刮板输送机技术发展历程(一)——国外技术

刮板输送机是井下采煤工作面的“脊梁”装备,它经历了6次技术变革,持续推动采煤工艺变革及生产效率持续提升。刮板输送机第1次技术变革发生于1900-1940年,诞生了可拆卸刮板输送机,煤矿开启半机械化开采时代;第2次技术变革产生于1940-1950年,创制了可弯曲刮板输送机,煤矿进入机械化开采时代;第3次技术变革形成于1950-1985年,创设了可自移刮板输送机,煤矿跨入综合机械化开采时代;第4次技术变革出现在1985-2000年,已发展成为重型化刮板输送机,煤矿走向高产高效综采时代;第5次技术变革形成于2000-2010年,研发出自动化刮板输送机,煤矿迈向数字化综采时代;第6次技术变革始于2010年,创新推出智能化刮板输送机,煤矿开启少人化智采时代。英国和德国为刮板输送机初创做出巨大贡献,研制出多种早期的刮板输送机机型。苏联对刮板输送机的系列化,以及对机械化采煤机的配套起到重要的创新推动作用。在此基础上,1954年,英国把安德顿滚筒采煤机与垛式支架、可弯曲刮板输送机组合为综合机械化采煤机组,建成世界上第一个综采工作面。21世纪以来,世界煤炭开采的重心逐步转向我国,国外刮板输送机研发与制造影响力逐年衰减,我国逐渐成为刮板输送机的制造强国。

低碳化现代煤基能源技术体系及开发战略

煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献,为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始,煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是,传统的煤炭利用产生高碳排放,成为能源转型的重大难题。面向生态文明社会发展,煤炭清洁高效利用迫在眉睫,现代煤基能源技术创新势在必行。首次提出现代煤基能源技术体系定义及内涵,将其定义为基于煤炭原料的创新转化而生产具有低碳属性的煤基气、煤基油、煤基氢和煤基电等能源产品,并在矿区原位消纳二氧化碳,形成具有碳中和能力的清洁低碳能源生产系统,其技术内涵包括煤基气、煤基油、煤基氢、煤基电和矿区动态碳中和,共有5个技术模块、19个技术单元和61项关键技术。现代煤基能源技术体系在未来新型能源体系中将发挥“一主体三支撑一突破”的重要作用,即煤基电在我国电力保障中的“以煤稳电”主体作用,煤制油在我国油品安全的“以煤增油”支撑作用,煤基气对我国燃气安全的“以煤补气”支撑作用,煤基氢气对我国氢能发展的“以煤助氢”支撑作用,实现煤基能源动态碳中和技术的“以煤固碳”重大突破。当非化石能源与低碳化煤基能源之比保持在2.5~3.0,煤基能源及油气能源与风光水核能源可实现合理融合,组成具有强互补性、高可靠性、低碳排放的新质能源系统。研究预测,基于现代煤基能源技术实现重大突破和实际应用,2060年我国低碳化煤基能源产量可达10.2亿~14.6亿t标准煤,相当于全国能源需求量的18%~24%,二氧化碳排放量控制在5亿t以下,与目前基于“去煤化”的能源转型规划路径相比,煤炭在我国能源体系中的占比从10%提高到20%以上,二氧化碳排放量降低了50%。届时,现代煤基能源体系对我国能源安全保供和二氧化碳减排具有重大技术创新意义,助力我国走向能源自主独立强国。

