煤矿智能快速掘进关键技术研究现状及展望

针对煤矿巷道掘进智能化建设情况,探讨了现阶段分别以连采机、掘锚一体机、全断面掘进系统、掘锚机为核心的四大类智能快速掘进成套装备发展现状,分析了四大类智能快掘装备与地质条件适用性,提出了实现煤矿智能化掘进需要解决的关键技术的问题,探讨了以信息传输与智能分析技术、智能感知技术、精确定位导航技术,自主定型定向截割技术、掘进机远程自主截割控制技术以及多级多工序智能协同控制技术为基础的智能化掘进实现途径;基于复杂地质条件下煤矿巷道掘进亟待解决的关键问题,提出了以掘进作业功能需求、掘进工艺要求为依据的系统化分析、模块化设计、功能优化组合的设计方法;研究了以虚控实、虚实结合的多级数字孪生构架,基于掘进巷道设备、环境、地质构造多维信息再现实现掘进机远程控制;提出了单机智能化、系统协同化、井下智控与地面远程监控相协同的控制方法。开发了新型的无重复碾压柔性超前支护技术、截割部多级伸缩截割技术、智能锚固机组多钻机并行作业等技术,研制了具有掘、支、锚、运、探多工序并行作业的新型快速掘进作业联合机组,提出了掘进机器人、超前支护机器人、锚固机器人、辅助运输机器人组柔性并行作业技术;提出了基于数据驱动的多机多工序协同控制行为规划决策方法。提出构建完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系,构建集井下现场生产状态、掘进巷道空间信息、掘进装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知智能化监控平台,实现虚拟系统与实际掘进系统实时通信,通过数据驱动规划分析实现智能化、少人化掘进。

煤巷掘进过程中煤岩破裂微震事件研究

目的为了监测和预警煤矿掘进巷道前方可能发生的危险,方法利用微震监测技术实时监测,利用监测系统捕获到的数据信息研究掘进影响下微震事件的空间分布规律、发生时间、频次和能量关键点,然后利用短时傅里叶变换和S变换方法分析典型煤岩破裂微震信号的时频特征。结果结果表明:(1)微震事件主要分布在沿掘进巷道前方50~100 m区域,大多为中低能量微震事件,仅在掘进工作面前方出现少量强度较大的煤岩破裂事件,且震级多为-2~0;(2)掘进速度和发生微震事件的数量及能量大小成正相关,同时掘进速度也影响着煤岩动力灾害的发生;(3)巷道掘进会造成煤岩体失稳,其中岩体破裂信号频率高,为0~2000 Hz,比重值大,主频约700 Hz;煤岩破裂微震事件信号频率为90~1000 Hz,主频约250 Hz;岩体破裂后,支撑力下降,压力转移给煤体,导致煤体破裂,煤体破裂微震事件信号频率为90~1000 Hz,主频约350 Hz。结论微震事件能够综合反映煤岩体受力破坏程度,判别掘进过程中煤岩破裂类型,为矿井生产中煤岩动力灾害的预警提供理论基础。

基于图像分析的掘进工作面粉尘颗粒检测方法

基于光散射原理测定粉尘质量浓度只能定时定点手动检测,实时性差,且只能检测出粉尘质量浓度,并不能给出粒径分布范围。目前基于图像分析的粉尘颗粒检测研究主要是针对粉尘质量浓度或粒径分布进行单方面研究,并不能实现粉尘质量浓度和粒径分布范围的同时检测。针对上述问题,提出了一种基于图像分析的掘进工作面粉尘颗粒检测方法,探究图像特征与粉尘质量浓度、粒径分布间的关系。通过粉尘样本收集及图像采集装置,采集粉尘颗粒图像并获取采集图像时的粉尘质量浓度。编写粉尘样本图像处理算法,提取图像的灰度特征、纹理特征、几何特征相关参数。对提取的图像特征与实测粉尘质量浓度进行相关性分析,选取相关性较大的图像特征作为参数建立回归数学模型。提取粉尘颗粒对象像素点个数,结合转换系数,基于几何当量等效面积径计算粉尘粒径大小及分布范围。实验结果表明:实测粉尘质量浓度与建立的图像特征多元非线性回归模型数学模型计算值间的平均相对误差为12.37%,标准实测粒径与几何当量等效面积径得到的粒径分布间的最大相对误差为8.63%,平均相对误差为6.37%,验证了基于图像特征的粉尘质量浓度回归数学模型和基于几何当量等效面积径分布数学模型的准确性。

