经过改革开放40余年的创新发展，我国煤矿实现了从普通机械化、综合机械化到自动化的跨越，并开始向智能化迈进。近10年来，我国在薄和较薄煤层智能化综采、大采高和超大采高智能化综采、特厚煤层智能化综放开采技术与装备等方面取得了重要成果，煤矿智能化开采技术与矿井配套设施的快速发展，加剧了采掘失衡的矛盾，发展巷道智能掘进成套技术装备、提高掘进智能化水平已经成为保障煤炭生产企业安全高效生产的先决条件。“十一五”以来，国内各高等院校、科研院所以及掘进装备研制企业，积极开展综掘装备自动定位、智能导航、自动截割、在线监测、远程可视化操控以及工作面临时支护与粉尘治理等方面的研究，取得了显著成果，在一定程度上引领了我国乃至世界范围内综掘技术与装备的未来发展方向。
在此基础上，2019年中国中煤能源集团有限公司（以下简称中煤集团）启动了重大科技项目“煤矿智能掘进工作面建设关键技术”；2021年12月，中煤华晋集团有限公司王家岭矿（以下简称王家岭矿）12307胶带巷智能掘进工作面正式建成，实现了掘进系统的全面“智”化，标志着智能掘进技术的重大跨越，带动了全国智能掘进技术迭代升级。 “煤矿智能掘进工作面建设关键技术”项目攻克了惯性导航系统+多传感器+激光标靶的掘进机机身自主定位技术，以及利用多传感器+机器视觉技术攻克了钻孔自主定位的瓶颈技术，并初步应用，实现了工作面掘、锚、运等主要工序及通风、除尘、供电等辅助工序智能化运行，构建了以工作面自动控制为主，集控中心远程干预为辅的自动化掘进模式，达到掘进工作面少人化、无人化作业的目标，为王家岭矿井下安全、高效掘进提供可靠的保障，为全国掘进工作面的智能化建设奠定技术基础。
攻克智能掘进瓶颈技术 引领掘进行业“智”化发展
目前，掘进工艺总体可分为综掘机+锚杆钻车+后配套运输设备和掘锚一体机+后配套运输设备2种掘进模式，掘锚一体机为掘锚平行作业，由于受限于支护空间，支护环节无法实现自动化，同时横轴式截割头对地质条件适应性差，无法保证掘进的灵活性，但平行作业大幅提高了工作面的掘进效率。综掘机+锚杆钻车的掘进模式为掘锚交替作业，该作业方式保持了掘进的灵活性且具有普遍适用性，虽然掘锚交替作业效率相对较低，但仍为国内主流作业方式。
基于此，中煤集团展开了纵轴式智能掘进研究，该研究的瓶颈技术为智能截割和自动锚固，针对此问题，王家岭矿联合中煤天津地下工程（智能）研究院、辽宁工程技术大学、西安电子科技大学、中船707研究所、中国煤炭科工集团太原研究院有限公司、西安交通大学等全国知名科研单位进行研究，确定利用惯性导航系统+多传感器+激光标靶技术实现掘进机身精准定位与自主纠偏，利用多传感器+机器视觉技术实现锚杆钻车钻孔的精准定位。以此2项核心技术为抓手，实现了掘进机的智能截割和锚固流程的自动化运行，形成了中煤集团特有技术体系，推动掘进技术的跨越升级。下面对2项核心技术进行阐述：
（1）组合式定位技术（惯性导航系统+多传感器+激光标靶）
针对掘进机机身定位问题，提出了3种定位方法，为保证定位精度与定位可靠性，将3种定位方式进行组合定位，以提高定位进度、保证定位效果。首先通过机器视觉的方法实现了掘进装备的位姿检测，输出掘进机位置和姿态信息；然后将输出的位置信息传输到光纤惯导以校正惯导漂移，通过激光标靶定位实现掘进装备的位姿测量并输出位置信息。同时将各自信息进行汇总，实现机器视觉与光纤惯导组合定位和激光标靶与光纤惯导组合定位，各自独立输出定位信息。通过卡尔曼滤波数据融合处理实现两者数据的融合，进一步提升测量精度和稳定性。掘进装备高精度组合式定位技术架构如图1所示。
图1 掘进装备高精度组合式定位技术架构
通过前期硬件安装、调试，系统可实现掘进机位姿的功能，具体应用效果如图2所示。
（a）激光指向仪效果及隔爆摄像仪
（b）掘进机身后视效果 （c）掘进机机身位姿本地展示
（d）掘进机机身位姿远程展示
图2 组合式定位技术应用
（2）钻车定孔技术（多传感器+机器视觉）
