝備行走定位導航現(xiàn)有陀螺慣導、激光指引、全站儀測量、超寬帶定位等單一導航設備和方法，難以滿足強振動、高濕度等掘進工作面環(huán)境工況。定位導航有2個發(fā)展趨勢:① 提高現(xiàn)有導航技術的精度，② 采用多傳感器測試、數(shù)據(jù)融合方法與技術，將具有不同特點多種導航傳感器、位姿檢測方法進行組合，充分發(fā)揮各自特點與優(yōu)勢，實現(xiàn)高效、精確導航。組合導航技術包括:超聲波和慣性導航組合、機器視覺和慣性導航組合、激光標靶和傾角傳感器的組合、全站儀與慣性導航組合等多種方式。另外掘進行走的定位還應根據(jù)實際掘進成型的巷道為基準，進行相對定位，在掘進裝備前方和兩側布設測距雷達，計算掘進裝備與煤壁距離，判斷掘進裝備的位置和角度偏差。
錨桿支護定位目前有多種方式，首先可根據(jù)錨桿設計間排距進行定位。以掘錨一體機為例，掘進裝備按固定排距行走，錨桿鉆臂與掘進裝備保持同步，通過示教技術，錨桿鉆臂按錨桿間排距以示教路徑進行定位施工錨桿。錨桿支護還可采用基于深度學習的目標檢測技術定位，例如以已支護完成的錨桿托板為目標進行深度學習目標檢測，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡對錨桿托板進行特征提取，根據(jù)所提取到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡特征對目標的坐標和大小等信息進行回歸預測，根據(jù)已支護錨桿托板的位置坐標，來判定下一個循環(huán)錨桿安裝位置。在井下巷道中經(jīng)常會出現(xiàn)局部漏頂、片幫情況，應以冒頂、片幫后的煤巖表面為基準，否則達不到預期的鉆孔深度，這就要求錨桿鉆機能實時根據(jù)工況調(diào)整鉆進深度?？赏ㄟ^基于視覺傳感的錨桿支護實時位姿解算，對漏頂、片幫不同畸變特征圖像進行檢測，判斷漏頂、片幫深度，從而實時調(diào)整錨桿鉆機的作業(yè)位姿補償量，及時補償現(xiàn)場工況改變造成的支護參數(shù)變化，提高錨桿支護定位的準確性。
（六）圍巖穩(wěn)定性與環(huán)境監(jiān)測及大數(shù)據(jù)分析
掘進工作面及巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測可為掘進自動化、智能化提供重要基礎數(shù)據(jù)。掘進工作面周圍瓦斯、粉塵質(zhì)量濃度、溫度等參數(shù)的實時監(jiān)測與分析，是保障巷道安全的必要條件。
圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測內(nèi)容主要包括圍巖應力、位移、離層、破壞監(jiān)測，支護體受力、變形、破壞監(jiān)測。現(xiàn)有圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測技術主要存在3個問題:
① 通過在巷道中布置測站進行某一斷面的監(jiān)測，監(jiān)測點固定，代表性差，難以反映全長巷道圍巖的穩(wěn)定性;
② 監(jiān)測實時性差，監(jiān)測頻率低，監(jiān)測特征點少，例如巷道表面位移監(jiān)測十字布點法只能反映頂、底、兩幫4個特征點變化數(shù)據(jù)，無法滿足巷道全斷面監(jiān)測的需求;
③ 監(jiān)測多集中在巷道永久支護段，監(jiān)測儀器多需要打孔安裝，施工繁瑣，缺少可供掘進設備搭載的隨掘監(jiān)測技術，無法反映掘進工作面圍巖穩(wěn)定性隨掘變化規(guī)律。
隨著計算機圖像識別與處理技術的發(fā)展，激光掃描測量技術與視覺測量技術等非接觸式測量方法可應用于巷道圍巖變形監(jiān)測。巷道表面三維激光掃描點云分布，精度達到毫米級，能夠滿足巷道變形監(jiān)測的需求。另外探索研發(fā)了隨掘關鍵特征點雙目視覺監(jiān)測技術，隨掘過程中每隔一定排距在巷道頂板和兩幫布置若干反光輔助特征點，掘進設備上安裝立體視覺相機實時監(jiān)測特征點之間的相對距離，可實現(xiàn)兩幫和頂板相對變形量的實時監(jiān)測，用于判斷頂板的相對下沉量，并可根據(jù)該數(shù)據(jù)的實時反饋，實現(xiàn)掘進工作面支護參數(shù)的動態(tài)調(diào)整。