低碳化现代煤基能源开发关键技术体系

煤炭为人类工业文明进步做出了重大贡献,但面临高碳排放的重大难题。现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径,能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控,提升我国油气自主性,支撑电力清洁转型和新能源产业发展,是保障能源安全和实现双碳目标的重要创新方向。基于现代煤基能源概念及技术体系,系统梳理和介绍了现代煤基能源内涵和产品谱系。通过对现代煤基能源的煤基气开发技术、煤基油开发技术、煤基氢开发技术、煤基电生产技术、矿区动态碳中和技术等5个核心技术模块及其19个技术单元和61项关键技术进行分析和论述,提出了10项低碳化煤基能源开发的变革性技术:①基于自移式等离子体气化机的智能煤炭地下气化技术,具有自动燃烧、自动推进、自动封闭、自动监测、自动调控组分等功能;②煤炭地下气化与间接液化耦合可形成低成本、低排放、短流程煤制油路线(UCG-ICL);③利用太阳能加热或干热岩加热的富油煤原位干馏化学开采技术设想;④基于原位碳捕集利用与封存(CCUS)的深部煤炭地下气化制氢路径(UCG-H2),循环CO2作为气化剂提高煤气有效组分产量,捕集CO2就地封存于地下气化空腔,形成近零排放UCG-H2技术路线;⑤纳米富氢水煤浆掺氢发电技术,实现低温低压下的低碳煤基电生产,显著降低煤电CO2排放量;⑥煤炭地下气化耦合IGCC的低碳发电系统构思(UCG+IGCC),减少了IGCC煤制气环节,显著降低CO2排放部分;⑦煤粉爆燃直线驱动发电技术架构,理论做功能量是煤炭燃烧的15倍以上;⑧基于现代煤基能源内循环的CO2加氢合成“绿色甲醇”路线,利用低碳UCG制取的煤基“蓝氢”与捕集CO2合成制取甲醇;⑨现代煤基能源产生的CO2原位地下封存技术系统,有助于实现零碳煤基能源生产;⑩矿区动态碳中和煤基能源系统架构,将智能保供、绿色开发、清洁转化、低碳利用、洁净排放耦合在一个矿区闭环系统中,实现矿区动态碳中和。

智采工作面三机数字孪生驱动控制架构

为了进一步提高煤矿综采设备智能控制水平,实现智采工作面常态化运行,提出基于数字孪生智采工作面驱动控制的相关概念和系统架构。智采工作面数字孪生系统由物理设备、虚拟孪生体、虚实交互模型组成,通过数字化方法建立与实体设备相映射的虚拟模型,来达到综采设备在作业过程中虚实交互、智能决策、精准控制和动态演化的目的。阐述智采工作面常态化运行要求和采煤机、液压支架和刮板输送机的相关控制难点。提出了智采工作面单机数字孪生驱动控制架构,包括机理模型、控制模型、孪生数据模型和数字孪生模型同步与演化等要素;研究数字孪生虚实交互方法,利用信息物理系统来保障信息交互能力,采用知识模型来解决数据拥堵问题,为智采工作面数字孪生控制系统的虚实交互提供实时性。提出智采工作面数字孪生驱动的三机协同控制方法,包括三机关联关系、智能采煤控制、智能支护控制与智能运输控制。最后以矿山数字孪生实际应用为例,通过建立相关模型和设计相关实验方案,对数字孪生智能控制进行验证。通过展开数字孪生智能控制架构、模式等理论研究,旨在解决目前综采工作面存在的环境感知程度低、设备预测精度差和人工干预强度大等问题,实现在复杂环境条件下设备的自适应控制与人机交互,为煤矿智能化建设提供借鉴意义。

刮板输送机技术发展历程(二)——国内技术

我国生产刮板输送机始于1950年,以仿制苏联刮板输送机为主。1954年开始定型生产SGD-11型、SGB-11、SGB-15型刮板输送机;1958年试制出可弯曲链板输送机。1970年,国产SGW-150型刮板输送机与MLQ1-80型采煤机、TZ140型液压支架组成中国第一个采用自主装备的综采工作面。截至2020年底,我国累计生产煤矿刮板输送机19.43万台,其中张家口煤矿机械公司生产60 360台,宁夏天地奔牛公司生产24 840台。自2010年起,智能化刮板输送机开始起步,2011年研制成功国内首台初级智能化刮板输送机成套设备,2012年研制成功变频一体电机驱动的中双链刮板输送机,2014年研制成功世界首台具有装载量监测和自适应调速的智能控制刮板输送机。2022年研发出500 m长运距智能刮板输送成套装备,输送能力达3 000t/h;2023年研制出世界首套10m超大采高智能刮板输送机成套装备,输送能力为8 000t/h。我国刮板输送机单机平均吨位呈现指数型增长,20世纪50年代的单机平均吨位仅为5.3t,之后40年的刮板输送机处于小型化阶段;2000年单机平均吨位达到45t,进入重型化时期,2010年达到75t;之后进入超重型机型阶段,2020年单机平均吨位达161t。

