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一、項目概況:

本項目緊緊圍繞國家中長期發展規劃和煤炭行業中長期規劃,結合學校公共學科平臺建設規劃和重大發展方向,以煤炭資源與安全開采為核心,開展“井下機器人化采煤機械關鍵技術”的研究,包括:建設綜采工作面成套裝備(采煤機、液壓支架、刮板運輸機等)試驗平臺;研發綜采工作面成套裝備關鍵狀態參數監測和故障診斷平臺;研發基于三維虛擬現實的(Three-dimension Virtual Reality:3DVR)采煤機、液壓支架、刮板輸送機遠程監控數字化平臺;研究采煤機、液壓支架和刮板輸送機的協同控制技術。通過“井下機器人化采煤機械關鍵技術”項目,構建了采煤工作面三機試驗平臺,在采煤機自適應截割技術、基于3DVR技術的井下采煤機械遠程監控數字化平臺和基于無線網絡系統的綜采裝備遠程監控系統等方面取得標志性成果;新增了機械工程江蘇省一級學科重點學科和機械工程江蘇省優勢學科建設平臺;在項目建設期間獲得省級優秀創新團隊1個、1人獲得政府特殊津貼、1人入選江蘇省“333工程”二層次、3人入選江蘇省“333工程”三層次、2人被評為江蘇省“青藍工程”中青年學術帶頭人、5人被評為江蘇省“六大人才高峰”高層次人才;12名博士生到國外聯合培養或直接攻讀博士學位。經過4年建設,在科學研究、學科建設、學術隊伍和人才培養等方面取得了顯著成效。

二、建設目標

通過本項目的研究,進一步促進學科建設,在綜采裝備智能化領域形成具有較高學術水平的學術隊伍,并在人才培養方面取得更大的進步。利用本項目的研究成果加速提高我國采煤工作面裝備智能化性能,打破目前國外企業在高端采煤工作面裝備領域的壟斷地位,增強我國煤機產品在國際競爭的地位,提高我國在煤礦重大裝備的研發能力。

三、建設任務

本項目擬在國內首次構建一個由采煤機、刮板輸送機、液壓支架等組成的煤礦綜采工作面成套裝備試驗平臺。該試驗平臺能夠根據煤巖狀況自動調節采煤機滾筒截割速度、根據煤層變化自動調高;可以隨時準確測定截割過程的截割載荷信號,并進行載荷譜識別;能夠實現采煤機、刮板輸送機、液壓支架的協同控制,達到三機聯動目的;開發的采煤工作面裝備遠程監控3DVR(三維虛擬現實)引擎平臺,能夠全景顯示采煤機、刮板運輸機和液壓支架的運行狀態,預測狀態變化趨勢,從而實現井下采煤裝備機器人化關鍵技術的突破。

四、標志性成果

標志性成果1采煤裝備智能控制關鍵技術的研究

對采煤裝備在線遠程監測的關鍵技術進行了研究,基于人工免疫和記憶切割實現了采煤機的自適應截割,并利用識別算法對采煤機的記憶截割軌跡進行區間劃分,使采煤機能夠根據煤層地質條件自動調節工作狀態,實現采煤機的平穩工作,并盡量保證頂底板和底板的平整。當煤層地質條件和記憶截割路線不一致時,基于人工免疫理論和多傳感信息融合技術,實現煤機截割軌跡-牽引速度-截割滾筒高度的自適應調節;基于(Wireless Mesh NetworkWMN)技術研發了本安型無線交換機以及綜采工作面無線網絡信息傳輸平臺,通過三機(采煤機、刮板運輸機和液壓支架)機載控制器與本安型無線交換機的冗余通訊,實現采煤裝備工況參數以及遠程控制指令的無線傳輸;研發了隔爆兼本安型采煤裝備順槽控制器和地面遠程監控系統,在順槽和地面實現了采煤裝備的工況信息遠程采集、三機信息融合以及協同控制;基于三維虛擬現實(3DVR)技術建立采煤裝備的真實模型,通過物理傳感和邏輯傳感的映射,實時驅動采煤裝備的模型運動,“真實再現”采煤裝備的工作狀態,使遠程操作人員具有“身臨其境”的感覺,實現了采煤裝備的可靠遠程監控。該研究成果在平煤集團十三礦11070綜采工作面進行了應用。

標志性成果2特厚煤層安全開采關鍵裝備及自動化技術

對特厚煤層采掘作業安全支護和高效能生產的兩大關鍵裝備進行了研究,并實現了采掘裝備的自動控制。研制了支護高度4米、支護強度高、高可靠性綜放液壓支架,以及巷道掘進與煤巖支護并行作業的多功能掘進機;自主研發了采煤機、液壓支架、刮板運輸機組成的綜放機組多機聯動控制技術;研發了多功能掘進機自動化控制系統和掘進機姿態、巷道成形、掘進定向、行走控制、煤巖識別等五項控制技術。實現了國產特厚煤層高效能自動化采掘裝備成套技術的重大突破,為解決我國煤礦安全難題這個行業重大問題提供了關鍵技術,對減少煤礦井下傷亡事故、實現安全高效生產具有重大意義。項目成果在潞安集團王莊煤礦進行了工業應用。

標志性成果3復雜煤層條件下關鍵采煤裝備的研究及應用

對薄煤層采煤機的機械結構及控制系統進行了研究,研發了鉆式采煤機以及開關磁阻電牽引采煤機,實現了薄煤層采煤機的遠程監控,并在兗州礦業集團成功應用;針對地質條件比較復雜的煤礦,對懸浮式單體液壓支架的關鍵技術進行了研究,礦用懸浮單體液壓支柱采用柱塞懸浮技術原理,提高了支柱的穩定性、支撐高度和承載能力;采用密封脹緊和密封補償技術原理,具有可靠的密封性能;發明了“無焊縫、無柱頭、無活塞、大行程”支柱結構,避免了內泄漏、焊縫脆斷等安全隱患,提高了采煤工作面的安全性以及煤炭回采率。該類型單體液壓支架適用于采煤工作面的頂板支護、端頭支護、超前支護及臨時支護,也可用于煤礦采區及巷道冒頂的救護和復雜煤層條件下采煤工作面的頂板支護。研究成果在皖北、淮北以及兗州等煤業集團應用。


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