近日，康紅普院士團(tuán)隊(duì)在《煤炭學(xué)報(bào)》2021年第7期發(fā)表了題為《掘進(jìn)工作面圍巖穩(wěn)定性分析及快速成巷技術(shù)途徑》的研究成果。

研究人員采用數(shù)值模擬方法研究了掘進(jìn)工作面圍巖應(yīng)力、變形、破壞分布特征，研究了圍巖地質(zhì)力學(xué)參數(shù)、掘進(jìn)與支護(hù)參數(shù)對(duì)掘進(jìn)工作面圍巖穩(wěn)定性的影響。分析了掘進(jìn)工作面圍巖穩(wěn)定性、煤巖可掘性、可鉆性、可錨性，指出巷道掘進(jìn)存在的問題，及提高煤巷掘進(jìn)速度的方法。最后，構(gòu)建了掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化總體技術(shù)架構(gòu)，分析了自動(dòng)化、智能化關(guān)鍵技術(shù)，提出我國煤礦自動(dòng)化、智能化掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展路徑。

近年來，我國煤礦智能化開采技術(shù)及智慧煤礦建設(shè)發(fā)展迅速 。掘進(jìn)是煤礦生產(chǎn)中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化水平也得到一定程度的提升。以下重點(diǎn)介紹《掘進(jìn)工作面圍巖穩(wěn)定性分析及快速成巷技術(shù)途徑》成果中對(duì)掘進(jìn)工作面自動(dòng)化、智能化關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展路徑的研究。

一、掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化總體架構(gòu)

掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化包括智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行3個(gè)要素。掘進(jìn)工作面智能感知涉及3個(gè)層面:

① 掘進(jìn)前進(jìn)行全面、系統(tǒng)的煤巖體地質(zhì)力學(xué)測(cè)試，在掘進(jìn)過程中進(jìn)行超前探測(cè)、隨掘探測(cè)、隨鉆測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)工作面及配套系統(tǒng)“人-機(jī)-環(huán)”信息的全面感知，在此基礎(chǔ)上建立掘進(jìn)工作面動(dòng)態(tài)地質(zhì)模型，作為基礎(chǔ)環(huán)境;

② 掘進(jìn)工作面環(huán)境的感知，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)頂板離層、巷道變形、圍巖應(yīng)力、錨桿錨索支護(hù)體受力及瓦斯、粉塵質(zhì)量濃度等，監(jiān)測(cè)作業(yè)環(huán)境動(dòng)態(tài)變化;

③ 設(shè)備感知，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)截割動(dòng)載、截割軌跡、錨桿錨索鉆機(jī)扭矩、推力等信息，記錄設(shè)備工況并進(jìn)行故障診斷，監(jiān)測(cè)設(shè)備的位置、姿態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的行走導(dǎo)航與各功能動(dòng)作定位感知。感知信息通過高網(wǎng)速傳輸系統(tǒng)傳送至智能掘進(jìn)自主決策平臺(tái)，通過該平臺(tái)進(jìn)行多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的格式統(tǒng)一、通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。

　　掘進(jìn)智能化總體架構(gòu)

基于感知層數(shù)據(jù)，獲得煤巷掘進(jìn)工作面圍巖穩(wěn)定性、可掘性、可鉆性、可錨性特征，掘進(jìn)工作面圍巖應(yīng)力場與位移場動(dòng)態(tài)演化規(guī)律，確定掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸?shù)葏f(xié)同平行作業(yè)模式與工藝。以上述數(shù)據(jù)為支撐，以下位傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)數(shù)據(jù)為依據(jù)，建立基于掘進(jìn)工作面動(dòng)靜載疊加作用下截割控制模型，臨時(shí)支護(hù)、永久支護(hù)與圍巖耦合控制模型，探、掘、支、運(yùn)等多機(jī)協(xié)同控制模型，進(jìn)行控制邏輯自主決策，為自動(dòng)執(zhí)行提供依據(jù)。

基于決策層控制邏輯，在執(zhí)行層進(jìn)行掘進(jìn)工作面各設(shè)備系統(tǒng)的導(dǎo)航定位、截割、支護(hù)、運(yùn)輸、通風(fēng)、降塵等動(dòng)作，動(dòng)作結(jié)果通過自主感知反饋至自主決策平臺(tái)，對(duì)巷道掘進(jìn)各工序作業(yè)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、決策，對(duì)各動(dòng)作進(jìn)行執(zhí)行與修正，形成閉環(huán)控制。

