煤矿钻锚机器人控制系统设计

针对目前煤矿井下巷道掘进作业中锚杆支护环节存在的人工操作频繁、支护效率低等问题,研究设计了一种结构简单的煤矿钻锚机器人。主要设计了钻锚机器人的控制系统,选用罗克韦尔Compact Logix系列MicroLogix 1100控制器,融合多传感器技术,通过工业以太环网EtherNet实现机器人本地遥控控制和远程人机交互控制。对钻锚机器人控制系统进行硬件选型配置和软件设计,实现钻锚机器人自动控制。为煤矿井下钻锚设备智能化研究提供设计依据。     

煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展

基于煤矿巷道掘进智能化、无人化的发展要求,综述了悬臂式掘进机综掘技术、连续采煤机掘进技术和掘锚一体化掘进技术3条掘进作业线的国内外发展现状,依据国家煤炭安全监察局发布的《煤矿机器人重点研发目录》中对煤矿掘进机器人的规划,从感知、决策、执行3个层面分析了煤矿掘进机的机器人化应具备的特征,感知层通过多类传感器对煤矿井下巷道环境信息进行采集感知,决策层分析和求解作业任务,并融合感知层传输的环境信息,制定规划出最适合的控制策略,执行层接收决策层的指令,对机器人化掘进群组的位姿和运动进行控制。系统阐述了机器人化掘进群组关键技术:掘进机器人的自主定位、煤岩识别与自动截割、远程监控与故障检测等技术;临时支护机器人的自动支护技术;钻锚机器人的平行钻锚技术;辅助装载输送机器人的同步运输技术等。对比分析国际先进机器人化掘进装备和群组,结合我国煤矿巷道掘进技术与装备的现状,提出了煤矿掘进机的机器人化技术与装备发展思路和研究方向:冲击致裂-快速掘进新技术;远程前探-精准惯导新技术;协同掘支-自适护顶新装备;钻锚一体-智能锚固新装备,实现钻探-掘进-支护-锚固-运输协同作业的机器人化掘进群组快速掘进技术,最终达到煤矿巷道掘进作业少人化、无人化的目标。     

窄机身锚钻机器人静力学特性对锚入深度的影响研究

窄机身锚钻机器人作为行业特有的狭小作业面快速掘进专用设备,其工作主体结构在推进凿岩作业时受到反向推力作用,导致工作平面内的锚入深度受到不同程度的影响。为此研究了窄机身锚钻机器人锚钻作业时的静力学特性,明确了不同锚钻角度下结构的静变形对锚杆锚入深度的影响,用以提高设备的锚钻作业精度与工作效率。     

基于单激光束信息的掘锚装备视觉定位方法研究

煤矿井下掘锚装备智能化是改善行业采掘失衡问题的关键,而掘锚装备的精确定位是实现其智能化的前提。与其他传统定位方法相比,基于视觉的位姿测量方法以其无接触、无累计误差的优势在煤矿井下得到了初步的应用。针对目前煤矿井下掘进工作面掘锚装备视觉定位方法存在的合作标靶结构复杂、标定繁琐的问题,结合掘进工作面原有激光指向仪特征,提出一种基于单激光束信息的掘锚装备视觉定位方法。该方法通过分析激光指向仪光斑及光束图像特征,提出了一种基于二维反正切函数拟合的激光光斑中心提取方法和基于Hough直线检测的激光束中心线提取方法,构建了基于点线特征的双目视觉位姿解算模型,得出了掘锚装备在巷道中的实时位姿。最后,为了验证提出的特征提取方法和视觉定位方法的可行性和准确性,在实验室模拟掘进工作面工况环境搭建平台进行了试验。结果表明：基于矿用激光指向仪信息的掘锚装备视觉定位方法具有较高的位姿测量精度。在50 m的测试范围内,机身位置在巷道坐标系下沿X轴、Y轴和Z轴的平均测量误差分别为25.44、58.64、31.08 mm,其最大误差分别为55.16、127.39、63.57 mm;机身姿态在巷道坐标系下的俯仰角、偏航...     

