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项目简介
 一、立项依据
1.1 国内外发展现状及趋势
  煤炭是我国的主体能源,2012年采出煤炭36.6亿吨,开采深度大于500米的矿井占40%,已有40多个矿井的开采深度超过千米。深部煤层的瓦斯爆炸及岩层垮塌、突水等地质灾害发生率高、偶然性强,对采掘矿工生命安全威胁极大,采掘过程中伤亡事故频发,2002年以来全国煤矿事故死亡约70%发生在采掘作业区。与国外相比,我国井下采掘装备智能化程度不高,导致我国煤矿开采灾害多、用人多、伤亡多、效率低。
  采煤机、掘进机、液压支架是深部煤层采掘装备必须的“两机一架”。目前我国无人化采掘装备基础研究滞后,难以适应深部危险煤层无人化开采的需求,主要表现为:1)煤岩破碎效率低、围岩垮塌多。2)整机可靠性低、运行故障多。3)自动化水平低、操作人员多。目前,我国采掘机械的基础研究薄弱,设计理论落后,关键技术有待突破。到2020年,我国预计年产煤炭42亿吨,深度超过500米的深采煤层将占到60%,煤矿开采百万吨死亡率要降至0.1以下,届时全国煤矿综采机械化将达到85%,其中部分煤矿将要实现无人化采掘作业,迫切需要深部危险煤层的无人采掘装备技术。
  迄今,国内外尚无针对无人采掘装备的系统研究,少数研究机构运用计算机技术、控制技术、信息处理技术在提高采掘装备的自动化水平方面开展了研究和试验工作。加拿大英柯公司开展了采掘装备与环境适应性分析、矿井通信技术、设备导航定位以及机器人回采等相关技术;美国卡内基梅隆大学将导航技术应用到采煤机监测,实现地下采煤机的实时自动定位;科罗拉多大学研究了井下矿石爆堆的体视成像模型;澳大利亚联邦科学和工业研究组织开展了用于矿山采掘及装运作业的复杂传感系统和高级遥控系统的研究。中国矿业大学研究了采煤机与掘进机的远程遥控技术。由于煤田的地质构造复杂、煤层自然赋存条件复杂多变,采掘装备工况适应性能、感知与调控能力差,这些技术在煤矿工作面的实际使用效果远未达到无人化采掘的技术水平。因此,迫切需要解决无人采掘装备的任务适应性、机械可靠性、测控精准性的基础瓶颈问题。

1.2 本项目研究目的和科学意义
  本项目研究无人采掘装备的关键基础问题,将促进深部煤层开采作业无人化和智能化,不仅提高开采效率而且可使矿工远离危险、恶劣的作业环境,从繁重的体力劳动中解放出来,从而避免矿工伤亡和健康损害,达到“无人则安、减灾提效”的安全高效开采目标,对煤炭行业技术跨越和学科发展具有重要的创新作用。
  无人采掘是指煤矿井下采掘装备在不需要人工直接干预情况下,通过采掘环境的智能感知、按照规定的程序进行自动化采掘作业。我国煤炭产量的显著增长、更为困难的地质条件、日益强化的安全意识均对无人采掘装备技术提出了迫切需求,具体体现为“三高”:高效截割及安全支护机具、高可靠机械结构及传动机构、高智能采掘作业感知与调控技术。因此,本项目的研究目的是通过开展深部煤层无人采掘装备的关键基础理论研究,使我国抢占该领域的先机和制高点,其重要意义在于:
  首先,实现世界煤炭开采领域久攻未破的井下无人采掘技术突破。通过本项目系统、深入的研究,形成无人采掘装备核心关键技术的自主研发能力,将为破解煤炭安全高效开采的无人化技术难题奠定重要基础。通过无人采掘装备的推广应用,将大幅度降低井下矿工的伤亡风险,改变我国煤矿事故死亡居高不下的被动局面。 
  其次,有力促进我国采掘装备设计、先进采矿科学、复杂性控制理论的学科发展。通过本项目的研究,将使我国采掘装备可靠性设计水平得到大幅度提高,取得煤岩截割、围岩支护、渐变可靠性设计、高效传动、智能测控等相关理论的新突破,为我国抢占国际高端采掘装备制造的制高点提供关键的基础支撑。

