综采工作面巡检机器人关键技术研究

目前国内许多煤矿应用了可视化远程干预型智能无人化综采,但是综采工作面内仍然需要1名工人进行巡检作业,为了实现综采工作面支架支护区域内真正无人,需要研究一种综采工作面巡检机器人,实现对综采工作面巡检人员的替代,适应智能综采的发展方向。在分析综采工作面巡检机器人研究现状的基础上,指出综采工作面巡检机器人研究目前处于起步阶段,提出了综采工作面巡检机器人研究需要攻克的5个方面的技术难题:综采工作面巡检机器人控制平台健壮性,行走驱动可靠性,移动通信稳定性,群组控制协同性,配套应用合理性。给出并具体分析了综采工作面巡检机器人发展所需的5项关键技术:柔性轨道技术,精准定位导航技术,高可靠控制技术,动态图像采集技术,三维采场模型构建技术。研制了一款综采工作面巡检机器人,以电池供电驱动行走机构沿刮板输送机电缆槽外侧的轨道实现快速移动,轨道之间采用具有一定承载能力的弹簧连接件实现柔性连接,综采工作面巡检机器人搭载惯性导航系统,三维激光扫描装置,红外热成像摄像仪,可见光摄像仪,无线移动终端等装备,可完成对综采工作面直线度、水平度检测,工作面精确定位,工作面点云扫描,采煤机运行状态巡检与工作面快速巡检等功能,并通过无线通信网络实现传感数据准确、快速传输至巷道集控中心。通过在神东榆家梁煤矿43101综采工作面应用,实现最大巡检速度60 m/min,辅助构建的工作面三维点云模型实测精度0.2 m,实现搭载惯导系统在宽360 m综采工作面直线度可控制在±500 mm。综采工作面巡检机器人在质量和电池续航2个方面仍需进一步研究优化,以满足实际生产需求。研究成果可为煤炭行业综采工作面巡检机器人技术的发展提供有益的借鉴。     

综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用

"十三五"期间,我国煤矿开采开始进入了智能化模式,但处于智能开采的初级阶段。首先,对国内外智能开采技术进展进行了分析,重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次,按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术,建立了智能感知技术体系,攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术,解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题;以物联网推动了围岩透明感知技术,基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量,具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力,高精度三维动态地质模型的动态修正技术;将机器人技术引入到综采工作面感知体系中,通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知;通过对传统VR的建模技术升级,建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术,建立了智能控制技术体系,研究了远程监督型控制技术和自主控制技术,利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别,实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制,开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺;通过对5G通信系统的协议改进,实现了工作面移动传输上行带宽超过300 Mbps和传输延时小于20 ms的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用,进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题:深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。     

综采工作面智能化开采系统关键技术

简要回顾煤矿智能无人开采发展历程,在分析综采工作面智能化开采需求的基础上,提出了综采工作面智能化开采系统架构,包括精准煤层三维地质模型及其动态调整、智能化开采控制、智能化无人巡检装置和智能化协同集控等4个部分,提出了综采工作面智能化开采模式。分析了综采工作面初始三维地质模型、三维激光扫描技术,确定综采工作面三维地质数字化模型动态调整步骤,形成动态调整的综采工作面三维数字化地质模型,实现综采工作面的有限透明。指出综采工作面智能化开采三项关键技术:采煤机智能化割煤技术、液压支架自适应控制技术和综采工作面直线度控制技术。在神东榆家梁煤矿43101综采工作面进行技术应用,动态调整的综采工作面三维数字化地质模型精度为0.2 m,日割煤可达15刀;采煤机和支架自动化率95%以上,人工干预率20%左右;综采队全员工效125.69 t/工,较之前提高95.98%;工作面无直接操作人员,仅有1人巡视。研究成果可为煤矿智能无人开采提供借鉴。     

智能化采煤系统架构及关键技术研究

针对我国当前推广应用的可视化远程干预智能化采煤模式进行了分析,介绍、总结了基于视频监控的远程干预综采智能化、以巡检机器人辅助的工作面智能化,以及基于惯性导航技术的综采智能导航等3个方向的技术发展情况,提出了当前可视化远程干预智能化采煤所面对的"看、动、想、稳"4个方面实际问题。分析了复杂开采条件下智能化采煤所面对的自适应技术和综采机器人技术2项技术难题,归纳出开采空间多元信息采集及交叉融合、智能化采煤决策基础理论、综采装备群智能化协作3个科学难题。围绕技术、科学难题,提出了智能化开采系统需要具备的4个基本要素,分别为:煤炭开采空间感知能力、智能分析及决策能力、自动执行能力、可靠及稳健运维能力,设计了以"感知、决策、执行、运维"为4个维度的智能化采煤系统架构。研究了关键技术待突破方向,包括开采地质环境增强感知技术、智能开采工艺分析决策技术、开采装备智能化技术、煤矿智能巡检机器人技术、开采系统智能运维技术、辅助生产环节智能化技术、综采智能服务等方面。最后,以国能集团神东榆家梁煤矿智能化采煤示范工程项目为例,开展了基于"透明工作面"的数字化采煤应用,初步实现了智能化自主采煤。     