煤矿井下无人化辅助运输系统关键基础研究及应用实践

辅助运输系统是煤矿生产系统的重要组成部分,辅助运输设备的先进与否直接关系到煤矿的生产效率与作业安全。近年来我国开始大力推进煤矿智能化建设,但传统辅助运输系统仍普遍存在工艺不连续、转载环节多、用工占比高、自动化程度低等现实问题,已经成为制约煤矿智能化建设和无人化发展的薄弱环节。面向煤矿辅助运输系统“无人化”发展目标,凝练提出了辅助运输系统亟需研究解决的“连续化、标准化、智能化”三大关键基础问题,分别针对轨道式、无轨式辅助运输系统给出了多种连续化、标准化和智能化解决方案,进而提出了一种新型复合式连续化无人型辅助运输系统。首先,针对往复式串车提升不连续问题,设计了一种采用悬挂式钢丝绳牵引的轨道矿车连续运输系统;针对无极绳绞车难以适应长距离运输问题,设计了一种采用耐磨胶带多点辅助驱动的长距离无极绳牵引系统;针对无轨胶轮车因爬坡能力不足而导致的应用受限问题,设计了一种采用钢丝绳辅助牵引的无轨胶轮车连续运输系统。其次,开展辅助运输系统标准化设计,基于无轨、有轨两类标准化载物平台,针对设备、长料、散料、液体等不同物料类型,设计了不同大小规格和开口形式的系列化标准容器;通过将标准化、系列化的装载容器与载物平台进行模块化组合,可实现辅助运输物料的“集装箱式”快速装运,为开展机器人化辅助运输奠定了基础。再次,面向煤矿辅助运输系统智能化建设需求,研制了无人驾驶的无轨胶轮车和单轨吊并通过现场试验进行了验证,给出了无极绳运输系统的无人化运行方案,可有效解决传统辅助运输系统用工岗位多、人为失误多等问题;进一步,针对井下转运环节和最后100 m运输亟待解决的智能化难题,设计了一种“装铲运”一体化重载搬运机器人。最后,针对传统辅助运输设备种类繁多和应用局限性问题,发明了一种“轮轨复合”且“天地衔接”的新型多功能井下运输机器人(MAGV);基于MAGV提出了煤矿井下“两地三轨”自适应连续化辅助运输系统,并分别给出了其在斜井和立井中的应用工艺。研究结果可为解决煤矿井下辅助运输系统长期存在的运输不连续、用工岗位多、智能化程度低等现实问题提供指导,从而为推动煤矿井下实现“连续、标准、智能”的“无人化”辅助运输提供了一系列务实可行的技术原理和设计方案。

Buckling analysis of the shell of a refuge chamber in a coal mine under uniform axial compression

A stiffened cylindrical shell is normally used in refuge chambers of a coal mine. Based on the method of application and shape characteristics of a refuge chamber, we simplified its shell as an orthotropic cylinder. The basic buckling equation of the stiffened cylindrical shell under uniform axial compression was deduced by using a Donnell function. The factors affecting its buckling capacity were studied by theoretical analysis and numerical calculations. The results reveal that the torsional rigidity of the longitudinal stiffener had little effect on the buckling capacity of the shell and that the critical load of an externally stiffened cylindrical shell is higher than that of an internally stiffened cylindrical shell.

我国煤矿煤机智能技术与装备发展研究

煤机装备是煤炭开采技术变革、煤炭能源生产体系的关键支撑,受“双碳”战略目标、智能煤矿建设浪潮的驱动,我国煤机装备产业将朝着智能、绿色、安全、高效方向转型升级;煤机市场的机遇与挑战并存,煤机智能技术与装备发展成为迫切需求。本文立足我国煤炭智能化开采尚处于初级阶段的发展实际,梳理了煤机智能技术与装备的发展现状与趋势,剖析了煤机智能装备关键技术体系,涵盖煤矿智能装备支撑、智能综采综放、智能快速掘进、主/辅助运输系统智能感知与控制、煤矿机器人等技术;提出了关键基础材料和先进加工工艺、柔性制造和虚拟仿真、装备再制造、第五代移动通信+工业互联网深度融合、工业大数据与人工智能、物联网智能感知与互联、信息物理与数字孪生系统等煤机智能装备产业发展方向。研究建议,加强煤机智能技术与装备攻关,完善煤机人才支撑体系,规划引导与产业布局优化并举,建立煤机研制创新生态系统,以此推动煤机装备高质量发展。

