煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展.pdf

第 45 卷第 8 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 8 2020 年8 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2020 移动阅读 杨健健,张强,王超,等. 煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展[J]. 煤炭学报,2020,4582995-3005. YANG Jianjian,ZHANG Qiang,WANG Chao,et al. Status and development of robotization research on roadheader for coal mines[J]. Journal of China Coal Society,2020,4582995-3005. 煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展 杨健健1,2,张 强1,王 超1,常博深1,王晓林1,葛世荣1,2,吴 淼1,2 1. 中国矿业大学北京 机电与信息工程学院,北京 100083; 2. 中国矿业大学北京 机器人化采矿装备研究所,北京 100083 摘 要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。 关键词智能掘进机;机器人化作业;掘进机器人群组;无人化开采 中图分类号TD632． 2;TD67 文献标志码A 文章编号0253-9993202008-2995-11 收稿日期2019-10-26 修回日期2019-12-25 责任编辑郭晓炜 DOI10. 13225/ j. cnki. jccs.2019.1452 基金项目国家自然科学基金面上资助项目2018101060080;国家自然科学基金青年资助项目2018101030061;2019 山西省科技重大专项 资助项目20181102027 作者简介杨健健1988,男,山东济宁人,讲师,硕士生导师,博士。 E-mailyangjiannedved163． com Status and development of robotization research on roadheader for coal mines YANG Jianjian1,2,ZHANG Qiang1,WANG Chao1,CHANG Boshen1,WANG Xiaolin1,GE Shirong1,2,WU Miao1,2 1. Department of Mechanical,Electrical and Ination Engineering,China University of Mining and Technology Beijing,Beijing 100083,China; 2. Ro- botic Mining Equipment Institute,China University of Mining and Technology Beijing,Beijing 100083,China AbstractBased on the requirements of intelligent and unmanned development of coal mine roadway,the development status of three heading operation lines of the cantilever roadheader comprehensive heading technology,the continuous miner heading technology and the roadheader anchor integrated heading technology are reviewed. According to the na- tional plan of coal mining robots in the “Key Catalogue of Coal Mine Robots R the automatic support technology for temporary support robots;the parallel drilling anchors for drilling and anchoring robots technology;and the synchronous transportation technology for auxiliary loading and transportation ro- bots,etc. With the comparison and