近日，康紅普院士團隊在《煤炭學(xué)報》2021年第7期發(fā)表了題為《掘進(jìn)工作面圍巖穩定性分析及快速成巷技術(shù)途徑》的研究成果。

研究人員采用數值模擬方法研究了掘進(jìn)工作面圍巖應力、變形、破壞分布特征，研究了圍巖地質(zhì)力學(xué)參數、掘進(jìn)與支護參數對掘進(jìn)工作面圍巖穩定性的影響。分析了掘進(jìn)工作面圍巖穩定性、煤巖可掘性、可鉆性、可錨性，指出巷道掘進(jìn)存在的問(wèn)題，及提高煤巷掘進(jìn)速度的方法。最后，構建了掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化總體技術(shù)架構，分析了自動(dòng)化、智能化關(guān)鍵技術(shù)，提出我國煤礦自動(dòng)化、智能化掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展路徑。

近年來(lái)，我國煤礦智能化開(kāi)采技術(shù)及智慧煤礦建設發(fā)展迅速 。掘進(jìn)是煤礦生產(chǎn)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節，掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化水平也得到一定程度的提升。以下重點(diǎn)介紹《掘進(jìn)工作面圍巖穩定性分析及快速成巷技術(shù)途徑》成果中對掘進(jìn)工作面自動(dòng)化、智能化關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展路徑的研究。

一、掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化總體架構

掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化包括智能感知、智能決策、自動(dòng)執行3個(gè)要素。掘進(jìn)工作面智能感知涉及3個(gè)層面:

① 掘進(jìn)前進(jìn)行全面、系統的煤巖體地質(zhì)力學(xué)測試，在掘進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行超前探測、隨掘探測、隨鉆測量，實(shí)現對掘進(jìn)工作面及配套系統“人-機-環(huán)”信息的全面感知，在此基礎上建立掘進(jìn)工作面動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型，作為基礎環(huán)境;

② 掘進(jìn)工作面環(huán)境的感知，實(shí)時(shí)監測頂板離層、巷道變形、圍巖應力、錨桿錨索支護體受力及瓦斯、粉塵質(zhì)量濃度等，監測作業(yè)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化;

③ 設備感知，實(shí)時(shí)監測截割動(dòng)載、截割軌跡、錨桿錨索鉆機扭矩、推力等信息，記錄設備工況并進(jìn)行故障診斷，監測設備的位置、姿態(tài)信息，實(shí)現設備的行走導航與各功能動(dòng)作定位感知。感知信息通過(guò)高網(wǎng)速傳輸系統傳送至智能掘進(jìn)自主決策平臺，通過(guò)該平臺進(jìn)行多源異構數據的格式統一、通信協(xié)議轉換。

　　掘進(jìn)智能化總體架構

基于感知層數據，獲得煤巷掘進(jìn)工作面圍巖穩定性、可掘性、可鉆性、可錨性特征，掘進(jìn)工作面圍巖應力場(chǎng)與位移場(chǎng)動(dòng)態(tài)演化規律，確定掘進(jìn)、支護、運輸等協(xié)同平行作業(yè)模式與工藝。以上述數據為支撐，以下位傳輸的動(dòng)態(tài)數據為依據，建立基于掘進(jìn)工作面動(dòng)靜載疊加作用下截割控制模型，臨時(shí)支護、永久支護與圍巖耦合控制模型，探、掘、支、運等多機協(xié)同控制模型，進(jìn)行控制邏輯自主決策，為自動(dòng)執行提供依據。

基于決策層控制邏輯，在執行層進(jìn)行掘進(jìn)工作面各設備系統的導航定位、截割、支護、運輸、通風(fēng)、降塵等動(dòng)作，動(dòng)作結果通過(guò)自主感知反饋至自主決策平臺，對巷道掘進(jìn)各工序作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控、決策，對各動(dòng)作進(jìn)行執行與修正，形成閉環(huán)控制。

二、掘進(jìn)工作面自動(dòng)化、智能化關(guān)鍵技術(shù)

（一）自動(dòng)化、智能化截割技術(shù)

