智能采礦概論第二章 智能采礦系統(tǒng)

一智能采礦系統(tǒng)總體架構(gòu)智能采礦系統(tǒng)組成

二智能采礦主要配套系統(tǒng)

三智能采礦系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)

四第二章智能采礦系統(tǒng)本章重點(diǎn)難點(diǎn)1、智能采礦系統(tǒng)總體架構(gòu)2、智能采礦系統(tǒng)組成3、智能采礦主要配套系統(tǒng)4、智能采礦系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)第二章智能采礦系統(tǒng)智能化煤礦建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，合理的頂層設(shè)計(jì)是進(jìn)行智能化煤礦建設(shè)的基礎(chǔ)。智能采礦系統(tǒng)總體架構(gòu)如下圖所示。2.1智能采礦系統(tǒng)總體架構(gòu)

智能采礦系統(tǒng)總體架構(gòu)第二章智能采礦系統(tǒng)從分層的角度考慮智能化煤礦總體架構(gòu)可分為感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層。智能化煤礦的感知層將會(huì)愈加緊密地與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，形成煤礦泛在感知與設(shè)備互聯(lián)。傳輸層匯集多種制式信號(hào)并完成數(shù)據(jù)透?jìng)?，為智能化煤礦的各種應(yīng)用提供一條信息高速通道。平臺(tái)層(或支撐層)提供基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施、通用性基礎(chǔ)軟件平臺(tái)與共性服務(wù)接口。應(yīng)用層是圍繞煤炭開(kāi)采和煤礦業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的各類(lèi)應(yīng)用系統(tǒng)，應(yīng)用層將與虛擬現(xiàn)實(shí)、大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等更加緊密結(jié)合，形成適用于煤礦的智慧應(yīng)用系統(tǒng)。第二章智能采礦系統(tǒng)2.2智能采礦系統(tǒng)組成智能化煤礦綜合管控平臺(tái)和云數(shù)據(jù)中心煤礦安全高效信息網(wǎng)絡(luò)及精準(zhǔn)位置服務(wù)系統(tǒng)GIS透明地質(zhì)模型及動(dòng)態(tài)信息系統(tǒng)智能化無(wú)人工作面協(xié)同控制系統(tǒng)智能化運(yùn)輸管理系統(tǒng)煤礦井下環(huán)境感知及安全管控系統(tǒng)智能采礦系統(tǒng)組成部分第二章智能采礦系統(tǒng)智能工作面三機(jī)系統(tǒng)2.3智能采礦主要配備系統(tǒng)采煤工作面的三機(jī)主要包括采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)，實(shí)現(xiàn)三機(jī)智能控制是是實(shí)現(xiàn)井下智能采掘的基礎(chǔ)。智能工作面三機(jī)系統(tǒng)如圖所示。

智能工作面三機(jī)系統(tǒng)另一方面，三機(jī)智能系統(tǒng)還包括三機(jī)工況自動(dòng)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)，三機(jī)自動(dòng)檢測(cè)與故障診斷系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)三機(jī)在工作面安全運(yùn)行提供可靠保障。第二章智能采礦系統(tǒng)智能掘進(jìn)系統(tǒng)煤礦綜采技術(shù)裝備與礦井配套設(shè)施的快速發(fā)展，加劇了采掘失衡的矛盾，發(fā)展巷道快速掘進(jìn)成套技術(shù)裝備、提高掘進(jìn)智能化水平已經(jīng)成為保障煤炭生產(chǎn)企業(yè)安全高效生產(chǎn)的先決條件。當(dāng)前綜掘成套裝備主要分為3種：一是懸臂式綜掘機(jī)+單體鉆機(jī)+轉(zhuǎn)載機(jī)配套模式；二是連續(xù)采煤機(jī)+錨桿臺(tái)車(chē)+梭車(chē)配套模式；三是掘錨一體化的掘錨機(jī)組+錨桿臺(tái)車(chē)配套模式。實(shí)現(xiàn)智能掘進(jìn)是井下智能采掘系統(tǒng)必不可少的一部分，而目前的智能掘進(jìn)系統(tǒng)及技術(shù)仍不成熟，未能進(jìn)行廣泛的應(yīng)用。借鑒工作面智能化開(kāi)采技術(shù)發(fā)展路徑，裝備成套化、作業(yè)流程自動(dòng)化、控制方式智能化是實(shí)現(xiàn)巷道智能快速掘進(jìn)的有效途徑，以掘錨機(jī)組為例，提出了以下3種智能化掘進(jìn)系統(tǒng)方案。第二章智能采礦系統(tǒng)智能化掘進(jìn)成套化配套模式。目前已有學(xué)者提出了錨－運(yùn)－破一體機(jī)，同時(shí)施工頂部錨桿和側(cè)幫錨桿，實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)，并與后部自移輸送帶一起組成掘錨機(jī)成套化系統(tǒng)，即“掘進(jìn)+支護(hù)+運(yùn)輸”三機(jī)配套系統(tǒng)模式。