analysis of advanced robotized heading equipment and groups in other countries, combined with the current status of heading technology and equipment in China’s coal mine roadways,this paper puts forward the development ideas and research directions of the robotization technology and equipment of coal mine head- ing machines impact cracking-rapid heading technology;remote forward exploration-accurate inertial navigation tech- nology;new equipment for coordinated excavation support-self-adapted roof protection;and new equipment for drilling and anchoring-intelligent anchoring to realize the rapid heading technology of the robotized excavation group for explo- ration-heading-support-anchor-transport cooperative operation,and finally achieve the goal of less and unmanned mine heading operations. Key words intelligent roadheader;robotic work;tunneling robot group;unmanned mining 国际能源署IEA发布的一份报告预测,到 2040 年,中国对煤炭的需求将占全球煤炭需求的 50,全 球煤炭需求将增加 15。 在未来的一段时间里,煤 炭仍占据我国能源主要组成部分。 我国约有 90 的 煤炭资源以井工方式开采,并且遵循“采掘并重,掘 进先行”的开采原则。 随着煤矿行业走向自动化、智 能化,井下开采工作面装备水平得到提升,因掘进效 率低下导致的“采掘失衡”问题成为了现如今大型煤 矿井巷面对的主要难题[1-3]。 掘进装备发展水平滞 后,直接制约了快速、精准掘进,也制约了煤矿高效生 产。 机器人是具有智力或感觉与识别能力的人造机 器装置[4],煤矿掘进机器人是指能够通过自动控制 自主完成煤矿掘进任务的机器群组,属于工业特种机 器人。 掘进机器人装备有齐全的传感器来获取环境 信息定位、姿态和超前探测等,根据制定的任务选 择最优的规划和决策,具备钻探-掘进-支护-锚固的 机器人机构并协同工作。 由此,构成掘进机器人的基 本要素应包括感知要素、决策要素和执行要素[5]。 为达到国家安监总局提出的“机械化换人、自动 化减人”的目标,煤矿掘进机需要完成自动化、机器 人化,并逐渐研发集“人工智能”于一体的智能化掘 进机器人,使煤矿行业最终实现掘进工作面少人化、 无人化的目标。 1 国内外掘进机群组的研究现状 煤矿井巷所采用的掘进机装备总体归为 3 类欧 洲和我国采用悬臂式掘进机进行综掘开采,能适用于 各种复杂的巷道环境,但是掘进和支护工作不能同步 执行;美国采用连续采煤机掘进作业线,锚杆机锚固, 交替作业;澳大利亚采用掘锚一体化机组,实现了掘 锚平行作业,连续采煤机和掘锚机作业线都可以实现 煤矿巷道的快速掘进[6-7]。 煤巷用掘进机设备配置 和掘进工艺流程如表 1、图 1 所示[8]。 表 1 煤巷用掘进机设备配置 Table 1 Equipment layout table for coal roadway boring machine 作业线掘进、支护设备配套设备特点及适用范围 一 悬臂式掘进机、单 体锚杆钻机 悬臂式掘进机、机 载锚杆机 桥式转载机、带式输送机 适用于单巷掘进,适用范围广;掘锚不能平行作业 适用于单巷掘进,适应范围广,有利于提高支护效率;机载锚杆钻 机与掘进设备不配套,相互影响 二 连续采煤机、锚杆 钻车 梭车、给料破碎机、带式输送机 适用于双巷或多巷掘进,掘进与支护平行作业,掘进速度快;要求 顶板稳定 连续运输系统、带式输送机适用近水平煤层掘进,中等稳定顶板 三掘锚一体机 行走给料破碎转载机、桥式胶带转载机、 可伸缩带式输送机 适用于巷道断面大的单巷掘进,掘锚平行作业,适应顶、底板中等 稳定的近水平煤层 6992 第 8 期杨健健等煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展 图 1 煤矿巷道掘进工艺流程 Fig． 