煤基能源动态碳中和模式及其保供降碳效益评估

减煤增气、发展可再生能源的常规能源转型路径不能满足新形势下我国能源发展的安全需求,煤基能源动态碳中和模式的构建是破解煤炭能源高碳排放困境和保障国家能源安全的前瞻性发展方向。本文结合国际能源转型模式的经验,针对我国煤炭能源保供降碳现状及面临的挑战,分析了保供降碳需求下低碳化煤基能源开发的紧迫性和重要性;阐述了煤基能源动态碳中和模式的科学内涵,构建了煤基能源动态碳中和模式的体系架构,揭示了煤基能源动态碳中和模式的保供降碳机理;建立了基于系统动力学的效益评估模型,评估了煤基能源动态碳中和模式在能源安全、减排降碳、社会发展等方面的效益。结果表明:相比煤炭能源开发利用,2060年不同情景下煤基能源开发利用可实现46%⁓55%的减排潜力,油气对外依存度降低到20%以内,考虑到煤基碳捕集与封存(CCS)技术固碳能力,煤基能源动态碳中和模式的降碳潜力可达84%,进一步实现降碳目标需依赖于碳捕获、利用与封存(CCUS)技术的全流程应用和矿区碳汇;煤基能源开发利用可作为油气储备技术,有助于显著提升能源安全保障能力,但2030年之前我国依然面临较大的油气缺口,煤基能源发展刻不容缓。研究建议,建设以煤基能源动态碳中和技术体系为支撑的新型能源体系,实现能源自主可控,并兼顾“双碳”目标,近中期发展煤炭地下气化技术、富油煤开发技术、煤层气开发技术,远期发展煤炭流态化开采技术。

基于IMU/UWB的井下采煤工作面端头采煤机定位试验研究

采煤机自主定位装置的长期精度是采煤工作面智能开采的重要研究内容。针对当前采煤机定位精度难以满足自动开采的需求,建立了基于惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)/超宽带(Ultra-Wideband,UWB)融合定位的模型,提出了采煤工作面端头自主修正补偿惯性导航定位装置的漂移误差,利用IMU/UWB的融合结果对惯性导航定位装置的位置和姿态进行自主纠偏,能实时补偿IMU的偏差,实现采煤机长期高精度自主循环截割。为减小不确定的测量噪声对定位结果的影响,提出了利用变分无迹卡尔曼滤波(Variational Bayesian unscented Kalman filter,VB-UKF)技术对定位结果进行平滑处理,进一步提升融合定位精度,在太原重型机械有限公司开展了地面采煤机融合定位试验和山东能源集团济三工作面端头开展井下采煤机机载试验,验证采煤工作面端头的定位精度。试验结果表明,IMU/UWB融合定位精度高于单纯的UWB解算的精度;经过VB-UKF算法平滑后,井下试验的IMU/UWB融合定位的x轴和z轴方向的平均误差分别从0.102 m和0.194 m降低为0.082 m和0.158 m,平均精度对应的提升了19.6%和18.6%;3个姿态角的误差小于2°,在融合定位模型中利用误差扩展卡尔曼滤波实时补偿修正IMU的偏差,能有效的抑制IMU姿态角的漂移,井下现场试验证明了采煤工作面端头定位方法的有效性,为井下IMU/UWB融合定位的应用提供较好的参考和经验。

