基于机器人化掘支锚联合机组的综掘巷道掘进工艺

摘要

本发明涉及了基于机器人化掘支锚联合机组的综掘巷道掘进工艺，采用自主式掘进机、自移式液压支架、支架运输车、机器人化钻锚车、转载机、皮带运输机装置；该工艺包括掘进机自主掘进、自移式液压支架自主临时支护、机器人化钻锚车自动钻孔与锚固、自动落煤与运煤、除尘作业工序。本发明最大的特点是采用智能化和自动化的掘进与支护设备，实现了掘进、临时支护和永久锚固的全自动化作业，同时掘进机自主掘进、机器人化钻锚车自动钻孔与锚固、自移式液压支架自主临时支护这三道工序是以两间断一连续的方式相互交叉并行作业，掘进效率相比以往提升约2.5倍，同时大大提高了掘进、临时支护和永久锚固作业的安全性。

说明书

本发明属于煤矿井下综掘巷道掘进工艺技术，尤其涉及基于机器人化掘支锚联合机组的综掘巷道掘进工艺。

背景技术

近年来，虽然我国煤巷掘进技术不断进步，但自动化程度依旧不高，掘进效率依旧很低。综掘法是近20～30年内迅速发展起来的一种先进的巷道掘进技术，其中掘进机集切割、装载及转运、降尘等功能于一体，具有生产效率高、掘进速度快、适应性强、调动灵活的优点，大大改善了劳动条件，因此普遍应用于各大煤矿的掘进施工中。但现有技术的掘进机多为人工驾驶和操控，造成了司机劳动强度大、视野窄、工人工作环境恶劣、劳动生产率低等问题，且施工质量、施工安全很大程度上依赖于人为因素，井下的伤亡人数仍较多。

目前，传统的综掘巷道的掘进施工工艺一般包括调动掏槽、截割煤层、落煤运煤、临时支护、钻孔铺网、永久锚固共计六部分工序。在传统综掘巷道掘进工艺中，掘进、临时支护、永久锚固作业为串行作业，各个工序之间一般不能协同进行且多为人工操作，故掘进效率很低，常出现掘支比例严重失调、采掘衔接紧张等问题，而且自动化程度很低，工人工作环境恶劣，有较大的施工危险性，事故率较高。

目前巷道临时支护的形式主要有六种：单体支柱+柱帽、单体支柱+铰接梁+板梁、悬吊式长钢梁前探梁、落地式自移临时支架、棚梁悬吊式自移支架、机载临时支护。前三种支护方式有着支护不及时、控顶能力弱、耗费工时长、自动化程度低、支护效果差的缺点，落地式自移临时支架和棚梁悬吊式自移支架虽然自动化程度较高，但在锚网铺设过程中往往还需要人力辅助，在支架移动和支护过程中也并不能做到全自动化作业，也需人力辅助，且撑顶完成的支架只是机械化的支护，并不能感知支护的可靠性。

山西潞安环保能源开发股份有限公司漳村煤矿的研究人员提出一种掘锚连续自动化快速掘进工艺(专利号CN103899319A)，该工艺将端头支架作为临时支护设备，而端头支架通常几何尺寸较大，架体笨重且前移困难，造成临时支护所用时间较长，效率较低。同时该工艺将永久支护以端头支架为界分为迎头支护和后支护两部分，利用锚杆钻机装置进行支护作业，其中，虽然后支护可以和掘进机掘进并行作业，但迎头支护和掘进机的掘进在时间会冲突，不能同时进行，所以并不能真正意义上实现掘进和永久支护的并行作业。此外，该工艺中掘进和支护设备自动化程度较低，掘进效率不高，施工人员面临的工作环境很危险。

