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煤矿工作面掘进工艺的优化设计

摘要：近年来，我国对煤矿资源的需求不断增加，煤矿开采越来越多。煤矿

开采中的地质环境较为复杂，掘进支护技术在开采中起到关键作用。确保煤矿掘

进支护技术的稳定性和安全性在现代煤矿发展中极其重要。本文首先分析煤矿掘

进机控制系统的现状，其次探讨煤矿工作面掘进工艺的优化设计，可为类似工况

的掘进巷道支护提供参考。

关键词：掘进巷道；顶板；两帮；锚杆支护

引言

由于煤矿支护技术发展得比较迅速，主动支护取代了被动支护，从支护的形

式与理论上发生了不小的变革。中国许多矿井开始大力推进煤矿智能化建设，通

过智能化矿井建设，提升煤矿的核心竞争力，达到减员增效的目的。煤矿智能化

建设是一项复杂的工程，涉及许多方面。在煤矿开采过程中，掘进是面临的首要

任务。为此，实现智能化掘进对于煤矿安全高效开采具有十分重要的意义。由于

巷道的力学环境较为复杂，为了使支护结构方面的有关要求得到满足，就要优化

锚杆的支护方案。

1煤矿掘进机控制系统的现状

现阶段，部分企业已经将掘进机自动化控制系统应用，主要集中在掘进机运

动姿态控制及设备故障诊断等方面。但煤矿井下条件较为恶劣，工况极其复杂，

导致当前的掘进机控制系统不能满足需求，主要表现在以下几方面:①煤矿掘进

机控制系统主要依靠传统的单片机操作，逻辑处理能力相对较弱，对煤矿掘进效

率有较大影响;②如今应用的自动化掘进控制系统采集数据信息的能力较弱，在

掘进机运行过程中，仅能采集关键数据，缺少对电机温度等辅助数据的采集，导

致控制系统针对出现的问题难以进行及时报警;③掘进机主要在地面以下工作，

信号无法快速传输一直是影响掘进机自动控制系统高效应用的关键，导致远程控

制界面与掘进机的操控情况具有一定时差，不利于安全开采。由此可见，加强对

煤矿掘进机远程智能控制系统的研究是当前自动控制系统领域亟需完成的任务。

2煤矿工作面掘进工艺的优化设计

2.1导航定位子系统设计

在煤矿掘进远程智能控制系统的应用过程中，导航定位子系统是最重要的一

部分，主要作用是实现掘进机车的位。导航定位子系统主要基于截割头定位技术，

整个子系统包含激光物位仪、CPU、GPU、激光陀螺惯性导航、激光陀螺、加速器

等硬件设施，掘进机身定位系统主要由三维激光扫描仪和激光陀螺惯性导航融合

技术实现，三维激光扫描仪主要利用内置的激光雷达实现标靶的扫描，将采集的

数据信息发送给GPU处理，通过计算模拟构建三维扫描图形。在此过程中，掘进

机载传感器等将收集的位置信息传输到中控系统，从而形成断面自动截割模型。

2.2传感系统

传感系统由惯性导航系统、里程组合及视觉成像系统组成。惯性导航系统使

用高精度陀螺仪和加速度计，自主获取掘进机车身姿态方位信息，能够在煤矿巷

道内实时准确测量掘进机动态位置数据。a)惯性导航系统提供航向、横滚、俯仰

数据并上传至远程监控系统，通过组合激光测距传感器等传感设备，获取三维姿

态定位。b)惯性导航系统能够提供掘进机在前进方向和左右方向的状态变化，横

向和俯仰精度均为0.1°。c)惯性导航系统与传感网络技术相结合，完成掘进机

截割头轨迹模拟监控，并上传至操作台和地面监控中心，实时掌握掘进过程中设

备与工作面的各种参数信息。通过惯性导航系统、激光测距传感器及行走转速传

感器的传感网络技术结合，对掘进机姿态、行进距离及位置偏移进行监测，实现

机身位置纠偏、行走自主调直功能，累积进尺。通过在巷道内布置激光标靶，捕

获巷道掘进方向激光靶点。摄像仪实时拍摄机身后方激光标靶的图像，结合机身

姿态、方位等参数获取掘进机相对于巷道的偏移量。

2.3姿态自调整及防撞技术研究

掘进机截割工作会受到岩石的反作用，会使掘进机的位置发生改变，如果偏

移量过大，会影响掘进机的截割效率，进而无法完成截割。此外，截割臂的移动

整体形成一个弧形，导致岩石的截割面会形成一个球体形状，为了保障截割面的

平整，掘进机需要在截割过程中不断调整方向和位置，确保一个截割面上的进刀

深度一致。与此同时，在掘进机运行过程中，为了避免与周边岩石发生碰撞，需

要设置一个控制器，实时计算车身四个角的坐标信息，以此判断与巷道侧帮的距

离，当距离低于阈值时触发报警。而这几种情况均需要触发掘进机的姿态自调整

系统，进而确保开采效率和安全。

2.4软件系统

远程操作台主站和地面调度室分别安装掘进机远程监控系统软件，具备界面

控制、远程遥控、系统参数监测、巷道参数信息设置等功能。远程监