1.3 本项目面向的国家需求 
  煤炭开采仍然是支撑我国经济社会持续发展的能源需求的必然选择,随着煤炭能源开采深度不断增加,保障深部危险煤层的安全高效开采将是我国的重大需求。因此,本项目研究深部危险煤层的无人化采掘技术,将为我国煤炭安全高效开采奠定关键基础,并为自主设计制造出适应深部煤层开采的无人采掘装备提供理论和技术支撑。 
  实现深部煤层无人采掘是国际煤炭开采领域共同追求的前沿技术,也是解决我国深部煤炭开采安全高效问题的技术跨越。我国明确提出深部井下无人采掘技术的未来发展目标,明确提出要“重点研究煤岩界面自动识别技术、基于三维定位的远程控制技术,适用于硬质煤岩截割的快速采掘技术,从而实现采掘工作面自动化与无人化。” 
  本项目的研究成果将为我国亟需的深部危险煤层无人采掘装备设计制造提供科学理论和关键技术支撑,形成无人采掘装备自主创新能力,为我国抢占无人采掘装备技术的国际领先地位奠定坚实理论基础,培养一批具有创新能力的学术带头人和青年骨干。


二、关键科学问题及研究内容
2.1 拟解决的关键科学问题 
  针对深部危险煤层无人采掘装备所面临的技术难题和科学难题,本项目重点开展以下基础科学问题的研究,为煤矿无人采掘装备设计和制造提供科学理论支撑。 
  (一)深部煤层机械-煤岩耦合作用及自适应控制:针对无人采掘装备的任务适应性所面临的煤岩截割和支护缺少自适应理论的缺陷问题,揭示煤岩破碎机理及其与截割任务适应性规律,建立煤岩截割和围岩支护的自适应理论及机构创成原理,为提高无人采掘装备对复杂煤岩的自主适应性、实现高效截割和安全支护创造基础。
  (二)无人采掘装备可靠高效动力自适应传控方法:针对无人采掘装备的动力传动可靠性所面临的理论缺失问题,构建恶劣工况下无人采掘装备的动态可靠性知识库,创成动力传递部件的减摩润滑、抗磨新原理;建立重载、强振的工况自适应的机电液复合传动设计理论,创成大功率高效机电液复合短程自适应传动新机构。
  (三)无人采掘装备状态在线精准测控原理及方法:针对无人采掘装备的测控精准性所面临的在线智能测控原理缺位问题,揭示非均匀煤岩性状突变识别特征,提出截割过程中煤岩在线自动识别原理及方法,创成无人采掘装备作业状态的在线精准感知原理,建立采掘装备定向和纠偏的自学习、自适应、自调控的理论和方法。

