摘要
地球浅部煤炭资源已逐渐趋向枯竭，向深部要资源势成为必然选择和重大现实需求。针对2000m以深的深部煤炭开采难题，2016年以来谢和平院士团队创造性地提出了深部资源原位流态化开采的科学构想，其关键是突破井下原位采、选、充、电、气、热、输运一体化的无人作业智能采掘与转化技术。该技术工艺复杂、设备繁多、行进路线长、行进阻力大，如何在深部复杂地质条件和高围岩压力下实现整套开采装备的自主推进和行走是目前亟待解决的关键问题之一。 本文以实现流态化开采装备自主行走为研究目标，借鉴现有全断面掘进机的掘进方式与驱动技术，对深部煤炭流态化开采装备自主行走机构及其控制策略进行研究。首先，针对深部煤炭流态化开采装备工艺原理及结构特点，提出了一种增阻迈步式自主行进机构原理；借鉴全断面掘进机在锦屏二级水电站2000m埋深的应用实例，对自主行走机构的开采半径、驱动力和液压系统进行了设计及计算，并构建了仿真模型。然后，在仿真模型基础上，对增阻液压缸的压力控制策略、推进液压缸的同步控制策略进行了仿真试验研究；采用遗传算法优化PID参数的方法对增阻液压缸进行压力控制，有效节约了参数调整的时间，实现了优化PID算法的控制效果；拟定均匀负载、突变负载、时变负载三种工况，用于推进液压缸的同步控制策略仿真试验；创新性地提出了雷达图面积测评方法来综合评价仿真试验结果、对比控制策略的优劣，结果表明：均值耦合同步控制方法在雷达图中面积最大，综合性能最优异，但鲁棒性有待提高；为进一步提高系统鲁棒性，将自抗扰技术引入均值耦合同步控制方法中，AMESim/Simulink联合仿真结果表明：均值耦合同步控制方法结合自抗扰算法为推进液压缸的最佳同步控制策略。最后，自主研制了深部煤炭流态化开采装备自主行走试验台，并进行了实验室试验研究；试验结果表明：本文所设计的控制策略能够较好地调节增阻液压缸的压力及推进液压缸的同步，具有良好的动态调节性能及鲁棒性；在实验室尺度下，自主行走机构能够完整地实现行程内的增阻迈步式自主行走，验证了本文所设计自主行走机构的可行性。研究成果可为充实深部煤炭资源流态化开采科学构想、推动流态化开采装备研发应用提供理论基础与技术支撑。
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