煤矿机器人技术新进展及新方向

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的必经之路,煤矿机器人研发应用推动煤矿智能化迈向高水平,同时智能化的全面建设和发展又给机器人的大面积推广应用提供了广阔的工业应用场景。本文研究提出了完整的煤矿机器人技术体系框架,精确定义了煤矿机器人的技术底座和产品外沿,广义煤矿机器人包括单体机器人、机器人化装备、机器人集群和无人化系统等。科学阐明了煤矿机器人研发的共性关键技术支撑,提出了通过与5G、工业互联网、大数据、人工智能、数字孪生等新技术交叉融合,大幅提升煤矿机器人的自主化和智能化应用水平,通过建立科学完备的煤矿机器人行业标准规范体系,实现各类机器人的定制化研发和标准化生产。具体分析了煤矿机器人的防爆设计、机械系统创新、动力驱动、智能传感、定位导航、井下通信等共性关键技术研究进展,综述了当前我国各类煤矿机器人的研发应用现状。提出了未来煤矿机器人研发的新方向:研发变胞机器人,通过机构创新,提高井下地形适应能力;推广机器人化采掘系统,提升采矿装备的整体智能化水平和开采作业效率;发展人机环共融机器人,提高煤矿机器人自主化和协作水平;加快全矿井机器人系统数字孪生,提高煤矿机器人常态化运行水平。

知识驱动的智采数字孪生主动管控模式

构建煤矿智采工作面数字孪生系统需要挖掘“环-机-物”孪生体之间的隐含知识链和操作人员的决策控制经验,并建立虚实空间之间合理的信息交互方式。但是,物理空间与虚拟空间目前仅采用单一的被动信息交互机制。为解决生产运行控制与安全管理决策对开采过程不确定性的适应能力不足、虚拟空间对物理空间的综合管控鲁棒性不强、物理空间设备协同利用率不高等问题,提出一种新型的知识驱动虚实空间主动管控模式。构建了智采工作面五维数字孪生模型,并给出各个维度的具体含义;采用知识工程理论,给出智采工作面全工艺流程中的知识属性划分,建立3类先验知识的规则和模型表达;深入剖析“环-机-物”之间的多层次、多能流关联耦合关系,构建相应的知识动态演化模型;引入机器学习和决策优化方法,建立知识引导的虚实空间信息主动管控机制,从而形成数字孪生智采工作面的知识提取、知识迁移与知识利用新范式。通过提出的虚实空间新型主动管控模式,能够更好地应对煤矿地质条件的不确定性、开采环境的时空动态性,以及开采过程设备群的多样性,为煤矿高效、低碳的智能化开采提供技术支撑,实现平行矿山建设中的“信息可见、轨迹可循、状态可查”提供知识层面的高保真映射框架和决策控制机制。

基于改进A*和人工势场算法的无轨胶轮车井下无人驾驶路径规划

经过多年发展无人驾驶技术逐渐成熟,已经开始在地面车辆得到了广泛应用,同时也将成为解决无轨胶轮车在井下实现高效、安全、智能运输的重要途径,但与地面车辆成熟的无人驾驶技术不同,无人驾驶技术应用到井下仍存在许多问题亟待解决。针对井下人工驾驶的无轨胶轮车效率低且事故频发等问题,以无人驾驶无轨胶轮车为研究对象,通过仿真和试验开展井下路径规划方法研究。首先,通过分析比较常见路径规划算法的优缺点,分别选择采用最优性A*算法和人工势场算法作为无人驾驶无轨胶轮车全局和局部路径规划的基本算法;其次,针对全局路径规划传统A*算法搜索节点多和路径不平滑问题,分别使用指数函数加权和三次样条插值的方法对其进行改进,将改进前后算法在井下巷道内进行全局路径规划仿真,结果发现:改进后的算法搜索节点数减少了50%,在同一场景下规划路径所需时间仅为传统A*算法的20%,路径规划的效率得到了大幅度提升,生成的路径更加平滑且连续性也较好;同时,针对人工势场算法存在目标不可达、局部最优解等问题,分别引入斥力势场修正因子和出逃力并建立相对速度势场对其进行改进,对比改进前后算法在井下巷道内的局部路径规划仿真结果发现:改进后的人工势场算法可以在各种场景规划出更为合理的行车路径,安全性得到了保障;最后,利用微型无人车试验平台,按照8∶1的缩比搭建模拟井下巷道环境,对无人驾驶无轨胶轮车改进前后的路径规划算法分别进行了无障碍物和有障碍物的路径跟踪试验,结果表明:基于改进A*-人工势场联合算法规划出来的路径更加合理,在8∶1的缩比搭建模拟井下巷道环境中进行的无障碍物规划路径最大跟踪误差仅为0.0312 m,在巷道内会车和避障时能够规划合理的行驶路径,最大偏差仅为0.0353 m,能够满足无轨胶轮车井下无人驾驶要求。