2.2 主要研究内容
  围绕上述需要解决的关键科学问题,重点开展以下六个方面的研究工作。
  (一)深部煤岩自适应高效截割原理及新型截割机构创成:通过实验室模型试验和现场测试,揭示机械截割机具与煤岩的冲击作用力学行为,研究建立煤岩截割力学方程;通过试验揭示不同构形截齿和拓扑组合的致裂敏感性及其能效变化规律,从而提出适应煤岩硬度变化的煤岩高效截割机具创新设计理论,据此创新设计直径2米、截割硬度达到120MPa的新型高效煤岩截割滚筒,实现低功耗(截割比能耗<0.4度/吨)、低磨损(截齿损耗量<10把/万吨);研究煤岩截割自适应调控方法,开展原型机的实验室和煤矿现场适用性验证和评估。
  (二)深部围岩自适应支护原理及新型支护机构创成:研制液压支架与围岩动态作用监测系统,研究并揭示动态支护循环过程中的液压支架载荷状态及其变化规律;创建液压支架结构稳定性模型,研究不同构形液压支架的承压稳定性及其移步敏捷性,提出液压支架自主稳定性控制原理;建立液压支架的围岩-支柱-液体动力耦合仿真模型,构建冲击围岩自适应支护设备动态设计理论,掌握深部围岩强冲击作用下支护设备的自适应调控方法;集成这些研究成果,创新设计制造支护高度>6米、支撑载荷>15000kN的自适应液压支架。
  (三)无人采掘装备动力传递部件渐变可靠性设计:针对采掘装备失效率较高的截齿、摇臂、齿轮、轴承、密封、油泵、马达等动力传递关键部件,建立相关模拟试验台架,研究渐变失效机理及可靠性设计方法;研究并揭示恶劣环境下金属零件的磨损机理,创成抗磨寿命延长1倍的减磨润滑新原理和新材料;构建无人采掘装备动态可靠性模型及知识库,创成关键零部件润滑状态在线监测与自修复的新方法,建立无人采掘装备疲劳设计方法,开展无人采掘装备原型机的可靠性预估与协调优化,应用这些研究成果实现无人采掘装备整机可靠度达到0.95的国际领先水平。
  (四)重载高效动力传递新原理及自适应控制方法:针对采掘装备齿轮传动处于强冲击、变载荷、大功率的特殊工况,建立齿轮传动失效试验方法,研究探索变载荷、强冲击作用下机电液复合传动原理及其设计理论;创制100kW新型高效机电液集成短程传动试验样机,开展全尺度、满负荷传动性能试验;研究并提出与采掘工况自适应的齿轮传动控制方法,建立适合大功率、强冲击的无人采掘装备机电液高效可靠传动设计理论体系,实现大功率高效机电液短程传动系统创新设计;在此基础上创成300kW的机电液集成短程传动机构,应用于无人采掘装备原型机。
  (五)煤岩性状在线识别与采掘状态感知原理及方法:研究井下恶劣环境下煤岩界面快速、精准识别原理及方法,取得采掘过程中煤岩界面在线辨别技术的实质性突破,煤岩分辨误差小于10%,识别响应速度小于0.5秒;研究采掘机械与煤层环境的作用信息提取原理及精准辨识方法,获取自主采掘调控的可靠感知信息知识;建立采掘装备空间定位、作业姿态、运行状态的智能感知理论,研制本安型集成感知系统的综合误差小于5%,实现井下采掘装备运行状态的智能感知;提出井下采掘现场信息传输与重构理论及方法,构建井下采掘区2km、至地面可达20km的信息传输及重构系统,建立无人采掘装备故障远程在线监测与诊断理论。
  (六)无人采掘装备自主巡航原理及实现方法:研究复杂煤层条件下无人采掘装备的路径规划及自主定向、自主纠偏理论,建立适应煤岩界面复杂变化的自主巡航理论及方法;研究建立煤岩截割、围岩支护、煤岩运载的系统协同控制理论与方法,包括无人采掘装备不确定多目标轨迹规划模型与方法、无人采掘装备自主定向理论与方法、无人采掘装备自主纠偏理论与方法、无人采掘装备截割-支护-运载系统协同控制理论与方法,这些成果实施后使采掘作业工作面监控人员减至4人以下,而且具备远程监控功能。