基于改进N-K模型的地铁盾构掘进安全风险耦合研究

为预防和控制地铁盾构掘进施工过程中的关键安全风险,并精准判断哪些风险耦合情境是导致事故发生的显著情境,提出改进N-K模型研究地铁盾构掘进安全风险耦合;综合运用文献研究、事故案例、专家访谈等方法,辨识地铁盾构掘进的关键安全风险因素;基于N-K模型提出新的地铁盾构掘进安全风险耦合评估模型,并选用安全事故案例验证该模型的适用性。结果表明:辨识得到地铁盾构掘进关键安全风险因素清单,包括4类一级风险因素,21个二级风险因素;地铁盾构掘进施工安全风险随着耦合因素种类的增加而变大,4因素风险耦合值最高,3因素风险耦合值次之,双因素风险耦合值最低,作业人员安全意识薄弱和机械故障参与作用的耦合情境更容易发生安全事故。

煤矿井下掘进机器人路径规划方法研究

针对煤矿非全断面巷道条件下掘进机器人移机难度大、效率低下等问题,分析了煤矿井下非结构化环境特征及掘进机器人运动特性,提出了基于深度强化学习的掘进机器人机身路径规划方法。利用深度相机将巷道环境实时重建,在虚拟环境中建立掘进机器人与巷道环境的碰撞检测模型,并使用层次包围盒法进行虚拟环境碰撞检测,形成巷道边界受限下的避障策略。考虑到掘进机器人形体大小且路径规划过程目标单一,在传统SAC算法的基础上引入后见经验回放技术,提出HER-SAC算法,该算法通过环境初始目标得到的轨迹扩展目标子集,以增加训练样本、提高训练速度。在此基础上,基于奖惩机制建立智能体,根据掘进机器人运动特性定义其状态空间与动作空间,在同一场景下分别使用3种算法对智能体进行训练,综合平均奖励值、最高奖励值、达到最高奖励值的步数以及鲁棒性4项性能指标进行对比分析。为进一步验证所提方法的可靠性,采用虚实结合的方式,通过调整目标位置设置2种实验场景进行掘进机器人的路径规划,并将传统SAC算法和HER-SAC算法的路径结果进行对比。结果表明:相较于PPO算法和SAC算法,HER-SAC算法收敛速度更快、综合性能达到最优;在2种实验场景下,HER-SAC算法相比传统SAC算法规划出的路径更加平滑、路径长度更短、路径终点与目标位置的误差在3.53 cm以内,能够有效地完成移机路径规划任务。该方法为煤矿掘进机器人的自主移机控制奠定了理论基础,为煤矿掘进设备自动化提供了新方法。

基于微震监测的深部下分层巷道掘进围岩破坏特征研究

针对分层采场内掘进巷道利用微震有效实施围岩破坏监测的难题,以淮南矿区潘二煤矿12221下分层掘进工作面为工程背景,开展了下分层开采巷道掘进微震监测研究,提出了相应的随掘微震监测方法,分析了分层开采条件下巷道掘进围岩破坏特征。结果表明,以所提出的等距交错往复式随掘方法搭建微震监测系统能够实现对现场破裂信号的有效拾取,巷道掘进过程中微震事件以地质结构为界线呈现阶段性分布特征,也验证了方法的合理性;同时,受上分层采动影响下的巷道围岩破坏呈现蝴蝶形分布(10 m),在掘进巷道两帮围岩的肩颈位置呈现出较大范围的破坏(15~20 m)。研究结果可望为微震监测技术应用及巷道围岩支护提供一定指导。