1 Flow chart of coal mine roadway excavation 1． 1 综合机械化掘进技术 综掘开采作业线整体装备由悬臂式掘进机、锚杆 钻机、带式输送机、桥式转载机、机载除尘器等设备组 成,具体如图 2 所示。 近几年国外综掘技术的主要研 究方向有[9-12]① 提高掘进机切割功率以及可靠性; ② 配套设备多样化;③ 采用机电一体化技术;④ 研 究探索新型的截割技术。 国内综掘技术的发展趋势 为[13-16]悬臂式掘进机上加装临时支护装置的掘支 机,加装锚杆钻机形成掘锚一体机,研发自移式临时 支架,以及具有自动截割功能的掘进机等。 综合机械 化掘进技术仅适用于单巷掘进,掘进与支护不能平行 作业,且截割效率不高,后续配套运输方式落后,智能 化和无人化程度低。 目前应用效果较为良好的解决 方案是在顶板稳定的状况下,采用机载锚杆钻机进 行支护用以缩短支护所需时间,通过超前液压支架或 自带盾牌掩护支架完成掘进机和支护同时作业等。 1． 2 连续采煤机掘进技术 连续采煤机结合锚杆钻车、履带行走支架、梭车、 多功能铲运车等可形成快速掘进工艺线,如图 3 所 示。 美国、德国以及英国等国家在连续采煤机进行综 掘开采方面,技术领先,其中绝大部分的机器设备已 经实现全遥控控制[17-18]。 我国对连续采煤机的研发 工作起步较晚,2008 年自主研制了国内首台连采 机 ML340,实现了掘进、除尘、调动、运输等功能,月掘 进可达 1 500 m,满足实际生产要求[19-20]。 目前,有 关连续采煤机的研究技术朝掘锚一体机方向发展,连 续采煤机通过加载锚杆钻机虽然可以实现掘锚同步 作业,但是在顶板条件差的煤矿巷道中无法得到使 用,使其适用范围受限。 1． 3 掘锚一体化掘进技术 以掘锚机为核心,配套行走给料破碎转载机、带 式转载机、带式输送机等运输设备,形成煤矿巷道的 快速掘进、支护、运输的同步作业线,极大提高了掘进 效率,如图 4 所示。 国外掘锚机具备智能掘进、同步 锚固和自动截割技术,可进行远距离控制和工作面实 时监控,但仍处于半自动化水平,尚无智能快速掘进 成套技术与装备[21-23]。 我国近几年才开展掘锚一体 化研究,与国外产品还有差距,目前我国掘锚一体化 图 2 综掘作业线设备 Fig． 2 Comprehensive excavation line equipment 掘进技术的研究方向为基于悬臂式掘进机的掘支护 一体机和基于连续采煤机的掘锚一体机[24]。 2 机器人化掘进群组关键技术 2019 年 1 月,国家煤炭安全监察局发布了煤矿 机器人重点研发目录 公告,规划了煤炭开采中掘 进、采煤、运输、安控和救援 5 类、38 种煤矿机器人, 其中掘进类机器人就有掘进工作面机器人群、掘进机 器人、临时支护机器人和钻锚机器人等[25]。 智能掘进机器人群组系统联合以上掘进类机器 人协同工作,需要具备以下特征① 状态感知掘进 机器人依托自主定位和自动驾驶技术,完成对煤矿巷 道环境地图的构建,并进行实时掘进位姿、临时护顶、 钻锚姿态的精准感知;通过煤岩识别和自动截割技 术,实现截割臂自适应截割和断面自动成形;利用数 字孪生技术,在远程可视化监控平台中完成对掘进机 7992 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 3 连续采煤机作业线设备 Fig． 3 Continuous coal miner line equipment 图 4 掘锚一体化作业线设备 Fig． 4 Integrated anchor line equipment 器人的行为映射。 ② 自主决策根据感知环节反馈 回来的信息,建立相应的掘进机器人作业模型,利用 智能技术进行识别、理解并对模型的改变做出相应的 决策,具有学习能力和自适应性,分析和求解任务目 标,制定规划出最适合的控制策略。 ③ 精准执行通 过构建机器人化掘进群组位姿和运动关联模型,提高 掘进机器人群组执行工作的可靠性和控制的准确性, 实现掘进、支护、锚固、运输的协同作业。 2． 1 掘进机器人技术 2． 1． 1 自主定位与自动驾驶技术 掘进机自主定位技术是指掘进机器人通过传感 器检测其在巷道中的位置和姿态。 目前,主流的自主 定位 技 术 研 究 方 法 有 激 光 指 向 器、 机 器 视 觉、 iGPSindoor Global Positioning System,室内定位系 图 5 自主定位相关技术 Fig． 5 Autonomous positioning related technology 统技术、超宽带测距技术、惯性导航等[26-27]。 中国 矿业大学杜雨馨等[28]研究了基于机器视觉的掘进机 机身位姿测量方法,对固定摄像头拍摄的图像进行特 征点提取,如图5a所示,系统测量角度误差在0． 5 以内,位移误差可以控制在 20 mm 范围内,其中,γ1 为标靶 1;γ2为标靶 2;β1为红色激光器垂直激光面; β2为绿色激光器垂直激光面;α 为激光器水平激光 面;d 为两标靶间距。 