成果研究的背景、意义及主要内容

背景

 采掘比例失调一直是困扰我国煤炭安全、高效生产的一个主要因素，近年来，岩石巷道比例逐年增加（原国有重点煤矿年掘进进尺约12 000 km，岩石巷道超过20%），进一步加剧了这一矛盾，以山西阳煤集团有限责任公司（以下简称阳煤集团）为例，目前岩石巷道比例已经占到30％以上，超过110 km。随着我国易采的中厚煤层资源日益减少， 薄煤层开采量的增加，巷道的岩石比例和硬度呈上升态势。同时，在我国西南地区小断面岩巷及瓦斯抽放巷道等小断面全岩巷道的占比也很大。

煤矿岩巷掘进是一个世界性技术难题，目前，国内主要煤矿的煤巷、煤岩巷道基本上实现了机械化掘进，但是全岩巷道仍然以炮掘为主，存在安全性差、效率低、对工人身心健康伤害大等问题。阳煤集团曾尝试将全断面盾构机应用于煤矿全岩巷道的掘进中，但是存在体积庞大、调动困难、对巷道要求高、使用成本高等问题，导致无法普遍推广应用。

2020年3月国家发改委、国家矿山安全监察局等八部委发布的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，制定了3个目标，即到2035年，各类煤矿基本实现智能化，构建多产业链、多系统集成的煤矿智能化系统，建成智能感知、智能决策、自动执行的煤矿智能化体系。目前，我国煤矿综掘工作面的智能化水平要低于综采工作面，而硬岩巷道掘进的智能化水平又低于综掘工作面的平均水平。

意义

针对我国煤矿井下硬岩巷道掘进时存在的装备破岩能力不足、可靠性差、使用成本高、智能化水平低的技术现状，通过攻克镐形刀具截割机理、硬岩截割整机稳定性、转速自动调节智能截割、岩石物料运输智能防卡链、硬岩掘进多功能集成化、状态参数在线监测、岩巷断面截割成形自动控制等关键技术，研制智能化集成化硬岩掘进装备，实现硬岩巷道安全、高效、智能作业，为煤矿岩巷掘进智能化建设提供了有效的装备保障，提高了煤矿的劳动生产率来缓解采掘比例失调，实现煤矿岩巷掘进的重大技术变革。

主要内容

（1） 研究硬岩截割关键技术，成功研制可截割岩石单向抗压强度达到120 MPa的岩巷掘进机（图1）。

发明了镐型刀具截割试验台，进行截齿截割机理、试验研究与数据分析；形成横轴式硬岩截割滚筒设计方法，创新开发了截割滚筒三维交互式设计系统，对截割滚筒和截齿排布进行优化设计，可有效降低截割刀具磨损，提高截割效率，同时平均设计周期缩短至原来的1/5；研究出截齿低温焊接工艺，提高了整机的破岩能力，降低了截齿消耗， 建成国内首套硬岩截割滚筒柔性制造生产线，具备高性能截割滚筒的自主设计和制造能力；研制出冲击重载工况下大功率、小体积横轴截割减速器，发明强制冷却、过滤润滑系统，保证截割减速器在冲击、重载工况下的可靠润滑和冷却；发明了双齿轮齿条回转机构，有效控制回转机构体积，并降低整机截割振动，同时还可提供恒定的截割牵引力，以提高截割的稳定性和破岩能力；发明后稳定及整机横向姿态微调机构，实现机身延横向左右平移300 mm，在不调动履带行走机构的前提下，实现横向的姿态调整，提高作业效率和硬岩截割稳定性。

图1  多功能岩巷掘进机

（2） 研究岩巷掘进多功能集成化技术，实现硬岩掘进、临时支护、锚杆支护多种功能的有效集成。

硬岩掘进机多功能集成技术是将临时支护、机载钻机、智能化控制系统、除尘风道等与硬岩掘进机相结合，实现了硬岩掘进机的掘、支、锚、运、智等功能的有效集成。通过对掘进机各功能机构外形尺寸、结构强度、运动边界等技术参数的优化匹配，对硬岩掘进机整机结构进行重构，对截割、临时支护、机载钻机等功能进行协调，解决掘、锚空间上的矛盾，避免遮挡视线、支护范围有限、振动大、可靠性不高等问题，研制出集截割、装载、运输、锚护、临时支护等功能于一体的多功能硬岩掘进机，实现掘进工作面有限空间内的多工序高效、安全作业。