针对上述缺点，提出基于机器人化掘支锚联合机组的综掘巷道掘进工艺，该工艺中掘进、永久锚固、临时支护三大工序采用两间断一连续的方式相互交叉并行作业，同时采用全自动化的掘进和支护设备，使得掘进效率提升约2.5倍，并且提高了施工的安全性。此外，采用无人化智能自主式掘进机进行自主掘进，采用自移式自主临时支护液压支架进行临时支护作业，采用机器人化钻锚车进行永久锚固作业，能真正实现掘进和永久支护的并行作业。机器人化钻锚车可自动将新的锚网铺设在支架运输车上的自移式液压支架的顶部，实现铺设支架顶部锚网的全自动化作业，同时撑顶完成的自移式液压支架可通过其顶部的感知装置自动感知支护的可靠性，大大提高了临时支护的安全性和可靠性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中掘进效率低、自动化程度低、工作安全性低的缺点，本发明提供了一种基于机器人化掘支锚联合机组的综掘巷道掘进工艺。

一种基于机器人化掘支锚联合机组的综掘巷道掘进工艺，其特征在于：采用自主式掘进机、自移式液压支架、支架运输车、机器人化钻锚车、转载机和皮带运输机，该工艺包括掘进机自主掘进、自移式液压支架临时支护、机器人化钻锚车自动钻孔与锚固、自动落煤与运煤、除尘作业工序，具体步骤如下：

步骤一、掘进机自主掘进：所述自主式掘进机自主进行掏槽、截割煤层作业；

步骤二、自移式液压支架临时支护：所述自主式掘进机自主掘进至一定距离后自动停止工作，所述支架运输车自动定位并移至最末端液压支架位置，所述最末端液压支架自行泄压、横向收缩，落于所述支架运输车上，后方的所述机器人化钻锚车自动将新的锚网铺设在所述支架运输车上的最末端液压支架顶部，载着所述最末端液压支架的支架运输车自动定位并前移至前端的待支护位置，之后所述最末端液压支架自行横向伸展并撑顶，完成撑顶的液压支架可通过顶部的传感装置自动感知支护的可靠性，支护完毕后所述支架运输车自动后移至所述自移式液压支架新的末端支架位置，至此完成所述自移式液压支架的临时支护工序；

步骤三、机器人化钻锚车自动钻孔与锚固：在所述支架运输车由最末端支架位置载着所述最末端液压支架前移时，所述机器人化钻锚车自动定位并前移至待锚固位置，自动进行钻锚孔、装锚固剂、装锚杆作业，之后自动进行钻机复位、调整位姿操作，最终所述机器人化钻锚车后退至适当位置，完成机器人化钻锚车自动钻孔与锚固工序；

步骤四、连续重复上述步骤一至三，同时，在所述掘进机自主掘进作业中，所述自主式掘进机的机载除尘风机持续运行，截割煤层的落煤经所述转载机自动运输至所述皮带运输机，实现所述自动落煤与运煤、除尘作业。

进一步地，该工艺将掘进工作区分为前端掘进区、临时支护区、永久锚固区；所述自主式掘进机所工作的区域即整个巷道的最前方，称之为前端掘进区；所述自移式液压支架所在的位置为临时支护区，所述临时支护区紧邻所述前端掘进区并位于所述前端掘进区后方；所述永久锚固区即所述机器人化钻锚车工作的区域，该区域已铺设永久支护的锚网或正在铺设锚网；随着掘进过程的推进，所述前端掘进区不断转化为所述临时支护区，所述临时支护区不断转化为所述永久锚固区。

进一步地，所述自移式液压支架可自动折叠后放置于所述支架运输车上并随之移动，而所述支架运输车与所述自主式掘进机配套使用，搭载所述液压支架可穿过所述自主式掘进机机体移至前端的待支护位置。

进一步地，所述掘进机自主掘进作业间断性进行，所述自移式液压支架临时支护作业连续性进行，所述机器人化钻锚车自动钻孔与锚固作业间断性进行，三道工序以两间断一连续的方式相互交叉并行作业。

进一步地，所述自主式掘进机为无人化智能自主式掘进机，所述自移式液压支架为自移式自主临时支护液压支架，所属支架运输车为自主定位与移动式支架运输车。

进一步地，所述无人化智能自主式掘进机能进行自主导航与定位、自主行走路径轨迹规划、自主机身位姿检测和自动纠偏、任意断面和复杂断面自主截割，用以实现掘进作业的全自动化。

