巷道掘支锚连续平行作业机理及其应用

为解决基于悬臂式掘进机与单体钻机配合的巷道快速掘进问题,介绍了基于悬臂式掘进机的掘支锚连续平行作业工艺,形成了掘进、支护、锚固连续平行作业的施工技术体系。采用现场试验的方法,对巷道掘进与锚固分离时,顶板离层和围岩锚固性能进行了测试研究。结果表明:在顶板预先施工4根锚杆,然后在临时支架后方补打其余锚杆锚索,不会出现明显离层;不同空顶距下锚杆锚索锚固性能可以满足掘进与锚固分离要求;确定采用临时支架可以满足掘支分离生产需求。开发了连续自移式快速掘进支护装置和掘支锚连续平行作业工艺,主要包括钻探、掘进割煤、临时支护、掘进工作面锚杆打设、后方锚杆锚索打设、转载运煤、除尘等工序。在潞安漳村煤矿西下山回风巷进行了现场试验,采用新型掘支锚连续平行作业后,月进尺达到745 m,支护效果良好,掘进效率提高65%以上。

基于机器人化掘支锚联合机组的折叠式钻车钻臂工作空间分析

针对现有掘进工艺仍然存在掘支比例失衡和掘进效率低下导致的掘进工作面安全事故频发等问题,提出了机器人化掘支锚联合机组及工艺,介绍了该机组的组成和工作原理,阐述了该机组中折叠式钻车钻臂的结构及运动学建模,并对该折叠式钻车钻臂的工作空间进行了详细的分析。通过对钻车钻臂关节参数进行反解,验证了该折叠式钻车钻臂能够满足实际工作的位置和姿态要求,为实现井下少人、无人化掘进作业奠定了基础。

对掘支锚一体化试验的几点认识

通过掘支锚一体化井下工业性试验,对掘锚机的设备配套及适应性有了初步的认识;试验中就掘支锚一体化平行作业关系进行了试验和研究,实现了掘锚平行作业;针对试验中发现的问题,提出了今后的改进方向。

掘支锚联合机组双截割部截割轨迹控制方法

为实现截割范围大、截割平整度好、截割功效高的巷道断面截割,提出一种基于模糊PID控制的掘支锚联合机组双截割部截割轨迹控制方法,以实现截割部升降油缸及摆动油缸的精确控制.根据掘进机巷道截割工艺和掘支锚联合机组截割影响因素设计了双截割部运动轨迹,结合双截割部结构参数和运动参数特征,建立了双截割部截割运动学模型;以截割部升降油缸、回转油缸位移误差和位移误差变化率为系统输入,选择三角函数为隶属度函数进行模糊化处理,根据PID整理规则分别建立PID参数的模糊推理规则,利用系数加权平均法对系统输出进行反模糊化处理;通过simulink数值模拟仿真,对比分析模糊PID控制算法和传统PID控制算法的轨迹控制效果.结果表明:模糊PID控制算法对截割臂复合运动控制效果更优,跟踪特性优良,能够实现巷道断面截割轮廓的精准成形控制.

掘支锚联合机组支撑油缸多目标优化设计

研发了一种适用于综掘巷道的掘支锚联合机组。为提高掘支锚联合机组支护机构的安全性与稳定性,根据参数化建模和分析方法研究了支护结构支撑油缸刚度对结构频响特性的影响,以各支撑油缸的刚度为设计变量,结构的最大位移振幅最小及最大应力振幅最小为优化目标函数,对支撑油缸刚度进行优化设计,确定了各弹簧的最佳刚度,并进行了实验验证。结果表明:优化后模型在3个轴向的最大应力响应比优化前分别减小了96.72%、95.87%、96.65%;优化后模型的最大位移响应在Z轴方向虽然比之前略有增大,但X轴和Y轴方向分别减小了98.17%和74.61%;实验结果与仿真结果的固有频率最大误差为8.6%,且频响曲线变化规律基本一致,证明了优化设计的有效性。

一种新型迈步式掘支锚联合机组及其温变环境下动力学行为研究

设计了一种适用于综掘巷道工作面的迈步式掘支锚联合机组;介绍了掘支锚机组的结构和工作原理;利用牛顿第二定律,建立了多自由度振动系统动力学模型,并进一步引入了含温变特性的系统动力学模型;采用Matlab软件建立模拟温变特性下掘支锚联合机组系统仿真模型,分别对20℃与40℃温度环境下的系统动力学行为进行了求解与分析。结果表明:温变环境对系统动力学影响较大,使得系统各部件幅值与频率均有不同程度的增加。当系统在20℃环境下,各部分的振动幅值在可承受范围内,截割部振动幅值最大,范围在±12 mm之间;当温度升高至40℃时,各部件振动幅值与振动频率均有明显增加,但纵梁的增加最为明显,截割部影响最弱。