为实现锚杆成排自动支护，通过多传感器进行钻孔粗定位，利用AI视频识别技术精确定位钻孔位置，实现了锚杆索钻孔位置的精确识别，为锚杆的自动打设奠定了技术基础。采用2个伸缩臂机构来实现自动钻臂的空间定位，设备空间位姿主要由伸缩臂机构决定，并根据设备空间位姿的正解和逆解计算方法，得出了2种解的解析表达式。首先人工确定顶板基准角锚杆位置，建立基准锚杆在锚杆钻车机身坐标系的坐标值，以此为出发点根据锚杆支护工艺图间距参数值，通过控制系统计算与预期的位置的差距，不断反馈、驱动、反馈，精确控制旋转角度，自动确定剩余锚杆支护位置，然后驱动伸缩臂进行锚杆位置的自动定位，到位后进行对应位置锚杆自动安装，工作完成后可自动复位。以锚杆支护顶部锚杆工艺为例，顶锚运行过程中，钻臂保持设定姿势，全局坐标系选为机身坐标系，点之间移动时，按矩形轨迹运动，如先从角锚杆设定点降至指定值，横移至给定点下方，再竖直向上升到设定点，然后开始自动运行。锚杆钻车定位逻辑和全自动锚杆钻车现场应用分别如图3、图4所示。
图3 锚杆钻车定位逻辑
图4 全自动锚杆钻车
利用 5G 无线通信技术实现设备的无线控
12307胶带巷布设了5G基站，设备布设了CPE 信号转换器，通过掘进机、锚杆钻车、自移机尾、带式输送机、5G摄像仪、华宁控制器的CPE将信号传送至集控仓，在集控仓实现了所有设备的无线控制，减少了线缆对工作面的干扰。在现场优化网络结构、调整上下行传输比，解决了5G信号不稳定问题。“基于5G无线通信技术掘进工作面设备控制”项目是5G技术在中煤集团的首次成功应用，该套5G系统在工作面已稳定运行5个月，是远程集中控制的基础。王家岭矿12307胶带巷5G网络架构、5G基站如图5、图6所示。
图5 王家岭矿12307胶带巷5G网络架构
图6 王家岭矿12307胶带巷5G基站
开发智能掘进管控平台实现数据共享与设备集控
智能化掘进管控平台利用数字孪生技术将数据-模型-设备进行拟合，对掘进工作面情况进行全面的管理与控制，并对掘进工作面进行数据采集，之后采用大数据技术对数据进行处理，为掘进工作的优化及改良提供坚实的基础。
智能掘进管控平台部署在掘进工作面集控中心，主要具备完成底层数据的采集、传输、解析、边缘计算、协同控制、存储等功能，通过井下工业以太环网将数据上传至地面调度指挥中心，实现对掘进工作面生产的分析、调度，定期反迭代更新井下掘进智能管控平台。智能掘进管控平台基于工业互联网架构，兼容地面矿井管控平台，确保了2个平台之间的通信畅通。感知与执行层主要包含掘进工作面各类传感器与控制单元、执行机构、智能设备；网络传输层主要包含5G网络以及有线传输网络，智能掘进管控平台对工作面内各系统的通信协议进行转换、对采集的信息进行数据格式统一、数据抽取、数据清洗、数据转换与深度融合，形成多源异构信息数据服务平台，并通过建立统一的数据服务接口，为上层应用提供统一的数据服务，实现数据的共享，搭建掘进工作面远程管控平台，最终形成“煤矿智慧大脑”，为井下生产提供决策依据。智能掘进管控平台的使用将大幅改善掘进工作面人员的工作环境，进而提升工作人员的安全系数和幸福指数。王家岭矿智掘管控平台如图7所示。
（a）智掘管控平台主界面 （b）智掘管控平台掘进机界面
（c）智掘管控平台智能局部通风机界面 （d）智掘管控平台数据预警界面
图7 王家岭智掘管控平台
融合生产工序实现智能联动
王家岭矿利用AI视频识别系统实现了煤流系统的跑偏、堆煤和煤量的识别并分级预警，自动控制煤流系统的稳定性。构建了智能通风系统，实现了风量依据瓦斯浓度、温度的自动调整。同时构建了智能除尘系统、智能排水系统和智能供电系统，并结合掘进生产工艺，通过操控面板或管控平台实现了各系统的智能联动。
王家岭矿12307智能掘进工作面以掘进机与锚杆钻车定位技术为突破点，以5G无线通信技术为数据传输通道，以数字孪生技术为基础构建管控平台，围绕多机协同控制原理、掘进产尘与扩散机理，攻克了单机智能控制技术、多机协同控制技术以及自适应截割，实现了工作面掘、锚、运等主要工序，以及通风、除尘、供电等辅助工序智能化运行，构建了“以工作面自动控制为主，集控中心远程干预为辅”的自动化掘进模式（图8、图9），标志着掘进设备动态定位技术的阶段性突破，是掘进系统 “智”化模式的巨大变革，形成了稳定的智能掘进系统，推动了我国煤矿智能掘进技术的发展，为煤矿井下安全、高效掘进提供了可靠的技术保障。
图8 王家岭矿井下集控中心 图9 井下遥控操作自移式迈步自移机尾
