智能化煤矿掘进系统考核内容及评价指标-付翔.pdf

付付 翔翔 1399425440913994254409（微信同号）（微信同号） 山西省山西省煤矿智能装备工程煤矿智能装备工程研究中心研究中心 矿业工程矿业工程学院学院 煤矿机电系煤矿机电系 智能化煤矿掘进系统考核内容 及评价指标 选题背景及意义 论文综述 关键技术与难点 研究成果与应用 论文总结 CONTENTS 目录 1、政策文件解读 2、技术发展现状 3、关键技术解析 4、建设方案探讨 选题背景及意义 论文综述 关键技术与难点 研究成果与应用 论文总结 第 部分 政策文件解读 2020年3月，国家八部委发布关于加快煤矿智能化建设的指导意见，提出全国煤矿应推动智能 化技术与煤炭产业融合发展，提升煤矿智能化水平。为加快推动煤矿智能化建设工作，2020年12月， 国家能源局、煤监局发布关于开展首批智能化示范煤矿建设的通知，确定全国71处煤矿，作为 国家首批智能化示范建设煤矿。2021年3月中国煤炭工业协会发布2020煤炭行业发展年度报告， 报告指出目前全国已建成400多个智能化采掘工作面，采煤、钻锚、巡检等19种煤矿机器人在井下 实施应用，71处煤矿列入国家首批智能化示范建设煤矿，同时对“十四五”煤炭工业高质量发展提 出目标，以煤炭安全智能化开采为主攻方向，建成智能化生产煤矿数量1000处以上。 山西省能源局、省发改委、省工信厅和省应急管理厅近日印发了2021年度全 省深入推进煤矿智能化建设工作方案山西省共有965座煤矿，目前山西省已 有80处综采工作面启动智能化建设，2021年推动全省1000个智能化采掘工作面 建设，包括210个智能化综采工作面和790个智能化掘进工作面，拓展智能化应 用场景，全面推进煤矿固定场所无人值守，关键环节机器人替代，实现智能化 采煤工作面减人60，全省井工煤矿单班入井人数减少10-20目标。 井井工煤矿综采工作面智能化建设工煤矿综采工作面智能化建设 各部分考核内容按照各部分评分各部分考核内容按照各部分评分 表进行表进行现场检查打分现场检查打分。。 缺项得分是已有得分的平均分缺项得分是已有得分的平均分 主要是文件资料、现场岗位标识、主要是文件资料、现场岗位标识、 人员相关知识培训人员相关知识培训 1）智能化）智能化煤矿建设基本煤矿建设基本条件评分条件评分 2）智能化）智能化煤矿信息基础设施煤矿信息基础设施 矿井主干网络带宽应不低于1000Mbit/s，大型矿井主干网络带宽应不低于 10000Mbit/s，主干网络优先采用有线网络或5G网络，应分别布设井下与地 面环网，网络设备支持Ethernet/IP、PROFINET、MODBUSRTPS、EPA等工 业以太网协议 矿井服务器应能够满足井上下协同作业要求，重要的数据与应用类服务器 应采用冗余配置 智能化矿井应建设大数据中心与智能综合管控平台，大数据中心宜采用云 计算架构，具备数据分类、分析、挖掘、融合处理等功能，实现各系统之 间数据的互联互通与融合共享，解决“信息孤岛”、“信息烟囱”等问题 3）掘进）掘进系统系统 送分，目标送分，目标 地测数字化地测数字化 导航、坡度、自动截割导航、坡度、自动截割 远程、自动、监测、诊远程、自动、监测、诊 断断 自动钻架自动钻架/锚杆钻车、临锚杆钻车、临 时支护（硬件）时支护（硬件） 自动支护功能（软件）自动支护功能（软件） 皮带保护、自移、张紧皮带保护、自移、张紧 环境安全闭锁环境安全闭锁 人员安全闭锁人员安全闭锁 动态地质模型动态地质模型 数字孪生数字孪生 掘进集控中心掘进集控中心 4）安全）安全管控系统管控系统 4）安全）安全管控系统管控系统 4）安全）安全管控系统管控系统 监测（数字化）监测（数字化） 分析（数据处理计算）分析（数据处理计算） 预警（结论）预警（结论） 避灾路线、闭锁联动（处置方案）避灾路线、闭锁联动（处置方案） 中国中国煤炭煤炭学会新通过的学会新通过的2项团体项团体标准标准 