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煤矿智能化掘进关键技术研究

摘要：随着科学技术的发展，我国煤矿在挖掘中使用智能化技术目的是为了
实现掘进作业的智能、高效、安全、健康作业，以达到最终的无人/少人掘进。
但由于煤矿掘进作业工序工艺复杂，目前我国掘进智能化的发展远落后于回采工

作面的智能化。

关键词：煤矿；智能化；掘进技术

引言

掘进经历了人工掘进、炮掘、再到综掘的发展阶段，掘进的工艺不断提升，
需要的人工作业量不断减少，未来也必将走向无人化。而井下掘进环境恶劣，危
险性高，将工人从危险的一线解放出来，把危险的、困难的工作交给机器去干，
这也是智能化掘进的一个基本任务。加之现有的“采掘比例”失衡问题日益突出，

发展智能化快速掘进也是解决失衡问题的有效途径。

1智能掘进的概念

智能化掘进是通过构建多机协同控制系统，实现连续、快速、稳定、安全智
能化巷道掘锚运作业。掘进工作面的智能化建设基本任务应当包括:信息自动感
知、危险自主判识预警、设备自主运行、远程监视/干预。掘进工作面实现这些
功能需要得到相关软硬件设备、信息、感知等多级业务的支撑。通过对超前地质
信息、巷道环境信息、围岩的探测感知或监控监测(如水文、构造、瓦斯、压力、
粉尘、位置与航向、设备扭矩、电流、人机位置、)，收集可靠信息通过数据挖
掘、融合、分析、整合等方法，建立相关危险预警模型、自动控制模型、强制干
预模型、系统协同模型等数据模型算法，通过即时通讯技术、数字孪生技术、数
字边缘云技术，实现灾害危险信息性的评测预警，掘进支护运输设备的自主作业、
运行参数的自主优化、多级设备的协同运作、作业信息的动态传输、远程人员的

实时干预等。
2智能掘进关键技术

2.1超前探测

由于井下特殊的地理环境，及巷道掘进作业环境恶劣等的影响，造成掘进机
作业环境感知的困难，当前采用的地质探测技术为分段间歇性的静态探测，并没
有实现连续的动态探测，不能够做到针对地质异常体的动态精准探测，对于一些
突发状况仍然难以做到很好的应对。对此需要将超前地质预报感知融合进智能掘
进机系统，主要包括以下3个方面。(1)基于掘进头自震的地质超前探测系统，
通过收集来自掘进机截割头的震动波，检测出震动波波形，对波形进行分析，进
而反演出巷道掘进迎头前方的地质断层与破碎带等特殊地质情况，对前方的异常
体实现动态连续探测。（2）随钻型近距离瓦斯快速测定分析系统。通过开展不
同颗粒煤钻屑在不同吸附平衡压力下的解吸实验，研究不同颗粒煤钻屑的瓦斯解
吸规律，寻找合适的常压瓦斯解吸动力学表达式，构建利用煤钻屑瓦斯解吸规律
快速解算煤层瓦斯含量和瓦斯压力大小的数学方法，满足随钻随测的需要。(3)
超前地质探测数据集成分析及智能化反馈系统。利用基于掘进头自震的地质超前
探测系统实现深部煤巷掘进工作面地质异常体精准探测，并在此基础上结合随钻
煤与瓦斯突出快速测定分析系统，对巷道掘进前方的煤与瓦斯突出危险区进行超

前精准预测，基本满足智能掘进的探测感知需求。

2.2智能运输

带式输送机是智能掘进的关键设备，运输智能化首先要解决带式输送机和其
他设备协同工作问题。掘进机截割时的位移和掘进速度会产生变化，让输送机要
在无人化的条件下实现自移机尾和自动调速功能有很大的难度。其次是研究新型
的自动张紧技术。皮带在载荷变化时的瞬时变形会减少皮带的寿命，而现有的定
载张紧技术难以满足自动控制的需求。此外，一般皮带的工作距离都比较长，一
旦发生故障，人工排查费时费力，影响巷道的掘进计划，故智能化运输还应具有
自动保护和故障自诊断的功能。此外对于装载部分，一方面，由于截割物料需要
经过铲板转运至一运，二运再到带式输送机，因此也需要对这一结构进行优化。
并且需要能够对截割物料的大小、重量等进行评估，结合运输皮带自动张紧技术
实现对皮带载荷的有效判断。另一方面，需要实现锚杆网运输车的物联化接入，
在锚杆网需要补充时，实现智能提醒，并自动装载至杆/网运输车内。在输送监
控方面，目前，井下已基本实现了以单点传感器为主的带式输送机监控系统和以
变频调速电机为主的带式输送机智能调速技术，但其技术的应用仍然存在监测不
准确，自诊断能力弱、需要人工巡检等问题。因此需要开发以矿用带式输送机巡
检机器人为主的带式输送机的智能监控系统，通过机器视觉实现对带式输送机煤
量负荷、异物等检测，通过机器听觉实现对输送机异常震动的实时监测与诊断，

及时判定皮带开裂、托辊异常等问题。实现带式输送机的无人化值守。

3煤矿巷道智能快速掘进发展存在的问题

智能关键技术不成熟，掘进工序联合性较差，部分巷道掘进关键智能技术仅
停留在理论层面，缺乏实际应用案例。虽然我国对于悬臂式掘进机综掘技术的研
究已经有了起色，并相继推出了离机遥控、断面监测等研究成果，但设备故障检
测、智能截