煤巷截割時(shí)間占總掘進(jìn)時(shí)間通常少于30%，截割過(guò)程僅需要一名掘進(jìn)機司機，截割不是影響掘進(jìn)智能化的主要制約因素。目前已經(jīng)能夠實(shí)現一鍵啟停、地面遠程視頻遙控等自動(dòng)化控制。要實(shí)現更高層次的自動(dòng)化、智能化，應進(jìn)一步深入研究低擾動(dòng)截割、截割動(dòng)載識別與控制、截割軌跡自動(dòng)規劃等技術(shù)。

首先必須考慮巷道圍巖條件，開(kāi)發(fā)低擾動(dòng)截割技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化截齒結構與布置方式，減少截割擾動(dòng)對圍巖穩定性影響。開(kāi)展不同工況下截割實(shí)驗室試驗，可建立1∶1比例相似模型，深入研究不同煤巖層條件下截割擾動(dòng)影響規律。開(kāi)展井下現場(chǎng)原位截割測試研究，通過(guò)大量測試與統計數據，獲得不同截割方式對掘進(jìn)工作面圍巖擾動(dòng)影響規律。

開(kāi)發(fā)截割動(dòng)載荷識別技術(shù)與截割轉速交流變頻調速控制技術(shù)，實(shí)現不同工況下截割參數自動(dòng)調節，包括截割轉速、單刀力、牽引速度和截割深度等參數，實(shí)現電機輸出轉速、扭矩與破巖效果匹配，提高截割對不同煤巖層條件的適應性。

開(kāi)發(fā)截割巖石動(dòng)載荷數據提取及識別技術(shù)，實(shí)現對截割載荷信號的傳輸及特征提取，并配套研發(fā)大容量、高速采集、存貯及數據處理技術(shù)，實(shí)現載荷信息的實(shí)時(shí)分析，并建立各參數匹配關(guān)系，實(shí)現現場(chǎng)截割過(guò)程中自動(dòng)調整截割參數來(lái)適應工況的變化。

截割軌跡的自動(dòng)規劃目前已開(kāi)展大量的研究，應進(jìn)一步在掘進(jìn)裝備運動(dòng)學(xué)模型的基礎上，以掘進(jìn)裝備機身為測量基準，在掘進(jìn)裝備導航定位基礎上，以慣性空間為基準，配套相應監測技術(shù)，開(kāi)發(fā)與掘進(jìn)工作面圍巖穩定性相匹配的截割軌跡自動(dòng)規劃算法及控制技術(shù)。

（二）臨時(shí)支護技術(shù)

巷道掘進(jìn)后隨著(zhù)應力釋放，圍巖會(huì )出現離層、破壞，導致圍巖自穩能力差，甚至發(fā)生冒頂、片幫。不同類(lèi)別的巷道圍巖對臨時(shí)支護的需求不同。對于易冒頂、片幫的圍巖，臨時(shí)支護尤為重要。如前所述，現有的多數掘進(jìn)工作面臨時(shí)支護不能滿(mǎn)足快速掘進(jìn)的要求，需要探索新型臨時(shí)支護技術(shù)，保障掘進(jìn)工作面空頂、空幫范圍內圍巖的穩定性，為錨桿安裝提供較大的作業(yè)空間。臨時(shí)支護的發(fā)展主要有2個(gè)方向：

① 改進(jìn)現有臨時(shí)支護裝置，根據掘進(jìn)工作面圍巖條件開(kāi)發(fā)與之相匹配的臨時(shí)支護結構及自適應控制技術(shù)，提高對圍巖的適應能力，減少對圍巖的反復支撐，提高臨時(shí)支護效果;

② 改變現有臨時(shí)支護方式，提出快速?lài)娡颗R時(shí)支護技術(shù)，采用快速凝固噴涂材料，配套自動(dòng)化高效噴涂設備，在巷道表面形成高強度、高韌性護表噴層，起到臨時(shí)支護的作用，同時(shí)可防止煤巖體風(fēng)化，并替代金屬網(wǎng)。

（三）自動(dòng)化錨桿施工技術(shù)