选题背景及意义 论文综述 关键技术与难点 研究成果与应用 论文总结 第 部分 技术发展现状 现有掘进工艺现有掘进工艺 悬臂掘进机技术悬臂掘进机技术 加装锚杆钻机形成掘锚一体机 研发自移式临时支架 实现自动截割功能 掘进与支护不能平行作业 连续采煤机技术连续采煤机技术 朝掘锚一体机方向发展 加载锚杆钻机实现掘锚同步作业 在顶板条件差的煤矿巷道中无法应用 适用范围受限 掘锚一体化技术掘锚一体化技术 国内与国外产品还有差距 国外掘锚机具备智能掘进、同步锚固 和自动截割技术 远距离控制和工作面实时监控 仍处于半自动化水平，尚无智能快速 掘进成套技术与装备 掘进机加装锚杆机掘进机加装锚杆机 掘进机加装锚杆机掘进机加装锚杆机 掘进机掘进机锚杆钻机锚杆钻机 JOY掘掘锚锚一体化机一体化机 12ED25 12CM30 12ED30 JOY掘掘锚锚一体化机工艺一体化机工艺 Sandvik掘掘锚锚一体化机工艺一体化机工艺 MB370 MB450 MB610 MB650 MB670 MB770 国内国内掘掘锚锚一体化机工艺一体化机工艺 神华和北方重工神华和北方重工 蛟龙全断面快速掘进蛟龙全断面快速掘进 中煤科工掘锚一体机快速掘进系统中煤科工掘锚一体机快速掘进系统 铁建重工快速掘进系统铁建重工快速掘进系统 选题背景及意义 论文综述 关键技术与难点 研究成果与应用 论文总结 第 部分 关键技术解析 智能化掘进技术内涵智能化掘进技术内涵 智能化掘进是指掘进机器人群组设备多机协同完成钻探、掘进、临时支 护、永久支护等巷道智能化开拓作业 相比自动化掘进具有自感知、自学习和自控制能力，即包含状态感知、 自主决策、精准执行三大部分 状态感知方面，利用多传感器系统，进行超前探测、掘进位姿、临时护 顶、钻机姿态、设备运行状态等的精准感知 自主决策方面，对感知层的多源数据信息融合分析与挖掘，通过机器学 习、深度学习等工智能技术，制定自主纠偏与位姿校正、智能调动与自 动驾驶、煤岩钻裂控制、自适应截割、故障诊断、智能支护、自适应钻 进等的控制策略 精准执行方面，接收决策层指令，同时反馈设备执行状态，实现掘进机 器人群组设备的多机协同作业。 高效高效掘进系统集成配套技术掘进系统集成配套技术 研制掘锚一体机、锚杆转载机、跨骑式锚杆钻车和柔性连续运输系统 等装备，代替单一功能的掘进机、单体钻机、桥式转载机，为掘进工 作面一体化提供了装备支撑 掘锚掘锚一体化平行作业技术一体化平行作业技术 不仅要实现掘锚平行作业，而且要实 现截割、装载、临时支护、锚杆支护 等工序的平行作业。 克服问题 1）软岩顶板空顶距大----临时支护 2）锚固效率提高---多钻机配合 3）预紧力提高---钻机、锚杆改进 4）接地比压大---底盘改进 5）自动铺网---与锚固作业配合 悬臂式掘进机机载临时支护技术悬臂式掘进机机载临时支护技术 为保证煤矿巷道的掘进安全，巷道的临时支护机器人必须具备可靠性 高、自适应力强、临时支护机器人群组协同工作等特点 柔性连续运输技术柔性连续运输技术 刚性桥式胶带转载存在搭接距离短、巷道起伏适应性差、不能转弯运输等固 有缺陷，不能适应高效掘进的要求。 自主自主定位与自动驾驶技术技术定位与自动驾驶技术技术 自主定位是指通过传感器 检测其在巷道中的位置和 姿态 自动驾驶技术基于在高精地图和自主定位 技术支持下，通过路径轨迹规划实现掘进机 自主行走。 煤煤岩识别岩识别与与自适应自适应截截割技术割技术 煤岩识别是掘进机器人截割头高度自适应调 节的基础，可降低截割头滚齿的更换频率， 提高其使用寿命。 自适应截割技术 在截割过程中，通过当前的煤 岩情况，根据负载变化自动调整截割控制参数， 实现自动移臂自适应截割，自动匹配最佳的进刀 速度，达到截割效率最大化。 远远距离超前探测技术距离超前探测技术 自动钻探 物探 群群组协同组协同控制技术控制技术 基于综掘装备协同控制理论及工序连续并行策略，通过建立掘进机群组位姿和运 动关联模型，对多机群组的时空坐标系进行统一，在单机设备自动化的基础上进 行多机群组的精准定位与智能导航，实现多机群组信息的实时共享与互联互通， 解决多机协同并行作业冲突的问题。 