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导读
介绍了我国巷道修复机的研究现状，归纳总结了巷道修复机的特性、特殊功能要求和设计要点。对巷道修复机的常用作业属具进行了分类总结，在介绍巷道修复机基本组成的基础上，分析了目前研究中的难点、关键技术和发展趋势，论述了巷道修复机器人作为巷道修复机的发展趋势和目标，归纳总结了其实现道路上的关键技术和难点。
我国 95% 以上的煤矿为井工煤矿，每年新掘进巷道 1.3 万 km。巷道作为运输、行人、通风的通道，是井工煤矿开采的基础和前提，是保障煤矿安全生产的关键。随着越来越多的煤矿进入深部资源开采阶段，地应力<em class="wx_search_keyword" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; display: inline-block; vertical-align: super; font-size: 10px; width: 1.2em; height: 1.2em; -webkit-mask-position: 50% 50%; -webkit-mask-repeat: no-repeat; -webkit-mask-size: 100%; background-color: var(--weui-LINK); -webkit-mask-image: url("data:image/svg xml,");">显著增大，导致“工程软岩”也越来越多。受工作面回采动压及复杂地质条件影响，越来越多的巷道围岩出现了变形现象，造成巷道断面失稳收缩。对于开拓巷道，可在修复后采取围岩注浆、高预应力锚杆 (索)、锚架充工艺等技术重新加固施工；对于采准巷道，只需要恢复巷道断面尺寸，保证可以继续投入使用即可。据资料统计，我国深部巷道返修比例高达 90% 以上，而我国现有变形巷道约 85% 主要依靠人工修复，劳动作业强度大、条件差，修复效率低。
针对巷道变形的复杂技术及工艺难题，传统的作业方法是采用人工修复 (手持风镐) 或配套使用装载机、挖掘机等一些非专用设备。这些传统作业方法存在效率低，功能单一，不能完全满足巷道多功能修复工艺要求等诸多问题。专业化的巷道修复装备及成熟、可靠的施工工艺是提高巷道修复效率和安全性的有效手段。巷道修复机能有效修复井下各种围岩损伤工况下的巷道变形，可以大幅度提高作业效率和机械化水平，降低工人劳动强度，实现减人增效。根据中煤集团<em class="wx_search_keyword" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; display: inline-block; vertical-align: super; font-size: 10px; width: 1.2em; height: 1.2em; -webkit-mask-position: 50% 50%; -webkit-mask-repeat: no-repeat; -webkit-mask-size: 100%; background-color: var(--weui-LINK); -webkit-mask-image: url("data:image/svg xml,");">某矿的应用统计，巷道修复机刷帮扩巷的效率是人工扩巷的 4 倍。
巷道修复工艺复杂，如挑顶、刷帮、起底、开槽等，满足其中某一或多种功能的作业设备均可称为巷道修复设备。因此，传统巷道修复设备具有名称多样化的特点，如卧底机、装载机、扒渣机、巷道修复机等。