掘錨機(jī)智能掘進(jìn)系統(tǒng)設(shè)備布置方式快速掘進(jìn)自動(dòng)化關(guān)鍵技術(shù)。已有學(xué)者提出了激光制導(dǎo)與慣性制導(dǎo)聯(lián)合的自主導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)裝備的定向截割和導(dǎo)航。掘進(jìn)裝備定向與導(dǎo)航第二章智能采礦系統(tǒng)智能化快速掘進(jìn)遠(yuǎn)程集控平臺(tái)。構(gòu)建智能化多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)成套智能裝備各子系統(tǒng)的聯(lián)合動(dòng)作，減少掘進(jìn)面操作人員數(shù)量，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、快速、穩(wěn)定、安全的智能化巷道掘錨運(yùn)作業(yè)。通過(guò)掘錨機(jī)和錨護(hù)設(shè)備的協(xié)同作業(yè)，實(shí)現(xiàn)掘錨平行、分段支護(hù)、連掘連運(yùn)等功能，在錨護(hù)設(shè)備的前端安裝無(wú)接觸式測(cè)距傳感器，檢測(cè)掘錨機(jī)與錨護(hù)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)距離信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘錨機(jī)的同步跟隨；在掘錨機(jī)的輸送機(jī)尾安裝無(wú)接觸式測(cè)距傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)尾與轉(zhuǎn)載機(jī)料斗之間的相對(duì)位置，防止其與料斗發(fā)生碰撞或側(cè)偏而產(chǎn)生撒料現(xiàn)象；錨護(hù)設(shè)備前移時(shí)，通過(guò)其配備的絞車(chē)牽引過(guò)渡運(yùn)輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)二者的實(shí)時(shí)跟隨、連續(xù)運(yùn)輸。第二章智能采礦系統(tǒng)采礦災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)采礦災(zāi)害智能監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器對(duì)地下煤層厚度及其變化、頂?shù)装鍘r層組合及其空間分布、構(gòu)造（斷層、褶曲）、礦井水文地質(zhì)及瓦斯地質(zhì)、煤層中的地質(zhì)異常體（巖漿巖侵入體、巖溶陷落柱和煤層沖刷）、煤層夾矸、地應(yīng)力、低溫、工作面頂板狀態(tài)、瓦斯爆炸、地?zé)岷σ约坝伤鼈円l(fā)的地震、突水、瓦斯突出等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將監(jiān)測(cè)信息傳送至控制中心，利用測(cè)評(píng)軟件系統(tǒng)和地理信息處理系統(tǒng)，為保證工作面的生產(chǎn)效率提高地質(zhì)數(shù)據(jù)和分析判斷，從而避免地質(zhì)條件的復(fù)雜性和無(wú)序變化造成井下工作面事故的發(fā)生，保護(hù)井下各種傳感器和精密設(shè)備安全。正確預(yù)測(cè)頂板失穩(wěn)破壞運(yùn)動(dòng)的地點(diǎn)和時(shí)間，在頂板失穩(wěn)運(yùn)動(dòng)前及時(shí)設(shè)置阻抗力足和穩(wěn)定性強(qiáng)的支架，是頂板事故控制的關(guān)鍵所在。按頂板塌垮運(yùn)動(dòng)和支架失穩(wěn)破壞特征來(lái)分，頂板事故可分為壓垮型事故（直接頂和基本頂來(lái)壓時(shí)，支架因穩(wěn)定性不夠被推倒所造成的頂板垮塌事故）和推垮型事故（直接頂和基本頂來(lái)壓時(shí)，支架因穩(wěn)定性不夠被推倒所造成的頂板垮塌事故）。