小转弯曲线隧道TBM选型与掘进姿态调控方法

小转弯隧道施工时全断面隧道掘进机(full-section tunnel boring machine,TBM)的选型设计和掘进姿态控制具有特殊性,目前还缺乏通用的理论依据和指导方法。针对此问题,首先,对传统类型TBM小转弯选型进行研究,结合已有项目数据和几何模拟,确定传统类型TBM能适应的最小转弯半径。然后,对双盾敞开式TBM的推进系统和导向系统进行针对性设计,通过分析双盾敞开式TBM推进系统结构和实际施工,提出转弯时双盾敞开式TBM推进油缸内外侧行程差值的理论计算方法和施工过程中的姿态调控方法。最后,得出如下结论:1)当隧道转弯半径小于200 m时,敞开式TBM适应难度较大,需要采用双盾敞开式TBM;2)结合抚宁抽水蓄能电站项目实际施工情况,提出的双盾敞开式TBM的理论计算方法和姿态调控方法确保了转弯段隧道的轴线偏差在要求范围内。

软土地层盾构掘进土体稳定性模型试验研究

针对软土地层盾构掘进周围土体稳定性问题,自主研制了TJ-TBM2015多功能微型隧道掘进试验平台,通过改变外壳直径以模拟地层损失,采用动力控制系统,微型隧道掘进机可以实现盾构隧道的连续动态机械开挖。基于试验平台进行了地表无超载、地表有局部超载和隧道临近穿越群桩基础3种工况的盾构隧道掘进试验,通过传感器监测不同工况掘进过程中地表沉降变形和隧道周围土体的应力变化,研究土体的稳定性特征,并进行横向对比分析。结果表明,隧道开挖引起的土体应力重分布主要发生在隧道中心1倍直径范围内;局部超载对土体稳定性影响有限,但超载会造成其所在位置附近地表沉降增大;群桩基础对地层起到了一定的加固和隔离作用。

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与工程实践

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与装备是煤矿安全高效开采以及智能化建设的迫切需求。以具备膨胀性、节理化等软岩特征的煤矿回采巷道工程为背景,梳理了国内外掘锚一体机快速掘进技术发展现状,剖析了软弱围岩条件下掘锚一体机快速掘进面临3个方面的难题,包括全宽截割对围岩的扰动控制,软弱围岩及时高效永久支护,软弱围岩快速掘进煤帮临时支护。提出了软弱围岩掘锚一体化快速掘进的5项关键技术,包括:(1)低扰动截割技术。主要包括椭型全宽截割滚筒、截齿排布优化、截割动力学优化等。(2)减小空顶空帮距的及时支护技术。该技术是在掘锚一体化技术基础上,研制了集双圆柱导向、多连杆升降、支护油缸撑顶撑底、随动挡矸帘防护于一体的多钻机整体滑移平台,将掘锚一体机作业空顶距由2.5 m降至1 m,作业空帮距由3.5 m降至1 m。(3)软弱围岩多维度协同支护技术。综合考虑锚杆锚索支护参数间的时空协同效应和支护体与围岩的协同效应,掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板,后部同步实施增强永久支护。(4)钻锚一体化技术。主要包括锚杆结构和力学特性、锚固剂材料及泵注技术等。(5)煤帮喷涂临时支护技术。主要包括快反应高延伸率喷涂材料、高比例精度喷涂泵送、不规则煤壁表面自适应轨迹控制、矿用防爆高精度机械臂、喷涂材料配套补给等。基于以上内容,研制了可控作业空顶距掘锚一体机,并进行了井下试验。试验表明,该装备有效缩短了作业空顶距和空帮距,实现了作业空顶距“可控”,适应于软弱围岩巷道快速掘进,掘进效率提高了1倍。

