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小保当煤矿护盾式快速智能掘进如何在严酷环境下实现日进56米
矿山档案-026
矿山基本情况
矿山名称：小保当煤矿
所属公司：陕西小保当矿业有限公司
成立时间：2009年4月
项目区位：陕西省榆林市神木市西南部
项目指标：占地面积约220万平方公里，地质储量约49亿吨，可采储量约30亿吨，一号煤矿核定产能为2000万吨/年，二号煤矿核定产能为1300万吨/年。
图1 小保当煤矿鸟瞰图
主要建设内容
国家高度重视煤矿智能化发展，2020年2月25日国家发展改革委、国家能源局等八部委联合印发的《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了煤矿智能化的发展目标和主要任务，2021年6月5日国家能源局、国家矿山安全监察局研究制定的《煤矿智能化建设指南（2021年版）》，进一步强化了这一观点。
我国95%的煤矿采用井工开采方法，始终坚持“采掘并重，掘进先行”的方针。长期的煤炭开采实践使我们深刻认识到，煤矿智能化的核心就是要实现综采工作面和综掘工作面智能化。在煤炭人的共同努力下综采工作面智能化初见成效，而综掘工作面智能化严重滞后，导致“采掘失衡”，严重影响煤矿实现安全、高效、智能生产。
陕西小保当矿业公司以“高起点设计、高标准建设、高水平管理、高效能运作”的建设理念为指导，以“集群建设、统筹兼顾、协调一致，做到技术最先进、安全设施最完善、产能工效最领先、环境最友好、管理最集约，建设国家级现代化示范矿井，打造世界一流标杆煤炭企业”的建设目标为愿景，瞄准小保当煤矿大断面巷道掘进片帮与夹矸并存难题，剖析履带式掘锚成套装备应用效果不佳的原因，依据“安全、高效、绿色、智能”发展理念，集成掘进技术、机器人技术、人工智能技术、现代信息技术等，建立了国内首套EBH270D护盾式掘进机器人，对实现煤矿安全、高效、绿色、智能掘进具有极其重要的意义，加快了煤矿智能化建设。申请及授权专利15件，其中发明专利8件。针对小保当煤矿夹矸厚度大（0.8~2.1m）、硬度高（f5~f7）与片帮共存的快速智能掘进难题，首次提出了研发护盾式掘进机器人，其主要由截割机器人、临时支护机器人Ⅰ和Ⅱ、钻锚机器人、锚网运输机器人、运输与通风除尘系统和电液控平台等组成。
图2 小保当煤矿护盾式智能掘进系统
该研发成果解决了影响我国煤矿巷道掘进过程中的探、掘、支、锚、运、除尘等系列工艺过程中存在的关键技术难题，尤其是掘进工作面巷道断面尺寸大、夹矸与片帮并存的智能掘进难题，使掘进中各环节有序、高效、通畅的衔接，提升掘进装备的开机率、掘进效率，改善工作面迎头的安全性，净化井下环境等，大幅降低巷道支护成本，形成煤矿巷道智能掘进机器人系统和技术体系，提升了小保当公司的核心竞争力。
该成果是集截割机器人、临时支护机器人、钻锚机器人、锚网运输机器人等多机器人于一体的智能成套装备，解决了智能掘进机器人系统与巷道围岩的耦合关系、多任务多机器人的并行协同控制、精准定位定向和定形等难题，有效提升了煤矿掘进装备和工艺水平，最大限度的解放生产力，推动煤炭实现安全、高效、绿色、智能生产。
该成果配备了超前探测设备，具备巷道成形质量与三维地质模型融合功能，能够基于巷道掘进过程揭露信息进行掘进工作面地质信息三维建模功能，模型自动更新。具有精确自主定位、自主定向导航功能，实现了智能定形截割功能。
该成果通过综合降尘的方式确保工作面的除尘工作，包括净化水幕降尘、巷道冲洗降尘、掘进机器人内外喷雾降尘、泡沫除尘、除尘风机降尘、湿式打眼等降尘方法，除尘效果良好。
