煤矿智能掘进关键技术探讨及工程实践研究_张建国.pdf

第 19 卷第 2 期地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol192023 年 4 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringApr2023煤矿智能掘进关键技术探讨及工程实践研究张建国1，孙海良1，张国川1，姜德义2，李宗泽2(1 中国平煤神马能源化工集团有限责任公司，河南 平顶山 476000;2重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆 400044)摘要:煤矿智能化是煤炭工业技术革新在新时期下的重大需求和重要发展方向。煤矿智能化掘进建设的目的是为了实现掘进作业的智能、高效、安全、健康作业，以达到最终的无人/少人掘进。但由于煤矿掘进作业工序工艺复杂，目前我国掘进智能化的发展远落后于回采工作面的智能化。论文分析了煤矿智能掘进相关领域的研究进展，探讨了未来实现智能掘进需要的主要技术需求:(1)提出基于统一数据融合基础的超前地质环境信息智能感知与分析技术，提高矿井信息可视化水平，为环境判识、智能决策提供信息基础;(2)研发能够集成高精定姿定位、自主导航、自适应截割、远程操作与监视监控等功能的新型智能掘进装备，进一步减少工作面作业人员;(3)具备高适应性的自动化钻锚护设备是提高掘进效率的关键环节，通过自动化手段高效完成支护作业为设备、人员提供必要的安全工作空间;(4)建立网络控制多层位多区块信息决策中枢，互联互通设备间的自决策、互通讯与指令传输，实现掘进成套装备的协同联动。论文以平煤神马集团首山一矿己15-17-12110 智能化掘进工作面为典型案例，进一步阐述了智能化掘进系统的多个关键技术问题和实现途径。关键词:煤矿;掘进;智能化;物联化;信息感知中图分类号:TD713文献标识码:A文章编号:1673-0836(2023)02-0609-13Discussion on Key Technologies and Engineering Practiceof Intelligent Tunneling in Coal MineZhang Jianguo1，Sun Hailiang1，Zhang Guochuan1，Jiang Deyi2，Li Zongze2(1 China Pingmei Shenma Energy and Chemical Group Corporation Limited，Pingdingshan，Henan 476000，P China;2 State Key Laboratory of Coal Mine Disaster Dynamics and Control，Chongqing University，Chongqing 400044，P China)Abstract:Intelligent coal mine is the major demand and important development direction of coal industrytechnology innovation in the new era The purpose of intelligent driving construction of coal mine is to realize theintelligent，efficient，safe and healthy operation of driving operation，so as to achieve the ultimate unmanned/fewperson tunneling However，due to the complexity of coal mine driving process，the development of intelligent drivingis far behind the intelligent mining face This paper analyzes the research progress in the related fields of coal mineintelligent tunneling，and discusses the main technical problems to be solved in the future:(1)the intelligentperception and analysis technology of advanced geological environment information based on unified data fusion isproposed to improve the visualization level of mine information and provide information basis for environmentalrecognition and intelligent decision-making;(2)the research and development can be highly integrated The newintelligent tunnelingequipmentwiththefunctionsofpreciseattitudepositioning，autonomousnavigation，adaptive cutting，remote operation and monitoring and monitoring can further reduce the working staff of the working收稿日期:2022-10-13(修改稿)作者简介:张建国(1965)，男，河南滑县人，博士，教授级高级工程师，主要从事煤矿生产、运营和灾害防治方面的工作。