进一步地，所述自移式自主临时支护液压支架和所述自主定位与移动式支架运输车配合，能进行自主定位和自行移动，可完成自行泄压和收缩、自行伸展和撑顶的动作，同时在自行撑顶后可通过安装于所述自移式液压支架顶部的传感装置自动感知支护的可靠性，用以实现临时支护作业的全自动化。

进一步地，所述机器人化钻锚车，可进行车身自主定位和自行移动，可进行锚孔自动定位、钻孔轨迹规划、自动铺锚网等作业，可自主完成钻锚孔、装锚固剂、装锚杆、钻机复位、调整位姿的全自动化钻锚作业，用以实现永久锚固作业的全自动化。

相比于以前的综掘巷道掘进工艺，本发明的有益效果是：

(1)本发明中，掘进机自主掘进作业间断性进行，自移式临时支护液压支架临时支护作业连续性进行，机器人化钻锚车自动钻孔与锚固作业间断性进行，三道工序以两间断一连续的方式相互交叉并行作业，同时采用了全自动化的掘进和支护设备，提升掘进效率约2.5倍。

(2)本发明采用无人化智能自主式掘进机进行自主掘进作业，该掘进机能进行自主导航与定位、自主行走路径轨迹规划、自主机身位姿检测和自动纠偏、任意断面和复杂断面自主截割，真正代替了传统的人工驾驶和操控掘进机的作业方式，更具智能化也更安全，节约了人力成本，同时截割质量更好，截割更高效。

(3)本发明采用自移式自主临时支护液压支架和配套的自主定位与移动式支架运输车，能进行自主定位和自行移动，可完成自行泄压和收缩、自行伸展和撑顶的动作，还采用机器人化钻锚车对落于支架运输车上的最末端液压支架进行自动铺设新锚网的作业，实现了临时支护作业的全自动化，使得临时支护的工作效率更高，智能化程度更高，也更安全。

(4)本发明采用的自移式自主临时支护液压支架的顶部安装有传感装置，利用该传感装置可自动感知撑顶完成后支护的可靠性，大大提高了临时支护的安全性和可靠性。

(5)本发明采用机器人化钻锚车，能进行车身自主定位和自行移动，可进行锚孔自动定位、钻孔轨迹规划、自动铺锚网等作业，可完成钻锚孔、装锚固剂、装锚杆、钻机复位、调整位姿的全自动化钻锚作业，代替了传统的人工锚固作业，大大节约了人力成本，降低了工作危险程度，同时更节省工作时间，效率更高。

附图说明

图1是本发明基于机器人化掘支锚联合机组的综掘巷道掘进工艺的设备布置示意图。

图2是本发明基于机器人化掘支锚联合机组的综掘巷道掘进工艺的工序图。

其中，图1中：

1：无人化智能自主式掘进机2：自移式自主临时支护液压支架

3：自主定位与移动式支架运输车4：转载机

5：机器人化钻锚车6：皮带运输机

7：传感装置8：前端掘进区

9：临时支护区10：永久锚固区

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。

在图1中，给出了基于机器人化掘支锚联合机组的综掘巷道掘进工艺的设备布置情况，由图可知，该工艺采用了无人化智能自主式掘进机1、自移式自主临时支护液压支架2、自主定位与移动式支架运输车3、转载机4、机器人化钻锚车5和皮带运输机6。整个掘进巷道可分为三个区：前端掘进区8、临时支护区9、永久锚固区10。其中，无人化智能自主式掘进机1截割掘进的区域即整个巷道的最前方，称之为前端掘进区8；自移式自主临时支护液压支架2所在的位置为临时支护区9，临时支护区9紧邻前端掘进区8，并位于前端掘进区8后方；永久锚固区10即机器人化钻锚车5工作的区域，该区域已铺设永久支护的锚网或正在铺设锚网；随着掘进过程的推进，前端掘进区8不断转化为临时支护区9，临时支护区9不断转化为永久锚固区10。

