赵家寨煤矿三软煤层巷道智能化掘进系统研究.pdf

第 卷第 期能源与环保 年月 收稿日期：；责任编辑：陈鑫源 ：基金项目：国家自然科学基金重点项目（，）；中原科技创新领军人才资助项目（）作者简介：张要展（），男，河南临颍人，高级工程师，现从事煤炭开采、煤矿智能化等工作。引用格式：张要展，杨伟强，韩明振 赵家寨煤矿三软煤层巷道智能化掘进系统研究 能源与环保，（）：，（）：，赵家寨煤矿三软煤层巷道智能化掘进系统研究张要展，杨伟强，韩明振（郑煤集团新郑煤电有限责任公司，河南 郑州 ；河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 ）摘要：智能化掘进对煤矿企业安全、高效、稳定发展具有重要意义。根据赵家寨煤矿三软厚煤层实际生产条件，对三软煤层巷道掘进工艺进行简要介绍，并分析得到原有工艺下存在人工定位安全性低和以点代面（采用巷道某位置的围岩条件及应力环境）进行支护方案设计的工程现状。基于智能掘进技术的理论思想，设计了三软煤层巷道智能化掘进系统，包括控制系统、截割系统和支护系统。根据巷道设计参数及实际实时监测前方巷道围岩性质，并将监测数据上传智能巷道围岩智能控制系统（采用理论计算、数值分析等传统手段，实时确定掘进位置处围岩变形速度及最终变形量），确定合理巷道支护方式，实现三软煤层巷道掘进过程的安全、高效、合理、经济。关键词：三软煤层；软岩巷道；智能化掘进；智能化支护中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，（），（），：；我国煤炭多以井工开采为主，井下各类巷道硐室数量庞大，因此煤炭开采过程中巷道掘进量大 。巷道掘进是指在煤（岩）体中采用一定的破岩手段将部分岩体破碎下来，形成一定的空间及硐室，接着对这个空间进行支护的工作 。炮掘法作为巷道掘进施工一种方法，因其适用性强、应用范围广、投资少的优点，所以炮掘法在煤矿得到广泛应用 。但其缺点也非常明显，例如工序复杂、掘进速度慢、效率低、工人劳动强度大、对围岩稳定性影响较大等。随着综采技术的发展，工作 年第 期张要展，等：赵家寨煤矿三软煤层巷道智能化掘进系统研究第 卷面推进速度快 ，回采巷道年消耗数量大幅增加，巷道快速掘进成为煤矿高效生产的重要保证。并且，随着巷道支护技术的进步及巷道布置方式的改革，煤层巷道在井巷工程中的占比越来越高，促进了高效掘进技术的出现 。巷道掘进技术经历了机械化、自动化、信息化和数字化的发展历程，进一步实现智能化实现无人化、安全、高效掘进的必然结果。智能快速掘进技术采用具有感知能力、记忆能力、学习能力和决策能力的掘锚机、锚杆机、破碎转载机、带式输送机等煤巷掘进装备，以自动化控制系统为枢纽，以远程可监视为手段，实现掘进工作面巷道掘进系统“全面快速掘进、掘支运平行作业”的安全协调高效掘进技术 。并且相关学者，在掘进工作面视频监控、设备及环境监测、设备远程操作等方面进行了研究和实践 。本文在相关学者已有的研究基础之上，针对于三软煤层的特点，提出了符合三软煤层特点的智能化掘进系统设计。工程概况新郑煤电有限责任公司赵家寨煤矿位于河南省新密煤田东部，矿井地质条件属于典型的三软煤层 。矿区与新郑市仅有 ，距离郑州市只有 ，矿区与新密铁路、地方铁路相邻，有 国道、新密公路通过（图 ），交通便利。图 井田地理位置 赵家寨煤矿主采二煤层，伪顶为炭质泥岩，直接顶为砂质泥岩，底板为砂质泥岩，顶底板岩性特征见表 ，煤层巷道围岩强度低、稳定性差。三软煤层常见问题根据围岩岩性、围岩强度以及他们之间的关系，选择合适的巷道布置和保护及支护方式，降低围岩应力，增大围岩强度，有效的控制巷道围岩变形 。根据巷道围岩控制原理，可以看出巷道支护的稳定性，一般取决地质因素（围岩应力场、围岩岩性、地质构造等）和主观因素（巷道布置、施工方法、支护表 煤层顶底板岩性特征 类型岩石名称岩性特征平均厚度 直接顶砂质泥岩岩层呈现深灰色，且裂隙较多易垮落 伪顶炭质泥岩灰黑色，松软，易脱落 煤层二煤层粉末状、鳞片状，煤质松软，强度较低 直接底砂质泥岩呈现现灰色、深灰色 方法、支护顺序等）。年第 期能源与环保第 卷 地质因素赵家寨煤矿主采煤层节理发育极易在开挖扰动作用下发生较大的变形和破坏。围岩本身具有一定承载能力，而三软地质条件下煤层及其顶底板本身强度低、不稳定、易垮落，破坏将向深部岩层传递，一旦破碎围岩达到顶板承载极限时就会造成顶板弯曲变形，甚至破坏、垮落。基于围岩控制原理可以知道，围岩强度对巷道围岩控制是必要考虑因素。