第1章概述1
1.1烏海能源有限責任公司基本情況1
1.2掘進裝備研制發展概況4
1.2.1掘進裝備發展概述4
1.2.2懸臂式掘進機發展現狀5
1.2.3連續采煤機發展現狀6
1.2.4掘錨機發展現狀7
1.3掘進工藝發展及方法概況10
1.3.1巷道掘進工藝發展方向10
1.3.2掘進施工工藝技術現狀13
1.3.3掘進工藝的綜合評價15
1.4智能快掘繫統關鍵技術概況17
1.4.1掘進機智能化技術17
1.4.2快速掘進成套裝備的多機智能化聯控技術18
1.5烏海能源煤礦智能化建設21
1.5.1建設背景21
1.5.2具體做法22
1.5.3建設規劃23
1.5.4建設管理30
1.5.5運維管理31
1.5.6建設成效32
第2章烏海礦區地質條件33
2.1烏海礦產資源現狀33
2.1.1自然地理與社會經濟概況33
2.1.2礦產資源概況及特點33
2.1.3礦產資源勘查與開發利用現狀35
2.2烏海礦區礦產資源總體規劃與實施36
2.3烏海礦區發展形勢與生態要求37
2.4礦區高質量發展指導原則與規劃目標38
2.4.1指導思想38
2.4.2基本原則39
2.4.3規劃目標40
2.5礦產資源勘查與開發利用41
2.5.1勘查開發總體布局41
2.5.2資源勘查與開發利用42
2.6綠色礦山建設與地質環境治理46
2.6.1綠色礦山建設46
2.6.2礦山地質環境保護與治理47
起伏底板的窄機身掘錨一體機關鍵技術研發及應用第3章掘支錨運探一體式智能快掘成套裝備51
3.1智能快掘裝備簡介及工法特點51
3.1.1智能快掘裝備簡介51
3.1.2智能快掘工法特點52
3.1.3智能快掘成套裝備工作模式54
3.2掘支錨運探一體化作業平臺研究與應用57
3.2.1掘支錨運探一體化作業平臺組成57
3.2.2智能快掘成套裝備核心技術62
3.2.3智能快掘成套裝備繫統構成67
3.2.4智能快掘成套裝備性能與結構72
3.3掘支錨運探一體式智能快掘成套裝備相關參數73
3.3.1掘支錨運探一體機技術參數73
3.3.2參數77
3.4底板起伏工作面窄機身型掘錨機的智能化掘進保障關鍵技術80
3.4.1窄機身型掘支錨運探一體式成套裝備技術80
3.4.2底板起伏工作面掘支錨運探一體式成套裝備技術82
第4章繫統設計與分析85
4.1烏海能源掘進工作面鑽錨繫統設計85
4.1.1煤巷錨杆支護設計理論85
4.1.2煤巷錨杆支護材料91
4.1.3錨杆與注漿聯合加固98
4.1.4快速自主定位的掘進工作面錨鑽繫統102
4.2掘進工作面破碎頂板條件下全斷面臨時支護繫統設計107
4.2.1幫網與頂網107
4.2.2烏海能源全斷面臨時支護裝置研制總體方案107
4.2.3臨時支護裝置方案108
4.2.4臨時支護裝置運動分析108
4.2.5臨時支護裝置的液壓繫統111
4.3截割微震智能超前物探繫統114
4.3.1探測原理114
4.3.2微震超前物探繫統117
4.3.3物探繫統現場分析118
第5章機身姿態及自主截割控制繫統研發123
5.1組合導航繫統機身位姿監控123
5.1.1掘進機定位定姿技術研究123
5.1.2掘進機空間運動分析125
5.1.3定位繫統分析126
5.1.4定位繫統硬件分析128
5.1.5航位推算方法130
5.1.6試驗結果分析132
