考虑地质强度指标的悬臂式掘进机自适应截割控制方法研究

作     者：董征 张旭辉 杨文娟 雷孟宇 张超 万继成 

作者机构：西安科技大学机械工程学院 陕西省矿山机电装备智能检测重点实验室 

出 版 物：《煤炭学报》 (Journal of China Coal Society)

年 卷 期：2025年

核心收录：

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(52104166) 中国博士后科学基金面上项目(2022MD723826) 陕西省重点研发计划项目(2023-YBGY-063) 

主　　题：智能掘进 悬臂式掘进机 巷道断面裂隙 截割轨迹 地质强度指标(GSI) 

摘      要：煤矿巷道掘进智能化发展缓慢，“采掘失衡严重制约了煤矿高效生产，如何提高掘进效率是现阶段面临的重要问题。悬臂式掘进机作为巷道掘进作业的重要设备之一，在截割硬岩或复杂地质煤层具有优势。传统的悬臂式掘进机记忆截割方法在面临复杂地质变化条件下的巷道断面具有不足之处，无法满足自适应截割的要求。为此，本研究提出了一种考虑地质强度指标（GSI，Geological Strength Index）的悬臂式掘进机自适应截割控制方法，通过结合地质特征指导悬臂式掘进机的截割作业，从而提高掘进效率和智能化水平。首先，通过机器视觉对掘进巷道断面进行拍照，使用连通域提取、骨架链接等方法对裂隙进行检测，识别裂隙的几何参数，包括数量、长度、宽度和密度，以裂隙的几何参数作为输入，以地质强度指标作为输出，建立神经网络模型，预测掘进巷道断面的地质特征。其次，建立地质强度指标栅格地图，使用改进蚁群优化算法在栅格地图上进行截割轨迹规划，通过改进信息素初始浓度和信息素挥发策略来对目标函数进行优化，以时间最优、能耗最优、地质匹配最优为目标，得到最优截割轨迹。建立截割头转动速度和截割臂摆动速度档位控制模型，对经过当前栅格的截割速度进行控制，使其匹配当前栅格的地质强度指标，提高掘进效率。最后，在有限元软件中对截割模型在不同地质强度指标下的作业进行了受力分析，并在实验室搭建了悬臂式掘进机控制平台，在截割轨迹规划和截割速度控制方法上与其他优化算法进行了性能对比，实验结果表明，本研究预测的地质强度指标准确率为95.5%，截割完整巷道断面消耗的时间降低6%，能耗降低19%。本研究相比于其他方法，能够减少截割能耗、提高截割效率。本方法为智能掘进与悬臂式掘进机的自适应截割提供了新思路。