安徽省淮南市潘集区潘集镇朱集东矿掘进一区 安徽淮南 232000
摘要：科技的进步，促进人们对能源需求的增多。现如今，煤矿资源在人们的生产和生活中应用非常广泛，煤矿企业的采煤质量和采煤效率与我国经济发展有紧密的联系，要不断提高企业的煤矿生产效率，积极引进先进的煤矿掘进装备，以便提高煤矿掘进机的工作效率。为了提高煤矿开采效率、解决采掘比例失调问题及减少生产安全灾害，发展巷道智能化快速掘进技术是主要攻关研发的方向之一。实现智能化掘进的主要途径是研发智能化掘进装备。本文就煤矿巷道智能掘进装备的关键技术问题展开探讨。
关键词：巷道掘进；智能化掘进；快速掘进
引言
目前，我国煤矿企业的采煤技术发展迅速，逐渐发展成为大规模的机械化生产模式，极大提高了煤矿企业的回采速度，煤矿掘进速度越来越快，因此，对巷道掘进速度就会有更多更严格的技术要求。
1煤矿巷道掘进机器人建模研究
在国外，美国久益、英国多斯科和奥地利山特维克等掘进装备制造公司，为了提高煤矿巷道的掘进效率，提出并研发了掘锚一体机。这些设备，在中国一些赋存条件较好的煤矿使用，具有局部自动化功能和良好的整机性能，但其设计和制造的关键技术未见报道，也未见有关掘进机器人研究及其建模的报道。在国内，研究了悬臂式掘进机的机器人化模型，并对掘进机悬臂进行了运动学分析。分析了掘进机器人截割臂的结构特点及动力学特性，建立了截割臂横摆动力学模型。以悬臂式掘进机器人巷道自动成形为研究对象，建立了掘进机器人仿形截割的数学模型。研究了悬臂式掘进机器人行走机构，建立了液压行走驱动系统数学模型。研究了悬臂式掘进机空间位姿关系，建立了运动学模型。提出了机器人化掘支锚联合机组及工艺，建立了机组中折叠式钻床的数学模型。为了实现悬臂式掘进机的精确定位、智能控制和远程操控，建立了其运动学和动力学模型。提出了全新的钻锚机器人，建立了钻锚单元、布网单元的数学模型。上述研究基本上以单个机器人或关键功能部件为研究对象建立数学模型，为中国掘进机器人本体基础研究发挥了积极的推进作用。分析了掘进工作面周围应力、位移及破坏区分布特征与变化规律，巷道轴线与最大水平主应力方向的夹角对围岩应力、位移及破坏的影响，分析了围岩与支护加固的相互作用。提出“低初撑、高工阻”非等强耦合支护理念和超前支护设计原理，实现超前支护系统与围岩强度耦合、结构耦合以及稳定性耦合，增强系统适应性，达到协同支护的目的。提出了基于Green函数的P-SV体波和Rayleigh型槽波的合成波场，依据合成波场参数变化，分析了掘进工作面围岩特性分布。上述研究主要集中在巷道围岩应力变化、围岩－支护相互作用等方面，为掘进工作面围岩特性分布研究提供了理论方法，但是针对多任务多智能体的煤矿巷道快速掘进机器人系统与围岩耦合关系研究处于空白。
2掘锚护一体化装备的高效性
2.1提高掘锚装备与锚护材料的协同性与匹配性
掘锚一体化施工可以压缩锚护时间，提高巷道的掘进效率，是煤矿快速掘进施工发展的必然方向。然而仅对掘锚一体机自身进行研究还远远不够，必须把掘锚装备与钻杆、锚杆（索）、锚网以及锚固（安全、技术）标准等统一到整个系统。在进行掘进施工时，掘进方式应根据煤岩体的性质适当变化。例如，对煤岩体的类型进行区分，并分别设计适宜的掘进方法。对于软煤而言，对掘进效率要求相对较低，掘进装备的系统可以简单化，可选择小型多样性的截割臂，可使用移动式的支护钻架或者小型智能机器人，其掘进速度更容易提高。对于硬煤而言，还需要掘锚一体机，但是除了对装备本身进行优化外，可以在掘进机平台上通过已有的装置设计或增加超前支护、临时支护等来进行优化，提高安全性。