（3） 研究岩巷掘进智能化技术，解决硬岩掘进中截割转速自动调节、断面自动成型、岩石运输防卡链、机身稳定性等技术难题，提升岩巷掘进智能化水平。

创新提出了基于组合神经网络和D-S证据理论的多传感器信息融合技术的动载荷识别方法，并开发了掘进机动载荷识别软件，结合变频调速技术， 研制出转速随截割工况自动调节的智能化截割机构，提高破岩效率，降低刀具消耗；研究掘进机自动截割轨迹规划控制策略，利用机身的实时位姿信息，实现在定位或自动截割时行走与升降和回转同步控制、悬臂牵引和行走速度根据负载变化自适应调节等功能，实现掘进机自主定位、断面截割成形自动控制；首次将机器视觉技术应用于掘进机位姿的检测，研制出掘进机稳定调节机构，实现机身位姿及稳定性控制；研制出自适应防卡链监控系统， 实现运输参数的自适应调整，降低了掘进机卡链故障，提高了装运效率和可靠性；研制出硬岩掘进机状态参数实时监测系统，可实时采集、显示、记录掘进机的当前工况及参数信息，为硬岩掘进机的健康管理及故障诊断提供指导。

关键技术突破与创新

关键技术

（1） 研究横轴式硬岩截割滚筒设计技术，开发了截割滚筒三维交互式设计制造系统，实现硬岩截割滚筒高精度智能制造。

（2） 攻克动载荷特征识别技术、截割转速交流变频调速控制技术及截割牵引调速技术，完成了转速自动调节智能截割机构的研制，实现对不同岩石的自适应截割，提高破岩效率。

（3） 研究基于机器视觉技术的掘进机自动定位定向技术，研制出大断面岩巷掘进机稳定支撑机构，实现了机尾横向扭动距离控制，达到整机横向姿态的调整。

（4） 研究链条悬垂度变化对刮板输送机运行规律影响，突破基于链条悬垂度刮板输送机的动态调速技术，实现转速和转矩随负载变化而变化，提高过载能力，防止卡链，提高装运效率。

（5） 攻克岩巷掘进自动截割轨迹规划控制技术，实现在定位或自动截割时行走与升降和回转同步控制、悬臂牵引和行走速度根据负载变化自适应调节等功能，实现岩巷断面自动成型截割。

创新点

（1） 形成横轴式截割滚筒设计方法，首次开发了截割滚筒三维交互式设计制造系统，实现硬岩截割滚筒高精度智能制造，解决了硬岩截割头寿命短的问题。

（2） 发明了双齿轮齿条回转机构，结合载荷识别方法和变频调速技术，研制出转速随截割工况自动调节的智能化截割机构，实现硬岩巷道智能、可靠截割。

（3） 发明了后稳定及整机横向姿态微调机构，并首次将机器视觉技术应用于掘进机位姿的检测，实现岩巷掘进时机身位姿及稳定性控制。

（4） 创新提出横轴截割头截割路径自主规划方法和动态调整策略，实现全岩巷道断面截割自动成形。

（5） 首次在大功率硬岩掘进机上集成2台锚护装置，实现顶板及时、高效支护。

难题攻克与解决方案

（1） 攻克硬岩截割滚筒设计难题，形成横轴式截割滚筒设计方法，首次开发了截割滚筒三维交互式设计制造系统（图2），实现了硬岩截割滚筒高精度智能制造。

针对硬岩截割时的工况特点，研制了镐型刀具截割试验台，进行截齿截割机理、试验研究与数据分析；形成横轴式硬岩截割滚筒设计方法，创新开发了截割滚筒三维交互式设计系统，对截割滚筒和截齿排布进行优化设计，可有效降低截割刀具磨损，提高截割效率，同时平均设计周期缩短至原来的1/5；研究出截齿低温焊接工艺，提高了整机破岩能力，降低了截齿消耗，建成国内首套硬岩截割滚筒柔性制造生产线，具备高性能截割滚筒的自主设计和制造能力。

（2） 攻克冲击重载工况下大功率、小体积截割减速器的研制技术，解决了冲击、重载工况下横轴截割减速器的可靠润滑和冷却难题（图3）。

针对横轴式硬岩截割减速器减速比大、承载要求高、受截割振动影响大、发热严重等问题。基于粒子算法对截割减速器进行了优化设计，达到了强度好、传动精度高、体积小的设计目的。同时，创新设计强制冷却、过滤润滑系统，在减速器内部布置合理的强制冷却润滑油道，通过合理分配各润滑点油量及润滑顺序，使低速重载轴承和齿轮副等发热严重的地方得到优先冷却、润滑，并保证截割减速器在任何工作位置，内部零件均能得到润滑和冷却。

