一、项目概况:

本项目紧紧围绕国家中长期发展规划和煤炭行业中长期规划,结合学校公共学科平台建设规划和重大发展方向,以煤炭资源与安全开采为核心,开展“井下机器人化采煤机械关键技术”的研究,包括:建设综采工作面成套装备(采煤机、液压支架、刮板运输机等)试验平台;研发综采工作面成套装备关键状态参数监测和故障诊断平台;研发基于三维虚拟现实的(Three-dimension Virtual Reality:3DVR)采煤机、液压支架、刮板输送机远程监控数字化平台;研究采煤机、液压支架和刮板输送机的协同控制技术。通过“井下机器人化采煤机械关键技术”项目,构建了采煤工作面三机试验平台,在采煤机自适应截割技术、基于3DVR技术的井下采煤机械远程监控数字化平台和基于无线网络系统的综采装备远程监控系统等方面取得标志性成果;新增了机械工程江苏省一级学科重点学科和机械工程江苏省优势学科建设平台;在项目建设期间获得省级优秀创新团队1个、1人获得政府特殊津贴、1人入选江苏省“333工程”二层次、3人入选江苏省“333工程”三层次、2人被评为江苏省“青蓝工程”中青年学术带头人、5人被评为江苏省“六大人才高峰”高层次人才;12名博士生到国外联合培养或直接攻读博士学位。经过4年建设,在科学研究、学科建设、学术队伍和人才培养等方面取得了显著成效。

二、建设目标

通过本项目的研究,进一步促进学科建设,在综采装备智能化领域形成具有较高学术水平的学术队伍,并在人才培养方面取得更大的进步。利用本项目的研究成果加速提高我国采煤工作面装备智能化性能,打破目前国外企业在高端采煤工作面装备领域的垄断地位,增强我国煤机产品在国际竞争的地位,提高我国在煤矿重大装备的研发能力。

三、建设任务

本项目拟在国内首次构建一个由采煤机、刮板输送机、液压支架等组成的煤矿综采工作面成套装备试验平台。该试验平台能够根据煤岩状况自动调节采煤机滚筒截割速度、根据煤层变化自动调高;可以随时准确测定截割过程的截割载荷信号,并进行载荷谱识别;能够实现采煤机、刮板输送机、液压支架的协同控制,达到三机联动目的;开发的采煤工作面装备远程监控3DVR(三维虚拟现实)引擎平台,能够全景显示采煤机、刮板运输机和液压支架的运行状态,预测状态变化趋势,从而实现井下采煤装备机器人化关键技术的突破。

四、标志性成果

标志性成果1采煤装备智能控制关键技术的研究

对采煤装备在线远程监测的关键技术进行了研究,基于人工免疫和记忆切割实现了采煤机的自适应截割,并利用识别算法对采煤机的记忆截割轨迹进行区间划分,使采煤机能够根据煤层地质条件自动调节工作状态,实现采煤机的平稳工作,并尽量保证顶底板和底板的平整。当煤层地质条件和记忆截割路线不一致时,基于人工免疫理论和多传感信息融合技术,实现煤机截割轨迹-牵引速度-截割滚筒高度的自适应调节;基于(Wireless Mesh NetworkWMN)技术研发了本安型无线交换机以及综采工作面无线网络信息传输平台,通过三机(采煤机、刮板运输机和液压支架)机载控制器与本安型无线交换机的冗余通讯,实现采煤装备工况参数以及远程控制指令的无线传输;研发了隔爆兼本安型采煤装备顺槽控制器和地面远程监控系统,在顺槽和地面实现了采煤装备的工况信息远程采集、三机信息融合以及协同控制;基于三维虚拟现实(3DVR)技术建立采煤装备的真实模型,通过物理传感和逻辑传感的映射,实时驱动采煤装备的模型运动,“真实再现”采煤装备的工作状态,使远程操作人员具有“身临其境”的感觉,实现了采煤装备的可靠远程监控。该研究成果在平煤集团十三矿11070综采工作面进行了应用。

标志性成果2特厚煤层安全开采关键装备及自动化技术

对特厚煤层采掘作业安全支护和高效能生产的两大关键装备进行了研究,并实现了采掘装备的自动控制。研制了支护高度4米、支护强度高、高可靠性综放液压支架,以及巷道掘进与煤岩支护并行作业的多功能掘进机;自主研发了采煤机、液压支架、刮板运输机组成的综放机组多机联动控制技术;研发了多功能掘进机自动化控制系统和掘进机姿态、巷道成形、掘进定向、行走控制、煤岩识别等五项控制技术。实现了国产特厚煤层高效能自动化采掘装备成套技术的重大突破,为解决我国煤矿安全难题这个行业重大问题提供了关键技术,对减少煤矿井下伤亡事故、实现安全高效生产具有重大意义。项目成果在潞安集团王庄煤矿进行了工业应用。

标志性成果3复杂煤层条件下关键采煤装备的研究及应用

对薄煤层采煤机的机械结构及控制系统进行了研究,研发了钻式采煤机以及开关磁阻电牵引采煤机,实现了薄煤层采煤机的远程监控,并在兖州矿业集团成功应用;针对地质条件比较复杂的煤矿,对悬浮式单体液压支架的关键技术进行了研究,矿用悬浮单体液压支柱采用柱塞悬浮技术原理,提高了支柱的稳定性、支撑高度和承载能力;采用密封胀紧和密封补偿技术原理,具有可靠的密封性能;发明了“无焊缝、无柱头、无活塞、大行程”支柱结构,避免了内泄漏、焊缝脆断等安全隐患,提高了采煤工作面的安全性以及煤炭回采率。该类型单体液压支架适用于采煤工作面的顶板支护、端头支护、超前支护及临时支护,也可用于煤矿采区及巷道冒顶的救护和复杂煤层条件下采煤工作面的顶板支护。研究成果在皖北、淮北以及兖州等煤业集团应用。