掘进机器人视觉定位及巷道地图重构技术研究

在实现煤矿掘进工作面智能化和无人化方面,巷道环境的构建以及掘进机器人的准确定位至关重要。考虑到井下空间狭小、设备众多以及光线不足等限制因素,实现对巷道环境和设备的可视化变得复杂。解决这一难题的关键在于精准地勘测井下环境,实现设备的精确定位。以煤矿掘进机器人为研究对象,对巷道的三维重建和掘进机器人的定位问题进行了深入分析。通过比较不同的掘进机器人定位和建图方案,确定了适用于煤矿巷道的整体方案。该方案综合运用了单目视觉、激光雷达等多种传感器,为解决掘进机器人定位和巷道环境构建等难题提供了应对策略。     

煤矿钻锚机器人自动钻锚单元的设计与仿真分析

针对煤矿井下巷道掘进作业中锚杆支护环节存在的人工操作频繁、支护效率低等问题,研究设计了一种结构简单的煤矿钻锚机器人,提出一种自动钻锚单元。利用Solidworks三维建模软件构建钻锚单元中的钻锚装置和自动上料(锚杆)库模型,将建好的模型导入仿真软件ADAMS中,并且添加相应的约束和驱动等,通过对该模型进行运动学仿真分析,得出关键部件的运动学特性曲线,验证结构设计的合理性和可行性,为钻锚机器人的运动控制及其结构的优化设计提供参考依据。     

煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法

煤矿巷道掘进长期存在的"采快掘慢""掘快支慢"顽症,尤其是掘进工作面装备成套化、自动化、智能化程度偏低、顺序作业工艺技术落后等问题,严重影响生产接续和安全高效开采。对此,研发了护盾推移式煤矿巷道掘进机器人系统成套装备,提出了一种煤矿巷道掘进机器人系统智能并行协同控制方法。首先,结合掘进机器人系统与巷道的耦合关系,分析了掘进机器人系统中各个子系统之间的相关性以及多任务之间的相互影响机理,得出了决定掘进效率的关键因素在于截割机器人和钻锚机器人的并行协同控制;其次,针对钻锚机器人各钻机之间的时空关系,构建了多钻机多任务协同钻锚作业数学模型,获得了钻机布置排距、排数及其各排钻锚任务数,同时使用优化组合的方法进行求解,并对计算结果通过安全距离最大原则进行优化,获得了钻锚机器人各排钻机最佳时空匹配策略;最后,通过钻锚机器人系统并行协同控制仿真和实验,证明了该方法的有效性;通过对掘进机器人工作时截割机器人与钻锚机器人的时序分析,得出优化后的钻锚机器人工作时间能够与截割机器人工作时间有效匹配,2者能够并行协同的完成截割和钻锚任务。该方法已经应用在团队研发的煤矿智能掘进机器人系统上,实现了多机器人系统的智能并行协同控制。具有智能并行协同控制的掘进机器人系统已经在大断面(6.50 m×4.25 m)、夹矸与片帮共存的巷道运行近10个月,经受了夹矸厚度达2.1 m、硬度f=5～7的严酷考验,日进尺突破50 m。     

基于CAN总线的锚运一体机控制系统设计

根据煤矿巷道的实际环境条件以及快速掘进工艺的需求,设计了锚运一体机控制系统。该系统基于CAN总线通信,并具备RS485、以太网等多种接口。通过控制器和遥控系统、机身外围传感器系统,实现锚运一体机的控制和保护功能。锚杆钻机具有一键升降智能控制方式,整机具有激光测距自动跟随功能。通过锚杆机与运输机的分工配合,在掘进的同时可以进行锚杆支护,缩短了整个掘进工艺完成的时间,提高了煤矿掘进效率,降低了工人的劳动强度,符合煤矿生产过程中对安全高效生产的要求。     

