楊健健，張 強(qiáng)，王 超，常博深，王曉林，葛世榮，吳 淼

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)器人化采礦裝備研究所，北京 100083)

國際能源署(IEA)發(fā)布的一份報告預(yù)測，到2040年，中國對煤炭的需求將占全球煤炭需求的50%，全球煤炭需求將增加15%。在未來的一段時間里，煤炭仍占據(jù)我國能源主要組成部分。我國約有90%的煤炭資源以井工方式開采，并且遵循“采掘并重，掘進(jìn)先行”的開采原則。隨著煤礦行業(yè)走向自動化、智能化，井下開采工作面裝備水平得到提升，因掘進(jìn)效率低下導(dǎo)致的“采掘失衡”問題成為了現(xiàn)如今大型煤礦井巷面對的主要難題[1-3]。掘進(jìn)裝備發(fā)展水平滯后，直接制約了快速、精準(zhǔn)掘進(jìn)，也制約了煤礦高效生產(chǎn)。

機(jī)器人是具有智力或感覺與識別能力的人造機(jī)器裝置[4]，煤礦掘進(jìn)機(jī)器人是指能夠通過自動控制自主完成煤礦掘進(jìn)任務(wù)的機(jī)器群組，屬于工業(yè)特種機(jī)器人。掘進(jìn)機(jī)器人裝備有齊全的傳感器來獲取環(huán)境信息(定位、姿態(tài)和超前探測等)，根據(jù)制定的任務(wù)選擇最優(yōu)的規(guī)劃和決策，具備鉆探-掘進(jìn)-支護(hù)-錨固的機(jī)器人機(jī)構(gòu)并協(xié)同工作。由此，構(gòu)成掘進(jìn)機(jī)器人的基本要素應(yīng)包括感知要素、決策要素和執(zhí)行要素[5]。

為達(dá)到國家安監(jiān)總局提出的“機(jī)械化換人、自動化減人”的目標(biāo)，煤礦掘進(jìn)機(jī)需要完成自動化、機(jī)器人化，并逐漸研發(fā)集“人工智能”于一體的智能化掘進(jìn)機(jī)器人，使煤礦行業(yè)最終實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面少人化、無人化的目標(biāo)。

1 國內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)群組的研究現(xiàn)狀

煤礦井巷所采用的掘進(jìn)機(jī)裝備總體歸為3類:歐洲和我國采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行綜掘開采，能適用于各種復(fù)雜的巷道環(huán)境，但是掘進(jìn)和支護(hù)工作不能同步執(zhí)行;美國采用連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)作業(yè)線，錨桿機(jī)錨固，交替作業(yè);澳大利亞采用掘錨一體化機(jī)組，實(shí)現(xiàn)了掘錨平行作業(yè)，連續(xù)采煤機(jī)和掘錨機(jī)作業(yè)線都可以實(shí)現(xiàn)煤礦巷道的快速掘進(jìn)[6-7]。煤巷用掘進(jìn)機(jī)設(shè)備配置和掘進(jìn)工藝流程如表1、圖1所示[8]。

表1 煤巷用掘進(jìn)機(jī)設(shè)備配置Table 1 Equipment layout table for coal roadway boring machine

圖1 煤礦巷道掘進(jìn)工藝流程Fig.1 Flow chart of coal mine roadway excavation

1.1 綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)

綜掘開采作業(yè)線整體裝備由懸臂式掘進(jìn)機(jī)、錨桿鉆機(jī)、帶式輸送機(jī)、橋式轉(zhuǎn)載機(jī)、機(jī)載除塵器等設(shè)備組成，具體如圖2所示。近幾年國外綜掘技術(shù)的主要研究方向有[9-12]:① 提高掘進(jìn)機(jī)切割功率以及可靠性;② 配套設(shè)備多樣化;③ 采用機(jī)電一體化技術(shù);④ 研究探索新型的截割技術(shù)。國內(nèi)綜掘技術(shù)的發(fā)展趨勢為[13-16]:懸臂式掘進(jìn)機(jī)上加裝臨時支護(hù)裝置的掘支機(jī)，加裝錨桿鉆機(jī)形成掘錨一體機(jī)，研發(fā)自移式臨時支架，以及具有自動截割功能的掘進(jìn)機(jī)等。綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)僅適用于單巷掘進(jìn)，掘進(jìn)與支護(hù)不能平行作業(yè)，且截割效率不高，后續(xù)配套運(yùn)輸方式落后，智能化和無人化程度低。目前應(yīng)用效果較為良好的解決方案是:在頂板穩(wěn)定的狀況下，采用機(jī)載錨桿鉆機(jī)進(jìn)行支護(hù)用以縮短支護(hù)所需時間，通過超前液壓支架或自帶盾牌掩護(hù)支架完成掘進(jìn)機(jī)和支護(hù)同時作業(yè)等。