中国矿业大学北京陶云飞 等[29]利用 iGPS 测量原理方法检测掘进机机身位姿 变化,其定位原理如图 5b所示,实验结果表明当测 距为 40 m,测量次数为 200 时,最大测量误差为 0． 070 m。 中国矿业大学北京符世琛等[30]采用超 宽带Ultra Wide Band,UWB测距技术对掘进机进行 定位,如图 5c所示,采用 Caffery 算法的掘进机位 8992 第 8 期杨健健等煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展 姿检测系统在10 m 处的航向角、俯仰角、横滚角精度 可达到 0． 2 以下。 中国矿业大学北京 陶云飞 等[31]提出了利用惯性导航技术进行掘进机空间位姿 参数测量,通过仿真分析得出航向角、俯仰角、横滚角 均存在 1． 86 3． 01的测量误差,偏向位移误差较 大。 基于自动驾驶技术、无人路径规划,实现整机全 功能遥控。 西安科技大学马宏伟等[32]针对煤矿井下 无 GPS 环境,提出了通过激光雷达的 SLAMSimulta- neous Localization and Mapping,即时定位与地图构 建技术实现机器人的位姿估计和环境地图构建,如 图 8 所示。 在高精地图和自主定位技术支持下,基于 自动驾驶技术的掘进机将实现从驾驶操作工位少人 到无人的跳跃。 图 6 自动驾驶控制系统 Fig． 6 Automatic driving control system 2． 1． 2 煤岩识别与自动截割技术 煤岩识别是掘进机器人截割头高度自适应调节 的基础,可降低截割头滚齿的更换频率,提高其使用 寿命。 杨健健[33]通过采集的不同工况下采煤机不同 测点的振动信号进行时频域分析,提出了基于振动检 测的煤岩界面识别方法理论基础和技术体系。 田慧 卿和魏忠义[34]根据煤岩灰度值和纹理的不同进行煤 岩识别,煤岩图像识别流程图如图 7a 所示。 王 昕[35]提出了微波频段的煤岩界面识别方法,其煤岩 识别原理如图 7b所示。 杨恩等[36]对煤岩试样进 行了反射光谱的采集,煤岩样品包络线去除反射率如 图 7c所示,提出 SAMSpectral Angle Matching,光 谱角度匹配比较算法识别速度达到毫秒级,总体识 别精度达到 92。 为保证巷道掘进前进工作面的延续性完整,每次 进刀切割工作面的形状需要保持一致,控制掘进机器 人截割轨迹的自动截割技术至关重要。 中国矿业大 学北京王苏彧等[37]提出了一种有关纵轴式掘进机 记忆截割的控制方法,通常人工示范采用自下向上 ABCDEFGK 或者自上至下类“S 形” 截割路径,具体如图 8 所示,信息储存后记忆截割系 统控制截割误差可在 6 cm 以内。 中国矿业大学北 京田劼等[38]介绍了掘进机记忆截割控制方法,实现 了掘进机按照人工示范截割路径进行自动截割,自动 图 7 煤岩识别技术 Fig． 7 Coal rock identification technology 图 8 掘进机截割路径示意 Fig． 8 Schematic diagram of the cutting path of the roadheaer 截割控制流程图如图 9 所示。 2． 1． 3 远程监控与故障诊断技术 掘进机器人工作面环境复杂,稍有不慎,容易产 生安全隐患。 煤矿巷道掘进施工的无人化离不开远 程监控技术,煤矿工人只需通过远程可视化监控平 台,对掘进机器人群组的工况进行实时视频监控,远 离危险的工作面作业环境。 中国矿业大学北京张 敏骏等[39]设计的掘进机远程监控与位姿检测精度验 证系统,包括传感器、工控机、视频监控系统等,相比 其他位姿检测系统测量角度误差在 1以内,偏向距 离误差在 0． 01 m 以内。 中国矿业大学伍小杰等[40] 提出了一种基于 Linux 操作系统、机载控制器与矿井 9992 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 9 自动截割控制流程 Fig． 9 Automatic cutting control flow chart 环网交换机的掘进机远程监控系统,如图 10 所示,其 紧急故障自动保护响应时间为 20． 6 ms,小于要求自 动保护响应时间0． 1 s。 上海创力集团股份有限 公司徐桂军等[41]设计远程无线视频监控控制系统主 要由视频监控模块、无线传输模块、遥控器模块等组 成,如图 11 所示,可实现掘进机左前方、右前方、掘进 机机器整体、掘进机后方 4 个位置的画面监控。 图 10 掘进机远程监控系统 Fig． 10 Roadheader remote monitoring system 掘进机一般处于恶劣的工作环境中,因此很容易 在工作过程中发生故障。 