基于随机森林声波曲线构建的盾构机掘进路线预测

近年来,煤矿井下为了提高生产效率,将盾构机应用到巷道掘进中。地质条件是决定盾构机工作效率的重要因素,盾构机施工围岩以石灰岩、砂岩等中硬岩最为有利,因此拟掘进巷道位置的岩性预测成为提高盾构机工作效率的核心问题。目前地震反演是岩性预测的重要手段,阳泉新景区块由于部分声波测井曲线缺失,对波阻抗反演产生了影响,因此,如何利用已有的测井曲线生成缺失的声波测井曲线以及如何利用盾构机工作行进中的岩性揭露数据不断更新前方岩性分布预测结果成为当前亟待解决的关键。首先对测井曲线进行标准化等预处理,针对声波测井曲线缺失问题,引入随机森林回归算法,利用密度(Density)、自然伽马(GR)、视电阻率(Res)和自然电位(SP)4种测井曲线作为特征变量,建立曲线回归预测模型,预测声波(P-wave)测井曲线。在分析声波曲线和伽马曲线原理的基础上,进行拟声波曲线构建并做拟声波反演,在反演数据体上解释K7砂岩的顶和底界面,将解释得到的地震解释层位信息从时间域数据转换到深度域,经验证实预测结果与揭露数据符合率较高。同时,结合盾构机工作行进中的岩性揭露数据对目标巷道剖面的K7砂体分布预测进行了多次更新迭代,精细刻画了巷道位置K7砂岩的分布情况,为盾构机掘进路线优选提供了有效指导。

基于泥水平衡盾构掘进参数的PSO-BP神经网络掘进地层识别模型研究

为解决泥水平衡盾构机在掘进时无法准确地实时识别掘进地层的问题,以珠三角水资源配置工程为例,研究泥水平衡盾构机的盾构推力、掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩在不同地层下的变化规律,提出基于掘进参数的PSO-BP神经网络掘进地层识别方法,建立盾构推力、掘进速度、刀盘转速、刀盘扭矩4种掘进参数为输入集,地层编码为输出集的地层识别模型。工程数据的验证结果表明,该模型在珠三角水资源配置工程数据集上的掘进地层的识别准确率达99.07%,PSO-BP神经网络算法的识别准确率明显高于BP、RF、RBF、CNN等机械学习算法。

深井掘进技术在厚层高渗透性粉细砂层中适用性的数值模拟研究

科学合理高效开发深层地下空间是城市不断发展的必然趋势与重要难题。深井掘进技术(vertical shaft machine,VSM)是一种开挖超深竖井的新型工法,该技术施作的竖井结构形式简单、结构受力状态好、施工速度快、对周边环境扰动小、适用性广泛,可被广泛用于城市深层地下空间的点状开发。以中国首例使用VSM施工的南京市儿童医院沉井停车库项目为原型,建立在砂性土中开挖60 m竖井的数值模型,重点研究VSM竖井在厚层高渗透性的粉细砂层开挖过程的变形情况与开挖面的稳定性问题。数值模型结果表明:60 m竖井开挖过中地表变形量均控制在毫米数量级,且最大地表变形量不超过13 mm;在水位差1 m的水下施工过程中安全系数均较好控制在2.0以上。对于变形问题,分析不同开挖深度下的井底隆起变形和地表变形情况,表明在60 m开挖深度内,使用VSM开挖砂性土竖井在深度、安全性和对周边环境扰动上均具有明显优势。针对开挖面稳定性,计算分析与竖井内外水位差和竖井深度相关的开挖面安全系数,计算结果可用于指导实际施工,实现分段施工与精细化控制。

掘进物料专用集装箱的研制与应用

为了提高掘进人员作业效率,提升井下标准化水平,研制了掘进物料专用集装箱,解决了掘进生产中遇到的问题,应用情况良好,对矿山掘进系统安全高效运行具有重要的意义。

低能耗中部切槽诱导掘进工艺研究

为解决实践生产能耗大以及由于装机功率限制其生产能力增大的问题,通过数值模拟计算手段对中部切槽诱导掘进工艺和正常掘进工艺进行对比,得出采用中部切槽诱导掘进工艺对深部岩层巷道进行掘进,可达到降低掘进力和低能耗掘进的效果[1];并重点对其端头进刀工艺和正常掘进工艺进行说明;最后,对智能化诱导掘进工艺的降能耗效果进行仿真评估[2-3]。