目前廣泛采用的樹(shù)脂錨桿的安裝工藝流程如圖所示，包括:鋪聯(lián)網(wǎng)、安裝鋼帶等護表構件、鉆孔、卸鉆桿、安裝錨固劑、安裝錨桿、攪拌錨固劑、擰緊螺母等多道工序。如前所述，由于工序復雜、自動(dòng)化水平低，占去了60%以上的時(shí)間與人員。因此要實(shí)現快速掘進(jìn)，錨桿支護的自動(dòng)化、智能化是關(guān)鍵技術(shù)。

圍繞錨桿施工自動(dòng)化、智能化主要有2個(gè)方向，一是基于傳統錨桿施工工藝進(jìn)行自動(dòng)化改進(jìn)，例如中國煤炭科工集團太原研究院通過(guò)高壓氣體將樹(shù)脂錨固劑送入孔中，并研發(fā)了自動(dòng)鉆孔、輸送錨固劑、自動(dòng)安裝錨桿的臺車(chē)。景隆重工機械有限公司在錨桿前方安裝塑料套筒，將錨桿與錨固劑聯(lián)結為一體，通過(guò)錨桿將錨固劑送入孔中，研制出鉆孔、安裝錨固劑并預緊的自動(dòng)化錨桿臺車(chē)，設置專(zhuān)門(mén)的錨桿存儲機構。上述技術(shù)實(shí)現了鉆孔、輸送錨固劑、安裝錨桿、攪拌及預緊的自動(dòng)作業(yè)，但沒(méi)有改變錨桿施工工藝，錨桿施工用時(shí)與人工相比并沒(méi)有縮短，且對塌孔、錨固劑入孔困難、因圍巖片落引起的錨桿外露超長(cháng)等問(wèn)題難以解決，抗干擾能力差。

錨桿自動(dòng)化施工的另一個(gè)方向是對傳統施工工藝進(jìn)行改變，開(kāi)發(fā)出新型鉆錨一體化錨桿及配套施工工藝，以高強度無(wú)縫鋼管為桿體，前端鑲嵌一次性鉆頭，錨桿作為鉆桿在鉆箱帶動(dòng)下逆時(shí)針旋轉打孔鉆進(jìn)，順時(shí)針旋轉擰緊螺母進(jìn)行預緊。研發(fā)出新型觸變性錨注材料，由A，B兩組分組成，1∶1混合均勻后具有觸變性。該錨注材料通過(guò)原漿進(jìn)入錨桿尾部混合，自鉆頭流入鉆孔，充填錨桿與鉆孔間的環(huán)形空隙。停止泵送后，錨固劑觸變特性可使錨固劑克服重力作用不沿鉆孔流動(dòng)，從而實(shí)現端錨至全長(cháng)錨固任意長(cháng)度錨固。

選用高扭矩、高轉速液壓馬達，實(shí)現了錨桿高扭矩預緊。該鉆錨一體化錨桿實(shí)現了鉆孔、注錨、預緊工序由同一機構完成，避免了施工機具的反復切換，同時(shí)節省了拆卸鉆桿的時(shí)間，施工效率明顯提高?？朔怂?、錨固劑難以輸送、圍巖片落引起的錨桿外露超長(cháng)等問(wèn)題導致錨桿安裝失敗?；阢@錨一體化錨桿施工工藝，開(kāi)發(fā)出“一鍵打錨桿”控制系統，實(shí)現了錨桿自動(dòng)化快速施工。井下試驗數據表明:單根錨桿施工時(shí)間不超過(guò)2 min，施工速度提高1倍。

（四）超前探測技術(shù)