中国矿业大学北京杨健 健等[42]对 EBZ-160 型掘进机截割部进行故障诊断, 采用 PSO-BPParticle Swarm Optimization-back prop- agation,粒子群优化神经网络诊断算法能准确有效 地诊断掘进机截割部故障,在迭代步数为 1 000 步 时,PSO-BP 网络精度达到 4． 7410-15。 三一重工杨 洁等[43]提出了利用主成分分析方法对掘进机实时数 据进行特征信息提取,采用 SPESquared Prediction Error,平方预测误差贡献率进行故障变量诊断能够 快速诊断出故障,如图 12 所示。 中国矿业大学北 京刘强等[44]在掘进机截割系统故障问题上研究,通 图 11 掘进机无线监控系统 Fig． 11 Roadheader wireless monitoring system 过故障树与层次分析法结合,得出掘进机最易出现的 系统故障问题为电动机超负荷工作。 图 12 液压油温度故障 SPE 贡献率 Fig． 12 Hydraulic oil temperature failure SPE contribution rate chart 2． 2 临时支护机器人技术 为保证煤矿巷道的掘进安全,巷道的临时支护机 器人必须具备可靠性高、自适应力强、临时支护机器 人群组协同工作等特点。 山西天地煤机装备有限公 司王本林[45]分析了 2 种掘进机机载临时支护形式 ① 主销轴固定式临时支护;② 护板固定式临时支 护,如图 13 所示。 中国煤炭科工集团太原研究院王 帅[46]提出一种适合悬臂式掘进机的机载临时支护, 如图 14 所示,由遥控器操作实现无线遥控,可与 EBZ120TP、EBZ160TY 等多种型号的掘进机集成配 套。 中国矿业大学北京薛光辉等[47]基于自主设计 的机器人化自移式支锚联合机组,并对旗山矿围岩- 超前支架进行数值仿真和应力分析,如图 15 所示,平 衡 后 的 超 前 支 架 支 护 巷 道 顶 板 最 大 下 沉 量 为 29． 64 mm,巷道最大底臌量为 33． 58 mm,超前支架 顶部受力为 0． 13 MPa,巷道变形均在安全支护允许 的范围内。 2． 3 钻锚机器人技术 目前的气压、液压钻锚技术已经趋于成熟,但是 不能和掘进工作同时进行,自动化程度不高。 钻锚机 0003 第 8 期杨健健等煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展 图 13 两种形式的临时支护 Fig． 13 Two s of temporary support 图 14 悬臂式掘进机机载临时支护 Fig． 14 Cantilever roadheader airborne temporary support 图 15 机器人化自移式支锚联合机组 Fig． 15 Robotic self-propelled anchor combined unit 器人需实现钻孔、自动装载卸下锚杆、锚杆间距离定 位、各单元协同工作互不干扰等功能,达到巷道快速 掘进钻锚要求。 郝雪第等[48]设计出一种可以与掘进 设备协同作业的机器人化钻锚车,如图 16 所示。 马 宏伟等[49-50]设计了一款集合布网和钻锚功能的履带 式钻锚机器人,如图 17 所示,实现了巷道高效快速钻 锚。 图 16 机器人化钻锚车原理示意 Fig． 16 Schematic diagram of robotized drilling anchor car 2． 4 全断面掘进机器人技术 煤矿井下岩石巷道掘进长期存在掘进成形进度 图 17 钻锚机器人 Fig． 17 Drill anchor robot 慢、工人掘进工作面环境差等难题。 开展全断面智能 化掘进技术,主要研发集掘进、锚固、除尘、导向、排 水、故障检测于一体的全断面掘进机器人,实现安全、 高效、智能、环保的全断面掘进机器人化掘进。 中煤 科工集团杨生华等[51]介绍了 ϕ5 m 全断面岩巷掘进 机包括主机及后配套系统,如图 18 所示,EJ50 全断 面岩巷掘进机完成了山西东曲煤矿主平硐及大巷共 3 600 m 掘进任务。 中国科学院武汉岩土力学研究所 刘泉 声 等[52]在 超 千 米 深 井 巷 道 建 设 中 引 入 了 TBMTunnel Boring Machine,全断面掘进机,将建设 方案中涉及的关键岩石力学和机械制造问题解决并 在此基础上将其改进为全断面岩石巷道掘进机Full Face Roadway Boring Machine,RBM,其工作机理如 图 19 所示,其中,y 为刀盘与工作面距离;uy 为巷 道表面径向位移;umax为巷道表面最大径向位移; py 为围岩对护盾挤压力;p′y为围岩对管片挤压 力;ΔR 为超挖间隙;Rf为护盾所受摩擦力;Fb为开挖 推力;v 为开挖速度。 图 18 ϕ5 m 全断面岩巷掘进机总体示意 Fig． 