煤矿巷道机器人管线视觉辅助定位与导航方法研究

在煤矿巷道安全巡检以及灾变环境应急救援等工作中通常需要使用到智能机器人。目前智能机器人的自主导航与避障技术已经比较成熟,但是主要应用场景都是有卫星定位(GPS、北斗导航系统等)的室外环境或者特定室内环境。由于煤矿巷道存在环境复杂,光照不均匀,空间狭窄等难点,智能机器人在煤矿巷道的自主导航方法还需要进一步研究。常用的传统惯性导航是使用惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)的加速度与角速度来推算物体在三维空间的位置信息,但是误差累积问题比较严重。煤矿巷道存在大量管线,结构化特征显著,通过机载摄像头获取井下巷道图像,使用机器视觉算法来定位巷道图像中的管线,并且通过解算机器人与管线之间的偏航角来辅助机器人的视觉导航。针对巷道中管线的颜色鲜明、几何形状特征明显的特点,结合颜色与几何特征,采用将原始图像纵向分割成多个独立子图像的方法,减小环境噪声对图像中管线分割带来的影响,然后从每个子图像中获取候选管线轮廓,并判断是否属于同一根管线进行轮廓分组,从每组候选轮廓中根据管线轮廓所拟合直线的平行程度进一步筛选出较为鲁棒和稳定的管线轮廓。结合相机针孔模型和偏航角解算模型,进而获得机器人当前的偏航角度。试验表明:上述方法不仅快速,而且计算的偏航角准确可靠,能够满足煤矿巷道机器人视觉辅助定位与导航需求。     

复杂地质条件煤矿巷道多履带钻锚机器人运动学研究

针对复杂地质条件煤矿巷道存在的掘快支慢难题,提出一种集钻、 护、 锚于一体的多履带钻锚机器人群.依据巷道支护需求,设计钻锚机器人本体结构、 钻机布置以及支护工艺,完成钻锚机器人三维建模;基于D-H法建立钻锚机器人钻机运动学模型,分析并求解顶板钻机与侧帮钻机正运动学解和逆运动学解,仿真得到钻机可支护区域的点状云图、 末端...     

基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法

防冲钻孔机器人是冲击地压矿井卸压的关键设备,其准确定位和定姿是实现卸压作业无人化的基础和前提.通过分析国内外移动机器人及煤矿井下移动设备定位技术的特点,提出了一种基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法.在分析常规惯性传感单元定位误差类型及来源的基础上,建立了空间阵列式惯性单元数据融合模型,推导出角速度和比例...     

山阳煤矿基于自稳隐形拱理论的切眼支护设计研究

综采工作面切眼用来安装综采支架、刮板输送机、采煤机等设备并从此开始回采,要求切眼的跨度较大、安全可靠。通过分析山阳煤矿1507工作面切眼的地质条件,以自稳隐形拱理论为基础,应用“自稳隐形拱最大高度公式”确定顶锚杆长度、应用“极限自稳隐形拱最大高度公式”确定锚索长度、应用“锚入岩层内深度公式”确定锚索锚固长度,并运用其原理对矩形巷道进行了改进,设计了导硐法掘进的刚柔双层网支护的圆弧角矩形切眼。同时在施工中设置了顶板观测站,监测巷道表面收敛量、顶板离层量及锚杆工作荷载等指标指导施工。从其支护效果和支护方案的合理性方面看,成功实现了切眼可靠支护和安全使用。可为类似条件矿井提供借鉴。     

基于精确大地坐标的煤矿透明化智能综采工作面自适应割煤关键技术研究及系统应用

目前煤矿智能综采工作面存在生产环境状态不透明、成套装备难以应对煤层起伏变化、信息化与智能化集成度不高等问题,其系统的适应性和实用性受到影响。具体而言,主要是缺乏基于地理信息系统的可视化数字孪生管控平台,无法实现基于统一大地坐标驱动的透明化工作面的自适应割煤。为突破相关技术难题,提出并研究了测量机器人大地坐标传导、透明化工作面系统建立和动态修正、5G通信、采煤机与地质模型的自适应耦合以及基于时态地理信息系统（TGIS）的“一张图”一体化管控平台等多项关键技术,完成了多维可视化软件系统的开发与硬件系统的高度集成,实现了：(1)采煤机、刮板输送机等固定或移动目标点达毫米或厘米级的精确定位;(2)三维地测模型、设备模型、开采环境与工业控制之间的基于逻辑关系的一体化集成和数字孪生系统的构建;(3)综采工作面采煤机、视频、惯导、测量机器人和地质雷达等信息的可靠、实时传输;(4)为地面调度指挥控制中心的远程决策和智能自适应控制提供了可视化管控环境。系统已经成功应用于临沂矿业集团菏泽煤电郭屯煤矿3301,2305两个工作面,初步实现了较为复杂地质条件下的智能化自适应开采和地面远程管控。     