二、掘進(jìn)工作面自動(dòng)化、智能化關(guān)鍵技術(shù)

（一）自動(dòng)化、智能化截割技術(shù)

煤巷截割時(shí)間占總掘進(jìn)時(shí)間通常少于30%，截割過程僅需要一名掘進(jìn)機(jī)司機(jī)，截割不是影響掘進(jìn)智能化的主要制約因素。目前已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵啟停、地面遠(yuǎn)程視頻遙控等自動(dòng)化控制。要實(shí)現(xiàn)更高層次的自動(dòng)化、智能化，應(yīng)進(jìn)一步深入研究低擾動(dòng)截割、截割動(dòng)載識(shí)別與控制、截割軌跡自動(dòng)規(guī)劃等技術(shù)。

首先必須考慮巷道圍巖條件，開發(fā)低擾動(dòng)截割技術(shù)，通過優(yōu)化截齒結(jié)構(gòu)與布置方式，減少截割擾動(dòng)對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響。開展不同工況下截割實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，可建立1∶1比例相似模型，深入研究不同煤巖層條件下截割擾動(dòng)影響規(guī)律。開展井下現(xiàn)場原位截割測(cè)試研究，通過大量測(cè)試與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，獲得不同截割方式對(duì)掘進(jìn)工作面圍巖擾動(dòng)影響規(guī)律。

開發(fā)截割動(dòng)載荷識(shí)別技術(shù)與截割轉(zhuǎn)速交流變頻調(diào)速控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)不同工況下截割參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)，包括截割轉(zhuǎn)速、單刀力、牽引速度和截割深度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)速、扭矩與破巖效果匹配，提高截割對(duì)不同煤巖層條件的適應(yīng)性。

開發(fā)截割巖石動(dòng)載荷數(shù)據(jù)提取及識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)截割載荷信號(hào)的傳輸及特征提取，并配套研發(fā)大容量、高速采集、存貯及數(shù)據(jù)處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)載荷信息的實(shí)時(shí)分析，并建立各參數(shù)匹配關(guān)系，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場截割過程中自動(dòng)調(diào)整截割參數(shù)來適應(yīng)工況的變化。

截割軌跡的自動(dòng)規(guī)劃目前已開展大量的研究，應(yīng)進(jìn)一步在掘進(jìn)裝備運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，以掘進(jìn)裝備機(jī)身為測(cè)量基準(zhǔn)，在掘進(jìn)裝備導(dǎo)航定位基礎(chǔ)上，以慣性空間為基準(zhǔn)，配套相應(yīng)監(jiān)測(cè)技術(shù)，開發(fā)與掘進(jìn)工作面圍巖穩(wěn)定性相匹配的截割軌跡自動(dòng)規(guī)劃算法及控制技術(shù)。

（二）臨時(shí)支護(hù)技術(shù)

巷道掘進(jìn)后隨著應(yīng)力釋放，圍巖會(huì)出現(xiàn)離層、破壞，導(dǎo)致圍巖自穩(wěn)能力差，甚至發(fā)生冒頂、片幫。不同類別的巷道圍巖對(duì)臨時(shí)支護(hù)的需求不同。對(duì)于易冒頂、片幫的圍巖，臨時(shí)支護(hù)尤為重要。如前所述，現(xiàn)有的多數(shù)掘進(jìn)工作面臨時(shí)支護(hù)不能滿足快速掘進(jìn)的要求，需要探索新型臨時(shí)支護(hù)技術(shù)，保障掘進(jìn)工作面空頂、空幫范圍內(nèi)圍巖的穩(wěn)定性，為錨桿安裝提供較大的作業(yè)空間。臨時(shí)支護(hù)的發(fā)展主要有2個(gè)方向：

① 改進(jìn)現(xiàn)有臨時(shí)支護(hù)裝置，根據(jù)掘進(jìn)工作面圍巖條件開發(fā)與之相匹配的臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)及自適應(yīng)控制技術(shù)，提高對(duì)圍巖的適應(yīng)能力，減少對(duì)圍巖的反復(fù)支撐，提高臨時(shí)支護(hù)效果;

② 改變現(xiàn)有臨時(shí)支護(hù)方式，提出快速噴涂臨時(shí)支護(hù)技術(shù)，采用快速凝固噴涂材料，配套自動(dòng)化高效噴涂設(shè)備，在巷道表面形成高強(qiáng)度、高韌性護(hù)表噴層，起到臨時(shí)支護(hù)的作用，同時(shí)可防止煤巖體風(fēng)化，并替代金屬網(wǎng)。