圖2 綜掘作業(yè)線設(shè)備Fig.2 Comprehensive excavation line equipment

1.2 連續(xù)采煤機(jī)掘進(jìn)技術(shù)

連續(xù)采煤機(jī)結(jié)合錨桿鉆車、履帶行走支架、梭車、多功能鏟運(yùn)車等可形成快速掘進(jìn)工藝線，如圖3所示。美國、德國以及英國等國家在連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行綜掘開采方面，技術(shù)領(lǐng)先，其中絕大部分的機(jī)器設(shè)備已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全遙控控制[17-18]。我國對連續(xù)采煤機(jī)的研發(fā)工作起步較晚，2008年自主研制了國內(nèi)首臺連采機(jī)ML340，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、除塵、調(diào)動、運(yùn)輸?shù)裙δ埽戮蜻M(jìn)可達(dá)1 500 m，滿足實(shí)際生產(chǎn)要求[19-20]。目前，有關(guān)連續(xù)采煤機(jī)的研究技術(shù)朝掘錨一體機(jī)方向發(fā)展，連續(xù)采煤機(jī)通過加載錨桿鉆機(jī)雖然可以實(shí)現(xiàn)掘錨同步作業(yè)，但是在頂板條件差的煤礦巷道中無法得到使用，使其適用范圍受限。

1.3 掘錨一體化掘進(jìn)技術(shù)

以掘錨機(jī)為核心，配套行走給料破碎轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、帶式輸送機(jī)等運(yùn)輸設(shè)備，形成煤礦巷道的快速掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸?shù)耐阶鳂I(yè)線，極大提高了掘進(jìn)效率，如圖4所示。國外掘錨機(jī)具備智能掘進(jìn)、同步錨固和自動截割技術(shù)，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制和工作面實(shí)時監(jiān)控，但仍處于半自動化水平，尚無智能快速掘進(jìn)成套技術(shù)與裝備[21-23]。我國近幾年才開展掘錨一體化研究，與國外產(chǎn)品還有差距，目前我國掘錨一體化掘進(jìn)技術(shù)的研究方向?yàn)?基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的掘支護(hù)一體機(jī)和基于連續(xù)采煤機(jī)的掘錨一體機(jī)[24]。

圖4 掘錨一體化作業(yè)線設(shè)備Fig.4 Integrated anchor line equipment

2 機(jī)器人化掘進(jìn)群組關(guān)鍵技術(shù)

2019年1月，國家煤炭安全監(jiān)察局發(fā)布了《煤礦機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)目錄》公告，規(guī)劃了煤炭開采中掘進(jìn)、采煤、運(yùn)輸、安控和救援5類、38種煤礦機(jī)器人，其中掘進(jìn)類機(jī)器人就有掘進(jìn)工作面機(jī)器人群、掘進(jìn)機(jī)器人、臨時支護(hù)機(jī)器人和鉆錨機(jī)器人等[25]。