亭子口灌区一期工程隧洞悬臂掘进机选型与应用

目前,随着国内引调水工程发展,水利工程隧洞下穿越城镇、公路、铁路等越来越多,传统的钻爆法对地面建筑物震动影响较大,已不能满足上述情况下施工需要,随着各行业施工技术发展,已在市政、交通、采矿等行业广泛应用的悬臂掘进机也逐渐在水利水电工程中使用,以亭子口灌区工程为例,简要介绍悬臂掘进机在本工程隧洞工程施工中的选型及应用。

我国煤矿快速掘进20a发展与展望

针对煤矿智能化快速发展,煤矿掘进面临新的机遇和挑战,笔者对我国煤矿快速掘进20 a的发展进行全面综述,以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势,以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方面,双巷掘进开辟了截割、支护在不同巷道同时作业的新途径;掘锚同步工艺,时间-空间多维同步快速掘进工艺打破了先掘后支、及时全部支护的传统,创立了掘锚同步、迎头必要支护与多维空间永久支护动态匹配的分区支护方法。在掘进装备方面,形成了以纵轴、全宽横轴截割滚筒为主,全断面截割滚筒为辅的截割滚筒结构形式,并且在高功率密度减速器及整机设计理念不断突破的基础上,成功研制纵轴截割功率达315 kW、全宽横轴截割功率达560 kW的系列高效截割系统。在锚护装备方面,由传统的单体锚杆钻机发展出锚杆钻机、一键操作流程化钻机、钻机集群等,在有限空间内钻机的数量和作业安全性得到大幅提升,作业流程得到大幅简化,锚孔识别、锚护路径自动规划等智能化技术已进入工业性试验阶段。柔性运输系统的发明解决了掘进面短距离高效转载难题。在成套装备配置上,形成了以连续采煤机、掘锚一体机、掘锚机(掘进机+机载锚杆钻机)、煤矿全断面掘进机为龙头的四大类快速掘进系统,在四大快速掘进系统下,又分别形成了不同的作业线,实现了对不同地质条件巷道快速掘进的全覆盖。掘进工程系统层级上实现了具有成套装备的远程控制、集中控制、视频监测、闭锁联动、人员接近预警等智能化功能。回顾快速掘进的发展历程,提出完善时间-空间多维同步快速掘进理论、以智能掘进搜集透明地质的基础大数据、加强掘进巷道辅助作业工艺及设备研究、加强装备的智能化核心技术研发等智能掘进的发展方向。

基于图像分析的TBM掘进参数与岩碴特征关系研究

岩碴图像分析是隧道掘进机(tunnelboringmechine,TBM)智能掘进中实时破岩效率评价和掘进参数优化的重要手段。为了研究掘进参数与岩碴图像特征的关系,依托青岛地铁6号线创石区间TBM施工段,在一段较完整花岗岩地层中开展了分步推力掘进试验,并通过搭载的岩碴图像分析系统对岩碴图像进行采集和分析。结果表明,岩碴图像的中位粒径d50、最大粒径dmax和粗糙度指数CI与推力、扭矩和贯入度之间均表现出正相关,与现场贯入指数FPI和工程比能SE之间均呈现出良好的负相关。当推力超过破岩临界值后,推力的提升将显著提高岩碴的d50和CI,而只有当推力进一步增大到一定水平后dmax才显著增大。此外,随着推力的提升,大岩片的二维形状逐渐呈现出长条形,其平均长短轴比也将增加,但是推力超过一定水平后,大岩片长短轴将保持不变。上述研究结果表明,岩碴粒径和形状参数均反映出破岩效率,可作为实时TBM掘进参数优化的评价指标。