（3） 攻克动载荷特征识别和截割转速自适应调节技术难题，研制出转速自动调节的智能硬岩截割机构（图4），实现对不同岩石的自适应截割， 提高破岩效率。

图2  硬岩截割滚筒智能设计制造系统

图3 横轴减速器强制冷却润滑系统

图4  转速自动调节的智能截割技术

提出了基于组合神经网络和D-S证据理论的多传感器信息融合技术的动载荷识别方法，并开发了掘进机动载荷识别软件；发明了双齿轮齿条回转机构，有效控制回转机构体积，并降低整机截割振动，同时还可提供恒定的截割牵引力，以提高截割的稳定性和破岩能力；结合变频调速技术，研制出转速随截割工况自动调节的智能化截割机构，提高了破岩效率，降低了刀具消耗。

（4） 攻克岩巷掘进自动截割轨迹规划控制技术，实现在定位或自动截割时行走与升降和回转同步控制、悬臂牵引和行走速度根据负载变化自适应调节，实现岩巷断面自动成形截割（图5）。

通过动态倾角传感器、角度传感器的截割头运动检测单元设计，实现截割头相对于机身的位姿检测，通过机身倾角传感器实现机身俯仰角检测；采用组合导航方式实现机身定位，巷道悬挂全站仪，

图5  岩巷断面自动成形截割技术

通过无线通信与机载导航控制箱进行实时数据交互，实现惯导定位数据实时补偿；通过测距传感器与导航控制箱实现机身距侧帮和机身距掘进工作面的实时距离检测；利用位姿解算软件实现截割头位姿数据和机身位姿数据融合，经控制单元计算出巷道空间下截割头实时位置，在误差范围内准确的实现截割位置轨迹监测；根据巷道实际条件，操作人员通过遥控器和上位机进行巷道边界标定、截割轨迹示教并存储截割路径及控制工艺，通过选择截割模式实现巷道掘进一个循环内断面截割自动成形， 保证巷道成形标准化。

（5） 攻克基于机器视觉技术的掘进机自动定位定向技术，研制出后稳定及整机横向姿态微调机构（图6），并首次将机器视觉技术应用于掘进机位姿的检测，实现岩巷掘进时机身位姿及稳定性控制。

首次将视觉技术应用于掘进机位姿检测，将位姿检测装置固定在掘进机后方的巷道顶板上，通过采集掘进机上光靶图像，实时解算出掘进机的机尾横向扭动距离，无线传输至掘进机机载计算机并用于机尾横向扭动距离控制，实现在工作距离30～100 m的范围内，位置分辨率达到5～20 mm，姿态分辨率达到0.2～0.5º。通过对硬岩截割时整机载荷分布的研究， 建立掘进机工作时的力学模型，对截割牵引力与整机稳定性和稳定支撑机构的相互关系进行分析，发明了新型稳定支撑机构，实现机身姿态定位及横向摆动距离控制，提高截割稳定性。

图6  后稳定及整机横向位姿微调机构

（6） 创新研制出自适应防卡链监控系统（图7），实现岩巷掘进时刮板输送机转速和转矩随负载变化自适应调整，提高过载能力，解决岩石物料运输卡链问题。

链道采用新型复合耐磨材料（SA1750CR）和可更换式链道，并通过全程压链、链道处理、选择合理间隙等方式，完成防卡链输送机构的研制；利用接近开关对链条的悬垂量进行监测，通过电液比例阀和张紧油缸，实现刮板输送机链条的自适应控制；针对掘进机不同工况，转速和转矩随负载变化进行调节，随着负载增加时，驱动装置输出的转速会降低，同时增加输出的转矩。

图7 岩巷自适应卡链监控系统

（7） 研制出硬岩掘进机状态参数监测系统（图8），结合专家系统，实现对硬岩掘进机运行过程中的故障诊断和健康管理进行辅助指导，减少非计划停机。

针对硬岩掘进机的工作特性、整机关键参数、常见故障、视野盲区、设备之间位置关系进行分类研究，开发专用集成式传感器，对掘进机的振动、温度、压力、流量等状态参数进行监测；研制适应于掘进机的机载多功能数据分站，实现多信息集中智能监测，为掘进机智能控制提供决策依据； 开发故障诊断系统，融合岩巷掘进中常见的故障形式和处理建议，实现对硬岩掘进中故障的快速处理和预见性维护，有效减少非计划停机时间。