刮板输送机永磁直驱系统机-电耦合模型仿真与试验

为解决刮板输送机传统异步驱动系统因减速器而造成的传动效率低、故障率高、可靠性低等问题,基于永磁同步电机设计了1套输送量可达1500万t/a的刮板输送机永磁直驱系统,并匹配计算了所需的永磁同步电机功率、转速以及变频控制器容量。根据永磁直驱系统与刮板输送机之间的机-电耦合关系,利用MATLAB/Simulink仿真软件搭建刮板输送机永磁直驱系统的机-电耦合模型,仿真分析了永磁直驱系统在空载启动、满载运行、多边形效应等多种工况下永磁同步电机的输出转速、转矩、三相电流以及刮板链的速度、加速度、张力等动态特性变化规律。仿真结果表明,永磁直驱系统在刮板输送机启动及负载变化时能够快速响应且比较准确,由于减少了减速器的柔性缓冲,电机输出转速与转矩对负载突变响应波动较大;永磁直驱系统的动态响应在突变负载下与突变量成正相关关系,应当从驱动系统控制算法的优化角度出发减小波动,改善其性能;多边形效应影响系统速度控制的稳定性,机头链轮啮合处的链条更易受到多边形效应的影响。搭建小功率永磁同步电机直驱模拟试验台架,将仿真得到的机械负载特性曲线等效处理后通过测功机加载输入,开展了刮板输送机永磁同步电机直驱系统的模拟驱动试验。试验结果表明,台架试验测得的永磁同步电机动态特性曲线与对应仿真试验得到的永磁同步电机动态曲线的变化规律基本一致,从而从侧面验证了笔者所建立刮板输送机永磁直驱系统机-电耦合模型的正确性。

智慧矿山数字孪生技术研究综述

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。数字孪生面向煤炭工业互联互通及智能化应用,发挥连接物理世界和信息世界的桥梁与纽带作用,将在煤炭开采、视频监控、人机交互等方面提供更加实时、智能、高效的服务。面向智慧矿山技术需求,提出了基于数字孪生+5G的智慧矿山建设新思路,将"数字孪生+5G"与AI技术相结合,为实现智慧矿山提供一种创新的方法。首先从智慧矿山建设进展及应用方面存在的问题入手,系统地梳理和分析了当前智慧矿山研究和发展现状,通过研究新一代信息技术与工业技术融合应用,阐述了数字孪生的概念内涵,指出数字孪生是智慧矿山发展的必然趋势并将为智慧矿山赋能;然后针对智慧矿山建设的难点和痛点问题,提出了基于"数字孪生+5G"的智慧矿山体系架构理论,通过构建矿山数字孪生模型(MDTM)实现物理矿山实体与数字矿山孪生体之间的虚实映射与实时交互。聚焦智慧矿山建设目标,以智慧矿山系统建设、优化和关键技术为核心,基于矿山信息物理空间的数字孪生和深度学习方法,以实际矿井为原型设计了智能开采的数字孪生一体化方案,构建了全域感知、边缘计算、数据驱动和辅助决策的智慧矿山平台。最后针对智慧矿山的数字孪生应用需求,提出并探讨了数字孪生赋能智慧矿山的关键技术问题,并指出了未来需要实现的关键技术路径。旨在通过对智慧矿山的数字孪生技术研究,为数字孪生模型构建、协同控制与交互优化等提供思路,为未来智慧矿山建设与设计提供理论借鉴。