智能掘進(jìn)機(jī)器人群組系統(tǒng)聯(lián)合以上掘進(jìn)類機(jī)器人協(xié)同工作，需要具備以下特征:① 狀態(tài)感知:掘進(jìn)機(jī)器人依托自主定位和自動駕駛技術(shù)，完成對煤礦巷道環(huán)境地圖的構(gòu)建，并進(jìn)行實(shí)時掘進(jìn)位姿、臨時護(hù)頂、鉆錨姿態(tài)的精準(zhǔn)感知;通過煤巖識別和自動截割技術(shù)，實(shí)現(xiàn)截割臂自適應(yīng)截割和斷面自動成形;利用數(shù)字孿生技術(shù)，在遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控平臺中完成對掘進(jìn)機(jī)器人的行為映射。② 自主決策:根據(jù)感知環(huán)節(jié)反饋回來的信息，建立相應(yīng)的掘進(jìn)機(jī)器人作業(yè)模型，利用智能技術(shù)進(jìn)行識別、理解并對模型的改變做出相應(yīng)的決策，具有學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)性，分析和求解任務(wù)目標(biāo)，制定規(guī)劃出最適合的控制策略。③ 精準(zhǔn)執(zhí)行:通過構(gòu)建機(jī)器人化掘進(jìn)群組位姿和運(yùn)動關(guān)聯(lián)模型，提高掘進(jìn)機(jī)器人群組執(zhí)行工作的可靠性和控制的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、錨固、運(yùn)輸?shù)膮f(xié)同作業(yè)。

2.1 掘進(jìn)機(jī)器人技術(shù)

2.1.1自主定位與自動駕駛技術(shù)

圖5 自主定位相關(guān)技術(shù)Fig.5 Autonomous positioning related technology

掘進(jìn)機(jī)自主定位技術(shù)是指掘進(jìn)機(jī)器人通過傳感器檢測其在巷道中的位置和姿態(tài)。目前，主流的自主定位技術(shù)研究方法有激光指向器、機(jī)器視覺、iGPS(indoor Global Positioning System，室內(nèi)定位系統(tǒng))技術(shù)、超寬帶測距技術(shù)、慣性導(dǎo)航等[26-27]。中國礦業(yè)大學(xué)杜雨馨等[28]研究了基于機(jī)器視覺的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿測量方法，對固定攝像頭拍攝的圖像進(jìn)行特征點(diǎn)提取，如圖5(a)所示，系統(tǒng)測量角度誤差在0.5°以內(nèi)，位移誤差可以控制在20 mm范圍內(nèi)，其中，γ1為標(biāo)靶1;γ2為標(biāo)靶2;β1為紅色激光器垂直激光面;β2為綠色激光器垂直激光面;α為激光器水平激光面;d為兩標(biāo)靶間距。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)陶云飛等[29]利用iGPS測量原理方法檢測掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿變化，其定位原理如圖5(b)所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)測距為40 m，測量次數(shù)為200時，最大測量誤差為0.070 m。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)符世琛等[30]采用超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)測距技術(shù)對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行定位，如圖5(c)所示，采用Caffery算法的掘進(jìn)機(jī)位姿檢測系統(tǒng)在10 m處的航向角、俯仰角、橫滾角精度可達(dá)到0.2°以下。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)陶云飛等[31]提出了利用慣性導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行掘進(jìn)機(jī)空間位姿參數(shù)測量，通過仿真分析得出航向角、俯仰角、橫滾角均存在1.86°～3.01°的測量誤差，偏向位移誤差較大。

基于自動駕駛技術(shù)、無人路徑規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)整機(jī)全功能遙控。西安科技大學(xué)馬宏偉等[32]針對煤礦井下無GPS環(huán)境，提出了通過激光雷達(dá)的SLAM(Simultaneous Localization and Mapping，即時定位與地圖構(gòu)建)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位姿估計(jì)和環(huán)境地圖構(gòu)建，如圖8所示。在高精地圖和自主定位技術(shù)支持下，基于自動駕駛技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)將實(shí)現(xiàn)從駕駛操作工位少人到無人的跳躍。

圖6 自動駕駛控制系統(tǒng)Fig.6 Automatic driving control system

2.1.2煤巖識別與自動截割技術(shù)