20 世纪 80 年代，西方国家已经对巷道修复治理设备进行了比较系统全面的研究，效率更高、功能更加完善、集成化程度更高的巷道修复机不断出现，有效降低了工人劳动强度，提高了巷道修复效果。其中，德国戴尔曼哈尼尔矿业系统有限公司 (DH MINING SYETEMS) 和哈泽玛格公司 (HAZEMAG)、美国特雷克斯公司 (TEREX<em class="wx_search_keyword" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; display: inline-block; vertical-align: super; font-size: 10px; width: 1.2em; height: 1.2em; -webkit-mask-position: 50% 50%; -webkit-mask-repeat: no-repeat; -webkit-mask-size: 100%; background-color: var(--weui-LINK); -webkit-mask-image: url("data:image/svg xml,");">) 等研制的巷道修复机或卧底机具有一定的代表性，操作简单可靠，且自动化程度高。
我国的煤矿埋藏较深，地质条件复杂，与国外的工况条件差别较大，进口设备价格较高且配件供货周期较长，因此无法在我国得到有效推广应用。研制适应国内复杂地质条件的专用巷道修复设备迫在眉睫。王宏伟等人于 2005 年提出了巷道修复机的雏形，指出巷道修复机应有液压传动、破碎、装载、运矸及独立行走等功能。中煤科工集团西安研究院有限公司、山西天地煤机装备有限公司、三一重型装备有限公司等企业陆续研制出了具有多种功能及结构特色的巷道修复机。
近年来，国内高校和研究院所对巷道修复机的研究多集中在机构运动学计算、动力学分析、运动控制、结构有限元分析与优化、机构设计优化等方向，但是对系统可靠性、故障诊断、井下先进传感技术和工艺自动化等方向研究较少。
巷道修复机系统主要由作业属具、快换装置、多自由度机械臂、电气控制系统、履带车体 (行走机构)、动力系统、液压系统等组成，部分机型还配有刮板运输装置。
(1) 作业属具 为了满足井下复杂多样的清理工艺需求，往往需要配备多种作业属具，如破碎锤、铲斗、铣挖头、液压剪、液压抓手、起重钩等，图1所示为德国戴尔曼哈尼尔矿业系统有限公司生产的DHL800 型多功能矿用卧底机，可以配套多种作业属具。
图1 DHL800 型巷道修复机及配套属具
部分企业尝试集成 2 种甚至多种作业属具，实现多功能的集成，如取消挖斗与破碎锤快换装置，将破碎锤与斗杆集成设计为一体 (见图2)，工作时利用平行四边形结构原理进行铲装与破碎作业的无缝切换，效率更高。
图2 破碎锤和挖斗集成作业机构
1.偏转机构；2.偏转液压缸；3.大臂液压缸；4.小臂液压缸；5.大臂；6.小臂；7.挖斗液压缸；8.破碎锤伸缩液压缸<em class="wx_search_keyword" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; display: inline-block; vertical-align: super; font-size: 10px; width: 1.2em; height: 1.2em; -webkit-mask-position: 50% 50%; -webkit-mask-repeat: no-repeat; -webkit-mask-size: 100%; background-color: var(--weui-LINK); -webkit-mask-image: url("data:image/svg xml,");">；9.破碎锤；10.挖斗。
(2) 快换装置 多种作业属具的配合作业面临着频繁切换和拆装的问题。目前通常采用液压快换装置实现作业属具的快速更换。