三、预期目标
3.1 五年预期研究任务
  本项目实施五年之后,通过一系列的基础理论和技术创新研究,预期完成以下研究任务:
1)揭示截割机具冲击煤岩多尺度破碎机理,形成高效自适应截割控制方法;
2)揭示深部围岩-支护系统失稳机理,建立液压支护设备自适应调控方法;
3)揭示无人采掘装备动力传递部件渐变失效机理,构建无人采掘装备动态可靠性知识库及摩擦润滑与抗磨新原理;
4)揭示无人采掘装备机电液复合传动原理,建立其工况适应性控制理论及方法;
5)揭示深部煤岩性状差异性分布规律,创建复杂地形中采掘装备空间定位方法;
6)揭示多截割参数与采掘装备截割负载的关联机制,提出无人采掘装备自主巡航控制理论与方法。 
7)集成应用这些新理论和新技术,创制截割功率大于2×350kW的无人采煤机和截割功率大于260kW的无人掘进机,在煤矿井下进行可行性验证试验,使煤矿井下采掘装备远程监控且用人少于4人。

3.2 研究任务的预期指标
1)建立煤岩截割机具设计理论并据此创成高效截割机具,创成直径2m以上、截割煤岩硬度达到120MPa的截割机具,截割比能耗<0.4度/吨,达到世界先进水平。
2)建立采掘装备可靠性设计理论,据此设计制造的原型机可靠性寿命达到采煤1500万吨无大修,无人采掘装备整机可靠度大于0.95,关键部件抗磨寿命延长1倍,达到国际领先水平。
3)创成大功率机电液复合短程传动机构,实现300kW的复杂采掘工况自适应的高效可靠的短程传动,开创煤岩截割机构短程驱动新模式。
4)创成自适应大型液压支护设备,创新设计支撑高度大于6m、支撑力达到15000kN的液压支护设备及控制系统,实现深部围岩智能化的自适应支护。
5)创成煤岩界面在线辨别新技术,煤岩分辨误差<10%,识别响应速度<0.5秒;构建本安型定位、姿态、状态集成感知系统,综合检测误差<5%。
6)创成无人采掘装备截割、支护、运载的智能控制成套技术,实现采掘装备智能化和少人化控制,使采掘装备的现场监控工人少于4人,达到国际领先水平。

3.3 理论上可能取得的突破
1)创立基于多尺度破碎机制的煤岩截割载荷计算方程,克服现有的基于刀具切削模型的截割理论存在的局限性和过大误差,使我国占据煤岩截割理论前沿。
2)创建无人采掘装备动态可靠性设计理论,填补目前国内外采掘装备可靠性设计理论方法的缺失。
3)建立复杂煤岩性状在线快速精准识别新原理,破解目前尚无实用化煤岩分界在线识别方法的世界性难题。
4)提出无人采掘装备自主巡航及自适应截割控制方法,突破无人采掘装备智能控制的理论制约,解决煤炭开采领域久攻未破的关键难题。

3.4 预期的科技贡献
本项目面向国家煤炭工业发展和煤矿安全高效生产,对解决深部危险煤层无人采掘装备的重大需求将具有关键性的科技贡献,主要体现为:
1)取得无人采掘装备三大基础科学问题的新突破,即揭示深部煤层机械-煤岩耦合作用及自适应控制、建立无人采掘装备可靠高效动力自适应传控方法、构建无人采掘装备状态在线精准测控原理及方法,进而形成一整套无人采掘装备设计制造的新理论、新原理和新方法。
2)取得无人采掘装备高效自适应截割、动力可靠高效传递、作业状态精准测控等核心关键技术的源头创新,为研发国家亟需的深部煤矿无人采掘装备提供科学理论和关键技术支撑,为使我国采掘装备自主创新能力跻身世界前列而奠定重要的理论基础。

3.5 预期成果
通过本项目五年研究,预期在国内外重要刊物上发表论文220篇,其中SCI/EI收录120篇以上,出版专著3-5部。技术成果申请国内外发明专利和软件版权注册登记20项以上,获得国家及省部级科技奖励3-5项。同时,使得我国无人采掘装备的国际科技影响力大幅度提高,举办国际、国内学术会议3-5次,参加国际学术交流60人次,并且培养包括博士后15名、博士25名、硕士30名的一批专门人才。
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