掘锚支机器人的钻锚机械臂工作空间分析

为了解决掘进巷道效率低、安全性差等问题,提出了一种可独立跨骑在掘进机上的新型掘锚支机器人,可降低对综掘机改造的成本,同时可实现掘、支、锚平行作业,并对其前端钻锚机械臂的工作空间进行分析。基于D-H法建立前端钻锚机械臂的运动学模型,再利用蒙特卡洛算法求解出钻臂末端执行器所能触及到的空间范围。研究结果表明,该前端钻锚机械臂可满足3 400 mm×3 600 mm(宽×高)的断面巷道钻锚任务,为无人化钻锚作业奠定基础。

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。

巷道快速掘进过程中锚网支护实践

随着各种类型现代化机械设备运用到煤矿开采过程中,煤矿开采强度在不断增加,所需要的巷道掘进工程量也在持续提升,同时,掘进施工速度也成为了制约煤矿安全生产的关键内容。在巷道掘进过程中,如何在提升掘进速度的过程中,保证掘进施工的安全性非常关键。本文以某煤矿面临的掘进支护问题作为研究对象,分析了巷道快速掘进中掘支锚平行作业支护装置,并针对性研究了巷道快速掘进过程中掘支锚平行作业中支护要点。

模糊耦合滑模的掘锚支机器人位置同步控制

针对掘锚支机器人四缸同步平台存在的非线性、耦合作用及滞后问题,提出一种基于模糊相邻交叉耦合改进型滑模的位置同步控制方法,利用系统辨识获得阀控缸传递函数,采用模糊控制实时在线计算耦合系数,通过最速跟踪微分器柔化调节过程。仿真实验表明,改进型滑模控制相对于传统滑模控制,能有效减弱抖振,提高系统稳定性,且模糊相邻交叉耦合滑模控制相对于相邻交叉耦合滑模控制,其最大同步误差和跟踪误差分别控制在0.34 mm、0.002 mm。

机掘巷道掘锚支一体化技术的应用

掘进、支护、运输不能平行作业成为制约机掘巷道单进水平提升的瓶颈,翟镇煤矿自主研发连体自移超前支架与综掘机配套施工,实现掘进→无支护→临时超前支护→永久性支护的连掘连支衔接过渡,实现真正意义上掘锚支平行作业一体化。

综掘巷道快速掘进工艺及钻锚运输车结构设计

针对掘进机开机率低、采掘比例失衡、综掘巷道超前支护效率与设备全智能化程度较低的现状,提出一种综掘巷道无反复支撑快速掘进新工艺,具有无反复支撑、多工序并行的特点。介绍了综掘巷道快速掘支锚协同作业系统的装备组成与工艺原理,论述了其中运输钻锚车的结构与力学模型,利用ANSYS软件进行有限元分析,分析了运输钻锚车托举梁在恶劣工况下的位移特性与应力分布特征。结果表明,该工艺可以实现掘进、支护协调并行作业,加快了煤矿巷道掘进整体进度,极大地提高了深部煤层开采作业效率。

复杂条件下新型锚固钻机系统振动特性分析

针对煤矿井下掘锚比失衡问题,提出一种新型掘支锚平行作业机组,可对复杂地质条件下的巷道断面形状、煤岩属性及顶底板不平整性具有高适应性,通过搭载多姿态新型锚固钻机系统,实现掘锚同步并行快速作业模式;考虑掘锚作业空间位置关系、锚固断面形状尺寸及锚固作业耦合振动影响等因素,提出一种锚固钻机系统钻进抑振装置,采用“顶天立地”式稳定支撑形式,减少锚固钻机群组系统在同步作业时相邻系统耦合振动影响;考虑锚固钻机群组为多质量块、多自由度系统构成,提出一种基于复杂地形工况下机组变姿作业状态振动传递模型图,利用有限元分析软件Abaqus模拟钻进不同岩石属性工况,分析可得到不同煤层条件下钻杆的推进阻力变化规律;为求得锚固钻机系统关键部件在抑振装置作用下其刚度变化规律,基于材料力学中变形协调等方法求解横梁伸出不同长度及油缸支腿伸出/缩回状态的刚度变化范围;通过数值分析软件Matlab对上述锚固钻机系统动力学模型进行求解,得到在左右横梁伸出及支腿伸出与缩回等不同工况条件下钻机群组本体振动参数,分析可知钻机支腿对于减缓锚固机组横滚振动效果十分显著。通过进行锚固系统样机试验分析,验证锚固钻机系统支腿抑振效果满足要求,通过提高锚固系统稳定性可为锚固自动定位、钻孔成孔质量等方面的研究提供一定的理论基础。