掘進(jìn)工作面探測是巷道掘進(jìn)必要的安全保障，目前主要采用物探、鉆探結合的方法。物探主要采用槽波、地震波對掘進(jìn)構造進(jìn)行超前探測，采用瞬變電磁進(jìn)行超前探水，物探需要停止掘進(jìn)作業(yè)，布設信號發(fā)射、接收裝置，影響正常掘進(jìn)。由于掘進(jìn)工作面空間有限信號收發(fā)裝置無(wú)法按照理想條件布設，一定程度上影響了物探的精度。另外，還開(kāi)發(fā)了基于掘進(jìn)機隨掘震源的巷道前方構造探測技術(shù)，以掘進(jìn)機切割煤壁和巖石時(shí)產(chǎn)生的地震波作為震源，通過(guò)連續采集地震波并從中尋找反射波實(shí)現巷道超前探測。鉆探是最可靠的超前探測手段，隨著(zhù)掘進(jìn)裝備集成化程度提高，整機裝備體積增大，鉆探與掘進(jìn)裝備換位困難，超前鉆探逐步成為影響巷道快速掘進(jìn)的重要因素。為實(shí)現便捷的超前鉆探，研發(fā)了掘探一體化的裝備，包括基于懸臂式掘進(jìn)機的掘探裝備、基于掘錨一體機的掘探裝備，通過(guò)將超前液壓鉆機集成于掘進(jìn)機、掘錨一體機上避免了掘探換位作業(yè)。

為了解決隨掘隨探存在的問(wèn)題，中煤科工西安研究院提出區域探測技術(shù)方案，在掘進(jìn)前利用千米定向鉆機一次性完成整條巷道的鉆探，通過(guò)鉆孔物探一次性完成擬開(kāi)掘巷道周?chē)鷧^域的物探，并開(kāi)發(fā)出物探與鉆探相結合的綜合探測技術(shù)，實(shí)現了“探測先行、掘探分離”，消除了超前探測對掘進(jìn)的影響。

（五）定位與導航技術(shù)

定位與導航技術(shù)是掘進(jìn)工作面裝備實(shí)現自動(dòng)化、智能化的重要技術(shù)，包括掘進(jìn)裝備行走的定位導航和錨桿支護的定位等。

掘進(jìn)裝備行走定位導航現有陀螺慣導、激光指引、全站儀測量、超寬帶定位等單一導航設備和方法，難以滿(mǎn)足強振動(dòng)、高濕度等掘進(jìn)工作面環(huán)境工況。定位導航有2個(gè)發(fā)展趨勢:① 提高現有導航技術(shù)的精度，② 采用多傳感器測試、數據融合方法與技術(shù)，將具有不同特點(diǎn)多種導航傳感器、位姿檢測方法進(jìn)行組合，充分發(fā)揮各自特點(diǎn)與優(yōu)勢，實(shí)現高效、精確導航。組合導航技術(shù)包括:超聲波和慣性導航組合、機器視覺(jué)和慣性導航組合、激光標靶和傾角傳感器的組合、全站儀與慣性導航組合等多種方式。另外掘進(jìn)行走的定位還應根據實(shí)際掘進(jìn)成型的巷道為基準，進(jìn)行相對定位，在掘進(jìn)裝備前方和兩側布設測距雷達，計算掘進(jìn)裝備與煤壁距離，判斷掘進(jìn)裝備的位置和角度偏差。

錨桿支護定位目前有多種方式，首先可根據錨桿設計間排距進(jìn)行定位。以掘錨一體機為例，掘進(jìn)裝備按固定排距行走，錨桿鉆臂與掘進(jìn)裝備保持同步，通過(guò)示教技術(shù)，錨桿鉆臂按錨桿間排距以示教路徑進(jìn)行定位施工錨桿。錨桿支護還可采用基于深度學(xué)習的目標檢測技術(shù)定位，例如以已支護完成的錨桿托板為目標進(jìn)行深度學(xué)習目標檢測，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )對錨桿托板進(jìn)行特征提取，根據所提取到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )特征對目標的坐標和大小等信息進(jìn)行回歸預測，根據已支護錨桿托板的位置坐標，來(lái)判定下一個(gè)循環(huán)錨桿安裝位置。在井下巷道中經(jīng)常會(huì )出現局部漏頂、片幫情況，應以冒頂、片幫后的煤巖表面為基準，否則達不到預期的鉆孔深度，這就要求錨桿鉆機能實(shí)時(shí)根據工況調整鉆進(jìn)深度?？赏ㄟ^(guò)基于視覺(jué)傳感的錨桿支護實(shí)時(shí)位姿解算，對漏頂、片幫不同畸變特征圖像進(jìn)行檢測，判斷漏頂、片幫深度，從而實(shí)時(shí)調整錨桿鉆機的作業(yè)位姿補償量，及時(shí)補償現場(chǎng)工況改變造成的支護參數變化，提高錨桿支護定位的準確性。