第二章智能采礦系統(tǒng)煤巖智能識(shí)別技術(shù)2.4智能采礦系統(tǒng)主要關(guān)鍵技術(shù)煤巖界面自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是實(shí)現(xiàn)無(wú)人工作面的關(guān)鍵技術(shù)之一，同時(shí)也是納入國(guó)家能源科技“十二五”規(guī)劃的重點(diǎn)技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)提取煤巖特征，建立相應(yīng)的識(shí)別系統(tǒng)，自動(dòng)識(shí)別煤層與巖層；采煤機(jī)根據(jù)識(shí)別結(jié)果，自動(dòng)調(diào)節(jié)滾筒高度，正常割煤，防止誤割巖石，改善煤質(zhì)，提高采煤效率與安全系數(shù)。需要解決的核心問(wèn)題有以下幾個(gè)方面：需要解決的核心問(wèn)題效果受普氏系數(shù)影響效果受數(shù)據(jù)處理技術(shù)、識(shí)別算法等因素影響，技術(shù)的不夠成熟造成識(shí)別精度或速度受限效果受粉塵、光照強(qiáng)度、深部電磁、噪聲、機(jī)械振動(dòng)、發(fā)熱量等因素影響效果受地質(zhì)條件如煤層斷層、裂隙等影響第二章智能采礦系統(tǒng)特征類(lèi)型煤巖之間的特征差異是實(shí)現(xiàn)煤巖界面智能識(shí)別的關(guān)鍵因素之一。紋理：煤巖具有不同的紋理形態(tài)，可選擇紋理的強(qiáng)度、方向性、熵值、相關(guān)性、對(duì)比度、能量等參數(shù)識(shí)別煤巖。常見(jiàn)的紋理特征提取方法有局部灰度統(tǒng)計(jì)量法、局部傅里葉變換法、紋理譜法、Gabor濾波器組法、灰度共生矩陣法、分形模型統(tǒng)計(jì)法等。灰度：煤巖具有不同的灰度特征，可選擇煤巖灰度圖的亮度、灰度級(jí)出現(xiàn)頻數(shù)、灰度范圍、灰度分布狀況等參數(shù)識(shí)別煤巖。常見(jiàn)的圖像灰度化方法有平均值法、最大值法、加權(quán)平均法。該特征主要用于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，易受光照強(qiáng)度影響，且在煤和巖石的灰度值接近時(shí)，難以區(qū)分煤巖界面。各類(lèi)波反射信號(hào)：波在煤層與巖層中傳播特性不同，可用于電磁探測(cè)、聲波探測(cè)等技術(shù)，常選擇各類(lèi)波反射信號(hào)的能量、幅值、頻率、滯后時(shí)間等參數(shù)區(qū)分煤巖界面。該類(lèi)技術(shù)隨著頂煤厚度增加，存在信號(hào)衰減的問(wèn)題，易影響煤巖識(shí)別精度。伽馬射線強(qiáng)度：煤和巖石皆含有放射性元素，但其放射性強(qiáng)度大都不同，可根據(jù)頂層巖石輻射的伽馬射線穿透煤層后的衰減程度推算出煤層高度，實(shí)現(xiàn)煤巖界面識(shí)第二章智能采礦系統(tǒng)別。該類(lèi)技術(shù)存在信號(hào)衰減、回采率低等問(wèn)題。振動(dòng)信號(hào)：煤巖普氏系數(shù)不同，截割煤巖時(shí)振動(dòng)信號(hào)存在差異，常利用小波變換等方法提取振動(dòng)信號(hào)的頻率、波形、振幅等參數(shù)識(shí)別煤巖界面。其他信號(hào)：采煤機(jī)截割煤巖時(shí)，油缸壓力信號(hào)、有功功率、電流信號(hào)、粉塵比例等存在差異。常采用相應(yīng)傳感器采集信號(hào)，如壓力傳感器采集壓力信號(hào)，霍爾電流傳感器采集電流信號(hào)，粉塵探測(cè)器采集粉塵比例信號(hào)等，再利用特征提取方法提取識(shí)別參數(shù)，建立煤巖界面識(shí)別系統(tǒng)。煤巖智能識(shí)別技術(shù)發(fā)展及需解決的關(guān)鍵問(wèn)題：（1）機(jī)器視覺(jué)技術(shù)利用光源改善光照條件，工業(yè)相機(jī)獲取煤巖圖像，再采用各類(lèi)特征提取方法和識(shí)別算法對(duì)煤巖界面進(jìn)行識(shí)別。實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)：①圖像增強(qiáng)技術(shù)；②特征選擇和提取技術(shù)；③圖像識(shí)別算法。第二章智能采礦系統(tǒng)（2）電磁探測(cè)技術(shù)①雷達(dá)探測(cè)技術(shù)。常采用脈沖生成器產(chǎn)生電磁脈沖，用天線裝置發(fā)射、接收反射信號(hào)。②電子自旋共振技術(shù)。在頂煤下方放置線圈，當(dāng)線圈形成磁場(chǎng)與天線發(fā)射的電磁波發(fā)生共振時(shí)，電磁波會(huì)被頂煤吸收，根據(jù)接收到的電磁波強(qiáng)度可推算出煤層厚度，信號(hào)強(qiáng)度越弱，煤層越厚，目前測(cè)煤厚度可達(dá)13～152mm。（3）其它探測(cè)技術(shù)