三软地质条件下，煤层自身裂隙发育，煤层内部与空气接触面积较大，在煤层揭露后煤层自身受到周围环境（空气、水等）的影响，出现强度降低的现象，从而导致原有巷道支护达不到原有支护效果，出现片帮、掉顶现象。软弱顶底板的变形及巷道周围垮落的岩石，造成巷道支护物变形加大，从而提高大巷道支护系统内部应力水平。当支护系统变形达到其自身极限的承载能力时，巷道支护系统失效，巷道发生巨大变形、甚至破坏垮落，导致掘进难度增大、速度降低。主观因素巷道掘进过程中，巷道整体支护效果会受到生产施工方案和质量的影响。当巷道支护没有合理的施工方案和达不到应有的施工质量时，巷道支护系统达不到理想的支护效果，对支护安全造成影响。工程经验表明，合理选择施工方案，可以减少掘进中工程扰动对巷道围岩的损伤程度，是保证巷道稳定性的有效手段。尤其在软弱围岩条件下，相同条件下围岩扰动对于软岩巷道稳定性的影响更大。在施工准备阶段，施工图纸的可行性和准确性将会直接影响到后期的施工建设质量。软岩巷道由于围岩强度低受扰动变形程度大，在掘进过程中，巷道整体成形效果相对较差，实际巷道尺寸大于设计尺寸，使得巷道支护难度增大。工人施工过程中，受环境和人为因素影响会出现支护物未按方案施工，使得支护系统本身支撑力达不到支护效果，最终导致巷道变形无法使用。智能化掘进系统设计及应用智能化是煤矿发展的必然途径。目前而言，巷道掘进智能化要远落后于采煤工作面智能化程度。基于赵家寨煤矿的实际工程背景，对智能化掘进系统设计提出以下观点。智能掘进控制系统掘进工作面的各设备要能够接入万兆工业环网，能够在地面、井下设置集控中心，能够对巷道掘进设备一键启停控制，井上下可视化通讯功能（图）。掘进机具备安全生产预警功能，并对掘进机联动闭锁控制，巷道施工过程中可对设备及工作面环境（风尘、瓦斯、水等）数据采集、分析、预警或决策功能。并通过接入万兆工业环网支持移动终端展示、云端接入功能、设备故障诊断功能与信息推送。图 智能掘进控制系统 智能化掘进截割系统掘进机采用激光、雷达扫描或惯性导航等技术实现精确定位或三维定位（图 ），采用倾角、摆角等姿态传感器实现姿态感知；随机视频图像采集功能，实现截割、装载、卸载、支护等关键生产环节视频显示；最终实现自主导航、坡度追踪和自动截割功能或仿行截割功能。同时，在掘进机工作过程中，通过传感器采集截割、装载、推进等运行工况数据，当数据超过门限值时发出报警；并对现场作业环境中的粉尘、瓦斯、涌水等环境数据进行实时监测，在发生数据超限时进行声光报警。图 掘进机定位示意 掘进机的掘进过程，可通过视频监控系统、无线通信系统、远程操作系统，实现就地操作、无线遥控操作、井下远程（采用光纤传输）可视化操作（在硐室内操作）、地面远程可视化操作 种操作模式；同时遥控、远程控制，响应时间不小于 。根据输入参数，自动生成一个模拟巷道断面，进行精确断面成型。掘完一班或者一个循环后，以辅助线和断面形状的对比来判断施工质量。掘进机工 年第 期张要展，等：赵家寨煤矿三软煤层巷道智能化掘进系统研究第 卷作时，具有自适应截割和一键记忆自动截割。根据掘进过程中感知到的围岩岩性、应力和变形等数据，系统自动选择合理的截割路径进行掘进，在一般矩形巷道顶板完整和破碎情况下，会采取的截割路径如图 所示。在此基础之上，遇到特殊情况掘进机操作人员先手动操作第一个循环的掘进动作，记录保存。然后按回放进行自动截割，“软件”会将保存的动作完整的执行一遍。系统能够记录多套不同的动作，针对不同的工况，能灵活制定不同的一键截割方案。图 不同地质条件下截割路径示意 掘进系统能实现掘进机在煤矿井下“惯导定位”功能，采用陀螺仪和辅助角度传感器的结合算法消除机身运动的误差，能抵消陀螺仪固有的飘移误差，不受开机时间限定，能获取持续准确的位置参数。陀螺仪是惯性导航定位系统中的核心部件安装在隔爆兼本安型控制箱内，位于机身中部位置，能实时检测机身姿态，包括上下坡的俯仰角度、倾斜翻滚角度、掘进角度方向。系统能采集掘进机动作的实时状态参数，包括炮头水平 垂直位移、炮头伸缩、铲板升降、后支撑升降。角度传感器用来辅助陀螺仪进行掘进角度方向的定位，抵消陀螺仪固有的飘移误差获取持续准确的位置参数。通过摄像机机器视觉和传感器位置数据采集结合“巷道辅助软件”和“监测控制软件”，能够根据采集的相关设备信息进行掘进工作面真实场景再现（数字孪生）。“监测控制软件”能根据掘进过程中获取的设备机身动作数据和巷道空间数据，对巷道和设备模型进行实时动态修正，能实时显示掘进机的自身实时状态，以及掘进机和巷道之间真实比例的空间位置，并实时显示炮头的进刀量，可以保存当班掘进量，以及整条巷道的累计掘进量。