井下無人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制關(guān)鍵技術(shù)分析

楊建飛

（濟(jì)寧礦業(yè)集團(tuán)霄云煤礦，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著科技水平的不斷提升與人們安全觀念的逐步增強(qiáng)，井下無人采礦被重視，因此無人采礦技術(shù)得以進(jìn)步和發(fā)展。井下無人采礦技術(shù)是指通過計(jì)算機(jī)技術(shù)控制和操作井下生產(chǎn)，從而使無人化的作業(yè)完成。當(dāng)今，國(guó)內(nèi)在井下無人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制上累積了很多的數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)，然而綜合技術(shù)能力不高，還需要持續(xù)地探究和發(fā)展。

1 井下采礦存在的問題

（1）煤礦災(zāi)害事故經(jīng)常發(fā)生。井下采礦的顯著特點(diǎn)是環(huán)境復(fù)雜、通透性不好、空氣缺少等，因此非常容易出現(xiàn)安全事故，特別是在缺少安全防范措施的條件下，井下采礦會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)、漏水、坍塌、瓦斯爆炸等一些災(zāi)害，實(shí)踐證實(shí)，井下采礦這種比較頻繁的工作會(huì)導(dǎo)致很多災(zāi)害事故的出現(xiàn)，而人為因素和自然因素是導(dǎo)致災(zāi)害的原因所在。井下采礦存在的一個(gè)顯著問題是災(zāi)害事故。為此，想要降低災(zāi)害事故的出現(xiàn)率，務(wù)必增強(qiáng)安全生產(chǎn)觀念，搞好安全防范對(duì)策，而井下無人采礦技術(shù)是處理這一問題的一種理想方式。

（2）存在嚴(yán)重浪費(fèi)煤炭資源的現(xiàn)象。煤炭資源存在嚴(yán)重的浪費(fèi)情況。盡管國(guó)內(nèi)煤炭資源儲(chǔ)存豐富，應(yīng)用領(lǐng)域廣，每一年的市場(chǎng)需求量和開采量都非常大，可是開采技術(shù)能力不高，因?yàn)殚_采者與使用者的不重視，導(dǎo)致浪費(fèi)了很多的煤炭資源，即煤炭資源的應(yīng)用率比較低，這也是井下采掘要求解決的一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。

（3）采礦的整體技術(shù)能力較低。井下采礦的難度較大，盡管當(dāng)前的采礦技術(shù)不斷進(jìn)步和發(fā)展，可是因?yàn)閲?guó)內(nèi)地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地形的復(fù)雜化，以及采礦逐步發(fā)展為深部采礦，這造成固有的井下采礦技術(shù)的整體能力比較低，依舊具備非常大的發(fā)展空間。除此之外，井下采礦技術(shù)的發(fā)展還受到一系列要素的影響，像是缺少技術(shù)研究能力、缺乏優(yōu)秀的人才、缺少創(chuàng)新能力等，相比較于外國(guó)的井下采礦技術(shù)而言，國(guó)內(nèi)的采礦技術(shù)依舊較為滯后，無論是裝備導(dǎo)航技術(shù)，還是采掘規(guī)劃技術(shù)和地形感知技術(shù)等，都不具備較高的水平。

2 井下無人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制的一些關(guān)鍵技術(shù)

（1）采掘規(guī)劃技術(shù)。采掘規(guī)劃重點(diǎn)是指規(guī)劃和配置資源一種方式，也就是結(jié)合最為理想的配置資源的方式實(shí)現(xiàn)采掘效率的提升。傳統(tǒng)的采掘規(guī)劃技術(shù)是結(jié)合簡(jiǎn)單的動(dòng)作與可行手段使初始狀態(tài)的工作空間轉(zhuǎn)化為目標(biāo)狀態(tài)的工作空間，如此的采掘規(guī)劃技術(shù)缺少智能化與自動(dòng)化水平，較難實(shí)現(xiàn)無人采礦的需要。為此，應(yīng)實(shí)現(xiàn)采掘規(guī)劃自動(dòng)化與智能化水平的提升，從而能夠全自動(dòng)化地應(yīng)用微機(jī)有效地控制挖掘機(jī)的軌跡，這樣可以最終實(shí)現(xiàn)無人采礦的采掘規(guī)劃需要。