基于VMD与加权RF的TBM掘进速度预测SHAP解释模型

为较准确地实现TBM掘进速度(PR)的预测,构建一套基于加权随机森林(RF)结合变分模态分解(VMD)的集成学习预测模型。模型建立过程中,通过收集来自KS隧洞与兰州水源地输水隧洞中涵盖不同岩性下的数据,利用VMD对数据进行4次模态分解,在保留数据特性的同时去除最高频噪音;采用SHAP对未加权传统RF从模型贡献角度进行特征度量,以此实现未加权传统RF加权,并使用RFECV与网格搜索对加权RF进行特征遴选、超参数优化;通过实际工程对模型的性能进行验证,基于SHAP理论对模型从全局与局部进行解释。结果表明:1)所建模型预测精度较高,其在测试集上的均方根误差(MSE)、平均绝对误差(MAE)与决定系数(R^(2))分别为0.0649(m/h)^(2)、0.1875 m/h、0.9254。2)在实际工程的验证中,模型取得了MSE=0.0503(m/h)^(2)、MAE=0.1613 m/h、R^(2)=0.9505的性能表现,精度理想,且性能均高于常用的深度神经网络、支持向量回归、未加权传统RF。3)经过VMD处理可有效提升PR的预测精度,处理后的模型在测试集上MSE、MAE、R^(2)分别提升了82.50%、59.00%、33.25%。4)岩石单轴抗压强度是精准预测PR时最重要的因素,地质参数在预测中的交互性明显优于掘进参数。预测分析重要洞段的PR时,需结合全局与局部2个角度进行综合分析。

煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用

分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题,介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备,包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统,将传统树脂锚固锚杆安装6道工序简化为1道连续工序,实现了锚杆自动化“一键”打设,单根锚杆作业时间由原来5~6 min减少为3 min。研发出自动化喷涂支护技术与装备,包括高强、速凝、抗变形喷涂护表材料,抗拉强度超过9 MPa,断裂伸长率超过100%,黏结强度高于3 MPa;研发出6自由度喷涂系统,可实现随掘自动化快速喷涂作业。研发出巷道随掘变形动态监测技术与系统,实现随掘大粉尘、多干扰、低照度环境下的巷道表面变形监测,监测精度能够满足围岩稳定性评价要求。提出煤巷掘支锚运分区并行协同快速掘进新模式,研制出钻锚一体化快速掘进成套装备。对试验矿井陕西陕煤曹家滩煤矿回采巷道掘进过程中围岩位移和稳定性进行了监测,在时间上,巷道掘出2~3 h后80%以上的围岩位移已经发生;在空间上,距离掘进工作面相当于2倍巷道宽度的位置,90%以上的围岩位移已经完成。快速掘进引起的巷道围岩位移在很短时间内就基本完成,要求支护必须及时且快速。在曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面特大断面回采巷道完成近6000 m的巷道掘进工程,打设钻锚一体化锚杆60000余根。锚杆施工时间、支护用工人数及作业人员劳动强度大幅降低,掘进速度、效率及自动化水平显著提高。试验巷道顶板位移量小、完整稳定,支护效果良好。煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备井下试验取得成功,具备了特大断面煤巷月掘进进尺1500~2000 m的能力。

考虑隧道掘进过程的新建隧道下穿既有隧道力学响应研究

为有效评估新建隧道下穿施工对既有隧道的影响,确保既有隧道运营安全,将既有隧道简化为放置在Pasternak地基模型上的Euler-Bernoulli梁,基于两阶段分析法提出新建隧道下穿施工引起既有隧道力学响应的计算方法。通过与现场监测和既有方法的结果进行对比,验证了本文方法的准确性。研究结果表明:当新建隧道开挖面位于既有隧道中点时,既有隧道差异沉降达到最大值,转角曲线关于既有隧道中心线对称;在新建隧道掘进过程中,既有隧道的最大正弯矩和最大负弯矩分别出现在既有隧道长度的2/5和3/5位置附近,最大负剪力出现在既有隧道中点处;当新建隧道开挖面到达既有隧道长度的1/4和3/4位置时既有隧道产生最大正剪力;随着隧道轴线夹角和相对弯曲刚度增大,既有隧道的内力显著增大;增大隧道竖向净距有利于控制既有隧道的力学响应。本文方法考虑了新建隧道掘进过程和新建隧道与既有隧道的不同相对位置,可为类似穿越工程风险防控提供理论依据。