煤巖識別是掘進(jìn)機(jī)器人截割頭高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，可降低截割頭滾齒的更換頻率，提高其使用壽命。楊健健[33]通過采集的不同工況下采煤機(jī)不同測點(diǎn)的振動信號進(jìn)行時頻域分析，提出了基于振動檢測的煤巖界面識別方法理論基礎(chǔ)和技術(shù)體系。田慧卿和魏忠義[34]根據(jù)煤巖灰度值和紋理的不同進(jìn)行煤巖識別，煤巖圖像識別流程圖如圖7(a)所示。王昕[35]提出了微波頻段的煤巖界面識別方法，其煤巖識別原理如圖7(b)所示。楊恩等[36]對煤巖試樣進(jìn)行了反射光譜的采集，煤巖樣品包絡(luò)線去除反射率如圖7(c)所示，提出SAM(Spectral Angle Matching，光譜角度匹配)比較算法識別速度達(dá)到毫秒級，總體識別精度達(dá)到92%。

圖7 煤巖識別技術(shù)Fig.7 Coal rock identification technology

圖8 掘進(jìn)機(jī)截割路徑示意Fig.8 Schematic diagram of the cutting path of the roadheaer

為保證巷道掘進(jìn)前進(jìn)工作面的延續(xù)性完整，每次進(jìn)刀切割工作面的形狀需要保持一致，控制掘進(jìn)機(jī)器人截割軌跡的自動截割技術(shù)至關(guān)重要。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)王蘇彧等[37]提出了一種有關(guān)縱軸式掘進(jìn)機(jī)記憶截割的控制方法，通常人工示范采用自下向上:A—B—C—D—E—F—G—K或者自上至下類“S形”截割路徑，具體如圖8所示，信息儲存后記憶截割系統(tǒng)控制截割誤差可在6 cm以內(nèi)。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)田劼等[38]介紹了掘進(jìn)機(jī)記憶截割控制方法，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)按照人工示范截割路徑進(jìn)行自動截割，自動截割控制流程圖如圖9所示。

圖9 自動截割控制流程Fig.9 Automatic cutting control flow chart

2.1.3遠(yuǎn)程監(jiān)控與故障診斷技術(shù)

掘進(jìn)機(jī)器人工作面環(huán)境復(fù)雜，稍有不慎，容易產(chǎn)生安全隱患。煤礦巷道掘進(jìn)施工的無人化離不開遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)，煤礦工人只需通過遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控平臺，對掘進(jìn)機(jī)器人群組的工況進(jìn)行實(shí)時視頻監(jiān)控，遠(yuǎn)離危險的工作面作業(yè)環(huán)境。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)張敏駿等[39]設(shè)計(jì)的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控與位姿檢測精度驗(yàn)證系統(tǒng)，包括傳感器、工控機(jī)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)等，相比其他位姿檢測系統(tǒng)測量角度誤差在1°以內(nèi)，偏向距離誤差在0.01 m以內(nèi)。中國礦業(yè)大學(xué)伍小杰等[40]提出了一種基于Linux操作系統(tǒng)、機(jī)載控制器與礦井環(huán)網(wǎng)交換機(jī)的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，如圖10所示，其緊急故障自動保護(hù)響應(yīng)時間為20.6 ms，小于要求自動保護(hù)響應(yīng)時間(<0.1 s)。上海創(chuàng)力集團(tuán)股份有限公司徐桂軍等[41]設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控控制系統(tǒng)主要由視頻監(jiān)控模塊、無線傳輸模塊、遙控器模塊等組成，如圖11所示，可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)左前方、右前方、掘進(jìn)機(jī)機(jī)器整體、掘進(jìn)機(jī)后方4個位置的畫面監(jiān)控。

圖10 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)Fig.10 Roadheader remote monitoring system