液压快换装置通过液压锁<em class="wx_search_keyword" style="margin: 0px; padding: 0px; outline: 0px; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important; display: inline-block; vertical-align: super; font-size: 10px; width: 1.2em; height: 1.2em; -webkit-mask-position: 50% 50%; -webkit-mask-repeat: no-repeat; -webkit-mask-size: 100%; background-color: var(--weui-LINK); -webkit-mask-image: url("data:image/svg xml,");">实现快换功能的开启和闭锁动作，使其与作业属具实现快速联接。研究表明，熟练的巷道修复作业人员平均用 2 min 即可完成作业属具的切换，简便高效。
(3) 多自由度机械臂 多自由度机械臂是巷道修复机的主要结构，直接决定了作业属具的工作范围和性能。目前市面上主要有二节臂 (动臂 斗杆) 和三节臂 (动臂 中间臂 斗杆) 之分 (见图3)，配合回转机构能够满足不同工艺的作业位姿要求。其中，两节臂结构挖掘性能好、作业范围广，缺点是工作装置占用空间较大，在低矮巷道中无法满足作业工艺要求；三节臂结构相对更加紧凑，作业范围更广，且挖掘性能好。
图3 两节臂和三节臂典型结构
(4) 电气控制系统 主要包括遥控系统、电控箱、电磁阀、系统各种传感器、无线接收器等部件，用于整机控制及传递信息。
(5) 履带车体及动力系统 传统巷道修复机多采用防爆电动机或防爆柴油机驱动。近年来，随着动力电池技术的发展，相继研发出了电驱动巷道修复机，部分厂家甚至研制出了防爆动力电池与动力电缆双动力驱动方案，解决了巷道修复机受电缆长度限制无法持续长距离工作，以及柴油动力运行噪声大、井下狭窄空间内空气污染严重等问题。行走时，动力电池提供动力；施工作业时，井下动力电缆提供动力，满足大功率要求。
由于井下巷道修复工艺复杂、作业流程多且工况条件千变万化，要求巷道修复机具有多样化的功能。目前还没有哪一款巷道修复装备能够同时满足各种巷修工艺的需求。
巷道修复机一般要求具有“破、铲、装、运”四大基本功能，巷修工艺的复杂性要求巷修设备的功能尽可能齐全，但是具体巷道的使用工况又要求不同的功能侧重。对于普通巷修工程，要求巷道修复机具有破碎、挖装、侧卸、铣挖、吊装、清渣、掏槽、自行走等功能。根据工艺不同，要求巷道修复机具有修(挑) 顶、刷帮、起底、清除、剪切、抓取、运输、支护等功能。工艺、工况的复杂性和功能的多样性，要求巷道修复机结构尺寸在尽可能小的前提下实现功能高度集成。
巷道作业工艺的特殊性往往对巷道修复机也提出了一些特殊的功能要求。
(1) 远程遥控作业 远程遥控作业能够有效避免一线工人在危险的巷道掘进面作业，还能够有效减轻作业人员劳动强度，是十分有必要且实用性的功能。
(2) 全断面作业工艺 对一些特殊的开拓巷道或没有带式输送机的采准巷道，往往要求巷道修复机能够一次进行巷道的全断面修复，如清理底鼓、片帮和顶板破碎问题。
(3) 模块化设计 井下起重条件不完善且空间受限，要求巷道修复机的安装和转场简单可靠。多种作业属具之间的切换往往通过快换装置实现快速拆装，这就要求不同的作业机构和属具之间具有模块化的通用接口。
(4) 保护装置和作业平台 保护装置主要是指临时支护机构。在对变形的巷道进行修复作业时，破坏原有的支护体使作业人员完全暴露于危险的巷道环境中，临时支护机构能够有效提高作业人员安全性。此外，巷道修复机上的平台还可用于修复后挂网、剪切高处支护构件等作业，因此也是用户迫切需要的功能配置。
(5) 支护功能 巷道修复破坏原有的顶和帮支护体后，需要及时进行二次补强支护。研究表明：对于围岩开挖后的非连续煤岩体，在空间和时间上都应立即进行支护，并施加足够的预应力。这些研究已经充分说明了及时支护的重要性，因此，巷道修复机具有二次支护的功能从工艺层面不可或缺。
除上述功能之外，喷雾功能能够有效降低巷修破岩过程中的粉尘，自动卷缆器能够有效减轻井下工人拖拽电缆的劳动强度，降低巷修工程的用工数量。这些功能都应该是巷道修复机研发人员重要考虑的因素。
巷道修复机对功能的多样性要求需要不同的作业属具配套实现，因此，巷道修复机的作业属具也具有多样性的特点。
(1) 破碎锤 主要用于巷道底板和坚硬岩层破碎。
