煤矿井下巷道快速掘进技术的研究

柴 皓

（长治市煤矿技术服务中心，山西 长治 046000）

引言

随着以采煤机为代表的自动化综采设备的不断投入应用，煤矿井下综采作业效率得到了大幅提升。目前，巷道掘进主要依靠人工操作掘进机进行掘进作业，由于井下地质条件较为复杂，因此需要人工根据截割经验不断调整掘进机的作业姿态，从而保证巷道掘进效率和质量。这种掘进方式在实际应用中暴露出了掘进效率低、巷道成型质量差的问题，需要人工多次进行巷道断面修整，极大地影响了巷道掘进效率。随着自动控制技术的发展，一种新的煤矿井下巷道快速掘进技术——掘进机位姿自动监测与纠偏技术、巷道断面智能成型技术的出现与应用，实现了掘进机巷道的自动成型作业。根据在煤矿井下的实际应用表明，掘进机位姿自动监测与纠偏技术能够对掘进机状态进行实时监控和调整，巷道断面智能成型技术能够实现掘进机的无人化智能截割作业，能够将巷道一次成型率提升34.2%，将巷道掘进效率提升22.1%，对实现井下采掘平衡，提高综采经济性具有十分重要的意义。

1 快速掘进技术构架

掘进机在综采作业过程中的工艺流程主要包括姿态调整、掏槽定位、巷道断面截割、刷帮扫底、收煤几个环节，其中掘进机的姿态调整精度和巷道断面截割方式直接影响到掘进作业效率和断面成型质量，因此对巷道掘进效率的提升应重点从掘进机姿态的监测和纠偏、巷道断面的自动成型两方面入手，同时需要增加掘进机故障自动监测技术，提升掘进机掘进作业的稳定性。煤矿井下巷道快速掘进方案整体架构如图1 所示[1]。

图1 井下巷道快速掘进方案构架示意图

由图1 可知，掘进机的掘进位姿检测与纠偏技术主要是利用大量的传感器设备对掘进机的姿态进行监测，然后利用组合定位算法及惯性导航位姿解算方法对掘进机的姿态进行确认，针对不同的姿态选择不同的纠偏方案，从而实现掘进机的自适应纠偏。

断面自动成型与自适应截割技术主要是通过断面成型误差分析、自适应截割控制和截割轨迹跟踪技术来实现的。

掘进机的故障监测技术，主要指的是自适应诊断，包括全状态故障诊断、容错组合定位及动态位姿容错控制，通过对各类运行状态信息进行监控对比，确定掘进机的运行状态，进而实现对故障的自动检测和报警，提升掘进机的运行稳定性。

2 采煤机位姿纠偏技术

由于煤矿井下地质环境复杂，掘进机在掘进作业过程中受多种因素的影响，其位姿不断发生变化，无法满足掘进一致性的需求，目前多采用机器视觉定位、超声波定位、激光定位、无线电定位等技术，但在应用过程中发现单一的定位方案受干扰严重，无法满足快速、精确定位的需求，因此提出一种新的组合式的采煤机位姿定位、纠偏方案，其采用了捷联惯性导航定位技术，整体定位纠偏原理如图2 所示[2]。

图2 组合式位姿纠偏技术原理

由图2 可知，该综合定位系统由4 个移动式捷联惯导定位基站、4 个固定式捷联惯导定位基站和设置在掘进机机身上的捷联惯导设备构成。在应用过程中，通过对掘进机相对于坐标原点变化量的分析确定掘进机工作过程中的位姿情况，同时结合激光测距设备标定掘进机机身的模块坐标值来确认掘进机的位姿状态。

通过对掘进机位姿变化情况的统计，在掘进过程中最容易发生变化的姿态主要是悬臂的俯仰角和进给过程中的位置误差，对悬臂俯仰角的调整主要通过控制悬臂执行油缸来调整，当系统确定俯仰角的偏差量后根据预设的对应逻辑，自动计算出执行油缸的调整量，然后输出调整信号，控制对执行油缸的调整。对掘进机进给过程中位置误差的调整主要依靠执行机构的液压马达，同样是通过位姿检测后输出调整信号，满足位姿调整需求。

3 巷道自动截割成型原理

煤矿井下巷道结构通常为半拱形，不同的截割轨迹具有不同的巷道成型效果，通过对多种截割轨迹的分析，最终确定采用“S”形截割路径（在截割作业时从下到上进行截割），井下巷道断面的自动截割原理如图3 所示[3]。

在进行掘进作业时，系统首先读取掘进机的绝对位姿状态，然后根据捷联惯导原理推算出掘进机截割机构相对于巷道的相对位置坐标[4]，设定截割切入点后截割机构根据预设的“S”形截割路径进行自动成型作业。掘进机的自动成型作业还包括截割后的扫底、刷帮，从而有效保证了巷道的成型质量，满足了快速、高效的截割作业需求。

图3 巷道自动成形原理示意图

4 掘进机故障自动检测及应用效果分析

掘进机的故障自动检测主要是依靠各类传感器设备对掘进机运行过程中的截割转速、位姿状态、截割电流等进行监测，将监测结果和数据库内的正常运行范围进行对比，若参数超标持续时间超过5 s 则系统自动进行故障报警和故障数据分析，锁定故障原因，提升掘进机的运行稳定性。

该巷道快速掘进技术方案通过对自动检测技术的升级实现了位姿自动调整、智能截割作业和自动故障预警。根据在煤矿井下巷道的实际应用表明，采用新的快速掘进技术后，井下巷道的掘进速度由最初的5.2 m/d 提升到了目前的6.35 m/d，掘进效率提升了22.1%，掘进机掘进过程中的巷道一次成型率由54.9%提升到了目前的73.7%，比优化前提升了34.2%，掘进机工作过程中的停机维修时间比优化前降低了73.4%，显著提升了井下巷道掘进效率和一致性。

5 结论

1）掘进机的掘进位姿检测与纠偏技术主要是利用大量的传感器设备对掘进机的姿态进行监测，然后利用组合定位算法及惯性导航位姿解算方法对姿态进行确认，从而实现掘进机的自适应定位和纠偏。

2）采用新的快速掘进技术后，井下巷道的掘进效率比优化前提升了22.1%，巷道一次成型率比优化前提升了34.2%，掘进机工作过程中的停机维修时间比优化前降低了73.4%，显著提升了井下巷道掘进效率和一致性。