煤矿掘进机的机器人化研究现状与发展

基于煤矿巷道掘进智能化、无人化的发展要求,综述了悬臂式掘进机综掘技术、连续采煤机掘进技术和掘锚一体化掘进技术3条掘进作业线的国内外发展现状,依据国家煤炭安全监察局发布的《煤矿机器人重点研发目录》中对煤矿掘进机器人的规划,从感知、决策、执行3个层面分析了煤矿掘进机的机器人化应具备的特征,感知层通过多类传感器对煤矿井下巷道环境信息进行采集感知,决策层分析和求解作业任务,并融合感知层传输的环境信息,制定规划出最适合的控制策略,执行层接收决策层的指令,对机器人化掘进群组的位姿和运动进行控制。系统阐述了机器人化掘进群组关键技术:掘进机器人的自主定位、煤岩识别与自动截割、远程监控与故障检测等技术;临时支护机器人的自动支护技术;钻锚机器人的平行钻锚技术;辅助装载输送机器人的同步运输技术等。对比分析国际先进机器人化掘进装备和群组,结合我国煤矿巷道掘进技术与装备的现状,提出了煤矿掘进机的机器人化技术与装备发展思路和研究方向:冲击致裂-快速掘进新技术;远程前探-精准惯导新技术;协同掘支-自适护顶新装备;钻锚一体-智能锚固新装备,实现钻探-掘进-支护-锚固-运输协同作业的机器人化掘进群组快速掘进技术,最终达到煤矿巷道掘进作业少人化、无人化的目标。

平行掘进:基于ACP理论的掘-支-锚智能控制理论与关键技术

虽然智能掘进技术已取得了一些进步,提出了护盾式、掘锚式等掘-支-锚多装备的样机设计,但从设备适用性及装备配套性角度,仍存在个体装备设计不严谨、样机改型成本高、装备控制不精准、巷道场景多样不适应、群体设备难一致协同等诸多问题。造成上述问题的首要原因是缺少煤矿特殊生产环境下群体设备联动协同控制的基础理论研究,主要表现为对智能掘进所需的设备模型、场景实验、数据驱动等基础理论缺少研究。针对掘进复杂系统难以建模与实验不足等问题,提出了平行掘进系统的研究思想,试图用一种适合复杂系统的计算理论与方法解决智能化掘进现存问题,主要利用大型计算模型、预测并诱发引导复杂系统现象,通过整合人工社会、计算实验和平行系统等方法,形成新的计算研究体系。以智能掘进复杂系统为研究对象,重点考虑掘-支-锚系统的整体控制理论与方法,结合智能化掘进相关研究基础和方法,融入当前国内外复杂系统研究的最新科研进展,基于平行控制基础理论及ACP(Artificial,Computing,Parallel)方法框架,运用代理控制理念及自适应动态规划多智能体研究方法,开展智能掘进复杂系统的掘-支-锚平行控制基础理论与方法研究。针对巷道复杂环境下的群体设备离散控制现状,运用整体系统论的方法,完成掘进系统的掘进、支护、钻锚群体设备代理模型的构建,根据多场景下复杂系统的计算实验克服掘进巷道环境复杂、恶劣的工程验证难题,最终实现智能掘进平行控制方法的理论创新与方法验证。

重型煤炭运输车分布式混合动力系统设计及控制策略

公路运输是煤炭运输的重要一环,为提高经济效益,煤炭运输车正日益趋向于重型化发展,使得对驱动系统动力性和经济性的要求越来越高。传统柴油机驱动存在污染严重、油耗高等问题,而电驱动存在动力不足、续航能力差等问题,单一动力驱动难以很好满足重型煤炭运输车动力与环保需求。为提高重型煤炭运输车驱动性能并实现节能减排目标,基于重型煤炭运输车系统结构提出了一种新型分布式混合动力驱动系统,并对其控制策略进行了建模和仿真研究。首先,基于将多个动力源分别布置在重型煤炭运输车牵引车和挂车上的设计思路,设计了一种连接型分布式混合动力驱动系统,主要由柴油发动机、驱动电机、变速箱、动力电池组和多台轮边电机等装置组成;其次,通过对不同工作模式下的能量流向进行分析,设计了基于最优转矩的分布式混合动力驱动系统逻辑门限控制策略,根据分布式混合动力系统工作模式特点提出了不同工作模式下转矩目标值的分配方案,并在MATLAB/Simulink软件中搭建了控制策略模型;然后,根据重型煤炭运输车的实际行驶情况,参照相关国家标准建立了重型煤炭运输车循环工况;最后,将控制策略导入CRUISE软件,与所搭建的整车动力系统仿真模型进行了联合仿真。仿真结果表明:所设计的控制策略能够对发动机和电机的转矩进行合理分配,使得发动机和电机始终在高效率区域工作,动力电池也保持在充放电高效区间;相比传统柴油机驱动方式,在整车牵引质量基本不变的前提下,可实现最大爬坡度增加70%、最高车速提高42.8%、0~30 km/h加速时间缩减34.2%、百公里综合油耗降低17.8%;通过混合动力改造和合理制定控制策略,车辆各项指标较原车均有明显提升。