E-mail:zhangjg_z 126com基金项目:国家重点研发计划(2017YFC0804202);国家科技重大专项(2016ZX05045001005);重庆科技学院科研项目(CK181901004)face;(3)the automatic drilling and bolting equipment with high adaptability is the key to improve the tunnelingefficiency，and the support operation can be completed efficiently by means of automation，providing necessary safeworking space for equipment and personnel;(4)The network control multi-level and multi block informationdecision-makingcenterisestablishedtointerconnectself-decision-making，mutualcommunicationandcommand transmission among equipment，so as to realize the coordinated linkage of complete sets of tunnelingequipment Taking Ji15-17-12110 intelligent heading face in Shoushan No1 mine of Pingdingshan Shenma Group asa typical case，this paper further expounds several key technical problems and realization approaches ofintelligent tunneling systemKeywords:coal mine;driving;intellectualization;instrumentation;information perception0引言新中国成立 70 多年来，煤炭产量增长了 158倍，煤炭资源始终占据着我国一次性能源消费结构的主体地位，并在长时间内仍将占据主要地位，推进煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。国外各主要产煤大国，自 20 世纪 90 年代开始研发煤矿自动化、智能化技术，经过近 30 年的发展已经基本实现了开采、掘进、通风、运输等各个环节的智能化运作。我国从 20 世纪 80 年代，开始以信息共享为目的的信息化的建设，2015 年开始的“四化”(机械化、自动化、信息化和智能化)建设为煤矿智能化的发展奠定了扎实的基础。近年来，我国智能化建设发展迅速，目前全国建成二百多个不同层次的智能化采煤工作面。然而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”问题成为了煤矿生产和智能化建设的短板、是煤矿智能化建设所必须面临的难题。巷道掘进是一项需要多种工作在时间和空间上相互配合完成的复杂工程。我国大部分煤矿是井工开采，巷道掘进工作在地下几百米甚至上千米进行，深部复杂地质条件使得巷道掘进十分困难1-3。在巷道掘进之前，需要对掘进路径科学规划，确定掘进地段的地质构造、岩石应力状态，分析水和瓦斯的赋存情况，并做好设备选型等工作。在掘进工作时，要对掘进机的截割点、掘进速度、掘进方向做到精确控制，确保巷道的断面形状和各项参数符合要求。围岩的支护也是巷道掘进的一项重要环节，根据巷道的地质条件选择合适的支护方式和支护材料，在保证可靠性和安全性的前提下，还需要考虑成本因素。此外，掘进过程中还要做好落煤和物料的运输、工作面除尘、轨道铺设、辅助通风、必要的排水设施、电缆敷设等工作4。巷道掘进工作存在效率低、人员多、安全事故多的现状，掘进工作严重影响矿井的可持续发展。煤炭的工业化开采已经有几个世纪的历史，巷道掘进的发展也经历了以下几个阶段。最初的回采和掘进依靠人工开采，不仅开采效率低而且危险性大;之后随着火药的出现和爆破技术的发展，钻爆法(炮掘)应运而生，并很快成为煤矿巷道掘进的主要手段5，相较于人工，炮掘使得巷道掘进的速度大大提升，煤炭的产量也直线上升。为了适应煤矿机械化的生产，我国自 20 世纪 80 年代就开始探索煤巷综合机械化掘进工艺，经过 40 年的发展，综掘工艺已经取得了显著的成绩，大中型煤矿的巷道掘进已基本实现综掘化6。近十年以来，随着人工智能、大数据、物联网等技术的发展，巷道的掘进工艺也逐渐向智能化掘进发展。智能化掘进是智能化矿山建设的一个重要组成部分，而智能矿山是“数字矿山”、“数字中国”的重要一环7-9，重要性不言而喻10。然而在智能化掘进方面，我国仍未形成系统的理论和技术体系。一方面是掘进工作涉及到掘、护、探、运，掘进的工作复杂程度更高，需要综合考虑的因素更多，形成智能化的掘进系统难度大11-14。二是井下作业中许多关键技术的发展仍未有所突破，诸如机身定位技术、通信技术、综掘系统的自动化技术(包括掘进机的自动化、围岩自适应支护、自动运输)、煤岩界面识别技术等。然而，掘进向智能化的发展的大方向是基本确定的。首先，国家和地方政府大力推动智能化矿山建设和智能掘进的发展15，为矿山、工作面的智能化提供政策支持。在国家发改委、国家能源局的文件能源技术革命创新行动计划(20162030 年)中指出，要提升煤炭开发效率和智能化水平，研发高效建井和快速掘进、智能化工作面、重点煤矿区基本实现工作面无人化，全国016地 下 空 间 与 工 程 学 报第 19 卷采煤机械化程度达到 95%以上16，各地方政府也相继印发了智能化煤矿建设的相关文件。其次，近十年来，我国在智能化矿山研究方面做出了可观的研究成果，形成了初步的理论体系，为智能化掘进提供了理论准备和技术支持17。最后，从井下巷道掘进的发展历程和掘进工作性质来看，智能化掘进也将会是解决各种掘进问题的最优