圖11 掘進(jìn)機(jī)無線監(jiān)控系統(tǒng)Fig.11 Roadheader wireless monitoring system

掘進(jìn)機(jī)一般處于惡劣的工作環(huán)境中，因此很容易在工作過程中發(fā)生故障。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)楊健健等[42]對EBZ-160型掘進(jìn)機(jī)截割部進(jìn)行故障診斷，采用PSO-BP(Particle Swarm Optimization-back propagation，粒子群優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))診斷算法能準(zhǔn)確有效地診斷掘進(jìn)機(jī)截割部故障，在迭代步數(shù)為1 000步時，PSO-BP網(wǎng)絡(luò)精度達(dá)到4.74×10-15。三一重工楊潔等[43]提出了利用主成分分析方法對掘進(jìn)機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行特征信息提取，采用SPE(Squared Prediction Error，平方預(yù)測誤差)貢獻(xiàn)率進(jìn)行故障變量診斷能夠快速診斷出故障，如圖12所示。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)劉強(qiáng)等[44]在掘進(jìn)機(jī)截割系統(tǒng)故障問題上研究，通過故障樹與層次分析法結(jié)合，得出掘進(jìn)機(jī)最易出現(xiàn)的系統(tǒng)故障問題為電動機(jī)超負(fù)荷工作。

圖12 液壓油溫度故障SPE貢獻(xiàn)率Fig.12 Hydraulic oil temperature failure SPE contribution rate chart

2.2 臨時支護(hù)機(jī)器人技術(shù)

為保證煤礦巷道的掘進(jìn)安全，巷道的臨時支護(hù)機(jī)器人必須具備可靠性高、自適應(yīng)力強(qiáng)、臨時支護(hù)機(jī)器人群組協(xié)同工作等特點(diǎn)。山西天地煤機(jī)裝備有限公司王本林[45]分析了2種掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時支護(hù)形式:① 主銷軸固定式臨時支護(hù);② 護(hù)板固定式臨時支護(hù)，如圖13所示。中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院王帥[46]提出一種適合懸臂式掘進(jìn)機(jī)的機(jī)載臨時支護(hù)，如圖14所示，由遙控器操作實(shí)現(xiàn)無線遙控，可與EBZ120TP、EBZ160TY等多種型號的掘進(jìn)機(jī)集成配套。中國礦業(yè)大學(xué)(北京)薛光輝等[47]基于自主設(shè)計(jì)的機(jī)器人化自移式支錨聯(lián)合機(jī)組，并對旗山礦圍巖-超前支架進(jìn)行數(shù)值仿真和應(yīng)力分析，如圖15所示，平衡后的超前支架支護(hù)巷道頂板最大下沉量為29.64 mm，巷道最大底臌量為33.58 mm，超前支架頂部受力為0.13 MPa，巷道變形均在安全支護(hù)允許的范圍內(nèi)。

圖13 兩種形式的臨時支護(hù)Fig.13 Two forms of temporary support

圖14 懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時支護(hù)Fig.14 Cantilever roadheader airborne temporary support

圖15 機(jī)器人化自移式支錨聯(lián)合機(jī)組Fig.15 Robotic self-propelled anchor combined unit

2.3 鉆錨機(jī)器人技術(shù)

目前的氣壓、液壓鉆錨技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但是不能和掘進(jìn)工作同時進(jìn)行，自動化程度不高。鉆錨機(jī)器人需實(shí)現(xiàn)鉆孔、自動裝載卸下錨桿、錨桿間距離定位、各單元協(xié)同工作互不干擾等功能，達(dá)到巷道快速掘進(jìn)鉆錨要求。郝雪第等[48]設(shè)計(jì)出一種可以與掘進(jìn)設(shè)備協(xié)同作業(yè)的機(jī)器人化鉆錨車，如圖16所示。馬宏偉等[49-50]設(shè)計(jì)了一款集合布網(wǎng)和鉆錨功能的履帶式鉆錨機(jī)器人，如圖17所示，實(shí)現(xiàn)了巷道高效快速鉆錨。

圖16 機(jī)器人化鉆錨車原理示意Fig.16 Schematic diagram of robotized drilling anchor car

圖17 鉆錨機(jī)器人Fig.17 Drill anchor robot

2.4 全斷面掘進(jìn)機(jī)器人技術(shù)