由于圍巖條件的復雜性、多變性，單一監(jiān)測很難客觀評價圍巖穩(wěn)定性。采用多傳感器、多信息融合技術才能對圍巖穩(wěn)定性進行全面、系統(tǒng)、可靠的評價。同時基于大量井下實測數(shù)據(jù)，建立掘進工作面及全長巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)庫，開發(fā)圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)云平臺，通過大數(shù)據(jù)分析實時評價圍巖穩(wěn)定性及支護設計的合理性，為自動化、智能化掘進與支護提供數(shù)據(jù)支撐。
巷道掘進過程中會涌出瓦斯、產(chǎn)生粉塵，影響掘進工作面的安全和礦工職業(yè)健康，特別是對于高瓦斯煤層，瓦斯還顯著影響巷道掘進速度。應研究不同圍巖條件、不同截割方式下掘進工作面瓦斯、粉塵質(zhì)量濃度隨掘進的變化規(guī)律，建立通風量、瓦斯體積分數(shù)、粉塵質(zhì)量濃度、粉塵顆粒分布等各參量之間的動態(tài)數(shù)據(jù)模型，實時分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，快速、準確識別掘進工作面周圍瓦斯、粉塵分布情況，實現(xiàn)隨掘過程中瓦斯、粉塵等工作面環(huán)境參數(shù)的準確監(jiān)測與預警。
三、煤巷自動化、智能化掘進技術發(fā)展路徑
我國煤礦巷道圍巖地質(zhì)條件千差萬別、復雜多變，掘進技術與裝備發(fā)展很不均衡，發(fā)展掘進自動化、智能化技術不能“一刀切”，應根據(jù)前述的圍巖穩(wěn)定性、可掘性、可鉆性、可錨性等條件，結合煤礦的具體情況，分條件、分類別、分區(qū)域、分步驟實施。
對于鄂爾多斯、陜北等礦區(qū)非常穩(wěn)定(Ⅰ類)、穩(wěn)定(Ⅱ類)圍巖條件，目前多數(shù)大型礦井的掘進已實現(xiàn)機械化、部分實現(xiàn)自動化，開始向智能化邁進。有些煤礦的掘進速度已達到1 500~2 000 m/月，但掘進工作面用人較多。
① 應重點攻關錨桿、錨索自動化施工技術，顯著減少用人、提高支護效率;同時，提升掘進定位導航技術、自動截割技術、多機協(xié)同控制技術，真正實現(xiàn)掘進自動化;
② 應突破智能感知、智能決策、自動執(zhí)行的技術瓶頸，在掘進工作面環(huán)境、圍巖穩(wěn)定性、裝備工況、全時空巷道礦壓監(jiān)測與感知及大數(shù)據(jù)分析技術的基礎上，建立掘進與支護控制模型，提出相應的算法和決策模型，形成以大數(shù)據(jù)支撐的動態(tài)化、信息化、智能化快速掘進技術，實現(xiàn)快速、少人、高效。
對于我國大部分巷道圍巖條件(一般Ⅲ類、不穩(wěn)定Ⅳ類)，目前多數(shù)煤礦實現(xiàn)了截煤機械化，部分達到自動化程度，但支護主要依靠人工。此類條件需要經(jīng)歷全部機械化、自動化到智能化的發(fā)展過程。
① 需重點解決人工支護的問題，研發(fā)新型機械化、自動化臨時支護技術，錨桿與錨索機械化、自動化施工技術，實現(xiàn)臨時支護與永久支護的快速施工;
② 構建掘支一體化系統(tǒng)，提升掘進與支護平行作業(yè)能力。開發(fā)適用的掘錨一體機，降低截割擾動，增強過地質(zhì)構造的能力，掘進全過程實現(xiàn)自動化;
③ 開發(fā)掘進環(huán)境、圍巖穩(wěn)定性、裝備工況、支護狀況感知系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)分析技術，根據(jù)Ⅲ類、Ⅳ類圍巖特點提出掘進與支護控制模型、決策模型，實現(xiàn)掘進的動態(tài)化、信息化施工，逐步提升智能化水平。
對于圍巖穩(wěn)定性非常差(Ⅴ類)的巷道條件：
① 應開展掘進工作面地質(zhì)構造超前探測技術研究，超前支護與加固技術、材料及裝備研發(fā)，如超前深孔注漿技術、先卸壓后掘進技術等，提高巷道圍巖的可掘性;
② 開展低擾動截割技術研究，開發(fā)鉆錨注一體化錨桿、錨索自動化施工技術，提高掘進系統(tǒng)的機械化、自動化水平;
③ 開展掘進各工序的自動化控制，掘進環(huán)境、圍巖穩(wěn)定性實時監(jiān)測，信息反饋、控制、執(zhí)行等技術研究，不斷提升掘進自動化、智能化水平。
來源：煤礦安全網(wǎng)