（三）自動(dòng)化錨桿施工技術(shù)

目前廣泛采用的樹脂錨桿的安裝工藝流程如圖所示，包括:鋪聯(lián)網(wǎng)、安裝鋼帶等護(hù)表構(gòu)件、鉆孔、卸鉆桿、安裝錨固劑、安裝錨桿、攪拌錨固劑、擰緊螺母等多道工序。如前所述，由于工序復(fù)雜、自動(dòng)化水平低，占去了60%以上的時(shí)間與人員。因此要實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)，錨桿支護(hù)的自動(dòng)化、智能化是關(guān)鍵技術(shù)。

圍繞錨桿施工自動(dòng)化、智能化主要有2個(gè)方向，一是基于傳統(tǒng)錨桿施工工藝進(jìn)行自動(dòng)化改進(jìn)，例如中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院通過高壓氣體將樹脂錨固劑送入孔中，并研發(fā)了自動(dòng)鉆孔、輸送錨固劑、自動(dòng)安裝錨桿的臺(tái)車。景隆重工機(jī)械有限公司在錨桿前方安裝塑料套筒，將錨桿與錨固劑聯(lián)結(jié)為一體，通過錨桿將錨固劑送入孔中，研制出鉆孔、安裝錨固劑并預(yù)緊的自動(dòng)化錨桿臺(tái)車，設(shè)置專門的錨桿存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)。上述技術(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆孔、輸送錨固劑、安裝錨桿、攪拌及預(yù)緊的自動(dòng)作業(yè)，但沒有改變錨桿施工工藝，錨桿施工用時(shí)與人工相比并沒有縮短，且對(duì)塌孔、錨固劑入孔困難、因圍巖片落引起的錨桿外露超長等問題難以解決，抗干擾能力差。

錨桿自動(dòng)化施工的另一個(gè)方向是對(duì)傳統(tǒng)施工工藝進(jìn)行改變，開發(fā)出新型鉆錨一體化錨桿及配套施工工藝，以高強(qiáng)度無縫鋼管為桿體，前端鑲嵌一次性鉆頭，錨桿作為鉆桿在鉆箱帶動(dòng)下逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)打孔鉆進(jìn)，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)擰緊螺母進(jìn)行預(yù)緊。研發(fā)出新型觸變性錨注材料，由A，B兩組分組成，1∶1混合均勻后具有觸變性。該錨注材料通過原漿進(jìn)入錨桿尾部混合，自鉆頭流入鉆孔，充填錨桿與鉆孔間的環(huán)形空隙。停止泵送后，錨固劑觸變特性可使錨固劑克服重力作用不沿鉆孔流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)端錨至全長錨固任意長度錨固。

選用高扭矩、高轉(zhuǎn)速液壓馬達(dá)，實(shí)現(xiàn)了錨桿高扭矩預(yù)緊。該鉆錨一體化錨桿實(shí)現(xiàn)了鉆孔、注錨、預(yù)緊工序由同一機(jī)構(gòu)完成，避免了施工機(jī)具的反復(fù)切換，同時(shí)節(jié)省了拆卸鉆桿的時(shí)間，施工效率明顯提高?？朔怂?、錨固劑難以輸送、圍巖片落引起的錨桿外露超長等問題導(dǎo)致錨桿安裝失敗?；阢@錨一體化錨桿施工工藝，開發(fā)出“一鍵打錨桿”控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了錨桿自動(dòng)化快速施工。井下試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:單根錨桿施工時(shí)間不超過2 min，施工速度提高1倍。

（四）超前探測(cè)技術(shù)