煤礦井下巖石巷道掘進(jìn)長期存在掘進(jìn)成形進(jìn)度慢、工人掘進(jìn)工作面環(huán)境差等難題。開展全斷面智能化掘進(jìn)技術(shù)，主要研發(fā)集掘進(jìn)、錨固、除塵、導(dǎo)向、排水、故障檢測于一體的全斷面掘進(jìn)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)安全、高效、智能、環(huán)保的全斷面掘進(jìn)機(jī)器人化掘進(jìn)。中煤科工集團(tuán)楊生華等[51]介紹了φ5 m全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)包括主機(jī)及后配套系統(tǒng)，如圖18所示，EJ50全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)完成了山西東曲煤礦主平硐及大巷共3 600 m掘進(jìn)任務(wù)。中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所劉泉聲等[52]在超千米深井巷道建設(shè)中引入了TBM(Tunnel Boring Machine，全斷面掘進(jìn)機(jī))，將建設(shè)方案中涉及的關(guān)鍵巖石力學(xué)和機(jī)械制造問題解決并在此基礎(chǔ)上將其改進(jìn)為全斷面巖石巷道掘進(jìn)機(jī)(Full Face Roadway Boring Machine,RBM)，其工作機(jī)理如圖19所示，其中，y為刀盤與工作面距離;u(y) 為巷道表面徑向位移;umax為巷道表面最大徑向位移;p(y) 為圍巖對護(hù)盾擠壓力;p′(y)為圍巖對管片擠壓力;ΔR為超挖間隙;Rf為護(hù)盾所受摩擦力;Fb為開挖推力;v為開挖速度。

圖18 φ5 m全斷面巖巷掘進(jìn)機(jī)總體示意Fig.18 Overall representation of the φ5 m full-section rock roadheader

圖19 RBM巷道開挖力學(xué)簡圖Fig.19 Schematic diagram of RBM roadway excavation

2.5 輔助裝載輸送機(jī)器人技術(shù)

研發(fā)新型履帶自驅(qū)動輔助運(yùn)輸車，智能化完成掘進(jìn)巷道輔助運(yùn)輸任務(wù)。以自動裝載、運(yùn)輸車遙控、人員感知和避障系統(tǒng)為目標(biāo)，開發(fā)輔助運(yùn)輸車的履帶行走機(jī)構(gòu)、舉升機(jī)構(gòu)、機(jī)架、液壓系統(tǒng)、智能遙控系統(tǒng)。最終完成輔助運(yùn)輸車的智能遠(yuǎn)程控制、自動裝載和無人駕駛等功能。

3 機(jī)器人化掘進(jìn)裝備與群組

3.1 機(jī)器人化掘進(jìn)裝備

國內(nèi)外較為先進(jìn)的機(jī)器人化掘進(jìn)裝備如圖20所示，主要代表如下:

(1)山特維克MB670-1型掘錨機(jī)，適用于有色金屬礦井的連采，在巷道成型、鉆錨質(zhì)量和永久錨固等性能上，可適應(yīng)煤礦巷道開采需求。

(2)久益12CM30型掘錨機(jī)，采用集成錨固系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)同時截割和錨固功能，有效提高了掘進(jìn)效率。

圖20 掘進(jìn)機(jī)器人裝備Fig.20 Tunneling robot equipment

(3)“蛟龍?zhí)枴笔澜缡滋兹珨嗝娓咝Э焖倬蜻M(jìn)機(jī)，具有全斷面連續(xù)切割技術(shù)、遠(yuǎn)程控制、智能導(dǎo)向、同步錨固、調(diào)車、運(yùn)輸、除塵等功能。

(4)中鐵重工ZJM4200掘錨機(jī)，具備掘進(jìn)、防護(hù)、鉆探、同步錨護(hù)、自主定位、除塵、故障檢測等功能的煤礦巷道快速掘進(jìn)裝備。

3.2 機(jī)器人化掘進(jìn)群組協(xié)同系統(tǒng)

中國礦業(yè)大學(xué)(北京)依托國家“973”項(xiàng)目，開展機(jī)器人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組研究工作，研發(fā)惡劣環(huán)境下無人采掘裝備的截割-支護(hù)-運(yùn)載集成系統(tǒng)的多功能集合裝備，揭示集成系統(tǒng)的協(xié)同性機(jī)理，提出多機(jī)協(xié)同并行作業(yè)的沖突消解與避讓策略，為構(gòu)建可靠、實(shí)時、安全的機(jī)器人化掘進(jìn)群組控制系統(tǒng)提供前提。實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)、支護(hù)錨固、自主定位等功能的無人化掘支錨聯(lián)合機(jī)組虛擬樣機(jī)如圖21所示。