（六）圍巖穩定性與環(huán)境監測及大數據分析

掘進(jìn)工作面及巷道圍巖穩定性監測可為掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化提供重要基礎數據。掘進(jìn)工作面周?chē)咚?、粉塵質(zhì)量濃度、溫度等參數的實(shí)時(shí)監測與分析，是保障巷道安全的必要條件。

圍巖穩定性監測內容主要包括圍巖應力、位移、離層、破壞監測，支護體受力、變形、破壞監測?，F有圍巖穩定性監測技術(shù)主要存在3個(gè)問(wèn)題:

① 通過(guò)在巷道中布置測站進(jìn)行某一斷面的監測，監測點(diǎn)固定，代表性差，難以反映全長(cháng)巷道圍巖的穩定性;

② 監測實(shí)時(shí)性差，監測頻率低，監測特征點(diǎn)少，例如巷道表面位移監測十字布點(diǎn)法只能反映頂、底、兩幫4個(gè)特征點(diǎn)變化數據，無(wú)法滿(mǎn)足巷道全斷面監測的需求;

③ 監測多集中在巷道永久支護段，監測儀器多需要打孔安裝，施工繁瑣，缺少可供掘進(jìn)設備搭載的隨掘監測技術(shù)，無(wú)法反映掘進(jìn)工作面圍巖穩定性隨掘變化規律。

隨著(zhù)計算機圖像識別與處理技術(shù)的發(fā)展，激光掃描測量技術(shù)與視覺(jué)測量技術(shù)等非接觸式測量方法可應用于巷道圍巖變形監測。巷道表面三維激光掃描點(diǎn)云分布，精度達到毫米級，能夠滿(mǎn)足巷道變形監測的需求。另外探索研發(fā)了隨掘關(guān)鍵特征點(diǎn)雙目視覺(jué)監測技術(shù)，隨掘過(guò)程中每隔一定排距在巷道頂板和兩幫布置若干反光輔助特征點(diǎn)，掘進(jìn)設備上安裝立體視覺(jué)相機實(shí)時(shí)監測特征點(diǎn)之間的相對距離，可實(shí)現兩幫和頂板相對變形量的實(shí)時(shí)監測，用于判斷頂板的相對下沉量，并可根據該數據的實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現掘進(jìn)工作面支護參數的動(dòng)態(tài)調整。

　　巷道三維激光掃描點(diǎn)云分布

由于圍巖條件的復雜性、多變性，單一監測很難客觀(guān)評價(jià)圍巖穩定性。采用多傳感器、多信息融合技術(shù)才能對圍巖穩定性進(jìn)行全面、系統、可靠的評價(jià)。同時(shí)基于大量井下實(shí)測數據，建立掘進(jìn)工作面及全長(cháng)巷道圍巖穩定性監測數據庫，開(kāi)發(fā)圍巖穩定性監測數據云平臺，通過(guò)大數據分析實(shí)時(shí)評價(jià)圍巖穩定性及支護設計的合理性，為自動(dòng)化、智能化掘進(jìn)與支護提供數據支撐。

巷道掘進(jìn)過(guò)程中會(huì )涌出瓦斯、產(chǎn)生粉塵，影響掘進(jìn)工作面的安全和礦工職業(yè)健康，特別是對于高瓦斯煤層，瓦斯還顯著(zhù)影響巷道掘進(jìn)速度。應研究不同圍巖條件、不同截割方式下掘進(jìn)工作面瓦斯、粉塵質(zhì)量濃度隨掘進(jìn)的變化規律，建立通風(fēng)量、瓦斯體積分數、粉塵質(zhì)量濃度、粉塵顆粒分布等各參量之間的動(dòng)態(tài)數據模型，實(shí)時(shí)分析監測數據，快速、準確識別掘進(jìn)工作面周?chē)咚?、粉塵分布情況，實(shí)現隨掘過(guò)程中瓦斯、粉塵等工作面環(huán)境參數的準確監測與預警。