5.2多功能裝備自主行走糾偏閉環控制繫統137
5.2.1巷道環境建模研究137
5.2.2基於長短期記憶(LSTM)網絡的糾偏調向參數預訓練模型137
5.2.3基於遷移學習的糾偏調向參數預測模型141
5.2.4調向姿態分析142
5.3深度學習智能預測自主截割與調高最優化控制143
5.3.1多截割特征信號的測試與提取方法143
5.3.2自主截割硬件設備163
5.3.3自適應截割控制及試驗控制響應164
第6章掘進工作面粉塵、瓦斯智能監測與治理繫統166
6.1掘進工作面粉塵、瓦斯來源166
6.1.1粉塵來源166
6.1.2瓦斯來源168
6.2煤礦粉塵、瓦斯基本參數與測定 169
6.2.1粉塵基本特性169
6.2.2粉塵物性測定172
6.2.3瓦斯基本特性175
6.2.4瓦斯評價參數176
6.2.5突出煤層的合理采掘部署178
6.3掘進工作面礦塵影響因素與浮塵運動179
6.3.1影響產塵的主要因素179
6.3.2浮遊粉塵的運動狀況180
6.4掘進工作面防治粉塵、瓦斯相關技術181
6.4.1局部通風方式的確定181
6.4.2泡沫除塵工藝的確定183
6.5掘進工作面通風繫統的粉塵與瓦斯擴散研究185
6.5.1數值計算中瓦斯、粉塵的力學特性185
6.5.2基於CFD的掘進工作面粉塵與瓦斯耦合擴散研究188
6.5.3數值計算過程的參數設置192
6.5.4結果討論與分析195
6.6掘進工作面智能通風繫統研究199
6.6.1掘進巷道局部通風概況199
6.6.2掘進巷道通風控制方法200
6.6.3掘進工作面智能模糊通風控制繫統構成202
第7章應用及價值207
7.1創新點207
7.2智能化施工工藝實現208
7.3技術效益和社會效益209
參考文獻210

煤炭是我國的基礎能源。2020年12月21日，國務院新聞辦公室發布《新時代的中國能源發展》白皮書，指出煤炭仍是我國保障能源供應的基礎資源，明確提出推進煤炭安全智能綠色開發利用，努力建設集約、安全、高效、清潔的煤炭工業體繫。近年來，我國煤礦智能化技術研發取得了一繫列創新成果，初步形成具有我國煤炭資源賦存條件特色的智能化開采格局。煤炭工業智能化是在國家持續頒布政策和推進改革的時代背景下不斷發展的——國家發展改革委、國家能源局、應急管理部等聯合印發了《關於加快煤礦智能化發展的指導意見》，吹響了我國煤礦智能化建設的號角；“十三五”時期，煤炭工業全面落實能源安全新戰略，煤炭工業的智能化步伐持續加快，《能源技術創新“十三五”規劃》集中攻關類項目包括“掘支運一體化快速掘進繫統”；“十四五”時期，煤炭依然是我國能源的基石，煤炭工業仍需要堅定不移地開展智能化煤礦建設。習近平總書記多次指出，我們的國情還是以煤為主，在相當長一段時間內，甚至從長遠來講，還是以煤為主的格局，還要做好煤炭這篇文章。 烏海能源有限責任公司由原煤炭工業部直屬烏達礦務局、海勃灣礦務局發展而來，始建於1958年。烏海能源有限責任公司有著幾代煤礦人永不懈怠、艱苦奮鬥的精神血脈，有著60多年砥礪奮發、攻艱克難的賡續傳承。目前，烏海能源有限責任公司是國家能源投資集團有限責任公司的子公司，是一個集焦煤生產、洗選加工、瓦斯發電為一體的專業化煤炭生產企業，資源主要分布在內蒙古烏海、阿拉善、西鄂爾多斯三個地區，煤炭資源儲量為16.04億噸，其中91%為煉焦用煤，是特殊稀缺煤種；可采儲量為4.65億噸，是內蒙古*大的焦煤生產基地。 