近年来，在煤矿巷道掘进相关装备发展方面，美国、澳大利亚、瑞典、英国广泛采用掘锚一体化技术，实现了自动截割技术、输送设备监测和自动控制，以及掘进和锚护并行作业。奥地利奥钢联、美国JOY、瑞典SANDVIK、英国DOSCO等公司都对锚杆钻机自动化进行了研究，并申请了多项专利，欧盟委员会NEMAEQ(2006-2009)、ADRIS(2007-2010)项目人员在智能截割理论和应用方面进行了研究。波兰KOMAG矿技术学会与西里西亚工业大学合作开发了基于神经网络的地质条件识别系统，并成功应用于现场装备；澳大利亚伍伦贡大学开展了自动打锚杆和自动铺网技术的研究，并将其应用于久益的12ED30和山特维克的MB670型掘锚机上。我国对掘进、锚杆支护设备及自动化技术研究起步较晚，目前煤巷高效掘进方式主要有3种。第1种是综合机械化掘进，这种方式在国有重点煤矿得到了广泛应用，主要设备为悬臂式煤巷掘进机；第2种是连续采煤机与锚杆钻车配套作业，在神东、万利等矿区及鄂尔多斯地区进行了推广应用；第3种为掘锚一体化掘进，主要设备为掘锚机组。国内中国铁建重工集团掘、支、运一体化成套装备实现了掘进、支护、运输平行连续作业，可以完成10个顶锚杆、6个帮锚杆和2个顶锚索全机械化作业，并可远程控制，较大提高了掘进效率。中国煤炭科工集团太原研究院研制的“高效快速掘进系统”采用掘、支、运三位一体的快速掘进模式，可实现掘进、支护、运输平行连续作业，为矿井提供煤巷掘进、支护、运输、通风、除尘、供电、给排水、控制通信的成套解决方案。上述2种掘进成套装备技术取得了很大突破，但是还存在一些不足，如不适应片帮与夹矸并存的复杂地质条件，未能实现智能掘进等。为了破解陕煤集团榆北矿业小保当煤矿夹矸与片帮并存的复杂地质条件掘进难题，小保当煤矿联合西安科技大学和西安煤矿机械有限公司研制了一套煤矿智能掘进机器人系统。该智能掘进机器人具有智能定形截割、精确定位定向、智能导航、自主行驶、自主运网、人机协同钻锚、一键启停、多机器人协同、多任务并行、数字孪生虚拟远程监测监控等功能。
目前，煤矿智能掘进机器人系统已成功应用于小保当煤矿112204工作面，智能掘进机器人系统成功应用，对于破解陕西煤业乃至我国复杂地质条件的巷道掘进难题具有很好的借鉴和示范作用，对于实现煤矿巷道安全、高效、绿色、智能掘进具有重要意义，对于加快陕西省煤矿智能化建设，实现陕煤“智慧矿区、智能矿井、一流企业”的发展战略具有重要的推动作用。
图1 煤矿智能掘进机器人系统组成
图2 智能掘进智能机器人测控系统总体结构
煤矿智能掘进机器人系统构成
煤矿智能掘进机器人系统构成如图1所示，其主要由截割机器人、临时支护机器人Ⅰ和Ⅱ、钻锚机器人、锚网运输机器人、电液控平台以及通风除尘和运输系统等组成。截割机器人主要完成智能定形截割任务，具有掘进巷道全断面一次精准成形功能；临时支护机器人Ⅰ和Ⅱ主要完成对围岩的及时支护和对机器人系统的自主拖动，具有超前钻探、修帮、自动纠偏功能；钻锚机器人主要完成锚杆、锚索支护任务，具有一键钻锚功能；锚网运输机器人主要完成自动运网任务，具有自动运网、布网等功能；电液控平台主要为智能掘进机器人系统提供动力源，并能实现智能机器人系统井下近程集控和多机器人协同作业功能；通风除尘系统分别由通风子系统、除尘子系统组成，主要完成掘进工作面通风和除尘任务；运输系统主要将截割后的煤岩顺利装运到主运系统中，为掘进机器人的连续作业提供可靠保障。
煤矿智能掘进机器人测控系统
测控系统总体方案
煤矿智能掘进智能机器人测控系统总体方案如图2所示，主要由掘进及临时支护机器人系统、掘进导向系统、钻锚与锚网机器人系统、运输及辅助系统等组成，构建了由本地控制层、近程集控层和远程监控层组成的煤矿掘进机器人的测控系统方案，实现了智能定形截割、精确定位定向、智能导航、自主行驶、自主运网、远程一键启停、多机器人协同、多任务并行、数字孪生虚拟远程监测监控等功能。
1）本地控制层：由截割机器人控制器、临时支护机器人控制器、钻锚机器人控制器、锚网运输机器人控制器等对相应的机器人进行控制，实现智能掘进机器人各个部分的单机控制，并通过工业以太网实现整个智能掘进机器人系统的各个部分与近程集控层的机器人总控制器通信。
2）近程控制层：该层主要由千兆工业环网和机器人集控平台组成，通过TCP/UDP通讯协议与各机器人的核心控制器通信。该层主要实现本地掘进工作面的人员、环境、装备等处理后的关键信息集成显示和报警提示，以及近程一键启停、关键部位近程视频监控、异常状态近程人工干预控制，并且通过矿井环网可以将以上处理后的信息实时传输地面远程监测监控系统。