三、煤巷自動(dòng)化、智能化掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展路徑

我國煤礦巷道圍巖地質(zhì)條件千差萬(wàn)別、復雜多變，掘進(jìn)技術(shù)與裝備發(fā)展很不均衡，發(fā)展掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化技術(shù)不能“一刀切”，應根據前述的圍巖穩定性、可掘性、可鉆性、可錨性等條件，結合煤礦的具體情況，分條件、分類(lèi)別、分區域、分步驟實(shí)施。

對于鄂爾多斯、陜北等礦區非常穩定(Ⅰ類(lèi))、穩定(Ⅱ類(lèi))圍巖條件，目前多數大型礦井的掘進(jìn)已實(shí)現機械化、部分實(shí)現自動(dòng)化，開(kāi)始向智能化邁進(jìn)。有些煤礦的掘進(jìn)速度已達到1 500~2 000 m/月，但掘進(jìn)工作面用人較多。

① 應重點(diǎn)攻關(guān)錨桿、錨索自動(dòng)化施工技術(shù)，顯著(zhù)減少用人、提高支護效率;同時(shí)，提升掘進(jìn)定位導航技術(shù)、自動(dòng)截割技術(shù)、多機協(xié)同控制技術(shù)，真正實(shí)現掘進(jìn)自動(dòng)化;

② 應突破智能感知、智能決策、自動(dòng)執行的技術(shù)瓶頸，在掘進(jìn)工作面環(huán)境、圍巖穩定性、裝備工況、全時(shí)空巷道礦壓監測與感知及大數據分析技術(shù)的基礎上，建立掘進(jìn)與支護控制模型，提出相應的算法和決策模型，形成以大數據支撐的動(dòng)態(tài)化、信息化、智能化快速掘進(jìn)技術(shù)，實(shí)現快速、少人、高效。

對于我國大部分巷道圍巖條件(一般Ⅲ類(lèi)、不穩定Ⅳ類(lèi))，目前多數煤礦實(shí)現了截煤機械化，部分達到自動(dòng)化程度，但支護主要依靠人工。此類(lèi)條件需要經(jīng)歷全部機械化、自動(dòng)化到智能化的發(fā)展過(guò)程。

① 需重點(diǎn)解決人工支護的問(wèn)題，研發(fā)新型機械化、自動(dòng)化臨時(shí)支護技術(shù)，錨桿與錨索機械化、自動(dòng)化施工技術(shù)，實(shí)現臨時(shí)支護與永久支護的快速施工;

② 構建掘支一體化系統，提升掘進(jìn)與支護平行作業(yè)能力。開(kāi)發(fā)適用的掘錨一體機，降低截割擾動(dòng)，增強過(guò)地質(zhì)構造的能力，掘進(jìn)全過(guò)程實(shí)現自動(dòng)化;

③ 開(kāi)發(fā)掘進(jìn)環(huán)境、圍巖穩定性、裝備工況、支護狀況感知系統及大數據分析技術(shù)，根據Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)圍巖特點(diǎn)提出掘進(jìn)與支護控制模型、決策模型，實(shí)現掘進(jìn)的動(dòng)態(tài)化、信息化施工，逐步提升智能化水平。

對于圍巖穩定性非常差(Ⅴ類(lèi))的巷道條件：

① 應開(kāi)展掘進(jìn)工作面地質(zhì)構造超前探測技術(shù)研究，超前支護與加固技術(shù)、材料及裝備研發(fā)，如超前深孔注漿技術(shù)、先卸壓后掘進(jìn)技術(shù)等，提高巷道圍巖的可掘性;

② 開(kāi)展低擾動(dòng)截割技術(shù)研究，開(kāi)發(fā)鉆錨注一體化錨桿、錨索自動(dòng)化施工技術(shù)，提高掘進(jìn)系統的機械化、自動(dòng)化水平;

③ 開(kāi)展掘進(jìn)各工序的自動(dòng)化控制，掘進(jìn)環(huán)境、圍巖穩定性實(shí)時(shí)監測，信息反饋、控制、執行等技術(shù)研究，不斷提升掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化水平。