基于双通信模式的综采工作面巡检机器人研制

为实现综采工作面无人化智能开采,设计并研制了一款基于双通信模式的综采工作面巡检机器人系统。提出基于LoRa和WiFi技术结合的双通信模式实现综采工作面巡检机器人远程控制与工作面监控,并对巡检机器人的组成和功能进行了介绍,重点论述巡检机器人控制系统的组成和通信方案。通过在煤矿井下进行实际测试,结果表明,介绍方案可以实现地面控制台实时控制综采工作面巡检机器人,并可实时获取综采工作面数据和环境信息,及时发现问题并报警,为综采工作面无人开采提供保障。     

综采工作面巡检机器人柔性轨道设计与运动学仿真

煤矿井下综采工作面空间狭小、设备动作频繁,位置关系复杂等问题,导致常规巡检机器人难以直接在工作面运行,自动化监测难度大。根据工况需求,结合环境及设备群动作特点,提出工作面巡检轨道设计要求,采用模块化设计、仿真模拟和样机试验的方法,设计一种新型跨座式巡检机器人柔性轨道,实现在工作面环境的安装调节及当安装设备发生动作变形时轨道自身的自适应补偿。首先设计了巡检机器人柔性轨道的机械结构并确定安装运行方式。其次,以轨道跨接在刮板输送机线缆槽一侧为例,分析刮板输送机在平直、弯曲和起伏3种工况下的弯曲和俯仰变形量,并对柔性轨道进行运动学仿真。在3种工况下,该轨道可随工作面设备完成水平弯曲0～5.4°、竖直倾斜0～6°、伸缩变形0～120 mm,满足实际工况要求。巡检机器人通过柔性轨道时,其主运动方向始终保持匀速直线运动,水平或竖直方向在柔性过度段存在波动,波动幅值均在安全允许范围内。最后搭建柔性轨道物理样机及工作面试验平台,对工作面巡检机器人柔性轨道进行性能验证。结果表明：新型跨座式巡检机器人柔性轨道结构设计合理,可以适应工作面巡检的不同工况,对实现煤矿井下综采工作面机器人巡检具有重要意义。     

煤矿综采设备机器人化技术研究与设计

针对国家煤矿安全监察局《煤矿机器人重点研发目录》采煤机器人基本要求,结合煤矿智能化开采技术发展和生产应用需求,从机器人功能标准范畴对井下综采工作面采煤机、刮板输送机、液压支架、协同控制系统的机器人化技术进行了系统研究,提出了综采设备机器人化功能设计方案,介绍了煤机设备机器人化关键技术。通过煤机设备机器人化技术开发,提升了工作面智能化开采的能力和可靠性。     

综采工作面智能化开采技术研究

基于综采工作面智能化开采的发展现状与要求,系统阐述智能化煤矿的基本构架、智能化开采的技术特征以及智能化放顶煤的关键性技术,包括液压支架跟机自动化技术、采煤机记忆截割技术、工作面视频监控技术、远程集中监控技术、振动法自动放煤以及记忆模式自动放煤等智能化开采技术。针对当前智能化工作面开采技术难题,提出采煤机智能调高、液压支架群组与围岩自适应以及工作面直线推进控制的技术手段,对实现煤矿井下智能化开采,提高井下生产效率,减小人员伤亡具有重大的意义,旨在为智能化综采工作面的推广及应用提供一定的技术参考价值。     

综采工作面智能化关键技术研究现状与发展方向

为实现综采工作面的智能化,解决目前我国矿井普遍存在的开采装备技术落后、资源采出率低等突出问题,通过分析国内外综采工作面智能化开采技术应用现状,构建了综采工作面智能开采系统的主干模型,并就其中涉及到的采煤机位置监测、工作面自动取直及水平控制、煤岩界面识别、溜坡控制等关键技术进行了分析与总结,指出应用惯性导航技术是实现工作面取直的有效方法,应用热红外线技术进行煤层特征追踪技术是解决煤岩界面识别问题的有效途径;最后对综采工作面智能化的发展方向进行了展望。     

基于惯性导航的工作面直线度测控与定位技术

为了解决综采工作面在自动化生产模式下推进数刀后逐渐不直,继而影响连续推进的问题,通过分析问题产生的原因及其对自动化开采的影响,提出采用惯性导航技术测量刮板输送机平直度来定量描述工作面直线度的方法,将惯性导航装置捷联于采煤机,实时测量采煤机割煤行走时形成的三维空间轨迹。介绍基于该方法的惯性导航LASC技术的技术原理、算法框架、关键公式、控制流程等,并基于该技术开发了工作面自动找直控制系统。地面联调和井下工业试验的结果表明,此系统对工作面直线度的检测误差小于100 mm,全工作面直线度控制误差小于300 mm,满足了自动化开采模式下综采工作面自动连续推进的要求。     