图8  状态参数在线监测系统

（8） 研究硬岩掘进机多功能集成技术，研制成功多功能集成式硬岩掘进机（图9），首次在大功率硬岩掘进机上集成2台锚护装置，实现顶板及时、高效支护。

硬岩掘进机多功能集成技术是将临时支护、机载钻机、智能化控制系统、除尘风道等与硬岩掘进机相结合，实现了硬岩掘进机的掘、支、锚、运等功能。通过结构创新和有限元优化设计，将锚杆钻机集成在掘进机机身上方，液压操作台布置在掘进机机身左侧，集成式液压泵站油箱置于机身右侧，临时支护布置在截割部上。掘进截割作业时， 临时支护收回，锚杆钻机位于回转台后方，不影响截割作业；锚杆锚索支护时通过三级滑移将钻架伸出到支护位置，通过调整位姿进行支护作业，实现了硬岩掘进中掘、支、锚、运的有效集成，缩短工序接续时间，提高岩巷掘进效率。

 图9  多功能集成式硬岩掘进机

应用效果与推广前景

推广应用情况

硬岩掘进相关技术和装备在国能、陕煤化、山东能源、淮河能源等煤炭集团不同地质条件下推广应用82台，并出口加拿大、俄罗斯等国家， 新增产值5.2亿元，实现利润1.6亿元，促进煤矿企业新增产值50多亿元。并成功在陕煤铜川玉华煤矿、加拿大不列颠哥伦比亚省墨玉河煤矿等矿区推广应用，取得良好的应用效果：

（1）在陕煤铜川玉华煤矿的推广应用

（图10 ）硬岩掘进机在陕煤铜川玉华煤矿的推广应用。玉华煤矿四盘区轨道大巷为全岩巷道（岩石硬度系数f6～f10），以石英、长石为主，巷道断面设计为圆弧拱形断面，掘进断面积为26.98 m2。使用期间共完成锚杆支护10 240根，锚索支护1 991 根。首月进尺便超过了陕煤矿区同等地质条件下的岩巷原进尺纪录，第2个月进尺又提高了50%以上，使用以来，掘进效率呈稳步增长态势。硬岩掘进机的使用实现了掘、支、锚、运全工序机械化操作，显著提升了该矿岩巷掘进效率，降低了工人劳动强度，有效改善了工人作业环境，获得了陕西陕煤铜川矿业有限公司的高度认可。

图10 硬岩掘进机在陕煤铜川玉华煤矿的推广应用

（2）在加拿大BC省墨玉河煤矿的推广应用

（图11）。用于概况主斜井巷道，－16°下山， 矩形断面，巷道断面积为22.2 m2，全岩巷，岩石以细砂岩、粉砂岩为主，硬度为f5 ～f18 ，局部地段为中砂岩和粗砂岩，硬度为f18～f20。采用EBH315掘进机＋后配套运输的连续掘进系统，正常每天掘进6 m左右，月进尺160 m，使用中，整机无大故障，性能良好，得到用户认可。

图11 硬岩掘进机在加拿大墨玉河煤矿的推广应用

应用前景

煤炭作为我国主体能源，每年煤矿新掘巷道10000 km以上，由于国家和社会对煤矿安全生产的高度重视，岩巷掘进工程一直保持较大规模，但岩巷掘进装备的发展较为滞后，岩巷掘进进尺一直维持在较低水平，加剧了采掘失衡，限制了产能扩大。硬岩高效掘进技术与装备综合了国内外机、电、液等多学科的最新研究成果，各项技术指标均达到或超过国际最先进机型，具备截割功率大、破岩能力强、截割稳定性好、机载锚护装置支护效率高的特点。在价格方面，整机及配件价格比同类进口机型低，为煤企节省大量资金，创造效益。

目前，全国共有煤矿4000余座，每年的掘进机需求量在1500台左右，按照岩石巷道占比20% 的比例计算，岩巷掘进机需求量在300台左右，具有一定的市场规模，随着国内各大煤矿智能化建设持续推进，需求量也会逐年增加；同时硬岩掘进装备致力于向非煤领域拓展，非煤矿井如金矿等岩石硬度高，目前还采用钻爆法施工，硬岩掘进装备的投入使用，将改变金属矿业施工现状（安全性差、作业环境差等），具有广阔的市场应用前景。

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