①聲波探測(cè)技術(shù)：聲波探測(cè)技術(shù)聲波在煤層與巖層中具有不同的傳播特性，采用聲波收發(fā)儀采集聲波回波的能量參數(shù)可識(shí)別煤層厚度。該技術(shù)可用于煤層斷層等條件，適用范圍廣，抗干擾能力強(qiáng)，識(shí)別精度高。②伽馬射線探測(cè)技術(shù)：伽馬射線探測(cè)技術(shù)利用射線傳感器提取射線強(qiáng)度信號(hào)推測(cè)煤厚。該技術(shù)抗干擾能力強(qiáng)，將射線強(qiáng)度衰減納入考慮范圍，提高了識(shí)別精度。第二章智能采礦系統(tǒng)煤巖識(shí)別技術(shù)以后的發(fā)展方向：發(fā)展方向改善檢測(cè)環(huán)境，提高信號(hào)質(zhì)量，減小預(yù)處理時(shí)間，從而提高識(shí)別速度與識(shí)別精度采用新型傳感器，提高傳感器抗干擾性、靈敏度，從而提高識(shí)別精度改善現(xiàn)有技術(shù)，確保數(shù)據(jù)精度的同時(shí)減少運(yùn)算時(shí)間，從而提高識(shí)別速度與識(shí)別精度第二章智能采礦系統(tǒng)4.1采煤機(jī)智能調(diào)高技術(shù)采煤機(jī)滾筒智能調(diào)高的功能就是要求按照頂板和底板變化確定的采煤工藝而設(shè)定的頂?shù)装宓囊?guī)律智能調(diào)整滾筒高度，盡量減少采煤機(jī)截割頂?shù)装鍘r石面而保持支護(hù)要求的工作面頂?shù)装宓耐暾浴Ｒ簿褪钦f(shuō)，要使采煤機(jī)的前后滾筒截割后形成的頂?shù)装逡纬刹擅汗に囋O(shè)定的頂?shù)装宓那?，同時(shí)保持跟蹤軌跡的平滑性。為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒智能調(diào)高的功能，各國(guó)學(xué)者進(jìn)行了不少的研究，其中主要技術(shù)路線是用各種傳感器獲得煤巖分界特征信號(hào)，然后進(jìn)行采煤機(jī)的智能識(shí)別，再進(jìn)行采煤機(jī)智能調(diào)高控制。美國(guó)JOY公司等所生產(chǎn)的采煤機(jī)采用的是記憶切割法，在美國(guó)獲得廣泛的應(yīng)用，其主要原理是：應(yīng)用角位移傳感器、傾角傳感器等將采煤機(jī)沿工作面第一刀切割的相應(yīng)數(shù)據(jù)拾取并傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，以此作為割煤機(jī)調(diào)高系統(tǒng)的控制依據(jù)來(lái)進(jìn)行以后的切割，此法對(duì)于高瓦斯礦特別適合，但是該方法對(duì)采煤工藝有一定要求，即必須是留一定厚度的頂煤,這樣就降了回采率；另外，要求頂?shù)装鍑鷰r必須有放射性元素。第二章智能采礦系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)主要有原山西礦業(yè)學(xué)院陳延康教授和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)孟惠榮教授從事此方面的研究，陳延康教授研究了基于截割力響應(yīng)的煤巖分界辨識(shí)及采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高控制，孟惠榮教授研究了基于煤巖自然伽馬射線輻射特性傳感器法，提出了自然伽馬射線在穿透頂煤后按加權(quán)指數(shù)規(guī)律衰減的假設(shè)，為自然伽馬射線傳感器的設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。目前，我國(guó)采煤機(jī)滾筒智能調(diào)高算法很多，各有所長(zhǎng)，但都帶有一定的局限性。隨著智能化工作面的發(fā)展，基于自然伽馬射線探測(cè)器的基本原理和記憶切割的采煤機(jī)調(diào)高發(fā)展比較成熟，具體過(guò)程為：記憶程控利用上一截割循環(huán)滾筒定點(diǎn)位置高度的采樣信息，為下一截割循環(huán)滾筒對(duì)應(yīng)高度再現(xiàn)的指令控制量。但是，不同循環(huán)采煤機(jī)的工作姿態(tài)是變化的,加之調(diào)高機(jī)構(gòu)及調(diào)控結(jié)果存在誤差，滾筒相對(duì)頂板的實(shí)際高度需要判斷和修正。其修正方法有兩種；一是人為手動(dòng)操縱來(lái)控制修正（直接）；二是根據(jù)采煤機(jī)姿態(tài)參數(shù)的變化量，通過(guò)理論計(jì)算進(jìn)行控制量的修正（間接）。調(diào)控、采樣和姿態(tài)變化的理論修正過(guò)程均存在誤差，采用定量的指令控制預(yù)測(cè)其結(jié)果是必要的。