2.2智能协同控制技术
研究围岩的稳定性和子机器人之间主要任务参数对煤矿巷道快速掘进机器人系统协同任务分配的影响，实现子机器人之间速度匹配、功率匹配、位姿匹配和状态匹配等，提高掘进作业效率；建立多机器人系统动力学模型，分析多机器人系统协同工作时，环境对系统外作用力及子机器人之间内作用力与系统运动状态的数学关系；建立多机器人系统的碰撞检测模型，防止系统运动干涉，达到多机器人的协同移动。构建包括数据采集层，数据处理层和反馈层的多层协同控制架构，实现多机器人系统安全、高效、智能的协同控制及多任务的统一并行调度。
2.3支护新工艺方面的革新
煤矿巷道作业空间狭小，在智能化掘进过程中，如果完全模拟人工作业的支护过程，则装备的复杂程度将会超出可以接受的程度。因此，解决锚护自动化的关键必须简化锚护装备与流程：一是研究高精度自动找眼定位系统，可以自动找准孔眼位置；二是研究钻杆与锚杆一体化技术，即采用一次性简易钻杆代替过去复杂的往复交替才能完成的工作；三是研究钻（锚）杆空心化，便于通过中间空心填装膨胀药物；四是研究新型的两相甚至三相液体混合膨胀剂，通过压力注入钻（锚）杆后，产生化学反应膨胀成形；五是研究柔性高强度连续安全网技术，将目前复杂的铺网送网等一系列复杂动作简化成一个相对简单的铺网送网过程。
3提高煤矿掘进速度的措施
3.1加强煤矿地质勘查
采用先进的探测技术来探索煤层的地质结构并获得第一手的地质资料是非常必要的。在获得地质数据后，还应分析地质数据以提出最佳的隧道施工计划。煤矿的采掘施工应尽量避开某些地质构造复杂的地区。对于某些不可避免的地质构造，应采取相应的预防措施。为了确保地质勘探的有效性，应根据矿山的实际情况和现有条件选择适当的方法，例如钻探方法和地球物理方法。钻探钻井方法具有极强的适用性，但其勘探效果取决于井眼的数量和深度。其缺点是成本较高，速度较慢；地球物理勘探速度快，获得的数据量大，是理想的煤矿。
3.2精确定形智能截割方法研究
研究纵轴、横轴及多轴截割臂的不同截割方式的截割工艺参数对截割质量影响规律，获得不同截割方式的最优截割轨迹。建立截割断面特征提取模型，融合多传感器感知截割断面成形信息，实时构建截割断面数字化三维模型和巷道成形误差模型，实现截割成形断面的质量分析和评价。研究截割头自适应截割控制策略，建立截割系统状态空间模型，制定掘进机循迹跟踪控制与位姿自适应调整策略，实现截割头自适应截割。
3.3使用高效的支持技术
在采矿工程中，巷道支撑的类型与巷道的使用寿命有关。对于使用寿命较长的某些道路，例如大型道路，使用螺栓和电缆的联合支撑方法；对于某些使用寿命较短的巷道例如，采矿巷道大多由单个螺栓支撑。锚杆支护已被大多数煤矿企业接受，其主要优点是支护施工简单，强度高，成本低，为快速掘进提供了方便。根据支架的应力，可以选择适合的锚杆。螺栓支撑的机理尚不清楚，需要进一步研究。同时，随着岩爆事故可能性的增加，需要一些高性能的螺栓来有效地支撑巷道。
结语
煤矿巷道快速智能掘进不仅仅是对系统自动截割成形、自适应控制、定位及定向掘进、可视化远程遥控及诊断等关键技术的研究，也要对可靠性设计理论、传动优化设计、施工和支护新工艺等各个方面进行分析。此外，应广泛借鉴其他相关行业的一些操作方法和规程，并引入人工智能技术，进行智能判断、切割和识别，真正实现安全高效的智能化巷道掘进。
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