基于数字孪生的综掘巷道并行工艺技术初步研究

综掘巷道现今的"串行"工艺流程中,机械智能化程度较低、采掘比例严重失衡,已成为制约煤矿高效生产的主要技术瓶颈。为此,首先基于一体化式掘锚机组自动化掘进方式与自移式支护相结合的工艺理念,提出了一种综掘巷道掘支锚联合并行施工工艺技术系统,并阐明了其工艺原理,归纳了并行施工工艺技术在工程效益方面的主要优势。然后基于综掘巷道并行工艺技术装备的机器人化升级改造目标,构建了数字孪生理论指导下的综掘巷道并行施工技术流程与工艺体系,并对并行工艺技术装备的智能化发展进行初步探讨,论述了以掘进机器人远程可视化导控、临时支护机器人可靠性撑顶、钻锚机器人多工位锚护为基础功能的综掘巷道智能并行作业模式。在数字孪生技术驱动的综掘巷道并行施工技术系统中,利用多源传感信息链接与互译实现了并行工艺技术装备物理实体与"虚拟数字孪生体"之间的交互感知,并通过远程可视化智能调控系统完成了掘进机的自主纠偏、障碍物感知以及自动截割等智能化革新。最后分别从真实物理拓扑关系、数据传输处理方法、智能决策控制算法和预测性维护机制4个角度进行了数字孪生理论指导下智能化综掘工作面的关键技术发展分析,对智慧煤矿与智能化开采目标展开了基础性探索。

煤巷快速掘进技术的应用实践与思考

开展煤巷快速掘进技术研究,对促进煤矿安全发展,实现减人增效,降低矿工劳动强度具有重要的现实意义。文章重点介绍了山西省开展煤巷快速掘进技术研究及应用有关情况,分析了工作中遇到的主要问题和困难,提出了加强和改进的意见建议。

综掘设备研究及工艺探讨

介绍了东庞矿最新研制的综掘用掘、支、锚一体机组的结构特点,并探讨掘、支、锚一体机工艺上的可行性。

截割机构延迟特性对巷道断面成型精度影响分析

由于执行元件响应时间差、负载干扰以及液压油液的压缩性等多因素的干扰,使得手动换向阀或电磁换向阀控制掘进机截割煤岩时存在较大延迟,断面成型精度较低。考虑截割部执行机构延迟特性对截割误差的影响,根据掘支锚机组截割部系统硬件组成和基本参数,使用D-H方法建立了截割机构的运动学模型。分析了机构动作延迟对截割控制方程的影响,建立了横摆和纵摆截割动作延时情况下的截割头中心在巷道断面坐标系上的运动误差模型。通过MATLAB数值计算软件进行截割控制误差的仿真研究,研究结果表明:本文仿真工况下,在横摆速度恒定的情况下,当延迟时间分别为50,100和200 ms时,横摆截割的截割轨迹误差分别为10,20,40 mm。当横摆速度分别为50,100和200 mm/s时,横摆截割的截割轨迹误差分别为5,10,20 mm。随着截割部横摆速度和动作延迟的增大,截割轨迹误差随之增大。由于普通的开关电磁换向阀不易于进行流量实时调控,因此无法做到对截割部横摆速度的缓冲控制。需要充分掌握截割执行机构的延迟特性,在控制系统中做好提前量,消除动作延迟带来的截割误差。通过课题组自行研制的掘支锚机组实验平台进行实验研究,研究结果表明,本实验台截割部执行机构存在53 ms的延迟,通过对控制系统进行提前量控制,即截割部位移传感器在到达指定位移之前的53 ms乘以横摆速度后的位置下达停止指令,可削减动作延迟带来的截割误差。

Deformation mechanism of surrounding rocks and key control technology for a roadway driven along goaf in fully mechanized top-coal caving face

The variation of the stress in the bolted surrounding rocks structure of the roadway driven along goaf in a fully mechanized top coal caving face with moderate stable conditions are studied by using numerical calculation. The essential deformation characteristics of the surrounding rocks in this kind of roadway are obtained and the key technology of bolting support used under these conditions is put forward.