第二章智能采礦系統(tǒng)在同一截割工作循環(huán)的過(guò)程中，相鄰采樣控制點(diǎn)的變化趨勢(shì)規(guī)律模型的預(yù)測(cè)，通過(guò)采煤機(jī)姿態(tài)參量的變化來(lái)預(yù)測(cè)、修正下一采樣點(diǎn)的控制量，這樣可以驗(yàn)證：①再現(xiàn)上次截割循環(huán)規(guī)律的精度,即執(zhí)行機(jī)構(gòu)是否可靠和準(zhǔn)確運(yùn)行；②由于于采煤機(jī)姿態(tài)的變化，修正結(jié)果是否準(zhǔn)確，滾筒相對(duì)頂板位置與上一工作循環(huán)對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)相一致的程度；③在相鄰兩個(gè)截割循環(huán)中，相對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)間采煤機(jī)牽引速度有較大的差異，這也會(huì)導(dǎo)致調(diào)控誤差，進(jìn)而預(yù)測(cè)判斷各截割循環(huán)滾筒位置調(diào)控變化趨勢(shì)的相近程度。第二章智能采礦系統(tǒng)4.1采煤機(jī)智能定位技術(shù)智能工作面的技術(shù)基礎(chǔ)是高速地下通訊系統(tǒng)和高精度地下定位定向系統(tǒng)，研究具有自主定位系統(tǒng)的采煤機(jī)是實(shí)現(xiàn)智能工作面的前提之一，其包含以下5個(gè)方面。采煤機(jī)動(dòng)力學(xué)模型。建立智能定位采煤機(jī)所需要的動(dòng)力學(xué)模型，確定采煤機(jī)在不同采煤工藝下的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，模擬各種外界因素對(duì)采煤機(jī)運(yùn)動(dòng)的影響程度，為自主定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)。移動(dòng)目標(biāo)的位置與速度精確計(jì)算。必須研究有效的求解方法,解決計(jì)算精度、計(jì)算量、計(jì)算時(shí)間以及坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。航位推算系統(tǒng)誤差補(bǔ)償模型。單純依靠?jī)x表的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝來(lái)減少傳感器的誤差，常會(huì)受到技術(shù)上與經(jīng)濟(jì)上的制約，必須采用先進(jìn)的最優(yōu)估計(jì)理論與方法，進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)位置的最優(yōu)估計(jì)，減少傳感器的隨機(jī)誤差對(duì)位置狀態(tài)的影響,從而減少誤差積累，提高航位推算（DR）系統(tǒng)的定位精度。第二章智能采礦系統(tǒng)4.1航位推算系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題。煤礦井下工作環(huán)境惡劣，要使航位推算系統(tǒng)能在井下正常工作，必須解決它的防爆、防水、防塵、防震動(dòng)等技術(shù)問(wèn)題。礦井電子地圖導(dǎo)航數(shù)據(jù)庫(kù)的建立與地圖匹配(MM)算法的研究。利用高精度電子地圖的軟件平臺(tái)和GIS二次開(kāi)發(fā)技術(shù)形成智能工作面采煤機(jī)定位系統(tǒng)的軟件平臺(tái)。采煤機(jī)自主定位系統(tǒng)流程第二章智能采礦系統(tǒng)4.1智能掘進(jìn)技術(shù)智能掘進(jìn)裝備關(guān)鍵技術(shù)與研發(fā)進(jìn)展（1）懸臂式掘進(jìn)機(jī)及其智能化關(guān)鍵技術(shù)。20世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)外對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了研究，主要涉及狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、通信技術(shù)、截割軌跡規(guī)劃等，其中德、英及奧地利等國(guó)家率先取得成效，德國(guó)艾柯夫公司研制了掘進(jìn)機(jī)成形輪廓及設(shè)備運(yùn)行狀況監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)了手動(dòng)、半自動(dòng)、自動(dòng)及程序控制4種操作模式，截割頭位置與斷面的關(guān)系均能顯示在工作臺(tái)顯示屏上；英國(guó)儀器公司專(zhuān)為巷道掘進(jìn)機(jī)研制了本安型計(jì)算機(jī)斷面控制系統(tǒng)；多斯科公司通過(guò)在重型掘進(jìn)機(jī)上配備一種截割頭定位裝置，實(shí)現(xiàn)了精確的斷面制導(dǎo)、斷面截割狀態(tài)顯示等功能。