煤巷锚杆支护在山脚树矿的应用

山脚树矿在煤巷中应用锚杆支护技术 ,顶锚杆使用D2 0× 2 2 0 0mm的建筑螺纹钢锚杆 ,帮锚杆采用D16× 16 0 0mm的建筑螺纹钢锚杆 ,帮、顶均采用端头锚固 ,全断面挂金属网 ,“W”钢带护帮 ,取得了初步成功。介绍了应用该技术的具体情况 ,同时提出了为提高掘进进度所需要解决的几个问题。     

张拉预紧式锚杆支护系统高能强化锚固机理研究

目前传统转矩式锚杆预紧力损失大、锚杆主动性利用率较低,难以满足深部复杂困难巷道的支护要求,因此提出了张拉式高预紧锚杆支护技术,开发了张拉预紧式锚杆锁具及相关构件,并对系统在实验室进行了锚杆拉伸试验,结果表明:在锚具锥度为6°时,整个锚杆拉伸过程直至锚杆破断后锁具都可实现自锁,锚杆破断时,锁具总后退距离平均为3.3 mm,验证了锁具系统的安全性、匹配性及稳定性。而后采用数值模拟的方法建立了巷道锚固分离体模型,对比了低、高预紧力下锚固体的变形破坏特征与能量演化机制,最终得出高预紧力锚杆比低预紧力锚杆更能提高锚固体强度,减小锚固体受载变形的破坏程度,高预紧力产生的高储能可有效提高锚固体破坏峰值,减小破坏时的总耗散能,有效提高锚固体峰后残余能量。基于理论分析结果,在王庄煤矿91采区运输大巷进行了张拉预紧式锚杆与普通转矩式锚杆的对比试验,据矿压监测结果显示采用张拉预紧式锚杆的巷道段两帮最大移近量减少了32.6%,证明了提高预紧力构建高储能锚固支护体系可以有效减小巷道变形。     

Flowcable全长锚固技术的试验研究

利用Flowcable材料,在锚杆(索)支护系统中进行全长锚固技术试验研究,按照标准作业流程进行帮部锚网支护,滞后工作面迎头一定距离再实施注浆。钻孔后先注Flowcable浆液,再将锚索插入孔中。试验效果良好,能实现软岩巷道对锚杆(索)全长锚固的要求。     

煤矿井下钻锚机器人布网单元设计与仿真

针对现有煤矿井下巷道成型永久支护速度慢、效率低、危险性系数较高、人员参与较多等问题，论文提出了一种钻锚机器人，并对其布网单元进行设计，通过SolidWorks对其进行三维建模，并对关键部件的受力情况在ANSYS中进行有限元分析计算|在ADAMS中建立了钻锚机器人布网单元简化样机模型，并对其抓网、运网动作进行运动学仿真分析。结果表明：钻锚机器人布网单元整体结构设计合理，满足支护片网单张稳定抓取、移动、顶放姿态要求，且布网单元机械手的关键部件符合刚度、强度要求。     

煤矿智能连采工作面建设方向研究

连采掘进主要应用在煤矿双巷快速掘进系统中，完成煤矿井下大巷、顺槽、切眼、回撤通道及联络巷道的施工工作，后配套设备有梭车、锚杆机、给料破碎机、带式输送机、铲车等，采用连采机掘进、梭车运煤、锚杆机支护、破碎机转载、胶带机运输、铲车清煤及辅助运料的施工工艺。为了积极响应国家煤矿安全监察局关于智能矿山建设相关要求，不断提升掘进工作面自动化、智能化水平，结合现阶段连采掘进工作面生产作业现状，提出了基于连采机远控割煤、梭车自动运行、锚杆机自动钻锚、破碎机自动运行、局部通风机智能变频控制、分散设备集中控制的智能连采工作面建设方向，促使掘进工作面不断向无人、少人、自动化、智能化方向发展，改善工人作业环境，提高掘进效率。     

葫芦素煤矿21405运输巷支护参数优化及快速掘进研究

针对葫芦素煤矿煤巷掘进效率低的问题,以21405工作面运输巷为对象,基于顶板连续梁控制理论和高预紧长锚固技术,对巷道原支护方案进行了改进,采用单一柔性大锚杆支护、并将锚杆排距增加为1.5 m,巷道掘进平均日进尺达到25.3 m,最大日进尺达到31.5 m,实现了煤巷的安全高效快速掘进。