（2）裝備自動(dòng)控制技術(shù)。基于不斷發(fā)展的自動(dòng)控制技術(shù)與智能技術(shù)，研究者愈加重視技術(shù)設(shè)備的自動(dòng)控制，新形勢(shì)下井下無人采礦技術(shù)的主導(dǎo)發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)井下技術(shù)設(shè)備自動(dòng)化控制能力的提升。其中，日本研制的一種井下無人采礦卡車統(tǒng)一了耦合脈沖激光校準(zhǔn)制導(dǎo)系統(tǒng)以及GPS系統(tǒng)，在井下作業(yè)的過程中，如果卡車的行駛路線偏離了標(biāo)準(zhǔn)的路線，那么警告信息會(huì)由控制終端自動(dòng)地進(jìn)行接收，進(jìn)而將控制指令發(fā)出，從而確保采礦卡車的正常運(yùn)行，這樣一來，實(shí)現(xiàn)了采礦自動(dòng)化能力的大大提升。除此之外，井下采礦通訊技術(shù)也受到廣泛的重視，結(jié)合通訊技術(shù)能夠向地表控制室傳輸設(shè)備操作以及控制的數(shù)據(jù)信息，以使自動(dòng)化控制的井下鏟運(yùn)機(jī)工作和裝卸實(shí)現(xiàn)，以及可以實(shí)現(xiàn)鏟運(yùn)機(jī)遠(yuǎn)程診斷與監(jiān)測(cè)，確保井下生產(chǎn)的安全性與穩(wěn)定性。

（3）裝備定位以及導(dǎo)航控制技術(shù)?？梢哉f，井下無人采礦的基礎(chǔ)保障是自動(dòng)化設(shè)施，這就要求確保井下采礦設(shè)施有導(dǎo)航與定位的功能，結(jié)合自動(dòng)導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)裝備的生產(chǎn)，進(jìn)而使無人采礦實(shí)現(xiàn)。近年來，移動(dòng)機(jī)器人行業(yè)中日益普遍地應(yīng)用激光雷達(dá)，基于激光雷達(dá)，能夠在其它算法當(dāng)中實(shí)現(xiàn)位置信息的集成，在勿需過程標(biāo)定的前提條件下可以跟蹤與檢測(cè)井下障礙物，這有助于井下采礦裝備穩(wěn)定性與精確性顯著提升。在可見度小、空氣較少、粉塵較多、缺少通透性的礦井下，視覺系統(tǒng)與GPS系統(tǒng)難以有效地進(jìn)行控制與定位。應(yīng)用電磁引導(dǎo)控制可以很好地處理此問題，能夠結(jié)合低頻引導(dǎo)電纜，以使電磁場(chǎng)形成，進(jìn)而結(jié)合電磁傳感器對(duì)移動(dòng)的采礦設(shè)備進(jìn)行正確與有效地引導(dǎo)，以及通過視覺信標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行裝備的導(dǎo)航控制與自動(dòng)定位。除此之外，還能夠結(jié)合超聲波傳感器進(jìn)行裝備的導(dǎo)航控制與定位，可以結(jié)合超聲波傳感器測(cè)定井下巷道以及移動(dòng)裝備間的距離信息，進(jìn)而結(jié)合分析的信息有效地控制移動(dòng)裝備的位置，這樣一來，在路面上就可以實(shí)現(xiàn)裝備的導(dǎo)航與定位，從而大大地提升了導(dǎo)航與定位的準(zhǔn)確度。