我國(guó)遼寧工程技術(shù)大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司等單位也開(kāi)發(fā)了基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的煤巷掘進(jìn)自動(dòng)截割成形系統(tǒng)。第二章智能采礦系統(tǒng)（2）連續(xù)采煤機(jī)及其智能化關(guān)鍵技術(shù)。連續(xù)采煤機(jī)普遍應(yīng)用于美國(guó)、德國(guó)和英國(guó)等國(guó)家的短壁開(kāi)采工藝，其發(fā)展經(jīng)歷了以下3個(gè)階段：第1階段為20世紀(jì)40年代的截鏈?zhǔn)竭B續(xù)采煤機(jī)，分別以久益(JOY)公司和利諾斯公司的3JCM、CM28H型為代表，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、裝煤效果差；第2階段為20世紀(jì)50年代的擺動(dòng)式截割頭連續(xù)采煤機(jī)，以久益公司的8CM型為代表，其生產(chǎn)能力顯著提高、裝煤效果好，但可靠性問(wèn)題較為突出；第3階段為20世紀(jì)60年代至今的滾筒式連續(xù)采煤機(jī)，以久益公司的10CM、11CM系列的連續(xù)采煤機(jī)為代表，后續(xù)又研發(fā)了12CM（如右圖所示）和14CM系列的連續(xù)采煤機(jī)，2004年以來(lái)，久益公司將OPTIDRIVE和WETH-EAD系統(tǒng)添加到了連續(xù)采煤機(jī)上。12CM15型連續(xù)采煤機(jī)組第二章智能采礦系統(tǒng)連續(xù)采煤機(jī)在我國(guó)高產(chǎn)高效礦井也已廣泛應(yīng)用，主要集中在神東、陜煤等大型煤炭基地。最初我國(guó)的連續(xù)采煤機(jī)幾乎全部依賴(lài)進(jìn)口，2007年11月，中國(guó)北車(chē)集團(tuán)永濟(jì)電機(jī)廠首次研制出3種國(guó)產(chǎn)化礦用隔爆型水冷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)采煤機(jī)滾筒截割電機(jī)的替代；近年來(lái)，石家莊煤礦機(jī)械有限責(zé)任公司研發(fā)了ML300/492型連續(xù)采煤機(jī)、三一重裝集團(tuán)研發(fā)了ML340、ML360型連續(xù)采煤機(jī)、煤炭科學(xué)研究總院太原研究院研發(fā)了EML340型連續(xù)采煤機(jī)，但因可靠性、穩(wěn)定性等多方面的原因，國(guó)產(chǎn)連續(xù)采煤機(jī)未能廣泛推廣應(yīng)用。采用遠(yuǎn)程遙控操作是連續(xù)采煤機(jī)的基本配置，并廣泛采用自適應(yīng)截割技術(shù)，根據(jù)不同工況自動(dòng)調(diào)整推進(jìn)速度;加強(qiáng)與成套設(shè)備間的協(xié)同控制和智能安全防護(hù)功能，是連續(xù)采煤機(jī)快掘裝備的發(fā)展方向。第二章智能采礦系統(tǒng)（3）掘錨機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)。掘錨機(jī)是一種基于連續(xù)采煤機(jī)和懸臂式掘進(jìn)機(jī)開(kāi)發(fā)出的新型掘進(jìn)裝備，集成了連續(xù)采煤機(jī)和錨桿鉆機(jī)的特征，既可以挖煤裝運(yùn)，又可以進(jìn)行錨桿支護(hù)施工，即掘錨一體化，主要用于煤巷高效掘進(jìn)作業(yè)。掘錨機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程主要分為3個(gè)階段：①1955年，第一代掘錨機(jī)組在美國(guó)久益公司的ICM-2B型連續(xù)采煤機(jī)基礎(chǔ)上加裝了2臺(tái)錨桿鉆機(jī)，掘、錨工序不能同時(shí)作業(yè)；②1988年，在久益公司澳大利亞分公司的12CM20掘錨機(jī)基礎(chǔ)上，將截割滾筒加寬到使?jié)L筒兩端能夠伸縮便于機(jī)組進(jìn)退，并在機(jī)身的滾筒后安裝了2臺(tái)幫錨桿鉆機(jī)和4臺(tái)頂板錨桿鉆機(jī)，6臺(tái)錨桿鉆機(jī)有效地提高了巷道錨桿支護(hù)速度，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)；③20世紀(jì)90年代至今，奧地利的VoestAIPline公司開(kāi)發(fā)了ABM20型掘錨機(jī)，該機(jī)型的主副機(jī)架可以滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)，同期安德森公司的KBII、久益公司的12SCM30、英國(guó)BJD公司的2048HP/MD、德國(guó)波拉特公司的E230、山特維克的MB650和MB670等機(jī)型也成功研制應(yīng)用。