圖21 掘支錨聯(lián)合機(jī)組虛擬樣機(jī)Fig.21 Virtual prototype of the joint anchor and unit

煤炭科學(xué)研究總院太原研究院研發(fā)的機(jī)器人化掘進(jìn)群組協(xié)同系統(tǒng)將掘裝功能與錨桿鉆機(jī)有機(jī)的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)截割、裝運(yùn)、錨桿支護(hù)三位一體，其適用范圍更廣，掘進(jìn)效率更高，如圖22所示。

圖22 綜掘運(yùn)錨一體機(jī)Fig.22 Comprehensive drilling and anchoring machine

中鐵重工提出實(shí)現(xiàn)機(jī)器人化掘進(jìn)群組快速掘進(jìn)的方法[53]:① 掘的快,研發(fā)新型設(shè)備，提高裝備水平;② 支的快,提出支護(hù)新理念，加大排距，簡化支護(hù)工藝;③ 省時間,實(shí)現(xiàn)掘支平行作業(yè)。研發(fā)快速掘錨成套裝備如圖23所示，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備能力提升，裝機(jī)功率大，破巖能力強(qiáng)，單進(jìn)速度快。完成了順序作業(yè)向平行作業(yè)轉(zhuǎn)變，時空同步，節(jié)省時間。

圖23 快速掘錨成套裝備Fig.23 Fast anchoring equipment

4 展 望

未來，煤礦掘進(jìn)要實(shí)現(xiàn)無人化，掘進(jìn)機(jī)器人融合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、5G傳輸和人工智能等技術(shù)，讓每個設(shè)備都具有自主感知和智能控制能力，通過搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，讓掘進(jìn)機(jī)器人群組協(xié)同工作，完成探-掘-支-錨-運(yùn)等環(huán)節(jié)的一體化，最終實(shí)現(xiàn)無人化巷道開拓。目前，我國正在積極開展智能化煤礦建設(shè)，通過分析國內(nèi)外掘進(jìn)機(jī)群組的發(fā)展現(xiàn)狀，提出仍需攻克的關(guān)鍵技術(shù)以及智能化掘進(jìn)機(jī)器人的研發(fā)方向。

(1)沖擊致裂-快速掘進(jìn)新技術(shù)。將可控沖擊波技術(shù)[54]應(yīng)用于煤礦井下巷道掘進(jìn)作業(yè)中，有效增加掘進(jìn)工作面煤巖層的裂隙，提高掘進(jìn)機(jī)器人的掘進(jìn)效率。

(2)遠(yuǎn)程前探-精準(zhǔn)慣導(dǎo)新技術(shù)。礦井突水多發(fā)生于巷道掘進(jìn)工作面，采用鉆孔激發(fā)極化法進(jìn)行超前探水預(yù)報[55]，排除煤礦巷道掘進(jìn)隱伏水患;現(xiàn)有的導(dǎo)航技術(shù)受井下復(fù)雜的基站布局、電磁環(huán)境干擾影響，研發(fā)高精度的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)器人精準(zhǔn)定位導(dǎo)航。

(3)協(xié)同掘支-自適護(hù)頂新裝備。在掘進(jìn)機(jī)器人巷道掘進(jìn)過程中，同步完成頂板和兩幫的支護(hù)，針對煤礦巷道復(fù)雜的圍巖條件，研究支架-圍巖耦合監(jiān)測控制系統(tǒng)[56-57]，對圍巖壓力和支架支撐力的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測感知，自適應(yīng)調(diào)節(jié)支護(hù)姿態(tài)。

(4)鉆錨一體-智能錨固新裝備。鉆錨機(jī)器人應(yīng)具備自主移動和遠(yuǎn)程交互控制、鉆孔自動定位、鉆進(jìn)方位導(dǎo)航、鉆具全自主鉆進(jìn)控制與運(yùn)行狀況監(jiān)測、孔區(qū)壓力分布狀態(tài)智能感知等關(guān)鍵技術(shù)。