“采充并行”式保水采煤方法

针对目前充填保水采煤方法存在的充填时间和充填空间不足,采煤与充填作业协调困难等问题,提出“采充并行”式充填保水采煤方法。在开采过程中,首先将整个开采块段内的所有采场支巷划分为多个开采阶段,每当开采并充填完一个阶段内的所有采场支巷后,再进行下一阶段采场支巷的开采和充填,直至开采和充填完所有采场支巷,最终实现充填体与煤炭的完全置换。为有效控制覆岩移动,每个采场支巷开采完毕后就立即对其进行充填。为确保正在开采的采场支巷两帮是实体煤或已达到设计强度的充填体,在阶段内对采场支巷进行间隔开采。研究成果应用于王台铺煤矿,在块段内煤炭资源采出率达96.8%的条件下,实现了浅表水资源的保护,地表变形量也小于建筑物Ⅰ级损坏等级指标。该方法采用一采一充一备的“采充并行”式充填开采模式,充分发挥快速连采和充填采煤的优点,可实现保水采煤。     

如何开展采矿许可证换证工作

为贯彻国务院（矿产资源开采登记管理办理）,根据国土资源部的安排,湖北省1998年将在省内开展矿山企业换证试点工作。本文就我省矿山企业换证工作的具体操作程序等问题作了指导性论述。     

井下采煤技术及采煤工艺的选择

介绍了我国采煤技术的发展状况,对我国井下采煤技术进行了简要的论述,并提出了采煤工艺方式的选择原则。     

反程序开采方式的探讨

通过对反程序开采条件的分析 ,结合双阳煤矿的地质条件及生产实践 ,从技术理论和现实生产两个方面 ,阐述了该矿进行反程序开采的可行性及必要性 ,为该矿反程序开采提供了科学依据。     

美国煤炭地下开采与自动化技术进展

美国煤炭的地下开采分为长壁式和房柱式2种技术。地质条件较好、井田范围大的矿井,一般以长壁开采为主,否则以房柱开采为主。1994—2017年,美国井工矿数量减少了79%(2017年为237座)。但是单个矿井产量增加了230%,煤炭生产更加集中、高效。美国长壁开采以中厚煤层为主,采高一般为1.6~2.5 m(最大开采高度4.2 m,最小开采高度1.2 m)。长壁工作面均采用多巷布置、矩形断面巷道、锚杆支护。近年来,工作面尺寸、设备功率、设备尺寸逐渐增大,生产系统更加可靠。长壁工作面的自动化开采源于1984年的电动控制液压支架的研发与使用,此后开发了支架、采煤机、刮板输送机的单机自动化以及追机移架技术。2000年以后开发了半自动化工作面技术和采煤机远程控制技术。目前应用的主要是半自动化工作面技术,只有2个工作面应用了采煤机远程控制技术。这些技术解决了条件简单工作面的自动化开采问题,但遇到复杂地质条件时,仍需要人工干预。研发自动化开采的关键传感器和设备以适应地质条件变化、完善端部进刀系统,聚焦作业安全和粉尘与噪音防控,以及矿用大数据、高速通信与可视化技术是目前美国的重要研发方向。在近10 a来,房柱开采的工艺变化不大,但是开采装备的多样化和开采系统的自动化、信息化、智能化的相关技术开发取得了重要进展。     

发挥采矿科研优势促进矿山技术进步

近10年中,长沙矿山研究院与100多家矿山企业合作开展了采矿技术的研究开发、成果转化和技术服务,取得48项国家和省部级科学技术奖,在金属矿床无废开采、胶结充填采矿与矿山废料充填、深井开采、原地溶浸采矿、露天与地下联合开采等方面取得了重大技术突破,推进了采矿行业的技术进步,为促进我国采矿技术进步作出了重大贡献。     

关于采矿权

采矿权是矿山企业或个人法取得的权利，阐述了采矿权的概念、取得、受理和日常管理。     

采用盘区和分区开采以提高矿山生产能力

本文论述近水平、缓倾斜中厚及松散破碎难采矿体，采用盘区和分区进行开采，可以有效地提高采矿生产能力．使矿山及时建成达产，并取得较好的技术经济指标。     

EML340连续采煤机在旺格维利采煤法中的应用

依据EML340连续采煤机在乌兰木伦矿进行的工业试验情况,介绍了间断运输工艺系统旺格维利采煤工艺,通过现场运行观测结果,对工艺系统进行了分析。结果表明:EML340连续采煤机能够满足工艺要求,并给出了合适的正规循环,用此结果可以用来指导类似神东矿区地质条件的地区使用连续采煤机进行短壁开采。     

矿井工作面回采对微震活动的影响研究

为有效揭示煤矿工作面矿震、冲击地压灾害的发生规律。结合东滩煤矿微震监测的震动能量、频次特征,工作面开采速度特征以及采动应力分布特征,研究了矿井工作面的回采参数对微震分布的影响规律。结果表明,工作面回采速度增加,大能量矿震爆发的非线性特征增强,工作面开采速度大于4m/d时,工作面发生冲击地压可能性大大增加,匀慢速回采是降低大能量矿震事件爆发有效途径;大能量矿震爆发的周期特性在东滩煤矿43上13工作面表现为100m大周期内包含50m的小周期;大能量矿震爆发与工作面整体应力环境正相关,周期来压、工作面“见方”时段为大能量矿震频发时段。