掘進(jìn)工作面探測(cè)是巷道掘進(jìn)必要的安全保障，目前主要采用物探、鉆探結(jié)合的方法。物探主要采用槽波、地震波對(duì)掘進(jìn)構(gòu)造進(jìn)行超前探測(cè)，采用瞬變電磁進(jìn)行超前探水，物探需要停止掘進(jìn)作業(yè)，布設(shè)信號(hào)發(fā)射、接收裝置，影響正常掘進(jìn)。由于掘進(jìn)工作面空間有限信號(hào)收發(fā)裝置無法按照理想條件布設(shè)，一定程度上影響了物探的精度。另外，還開發(fā)了基于掘進(jìn)機(jī)隨掘震源的巷道前方構(gòu)造探測(cè)技術(shù)，以掘進(jìn)機(jī)切割煤壁和巖石時(shí)產(chǎn)生的地震波作為震源，通過連續(xù)采集地震波并從中尋找反射波實(shí)現(xiàn)巷道超前探測(cè)。鉆探是最可靠的超前探測(cè)手段，隨著掘進(jìn)裝備集成化程度提高，整機(jī)裝備體積增大，鉆探與掘進(jìn)裝備換位困難，超前鉆探逐步成為影響巷道快速掘進(jìn)的重要因素。為實(shí)現(xiàn)便捷的超前鉆探，研發(fā)了掘探一體化的裝備，包括基于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的掘探裝備、基于掘錨一體機(jī)的掘探裝備，通過將超前液壓鉆機(jī)集成于掘進(jìn)機(jī)、掘錨一體機(jī)上避免了掘探換位作業(yè)。

為了解決隨掘隨探存在的問題，中煤科工西安研究院提出區(qū)域探測(cè)技術(shù)方案，在掘進(jìn)前利用千米定向鉆機(jī)一次性完成整條巷道的鉆探，通過鉆孔物探一次性完成擬開掘巷道周圍區(qū)域的物探，并開發(fā)出物探與鉆探相結(jié)合的綜合探測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“探測(cè)先行、掘探分離”，消除了超前探測(cè)對(duì)掘進(jìn)的影響。

（五）定位與導(dǎo)航技術(shù)

定位與導(dǎo)航技術(shù)是掘進(jìn)工作面裝備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的重要技術(shù)，包括掘進(jìn)裝備行走的定位導(dǎo)航和錨桿支護(hù)的定位等。

掘進(jìn)裝備行走定位導(dǎo)航現(xiàn)有陀螺慣導(dǎo)、激光指引、全站儀測(cè)量、超寬帶定位等單一導(dǎo)航設(shè)備和方法，難以滿足強(qiáng)振動(dòng)、高濕度等掘進(jìn)工作面環(huán)境工況。定位導(dǎo)航有2個(gè)發(fā)展趨勢(shì):① 提高現(xiàn)有導(dǎo)航技術(shù)的精度，② 采用多傳感器測(cè)試、數(shù)據(jù)融合方法與技術(shù)，將具有不同特點(diǎn)多種導(dǎo)航傳感器、位姿檢測(cè)方法進(jìn)行組合，充分發(fā)揮各自特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)高效、精確導(dǎo)航。組合導(dǎo)航技術(shù)包括:超聲波和慣性導(dǎo)航組合、機(jī)器視覺和慣性導(dǎo)航組合、激光標(biāo)靶和傾角傳感器的組合、全站儀與慣性導(dǎo)航組合等多種方式。另外掘進(jìn)行走的定位還應(yīng)根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)成型的巷道為基準(zhǔn)，進(jìn)行相對(duì)定位，在掘進(jìn)裝備前方和兩側(cè)布設(shè)測(cè)距雷達(dá)，計(jì)算掘進(jìn)裝備與煤壁距離，判斷掘進(jìn)裝備的位置和角度偏差。

錨桿支護(hù)定位目前有多種方式，首先可根據(jù)錨桿設(shè)計(jì)間排距進(jìn)行定位。以掘錨一體機(jī)為例，掘進(jìn)裝備按固定排距行走，錨桿鉆臂與掘進(jìn)裝備保持同步，通過示教技術(shù)，錨桿鉆臂按錨桿間排距以示教路徑進(jìn)行定位施工錨桿。錨桿支護(hù)還可采用基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)定位，例如以已支護(hù)完成的錨桿托板為目標(biāo)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測(cè)，采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)錨桿托板進(jìn)行特征提取，根據(jù)所提取到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)特征對(duì)目標(biāo)的坐標(biāo)和大小等信息進(jìn)行回歸預(yù)測(cè)，根據(jù)已支護(hù)錨桿托板的位置坐標(biāo)，來判定下一個(gè)循環(huán)錨桿安裝位置。在井下巷道中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)局部漏頂、片幫情況，應(yīng)以冒頂、片幫后的煤巖表面為基準(zhǔn)，否則達(dá)不到預(yù)期的鉆孔深度，這就要求錨桿鉆機(jī)能實(shí)時(shí)根據(jù)工況調(diào)整鉆進(jìn)深度?？赏ㄟ^基于視覺傳感的錨桿支護(hù)實(shí)時(shí)位姿解算，對(duì)漏頂、片幫不同畸變特征圖像進(jìn)行檢測(cè)，判斷漏頂、片幫深度，從而實(shí)時(shí)調(diào)整錨桿鉆機(jī)的作業(yè)位姿補(bǔ)償量，及時(shí)補(bǔ)償現(xiàn)場工況改變?cè)斐傻闹ёo(hù)參數(shù)變化，提高錨桿支護(hù)定位的準(zhǔn)確性。