整个掘进工艺包括掘进机自主掘进、自移式液压支架临时支护、机器人化钻锚车自动钻孔与锚固、自动落煤与运煤、除尘作业工序，具体工作情况如下：

步骤一、掘进机自主掘进：无人化智能自主式掘进机1自主进行掏槽、截割煤层作业。

步骤二、自移式液压支架临时支护：无人化智能自主式掘进机1自主掘进至一定距离后自动停止工作，自主定位与移动式支架运输车3自动定位并移至最末端液压支架位置，最末端液压支架自行泄压、横向收缩，落于自主定位与移动式支架运输车上3，后方的机器人化钻锚车5自动将新的锚网铺设在自主定位与移动式支架运输车3上的自移式自主临时支护液压支架2顶部，载着最末端液压支架的自主定位与移动式支架运输车3自动定位并前移至前端的待支护位置，之后最末端液压支架自行横向伸展并撑顶，完成撑顶的最末端液压支架可通过顶部的传感装置7自动感知支护的可靠性，支护完毕后自主定位与移动式支架运输车3自动后移至新的末端支架位置，至此完成自移式液压支架临时支护工序。

步骤三、机器人化钻锚车自动钻孔与锚固：在自主定位与移动式支架运输车3由最末端液压支架位置载着最末端液压支架前移时，机器人化钻锚车5自动定位并前移至待锚固位置，自动进行钻锚孔、装锚固剂、装锚杆作业，之后自动进行钻机复位、调整位姿操作，最终机器人化钻锚车5后退至适当位置，完成机器人化钻锚车自动钻孔与锚固工序。

步骤四、连续重复上述步骤一至三，同时，在掘进机自主掘进作业过程中，无人化智能自主式掘进机1的机载除尘风机装置持续运行，截割煤层的落煤经转载机4自动运输至皮带运输机6，实现自动落煤与运煤、除尘作业。

该工艺中，自移式自主临时支护液压支架2自动折叠后可放置于自主定位与移动式支架运输车3上并随之移动，而自主定位与移动式支架运输车3与无人化智能自主式掘进机1配套使用，搭载自移式自主临时支护液压支架2可穿过无人化智能自主式掘进机1机体移至前端的待支护位置。

该工艺中，无人化智能自主式掘进机1能进行自主导航与定位、自主行走路径轨迹规划、自主机身位姿检测和自动纠偏、任意断面和复杂断面自主截割，实现掘进作业的全自动化。

该工艺中，自移式自主临时支护液压支架2和自主定位与移动式支架运输车3配合，能进行自主定位和自行移动，可完成自行泄压和收缩、自行伸展和撑顶的动作，同时在撑顶后可通过安装于自移式自主临时支护液压支架2顶部的传感装置自动感知支护的可靠性，实现临时支护作业的全自动化。

该工艺中，机器人化钻锚车5可进行车身自主定位和自行移动，可进行锚孔自动定位、钻孔轨迹规划、自动铺锚网等作业，可自主完成钻锚孔、装锚固剂、装锚杆、钻机复位、调整位姿的全自动化钻锚作业，实现永久锚固作业的全自动化。

在图2中，给出了基于机器人化掘支锚联合机组的综掘巷道掘进工艺的工序图。

在该工序图中，给出了各个小工序所用的时间(以分钟min为单位)，同时可从图中得知，自移式液压支架临时支护大致包括支架自动泄压、支架自动横向收缩、自动化铺锚网、支架运输车自行前移、支架自动横向伸展、支架自动撑顶、支架运输车自行后退工序。机器人化钻锚车自动钻孔与锚固大致包括钻锚车自主前移、自主钻锚孔、自主装锚固剂、自主装锚杆、钻机自主复位、自动调整位姿、钻锚车自行后退工序。

在该工序图中，掘进机自主掘进作业间断性进行，机器人化钻锚车自动钻孔与锚固作业间断性进行，虽然支架的泄压收缩、运输、伸展撑顶的过程是间断性进行的，但液压支架的临时支护是一直进行的，故自移式液压支架临时支护作业是连续性进行的。这三道工序是以两间断一连续的方式相互交叉并行作业，同时又采用了全自动化的掘进和支护设备，因此掘进效率大大提高，相比传统的掘进工艺，掘进效率提高了约2.5倍，同时掘进、临时支护和永久锚固作业的安全性也大大提高。