(2) 卧底铲 主要用于物料清理和装卸，实现清渣和出料等功能。
(3) 铣挖头 有横轴和纵轴之分，主要用于中等硬度煤岩的破碎，可用于刷帮、起底、开槽等工艺。有电直驱和液压驱动等不同结构。
(4) 侧卸铲 利用侧卸铲的侧卸功能，把铲斗内的物料转运至另一侧的输送带或运输车上，主要用于巷道内有输送带或运输车的工况。
(5) 反铲机构 反铲机构在修复机工作中一般分为挖掘和扒渣，可实现挖掘、清渣、运输等功能。文献 [25]对反铲机构在 2 种不同工况下的受力情况进行了分析和计算，并对反铲机构进行了优化设计。
(6) 剪切钳 目前井下多采用手持式的气动或液压锚杆索切断器，需要人工上前手动操作，安全性差、效率低。机载式液压剪切钳主要用于金属锚网的剥落、玻璃钢锚杆及小直径锚杆的剪切，对于高强度锚杆和锚索的剪切较为困难，且无自动化作业案例。
巷道修复机在煤岩塑性变形的工况中作业，且工艺要求破坏支护体和支护构件，其工况尤为复杂且危险。工人在如此环境中作业大大增加了危险性和事故率，因此亟待突破巷道修复中的关键技术和装备，在减少用人数量和劳动强度的同时提高巷修效率。
(1) 远程可视化技术 远程可视化技术能够有效避免在巷道危险源处作业，降低事故风险发生率。郭超等人研究了一种针对巷道作业的虚拟现实技术，通过 4D 可视化模型的建设，真实再现巷道环境下机器人作业的实际情况。通过虚拟操作对机器人的巷道作业、事故状况进行模拟，以减少作业过程中的环境不确定性。Ma X T 等人提出了一种基于全景虚拟现实技术的结构可视化方法，通过多源信息融合技术，动态显示巷道中机器人的作业工艺过程。
(2) 巷道修复机施工机组优化配置和动态调度技术 该技术受到科研人员的关注度较低，但却对巷道修复至关重要。实际巷修作业中，施工员往往仅基于定性分析、设备损耗和工作经验去配置机组，导致配置的科学性和准确性不足，缺乏对设备最优匹配问题的思考，从而制约机组的最大作业效率提升。机组在整个项目进行中的动态调度、优化配置和管理水平直接决定了该工程的进度快慢、质量好坏和效益高低。因此，制定科学合理的工艺方案尤为重要。Zhang N 等人将粒子群优化算法用于煤矿巷道底鼓修复治理工程中，通过建模得到最优调度决策方案，试验表明该决策模型能够在有效降低巷道修复成本的同时缩短施工周期。
(3) 单台设备的多功能集成设计技术 目前用户对巷道修复机的功能要求越来越多。针对不同围岩损伤和巷道变形工况，需要各种执行机构配合多种作业属具完成不同种类的巷修作业，配备单一作业机具的巷道修复机已经不能满足现场施工要求。同时，巷道中多种工况也需要巷道修复机进行辅助作业，如开设隧道、清理煤渣、开设沟槽及配件的吊装运输等。上述功能要求在巷道修复机上进行高度集成、一机多用 (见图4)，而不仅是简单的作业属具快换。
图4 中煤科工集团研制的多功能巷道修复机
(4) 复合传感技术 井下巷道环境存在的水、雾、粉尘、弱光、GPS 拒止、防爆等问题给巷修机的自动化和智能化发展带来了大量难题。巷道修复机工艺要求实现的巷道三维形貌实时扫描及重构、作业目标自主识别及定位技术等很难单一依靠视觉传感或激光雷达技术等独立实现，往往需要基于复合传感技术的多源信息融合技术来提高巷道修复机的自动化和智能化水平。
(5) 巷道修复机器人关键技术及发展趋势具有智能控制及自主决策技术的巷道修复机器人是巷道修复机的技术发展趋势和目标。其中关键技术包括机器人在井下巷道中 GPS 拒止条件下的自主导航与行走、巷道三维形貌实时检测与重构、在弱光照和高粉尘条件下的多源信息传感与融合技术、井下狭窄空间作业路径规划、复杂工况下作业属具自主选择与切换、液压重载机械臂伺服控制等。这些技术攻克难度较大，需要相关从业人员不断努力。
分析总结了我国巷道修复机的功能要求、功能特性、配套属具和设计要点，梳理了巷道修复机系统的主要结构组成和机构设计要求，对巷道修复机器人的发展趋势和目标进行了论述，并对其中的关键技术和难点进行了归纳总结。
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