（六）圍巖穩(wěn)定性與環(huán)境監(jiān)測(cè)及大數(shù)據(jù)分析

掘進(jìn)工作面及巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)可為掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化提供重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。掘進(jìn)工作面周圍瓦斯、粉塵質(zhì)量濃度、溫度等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，是保障巷道安全的必要條件。

圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括圍巖應(yīng)力、位移、離層、破壞監(jiān)測(cè)，支護(hù)體受力、變形、破壞監(jiān)測(cè)。現(xiàn)有圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)技術(shù)主要存在3個(gè)問題:

① 通過在巷道中布置測(cè)站進(jìn)行某一斷面的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)固定，代表性差，難以反映全長巷道圍巖的穩(wěn)定性;

② 監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性差，監(jiān)測(cè)頻率低，監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)少，例如巷道表面位移監(jiān)測(cè)十字布點(diǎn)法只能反映頂、底、兩幫4個(gè)特征點(diǎn)變化數(shù)據(jù)，無法滿足巷道全斷面監(jiān)測(cè)的需求;

③ 監(jiān)測(cè)多集中在巷道永久支護(hù)段，監(jiān)測(cè)儀器多需要打孔安裝，施工繁瑣，缺少可供掘進(jìn)設(shè)備搭載的隨掘監(jiān)測(cè)技術(shù)，無法反映掘進(jìn)工作面圍巖穩(wěn)定性隨掘變化規(guī)律。

隨著計(jì)算機(jī)圖像識(shí)別與處理技術(shù)的發(fā)展，激光掃描測(cè)量技術(shù)與視覺測(cè)量技術(shù)等非接觸式測(cè)量方法可應(yīng)用于巷道圍巖變形監(jiān)測(cè)。巷道表面三維激光掃描點(diǎn)云分布，精度達(dá)到毫米級(jí)，能夠滿足巷道變形監(jiān)測(cè)的需求。另外探索研發(fā)了隨掘關(guān)鍵特征點(diǎn)雙目視覺監(jiān)測(cè)技術(shù)，隨掘過程中每隔一定排距在巷道頂板和兩幫布置若干反光輔助特征點(diǎn)，掘進(jìn)設(shè)備上安裝立體視覺相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)特征點(diǎn)之間的相對(duì)距離，可實(shí)現(xiàn)兩幫和頂板相對(duì)變形量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，用于判斷頂板的相對(duì)下沉量，并可根據(jù)該數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)反饋，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面支護(hù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整。

　　巷道三維激光掃描點(diǎn)云分布

由于圍巖條件的復(fù)雜性、多變性，單一監(jiān)測(cè)很難客觀評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性。采用多傳感器、多信息融合技術(shù)才能對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行全面、系統(tǒng)、可靠的評(píng)價(jià)。同時(shí)基于大量井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立掘進(jìn)工作面及全長巷道圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫，開發(fā)圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)云平臺(tái)，通過大數(shù)據(jù)分析實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)計(jì)的合理性，為自動(dòng)化、智能化掘進(jìn)與支護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

巷道掘進(jìn)過程中會(huì)涌出瓦斯、產(chǎn)生粉塵，影響掘進(jìn)工作面的安全和礦工職業(yè)健康，特別是對(duì)于高瓦斯煤層，瓦斯還顯著影響巷道掘進(jìn)速度。應(yīng)研究不同圍巖條件、不同截割方式下掘進(jìn)工作面瓦斯、粉塵質(zhì)量濃度隨掘進(jìn)的變化規(guī)律，建立通風(fēng)量、瓦斯體積分?jǐn)?shù)、粉塵質(zhì)量濃度、粉塵顆粒分布等各參量之間的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)模型，實(shí)時(shí)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，快速、準(zhǔn)確識(shí)別掘進(jìn)工作面周圍瓦斯、粉塵分布情況，實(shí)現(xiàn)隨掘過程中瓦斯、粉塵等工作面環(huán)境參數(shù)的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