系统可以显示炮头实时位置及掘进轨迹：显示炮头相对于断面的实时位置。炮头启动后开始记录轨迹，能显示指定时间内的炮头移动轨迹，在灰尘大盲掘时用来判断断面成型情况。可视化系统采用本安型数字高清摄像仪，便于安装固定及移动，能够实现远程视频实时监控功能。摄像仪采用电子减震技术，通过图像补充减小截割过程中摄像仪的振动。“巷道辅助软件”成像系统具有透尘算法以及定制的机器视觉算法，能观测断面成型状况、割头位置图像等。采用增强现实技术（），能实时计算摄像机影像的位置及角度并加上相应的图像，将真实工作面信息和虚拟工作面信息“无缝”集成，在屏幕上把虚拟巷道工作面叠加真实工作面并进行互动。当掘进迎头灰尘较大，视频图像无法看清巷道轮廓时，可通过“掘进辅助软件”实现盲掘。智能化掘进截割系统一般根据钻孔位置处的围岩岩性、应力、位移、破坏情况，采用理论计算、数值模拟、经验方法等手段，确定巷道中该位置处的支护方案，从而整个巷道均采取同样的支护方案，体现出了“以点代面”的方式进行巷道支护方案设计的不合理。智能化支护系统（图 ）通过各种传感器，对掘进工作面的实时数据（围岩应力、位移、支护体受力）进行感知，并上传至决策层。决策层中主要依托于理论计算、数值模拟、现场经验、优化算法等方法对感知层获得数据进行分析，得到最终的支护方案。最终将决策传递至掘进工作面设备，完成各项指令，从而达到“一点一策”（不同位置处，采用专用的支护方案）支护目的，使巷道的支护更加安全、高效、合理。基于前文对三软煤层地质条件下巷道稳定性影响因素的分析，可以看出在软岩巷道稳定性更差。智能化支护系统在三软煤层地质条件下显得更为重要，智能化支护系统实时分析掘进工作的数据并做 年第 期能源与环保第 卷图 智能化支护流程 出相应最优支护对策，最大限度地克服了支护设计不合理的不足；同时机械相对于人锚杆安装过程中出错率低，可以使支护发挥到最大作用。集智能控制、智能截割、智能支护与一体的智能化掘进系统已经在赵家寨煤矿三软煤层地质条件下进行应用（图 ），并且在现场取得良好效果。图 智能化掘进系统现场应用 结论（）三软煤层常见问题一般可分为地质因素和主观因素。地质因素包括巷道围岩强度低、易风化、变形、破坏；主观因素包括掘进方法不合理、巷道支护方案不科学、施工不达标等问题。（）根据实际工程背景，提出了赵家寨三软煤层条件下的智能化掘进系统设计方案，其中包括控制系统、截割系统、支护系统。智能化支护系统的提出，针对性地解决了三软煤层巷道存在的常见问题。参考文献（）：徐永圻 煤矿开采学 徐州：中国矿业大学出版社，中国矿业学院 井巷工程（修订本）北京：煤炭工业出版社，马芳 工作面回采巷道掘进技术研究 山东煤炭科技，（）：，（）：王捷 炮掘岩石巷道的爆破参数优化 山东煤炭科技，（）：，（）：杨伟杰 炮掘工作面掘进工序及时序优化 当代化工研究，（）：，（）：郭文兵，白二虎，杨达明 煤矿厚煤层高强度开采技术特征及指标研究 煤炭学报，（）：，（）：王虹 我国综合机械化掘进技术发展 煤炭学报，（）：，（）：王虹，王步康，张小峰，等 煤矿智能快掘关键技术与工程实践 煤炭学报，（）：，（）：王国法，刘峰，孟祥军，等 煤矿智能化（初级阶段）研究与实践 煤炭科学技术，（）：，（），（）：（下转第 页）年第 期苏金华，等：近距离滑动构造区破碎顶板回采巷道支护技术第 卷 ，（）：许国胜，李德海，张彦宾 滑动构造影响下煤层开采地表移动变形规律研究 煤炭科学技术，（）：，（）：郝富昌，刘明举，魏建平，等 重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用 煤炭学报，（）：，（）：潘锐，蔡毅，黄厚旭，等 三软煤层回采支承压力分布及支护构件受力规律研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：唐建新，王艳磊，舒国钧，等 高应力“三软”煤层回采巷道围岩破坏机制及控制研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：王旭锋，汪洋，张东升 大倾角“三软”煤层巷道关键部位强化支护技术研究 采矿与安全工程学报，（）：，（）：江贝，李术才，王琦，等 三软煤层巷道破坏机制及锚注对比试验 煤炭学报，（）：，（）：王沉，屠世浩，李召鑫，等 深部“三软”煤层回采巷道断面优化研究 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