其中MB670－1（如圖2-7所示）是山特維克在繼承原有產(chǎn)品傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上升級(jí)的一代產(chǎn)品，集掘進(jìn)、錨護(hù)為一體，實(shí)現(xiàn)了截割、裝載、支護(hù)同步平行作業(yè)，一次成巷。第二章智能采礦系統(tǒng)（3）掘錨機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)。掘錨機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程主要分為3個(gè)階段：①1955年，第一代掘錨機(jī)組在美國(guó)久益公司的ICM-2B型連續(xù)采煤機(jī)基礎(chǔ)上加裝了2臺(tái)錨桿鉆機(jī)，掘、錨工序不能同時(shí)作業(yè)；②1988年，在久益公司澳大利亞分公司的12CM20掘錨機(jī)基礎(chǔ)上，將截割滾筒加寬到使?jié)L筒兩端能夠伸縮便于機(jī)組進(jìn)退，并在機(jī)身的滾筒后安裝了2臺(tái)幫錨桿鉆機(jī)和4臺(tái)頂板錨桿鉆機(jī)，6臺(tái)錨桿鉆機(jī)有效地提高了巷道錨桿支護(hù)速度，但仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)；③20世紀(jì)90年代至今，奧地利的VoestAIPline公司開(kāi)發(fā)了ABM20型掘錨機(jī)，該機(jī)型的主副機(jī)架可以滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)，同期安德森公司的KBII、久益公司的12SCM30、英國(guó)BJD公司的2048HP/MD、德國(guó)波拉特公司的E230、山特維克的MB650和MB670等機(jī)型也成功研制應(yīng)用。其中MB670－1（如下圖所示）是山特維克在繼承原有產(chǎn)品傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上升級(jí)的一代產(chǎn)品，集掘進(jìn)、錨護(hù)為一體，實(shí)現(xiàn)了截割、裝載、支護(hù)同步平行作業(yè)，一次成巷。MB670-1掘錨機(jī)第二章智能采礦系統(tǒng)掘錨機(jī)的國(guó)產(chǎn)化工作始于2003年，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)天地上海分公司完成了MLE250/500型掘錨機(jī)樣機(jī)的試制及初步試驗(yàn)工作；近年來(lái)，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院研制出JM340型掘錨機(jī)，具有大功率的寬截割滾筒、獨(dú)特的噴霧系統(tǒng)和較低的接地比壓等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)割煤和打錨桿的平行作業(yè);山東天河科技股份有限公司研發(fā)了天河EBZ系列掘錨機(jī)，適用于大斷面、半煤巖巷以及巖巷的掘進(jìn)，鉆錨作業(yè)時(shí)工人始終處于臨時(shí)支護(hù)下方的作業(yè)平臺(tái)上作業(yè)，有效降低了發(fā)生冒頂、片幫等安全事故的發(fā)生；遼寧通用重機(jī)公司研制的KSZ-2800型掘錨神盾掘進(jìn)機(jī)借鑒了盾構(gòu)技術(shù)，集機(jī)、光、電、氣、液、傳感、信息技術(shù)于一體，具有自動(dòng)化程度高、高效、安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)。中國(guó)鐵建重工集團(tuán)研發(fā)了JM4200系列煤礦巷道掘錨機(jī)，集快速掘進(jìn)、護(hù)盾防護(hù)、超前鉆探與疏放、同步錨護(hù)、智能導(dǎo)向、封閉除塵、智能檢測(cè)、故障診斷等功能于一體，實(shí)現(xiàn)巷道快速同步掘錨支護(hù)。第二章智能采礦系統(tǒng)（4）掘進(jìn)裝備定向截割與導(dǎo)航技術(shù)。掘進(jìn)裝備定向與導(dǎo)航技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化甚至無(wú)人化的基礎(chǔ)，其關(guān)鍵在于獲得掘進(jìn)裝備實(shí)時(shí)坐標(biāo)值，用以確定掘進(jìn)裝備的空間位姿信息。