三、煤巷自動(dòng)化、智能化掘進(jìn)技術(shù)發(fā)展路徑

我國煤礦巷道圍巖地質(zhì)條件千差萬別、復(fù)雜多變，掘進(jìn)技術(shù)與裝備發(fā)展很不均衡，發(fā)展掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化技術(shù)不能“一刀切”，應(yīng)根據(jù)前述的圍巖穩(wěn)定性、可掘性、可鉆性、可錨性等條件，結(jié)合煤礦的具體情況，分條件、分類別、分區(qū)域、分步驟實(shí)施。

對(duì)于鄂爾多斯、陜北等礦區(qū)非常穩(wěn)定(Ⅰ類)、穩(wěn)定(Ⅱ類)圍巖條件，目前多數(shù)大型礦井的掘進(jìn)已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，開始向智能化邁進(jìn)。有些煤礦的掘進(jìn)速度已達(dá)到1 500~2 000 m/月，但掘進(jìn)工作面用人較多。

① 應(yīng)重點(diǎn)攻關(guān)錨桿、錨索自動(dòng)化施工技術(shù)，顯著減少用人、提高支護(hù)效率;同時(shí)，提升掘進(jìn)定位導(dǎo)航技術(shù)、自動(dòng)截割技術(shù)、多機(jī)協(xié)同控制技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)自動(dòng)化;

② 應(yīng)突破智能感知、智能決策、自動(dòng)執(zhí)行的技術(shù)瓶頸，在掘進(jìn)工作面環(huán)境、圍巖穩(wěn)定性、裝備工況、全時(shí)空巷道礦壓監(jiān)測(cè)與感知及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立掘進(jìn)與支護(hù)控制模型，提出相應(yīng)的算法和決策模型，形成以大數(shù)據(jù)支撐的動(dòng)態(tài)化、信息化、智能化快速掘進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)快速、少人、高效。

對(duì)于我國大部分巷道圍巖條件(一般Ⅲ類、不穩(wěn)定Ⅳ類)，目前多數(shù)煤礦實(shí)現(xiàn)了截煤機(jī)械化，部分達(dá)到自動(dòng)化程度，但支護(hù)主要依靠人工。此類條件需要經(jīng)歷全部機(jī)械化、自動(dòng)化到智能化的發(fā)展過程。

① 需重點(diǎn)解決人工支護(hù)的問題，研發(fā)新型機(jī)械化、自動(dòng)化臨時(shí)支護(hù)技術(shù)，錨桿與錨索機(jī)械化、自動(dòng)化施工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)支護(hù)與永久支護(hù)的快速施工;

② 構(gòu)建掘支一體化系統(tǒng)，提升掘進(jìn)與支護(hù)平行作業(yè)能力。開發(fā)適用的掘錨一體機(jī)，降低截割擾動(dòng)，增強(qiáng)過地質(zhì)構(gòu)造的能力，掘進(jìn)全過程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化;

③ 開發(fā)掘進(jìn)環(huán)境、圍巖穩(wěn)定性、裝備工況、支護(hù)狀況感知系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，根據(jù)Ⅲ類、Ⅳ類圍巖特點(diǎn)提出掘進(jìn)與支護(hù)控制模型、決策模型，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)的動(dòng)態(tài)化、信息化施工，逐步提升智能化水平。

對(duì)于圍巖穩(wěn)定性非常差(Ⅴ類)的巷道條件：

① 應(yīng)開展掘進(jìn)工作面地質(zhì)構(gòu)造超前探測(cè)技術(shù)研究，超前支護(hù)與加固技術(shù)、材料及裝備研發(fā)，如超前深孔注漿技術(shù)、先卸壓后掘進(jìn)技術(shù)等，提高巷道圍巖的可掘性;

② 開展低擾動(dòng)截割技術(shù)研究，開發(fā)鉆錨注一體化錨桿、錨索自動(dòng)化施工技術(shù)，提高掘進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)械化、自動(dòng)化水平;

③ 開展掘進(jìn)各工序的自動(dòng)化控制，掘進(jìn)環(huán)境、圍巖穩(wěn)定性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，信息反饋、控制、執(zhí)行等技術(shù)研究，不斷提升掘進(jìn)自動(dòng)化、智能化水平。