3）远程监测层：该层通过矿井环网和地面环网将掘进工作面的人员、环境、装备等处理后的关键信息进行集中显示和报警提示；在地面监控中心可以实现远程一键启停、关键部位远程视频监控、异常状态远程人工干预和虚拟远程监测监控等。
智能掘进机器人测控系统关键技术
1）惯导+数字全站仪精确定位定向技术
智能掘进机器人系统精确定位定向由数字全站仪与捷联惯导组合，采用捷联惯导实时检测掘进系统位姿，并运用数字式全站仪可以实现掘进系统位置精确检测优点，将数字式全站仪检测位置数据对捷联惯导检测位姿数据进行动态修正，确保掘进系统位姿精确检测，从而实现掘进系统的精确定位定向。
2）数字孪生驱动的虚拟远程测控技术
构建了数字孪生驱动的虚拟远程测控系统，建立煤矿巷道快速掘进机器人系统三维虚拟模型和掘进机器人系统运动学模型，将掘进机器人系统的传感器数据反馈给虚拟掘进工作面，运用数字孪生驱动技术对掘进机器人系统与掘进巷道虚拟模型进行动态修正，实现掘进机器人系统的虚实同步控制。
3）智能掘进机器人系统协同控制技术
在建立多机器人协同控制框架的基础上，通过机器人协同控制方法将机器人的实时参数和各机器人的任务分工相结合，建立各机器人的任务和实际控制参数之间的关系，生成各机器人的实时控制参数。同时考虑各机器人之间的影响，采用任务互锁机制，减少机器人间的干涉和任务冲突，保证整个机器人系统安全，实现掘进机器人与临时支护机器人协同、临时支护机器人与钻锚机器人协同、钻锚机器人与锚网运输机器人协同以及机器人与运输、通风除尘系统的协同。
4）智能掘进机器人定形截割技术
构建融合多传感信息的截割断面成形感知模型，并进行数字化建模，建立截割断面特征提取模型。构建巷道成形断面与设计断面误差模型，运用基于灰色理论的成形断面修正控制方法，实现截割断面精准成形。
5）环境监测技术
掘进工作面环境监测系统如图3所示，通过在智能掘进机器人上布置风速、气体、烟雾等传感器，获取井下掘进工作面的环境参数，并由建立的网络基站将采集的井下环境信息传输至井下集控平台和地面调度中心，从而实现对井下环境实时监控。
图3 井下环境监测传感器布局
6）视频监控技术
掘进机器人视频监控布局如图4所示，将视频及红外摄像仪安装在智能掘进机器人的关键部位，实时获取掘进机器人的运状态的图像信息。通过视频监控信息，为井下近程集控和地面人工远程干预控制提供决策依据。利用远程视频监控系统，地面监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，不仅能直观的监视和记录井下工作现场的安全生产情况，而且能及时发现事故隐患，防患于未然。
图4 视频监控布局及通信
图5 煤矿智能掘进机器人系统地面远程测控系统展示
小保当煤矿现场应用
经过近1个月的小保当煤矿井下工业性试验，结果表明：截割机器人实现了全断面高效精确定形截割和超前探测，矩形护盾式临时支护机器人实现了对围岩及时支护和机器人系统自主行驶，钻锚机器人通过人机协同高效完成了锚杆、锚索的钻锚任务，锚网运输机器人实现了自动运网、布网等功能，“惯导+数字式全站仪”测量系统实现了机器人系统的精准定位定向，协同控制系统实现了多机器人智能协同控制与并行作业，数字孪生驱动的虚拟智能监测监控系统实现了本地、近程、远程测控功能和井下与地面的全系统虚拟智能测控。智能掘进机器人系统的设备运行工况、环境参数及视频监控都利用矿井网络传输至地面矿调度中心，且在地面调度中心实现了设备运行工况数据、图像和数据驱动的三维虚拟模型动态显示，远程测控系统展示如图5所示。智能掘进机器人系统利用传感器数据驱动设备虚拟模型，在集控室和地面屏幕上展现设备实时动作，同时在屏幕上显示实时视频监控图像和三维虚拟模型，实现了虚实同步控制。煤矿智能掘进机器人系统的成功应用将掘进面操作人员由18人减少到8人，月掘进进尺可达1 500 m，掘进效率预计提升60%以上。
结语
煤矿智能掘进机器人系统攻克了煤矿智能掘进机器人系统定位定向、定形截割、协同控制、虚实同步、视频监测和环境监测等关键技术。智能掘进机器人系统在小保当煤矿进行的工业性试验结果表明：煤矿智能掘进机器人系统各子系统以截割机器人为控制核心进行协同作业，实现了本地控制、遥控和远程一键启停、异常状态远程人工干预、状态集中显示、关键部位远程视频监控、精确定位定向、掘锚平行作业、钻锚机器人和锚网运输机器人协同布网作业等功能。该煤矿智能掘进机器人系统有效破解了片帮与夹矸并存的复杂地质条件智能掘进难题、减少和消除了掘进过程中空顶作业的安全风险隐患，较大减少掘进工作面人员，让工人远离危险和繁重岗位，促进了掘进工作面自动化、智能化发展，对于打造智能矿井、构建智慧矿区具有里程碑式的意义。