（4）跟蹤目標(biāo)技術(shù)。想要確保井下無人采礦的理想化效果實(shí)現(xiàn)，應(yīng)確保井下裝備到相應(yīng)的生產(chǎn)工作區(qū)域，這就務(wù)必準(zhǔn)確地跟蹤導(dǎo)航規(guī)劃的線路，跟蹤目標(biāo)技術(shù)可以轉(zhuǎn)換導(dǎo)航規(guī)劃路徑目標(biāo)點(diǎn)為井下采礦裝備的運(yùn)行動(dòng)作，然后再結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)換執(zhí)行動(dòng)作為控制信號(hào)，進(jìn)而合理地控制裝備。針對(duì)當(dāng)今而言，基于無線射頻的跟蹤目標(biāo)技術(shù)越來越備受重視，該技術(shù)結(jié)合射頻手段使非接觸的雙向通信順利實(shí)現(xiàn)，工作者可以對(duì)各種井下情況移動(dòng)采礦裝備的靜止、跟蹤移動(dòng)等進(jìn)行識(shí)別，且可以跟設(shè)備交換數(shù)據(jù)，如此的跟蹤目標(biāo)技術(shù)便于操作，具備較強(qiáng)的抗干擾性能與信號(hào)穿透性能，并且傳輸數(shù)據(jù)量小，不但可以實(shí)現(xiàn)定位跟蹤的準(zhǔn)確性，而且可以確保及時(shí)地通信。日本研制的井下礦石采掘軌跡自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，基于該系統(tǒng)的引導(dǎo)下，井下鏟斗可以進(jìn)行大角度路徑的挖掘生產(chǎn)。而作為控制中心結(jié)合通訊模塊而言，可以跟蹤井下車的位置與運(yùn)行情況，基于運(yùn)籌理論，對(duì)井下車的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行設(shè)置，且以此作為前提條件對(duì)其避讓或者是運(yùn)行情況進(jìn)行自動(dòng)化控制，確保了井下無人鏟運(yùn)的標(biāo)準(zhǔn)化與有序化開展。

（5）運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵作用在于確保井下采礦裝備根據(jù)設(shè)計(jì)的路徑自主執(zhí)行有關(guān)動(dòng)作?？v觀運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的本質(zhì)而言，其屬于執(zhí)行器，其組成部分是若干移動(dòng)部件，結(jié)合運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，可以確保周圍環(huán)境跟一系列部件相符合的動(dòng)作。在井下挖掘機(jī)中安裝激光掃描測(cè)距儀，從而對(duì)卡車的位置進(jìn)行自動(dòng)地識(shí)別，且對(duì)土壤面的形狀以及障礙物進(jìn)行探測(cè)，從而根據(jù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)土壤的挖掘位置進(jìn)行準(zhǔn)確地確定，以自動(dòng)化地控制挖掘機(jī)，最終保障挖掘機(jī)在卸載點(diǎn)與挖掘點(diǎn)間迅速、高效地生產(chǎn)作業(yè)。

（6）地形感知技術(shù)。井下生產(chǎn)環(huán)境惡劣，地形規(guī)則不一，往往會(huì)碰到各種特性的土層、砂巖等，盡管開采區(qū)域是連續(xù)的，可是鏟斗也會(huì)碰到特性不一的土壤，想要使全自動(dòng)化的采礦實(shí)現(xiàn)，務(wù)必注重地形感知技術(shù)的應(yīng)用，基于推進(jìn)采掘的影響下，其會(huì)對(duì)改變的地形環(huán)境進(jìn)行感知，且生成圖像，從而以此為根據(jù)實(shí)現(xiàn)開采的自動(dòng)化控制。針對(duì)當(dāng)今而言，地形感知技術(shù)一般包括視覺感知技術(shù)、激光測(cè)距儀、超聲波技術(shù)等。

3 結(jié)語

綜上所述，礦山開采中，井下采礦為關(guān)鍵性的一個(gè)環(huán)境，直接對(duì)開采結(jié)果產(chǎn)生影響。近年來，隨著對(duì)煤炭等資源需求量的增加，深部開采作為主要手段受到人們的廣泛關(guān)注，而深部開采的實(shí)現(xiàn)需要依賴無人采礦技術(shù)，因此，本文分析了井下無人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制的關(guān)鍵技術(shù)。在當(dāng)前形勢(shì)下，國(guó)內(nèi)煤礦企業(yè)持續(xù)發(fā)展為深部開采，采礦的危險(xiǎn)性增加、難度提高，而對(duì)于井下無人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制技術(shù)的研發(fā)、應(yīng)用顯得非常關(guān)鍵。盡管當(dāng)前無人采礦技術(shù)的研發(fā)水平還比較低，像是裝備導(dǎo)航控制技術(shù)和地形感知技術(shù)都比較稚嫩，可是基于持續(xù)研發(fā)的影響下，無人采礦技術(shù)能力會(huì)愈加提升，堅(jiān)信在不久的將來，井下無人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制技術(shù)獲得非常大的進(jìn)步和發(fā)展，并且被普遍地應(yīng)用于井下采礦工程中。