远程远程监控技术监控技术 掘进机器人工作面环境复杂，稍有不慎，容易产生安全隐患。煤矿巷道掘 进施工的无人化离不开远程监控技术，煤矿工人只需通过远程可视化监控 平台，对掘进机器人群组的工况进行实时视频监控，远离危险的工作面作 业环境。 故障诊断故障诊断技术技术 振动、温度、电流、压力检测及故障预测 数字化巷道技术数字化巷道技术 利用三维激光扫描技术进行井巷工程数据测绘，可以对地下井巷数据进行快 速获取并进行三维建模，获取井工矿复杂巷道的三维数字化模型，从而进一 步进行巷道几何信息、截面等信息的快速提取。三维激光扫描技术测绘手段 丰富了井巷工程中测绘的成果类型，大大提高了井工矿开拓过程中的工作效 率，并且能够快速发现掘进过程中的安全隐患，及时进行支护修复，保证井 工矿安全生产。 环境监测与分析技术环境监测与分析技术 人员安全预警技术人员安全预警技术 数字孪生技术数字孪生技术 建立煤矿掘进机器人系统的群可视化模型，通过对掘进机器人、工作场景和 作业进程的数字化孪生，模拟监测掘进及支护进程，预测评估掘进成巷效果。 选题背景及意义 论文综述 关键技术与难点 研究成果与应用 论文总结 第 部分 建设方案探讨 1）顶层设计）顶层设计 设计智能测控系统架构， 包含3 层，分别为本地控 制层、近程集控层和远 程监控层 功能设计 硬件系统 软件平台 2）掘进机器人硬件组合选型）掘进机器人硬件组合选型  断面形状尺寸  支护参数设计  空顶距要求  地质条件水、瓦斯、岩性、构造  沿顶沿底  巷道类型  掘进、铺网、锚钻工艺要求  矿井整体掘进任务规划系统机械 硬件反复使用、传感控制器兼容性 好 3）掘进机器人状态感知）掘进机器人状态感知-行为控制行为控制 机械硬件基础上，全面的感知网络和兼容性高的先进控制器 4）数字）数字孪生驱动的虚拟远程测控孪生驱动的虚拟远程测控 传感数据充分利用 远程可视化精准展示 控制策略可行性验证 5）掘进机器人多系统多任务多行为协同自适应控制）掘进机器人多系统多任务多行为协同自适应控制 少人掘进工作面，提高掘进机器人自主工作能力，真正通向少人掘进工作面，提高掘进机器人自主工作能力，真正通向智能智能 本人正在承担本人正在承担 国家重点研发计划项目国家重点研发计划项目 ““大型矿井综合掘进机器人大型矿井综合掘进机器人 ”” 主要负责掘进机器人多行为协同控制技术主要负责掘进机器人多行为协同控制技术研究研究 智能快速掘进工作面建设的实际问题智能快速掘进工作面建设的实际问题 机械装备选国内进口机械装备选国内进口 巷道选择尺寸、支护参数等工艺如何与装备最优配套巷道选择尺寸、支护参数等工艺如何与装备最优配套 机械装备、电气系统、传感接入、通讯网络、控制中心、机械装备、电气系统、传感接入、通讯网络、控制中心、 软件平台等软硬件系统如何经济合理配套如何集成软件平台等软硬件系统如何经济合理配套如何集成 上述硬件、软件如何留有冗余接口如何最大程度重复利上述硬件、软件如何留有冗余接口如何最大程度重复利 用用分步投资时新模块如何顺利接入系统分步投资时新模块如何顺利接入系统 如何避免“如何避免“烟囱式烟囱式”” 数据流结构，与矿山工业互联网平台数据流结构，与矿山工业互联网平台 如何接入作为智能化实现的关键条件，数据存储哪些类如何接入作为智能化实现的关键条件，数据存储哪些类 型，以利于数据挖掘和知识库建立型，以利于数据挖掘和知识库建立 系统建成后如何运行维护与厂家的售后和更新升级模式系统建成后如何运行维护与厂家的售后和更新升级模式 自己专业人才队伍的如何培养自己专业人才队伍的如何培养 .. 欢迎批评指正 付付 翔翔 1399425440913994254409（微信同号）（微信同号） 矿业工程学院矿业工程学院 煤矿机电系煤矿机电系