长壁综采工作面无人自主开采发展路径与挑战

智能化无人开采是实现煤矿安全高效开采的技术途径。根据无人控制系统发展的一般规律,分析了综采工作面控制系统发展历程包括远程遥控、自动控制和自主控制3个阶段。综采工作面自主控制需要解决综采工作面环境实时感知、综采“三机”协同控制、高精度煤层地理信息系统、开采工艺智能决策与无人综采工作面评估试验方法5个方面的问题。总结了综采工作面控制系统的3个目标任务:可靠割煤与装煤、保持工作面几何关系、围岩可靠支护;凝练了综采工作面控制系统的8项关键技术:液压支架电液控制技术、综采装备协同控制技术、工作面通信技术、工作面可视化技术、采煤机定位技术、采煤机自动调高技术、工作面自动调直技术、工作面围岩支护控制技术,并分析了综采工作面控制系统关键技术与其目标任务之间的逻辑关系。通过分析综采工作面控制系统关键技术的功能需求和综采工作面自主控制的研究问题,提出了综采工作面由自动控制迈向自主控制首要解决的问题,即工作面煤层地理信息系统精细化、采煤机截割规划策略、工作面围岩智能支护策略以及综采工作面控制系统适用性评估检验方法。

井下混合动力无轨胶轮车驱动系统模糊逻辑控制策略研究

目前,煤矿井下无轨胶轮车以防爆柴油机或蓄电池作为动力来源,存在着诸多技术不足和现实问题,例如,防爆柴油机驱动系统尾气污染严重、油耗高、工作效率低,防爆蓄电池驱动系统动力不足、续航能力较差等。混合动力是一种在乘用车领域已发展较为成熟的环保节能驱动技术,若能将其应用于井下无轨胶轮车,将能较好地解决这些问题。但是,目前对矿用车辆混合动力技术的研究整体尚处于起步阶段,尤其缺乏对井下混合动力驱动系统控制策略方面的专门研究。本文以无轨胶轮车混合动力驱动系统为研究对象,在充分考虑行驶工况、动力源工作特性和使用环境等因素的基础上,设计了一种适用于井下混合动力无轨胶轮车驱动系统的模糊逻辑控制策略;基于课题组前期已建立的井下无轨胶轮车CYC_JX循环工况,利用经过二次开发的ADVISOR软件构建Simulink仿真模块,对本文设计的模糊逻辑控制策略和目前广泛使用的电辅助控制策略进行了仿真与对比分析;进一步,基于LabVIEW软件设计测控系统,利用井下混合动力无轨胶轮车试验平台开展台架试验,对仿真结果进行了验证。结果表明,与电辅助控制策略相比,模糊逻辑控制策略下的防爆柴油机和电动机的大部分工作点效率较高,整车百公里燃油消耗降低了11.18%,尾气排放中HC含量值降低了20.83%,CO含量值降低了1.82%;仿真与试验结果的输出车速、防爆柴油机和电动机实际输出转矩、蓄电池SOC变化趋势相同,燃油经济性和尾气排放值的变化均处于理想范围内,验证了所设计控制策略的合理性;基于模糊逻辑控制策略的混合动力无轨胶轮车驱动系统能较好地依据工况信息、驾驶意图协调防爆柴油机和电动机之间的能量流动,其燃油经济性、动力性和尾气排放特性均优于电辅助控制策略。但是,本文设计的模糊逻辑控制策略还缺少对电动机工作效率的综合考虑,未来可以将其作为一个约束目标,进一步对模糊逻辑控制策略进行优化。