18 Overall representation of the ϕ5 m full-section rock roadheader 图 19 RBM 巷道开挖力学简图 Fig． 19 Schematic diagram of RBM roadway excavation 1003 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 2． 5 辅助装载输送机器人技术 研发新型履带自驱动辅助运输车,智能化完成掘 进巷道辅助运输任务。 以自动装载、运输车遥控、人 员感知和避障系统为目标,开发辅助运输车的履带行 走机构、举升机构、机架、液压系统、智能遥控系统。 最终完成辅助运输车的智能远程控制、自动装载和无 人驾驶等功能。 3 机器人化掘进装备与群组 3． 1 机器人化掘进装备 国内外较为先进的机器人化掘进装备如图 20 所 示,主要代表如下 1山特维克 MB670-1 型掘锚机,适用于有色 金属矿井的连采,在巷道成型、钻锚质量和永久锚固 等性能上,可适应煤矿巷道开采需求。 2久益 12CM30 型掘锚机,采用集成锚固系统, 可实现同时截割和锚固功能,有效提高了掘进效率。 图 20 掘进机器人装备 Fig． 20 Tunneling robot equipment 3“蛟龙号”世界首套全断面高效快速掘进机, 具有全断面连续切割技术、远程控制、智能导向、同步 锚固、调车、运输、除尘等功能。 4中铁重工 ZJM4200 掘锚机,具备掘进、防护、 钻探、同步锚护、自主定位、除尘、故障检测等功能的 煤矿巷道快速掘进装备。 3． 2 机器人化掘进群组协同系统 中国矿业大学北京依托国家“973”项目,开展 机器人化掘支锚联合机组研究工作,研发恶劣环境下 无人采掘装备的截割-支护-运载集成系统的多功能 集合装备,揭示集成系统的协同性机理,提出多机协 同并行作业的冲突消解与避让策略,为构建可靠、实 时、安全的机器人化掘进群组控制系统提供前提。 实 现快速掘进、支护锚固、自主定位等功能的无人化掘 支锚联合机组虚拟样机如图 21 所示。 图 21 掘支锚联合机组虚拟样机 Fig． 21 Virtual prototype of the joint anchor and unit 煤炭科学研究总院太原研究院研发的机器人化 掘进群组协同系统将掘装功能与锚杆钻机有机的结 合,实现截割、装运、锚杆支护三位一体,其适用范围 更广,掘进效率更高,如图 22 所示。 图 22 综掘运锚一体机 Fig． 22 Comprehensive drilling and anchoring machine 中铁重工提出实现机器人化掘进群组快速掘进 的方法[53]① 掘的快,研发新型设备,提高装备水 平;② 支的快,提出支护新理念,加大排距,简化支护 工艺;③ 省时间,实现掘支平行作业。 研发快速掘锚 成套装备如图 23 所示,实现了设备能力提升,装机功 率大,破岩能力强,单进速度快。 完成了顺序作业向 平行作业转变,时空同步,节省时间。 图 23 快速掘锚成套装备 Fig． 23 Fast anchoring equipment 4 展 望 未来,煤矿掘进要实现无人化,掘进机器人融合 云计算、大数据、5G 传输和人工智能等技术,让每个 设备都具有自主感知和智能控制能力,通过搭建工业 互联网平台,让掘进机器人群组协同工作,完成探- 掘-支-锚-运等环节的一体化,最终实现无人化巷道 开拓。 目前,我国正在积极开展智能化煤矿建设,通 过分析国内外掘进机群组的发展现状,提出仍需攻克 的关键技术以及智能化掘进机器人的研发方向。 2003 第 8 期杨健健等煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展 1冲击致裂-快速掘进新技术。 将可控冲击波 技术[54]应用于煤矿井下巷道掘进作业中,有效增加 掘进工作面煤岩层的裂隙,提高掘进机器人的掘进效 率。 2远程前探-精准惯导新技术。 矿井突水多发 生于巷道掘进工作面,采用钻孔激发极化法进行超前 探水预报[55],排除煤矿巷道掘进隐伏水患;现有的导 航技术受井下复杂的基站布局、电磁环境干扰影响, 研发高精度的捷联惯性导航系统,实现掘进机器人精 准定位导航。 3协同掘支-自适护顶新装备。 在掘进机器人 巷道掘进过程中,同步完成顶板和两帮的支护,针对 煤矿巷道复杂的围岩条件,研究支架-围岩耦合监测 控制系统[56-57],对围岩压力和支架支撑力的状态进 行实时监测感知,自适应调节支护姿态。 4钻锚一体-智能锚固新装备。 钻锚机器人应 具备自主移动和远程交互控制、钻孔自动定位、钻进 方位导航、钻具全自主钻进控制与运行状况监测、孔 区压力分布状态智能感知等关键技术。 参考文献References [1] 葛世荣,王忠宾,王世博. 互联网采煤机智能化关键技术研究 [J]. 煤炭科学技术,2016,4471-9. 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