智能快速掘進技術滿足了煤炭安全高效生產的客觀需求，是解決采掘失衡問題的根本途徑。幾十年來，國內先後采用連續采煤機、掘錨一體機等先進掘進設備進行快速掘進，雖然實現了掘錨平行作業，但僅適用於地質條件較好的煤礦巷道，巷道掘進智能化依然是煤炭安全綠色高效開采的短板。烏海礦區地質構造復雜、煤層瓦斯含量高、安全風險大，在國內外復雜地質條件礦區中極具代表性，現有的快速掘進技術難以適用於烏海礦區巷道掘進作業。根據烏海礦區地質和瓦斯條件，掘錨一體化技術具有以下局限性：掘錨機組寬度大，隻能應用於較大斷面巷道且隻能掘進矩形斷面巷道；掘錨一體機體積大，不適用於底板起伏較大的巷道；掘錨一體機對頂板和底板的要求高；通風除塵工藝不適用於瓦斯礦井；掘錨一體化成套裝備無法實現全工作面設備的整體智能化。因此，迫切需要研發適應復雜地質條件、災害嚴重環境的智能快速掘進技術和裝備，同時還要考慮技術的可復制性和可推廣性。起伏底板的窄機身掘錨一體機關鍵技術研發及應用。 烏海能源有限責任公司始終胸懷“國之大者”，立足“雙碳”背景，以智能煤礦、綠色礦山建設推動企業轉型升級。本書全面總結了烏海能源有限責任公司在復雜地質構造和高瓦斯賦存條件下的智能快掘繫統理論和成套技術體繫的研發經驗。一是創新提出了成套設備功能模塊化設計，將作業平臺、機載、液壓等按照烏海礦區地質條件進行分離布置並完成繫統控制；二是突破了掘支錨運作業平臺、橋式轉載繫統、邁步式自移機尾和的多機協同控制技術難題，實現了截割、支護、錨護、運輸、物探、鑽探、運維等模塊的聯動；三是實現了智能錨護作業，能夠與截割作業同步，而且解決了現場作業中錨杆自動確定施工位置的難題；四是創新發展了一繫列智能掘進保障技術，包括掘進工作面自主截割技術、智能環境監測與治理技術、掘進導航技術、智能支護技術和可視化遠程集中控制技術。 烏海能源有限責任公司依托新工藝裝備實現“掘、支、錨、運、探”一體化智能快速掘進，乘著煤炭科技創新的東風，智能快速掘進裝備建設正加速朝著更安全、更快速、更智能的方向蓬勃發展。烏海能源有限責任公司“掘、支、錨、運、探一體式智能化掘進工作面關鍵技術及成套裝備研發”項目被確定為國家礦山安全監察局礦山安全生產科研攻關第一批煤礦項目。同時，特別感謝國家自然科學基金重點項目“刮板輸送機永磁串聯驅動輸送機理及多智能體繫統自主調控機制”（52234005），國家重點研發計劃課題“掘進工作面高精度智能感知與數字孿生繫統研究”（2020YFB1314001）、“面向衝擊地壓礦井防衝鑽孔機器人”子課題2“鑽進繫統運行狀態監測與全自主運行控制”（2020YFB1314202），國家自然科學基金面上項目“低照度環境下多路卷積神經網絡的煤岩界面多光譜識別”（52174144）、“堅硬煤層高壓注水預裂與截割協同開采及過程調控研究”（52174120）、“采煤機煤岩界面多傳感融合的偏好動態識別研究”（5177041303），國家自然科學基金聯合基金項目“基於雷達預探與截割反饋的采煤機煤岩界面精細化建模方法研究”（U1810119），國家自然科學基金青年科學基金項目“基於振動/聲發射多源特性分析與深度融合的截齒狀態識別”（51804151），以及山東省泰山學者培養資助項目（tsq201909113）對本書相關研究的支持。 由於作者水平有限，書中難免存在不足之處，懇請讀者批評指正。作者2024年1月