目前，國(guó)內(nèi)外研究了多種掘進(jìn)裝備的自動(dòng)定向技術(shù)及原理：①采用全站儀對(duì)掘進(jìn)裝備進(jìn)行定向和導(dǎo)航技術(shù)；②基于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的掘進(jìn)裝備定向技術(shù)；③基于電子羅盤(pán)的掘進(jìn)裝備定向技術(shù)；④基于GPS技術(shù)的掘進(jìn)裝備定向技術(shù)；⑤基于超聲波測(cè)距儀的掘進(jìn)裝備定向技術(shù)；⑥基于激光測(cè)距的掘進(jìn)裝備定向技術(shù)；⑦多傳感器組合定位導(dǎo)航技術(shù)。第二章智能采礦系統(tǒng)巷道快速支護(hù)技術(shù)研究進(jìn)展開(kāi)采深度和強(qiáng)度的增加導(dǎo)致工作面巷道地質(zhì)條件更加復(fù)雜，開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性影響劇烈、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、破壞嚴(yán)重，受冒頂、片幫及瓦斯、水、粉塵多種因素的影響，煤礦井下巷道掘進(jìn)已經(jīng)成為最危險(xiǎn)的生產(chǎn)環(huán)節(jié)之一。自2001年煤炭科學(xué)研究總院研發(fā)并推廣應(yīng)用超前液壓支架以來(lái)，巷道超前支護(hù)技術(shù)得到廣泛推廣應(yīng)用，并成為研究熱點(diǎn)，有關(guān)單位研究了巷道自移式支錨聯(lián)合機(jī)組，如圖2-8所示，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)過(guò)程的臨時(shí)支護(hù)。自移式支錨聯(lián)合機(jī)組第二章智能采礦系統(tǒng)我國(guó)對(duì)于掘進(jìn)巷道支護(hù)方式主要有錨桿、錨索支護(hù)、單體配鉸接頂梁支護(hù)、超前液壓支架支護(hù)、掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)等，錨桿、錨索和單體支柱配合鉸接頂梁支護(hù)方式已經(jīng)難以滿足綜采工作面安全高效生產(chǎn)要求，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)、錨桿、錨索、超前液壓支架等巷道超前支護(hù)裝備開(kāi)展了大量研究。掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時(shí)超前支護(hù)裝備，可以從傳統(tǒng)的“一割一排”工藝改進(jìn)為“一割兩排”工藝，相對(duì)于傳統(tǒng)人工操作的方式，機(jī)載超前支護(hù)裝備擁有液壓控制的自動(dòng)化、機(jī)械化等特點(diǎn)，可根據(jù)頂板傾斜程度有效調(diào)節(jié)支護(hù)狀態(tài)，提高了作業(yè)過(guò)程的安全性。通過(guò)采用伸縮梁結(jié)構(gòu)，有效加大了空頂支護(hù)面積，為煤礦安全開(kāi)采創(chuàng)造有利條件。第二章智能采礦系統(tǒng)錨鉆裝備與支護(hù)關(guān)鍵技術(shù)隨著錨桿支護(hù)理論的發(fā)展，錨鉆裝備也在不斷升級(jí)，國(guó)外煤機(jī)設(shè)備公司如久益、弗萊徹(FLETCH-EＲ)、朗艾道(LONG-AIRDOX)、約翰芬雷(JOHN-FINLAY)、海卓莫替克(HYDRAMATIC)等公司相繼開(kāi)發(fā)出多種新型錨桿鉆車(chē)。我國(guó)從20世紀(jì)70年代初研制了第一臺(tái)MGJ-1型錨桿鉆車(chē)，隨后煤炭科學(xué)研究總院太原研究院、三一重裝、景隆重工、徐工集團(tuán)等多家單位也研發(fā)了多臂錨桿鉆車(chē)。2018年7月，有關(guān)研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)了國(guó)內(nèi)首臺(tái)全自動(dòng)組合式兩臂錨桿鉆車(chē)，初步實(shí)現(xiàn)了頂錨桿自動(dòng)化錨護(hù)，向錨桿支護(hù)的“少人化”和“無(wú)人化”邁出了重要一步。第二章智能采礦系統(tǒng)4.1智能采礦其他輔助技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)智能工作面建設(shè)需要大力發(fā)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)，包括數(shù)據(jù)分類(lèi)組織、分類(lèi)編碼、元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、高效檢索、快速更新與分布式管理等，其中，研究