该项目的研究方法和成果在小保当1号煤矿成功应用，平均月掘进1050m，并创造了大断面巷道掘进单班支护45m、单日最高进尺56m的掘进记录，掘进速度充分满足小保当一号煤矿采掘接续，形成陕北矿区高效、快速、智能化掘进的示范；为研究适用于关中、黄陵等矿区地质条件的煤矿智能掘进机器人系统提供科学依据和实用技术。目前，该项目成果正在铜川、彬长矿业等煤炭企业推广应用，对于有效解决采掘失衡问题，推进陕煤集团快速掘进技术向纵深发展、全面提升陕煤智能掘进整体水平，具有极为广阔的推广应用价值。
图3 一号矿井智能掘进机器人系统地面远程测控系统展示
技术特点及先进性
根据掘进工艺及智能化掘进要求，研发了国内首套护盾式煤矿智能掘进机器人系统，该系统由截割机器人、临时支护机器人I和Ⅱ、钻锚机器人、锚网运输机器人、电液控平台以及运输通风除尘系统等组成。通过深入研究智能掘进系统关键部位运动学和动力学特性，保证了掘进系统设计的可靠性。提出了智能掘进多机器人协同控制方法和智能导航控制方法，构建了“本地+近程+远程”的控制系统架构，实现了“数据驱动+虚实同动”的智能掘进多机器人远程智能测控。主要技术创新包括：
1)提出了上下两层、前后两级的护盾式机体结构，克服了履带式掘进装备对复杂煤岩条件下的适应性难题，解决了临时支护、截割稳定性、平行作业等问题，实现了掘进机器人系统整机安全、可靠、高效运行。
2)建立了截割机器人与护盾式临时支护机器人之间的稳定性模型，研发了集成于护盾式临时支护机器人中的全宽横轴截割机器人，提高了截割的自适应性、稳定性和高效性。
3)提出了钻锚和锚网运输机器人并行协同控制方法，研发了集钻孔、锚固、护帮、运网、布网等功能于一体的钻锚和锚网运输机器人，提高了钻锚效率和可靠性。
4)构建了集“本地-近程-远程”控制的智能控制系统，研发了数字孪生驱动的远程虚拟测控系统，实现了掘进机器人系统自动截割、自主导航、多机协同与“人-机-环”安全预警。
图5 煤矿智能掘进机器人系统构成
图5 智能控制系统架构
图6 掘进机器人远程虚拟测控平台
本项目研究成果形成了大型煤矿智能掘进新理念，对研发新一代智能掘进机器人系统，全面提升大型煤矿掘进装备和工艺水平，最大限度的解放生产力，确保巷道掘进的“安全、高效、绿色、智能”具有极其重要的意义；同时，形成了一整套煤矿智能掘进机器人技术的自有知识产权，带来了显著的经济效益和社会效益。
智能化建设成效
该项目于2020年9月进行了现场工业性实验，通过了0.8~2.1m厚的夹矸严酷地质条件考验，日进尺突破56m，掘进工作面操作人员由18人减少到8人。经综合计算，应用后新增产值9436.7万元，新增利润4897.6万元，新增税收1226.8万元。大幅提升了巷道掘进效率，有效解决了片帮与夹矸并存复杂地质条件下的采掘失衡问题，确保了矿井安全、高效、智能生产。
护盾式掘进机器人主要社会价值包括：
1) 改善掘进工作面人员环境，降低工人劳动强度和减少掘进工作面人员，保证了掘进工作面操作人员的安全。
2) 解决智能快速掘进难题，培养了一批智能掘进人才，形成了榆北大断面智能快速掘进技术体系。
3) 响应国家煤矿智能化号召，引领煤矿智能掘进技术发展，对促进煤矿智能化掘进技术发展具有重要作用，社会意义巨大，符合国家煤矿智能化建设的要求。
4) 社会影响不断扩大，自发布以来得到社会各界的广泛关注和高度评价。
5) 知识产权成效显著。本项目现已申请及授权专利10余件，其中发明专利4件，发表学术论文10篇。
来源@全国煤矿智能化建设典型案例汇编（2023年）
环境经济、工业自动化、陕煤官网、智能矿山杂志、公开资料
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