智能化礦山巷道掘進設備導向系統(tǒng)的研究

李硯耕

（中國地質大學，湖北 武漢 430074）

1 智能化礦山巷道掘進導向系統(tǒng)簡介

傳統(tǒng)采礦法存在資源消耗多、生產效率低、安全保障性差、污染嚴重等問題，與采礦行業(yè)發(fā)展速度不匹配，成為限制行業(yè)發(fā)展的瓶頸。進入21世紀，現(xiàn)代高新技術和信息科技為世界礦業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機遇，傳統(tǒng)礦業(yè)正邁入一個信息化、自動化、智能化的嶄新而充滿活力的科技發(fā)展領域。在此情況下，智能掘進設備成為世界采礦業(yè)的未來發(fā)展方向和追求目標之一。

礦山巷道掘進導向系統(tǒng)智能化是采用通信、傳感器、人工智能、虛擬現(xiàn)實等信息技術、計算機技術及礦山自動化設備，整個巷道開采過程中，操作人員只需要在巷道外操作計算機，通過計算機發(fā)出的無線電信號來控制鉆車在井下工作 （見圖1）。其工作過程主要分為以下幾個階段。

1.1 準備工作

通過專門為巷道掘進系統(tǒng)開發(fā)的軟件，在三向坐標上建立巷道軸線與激光束之間的關系，然后把爆破孔精確地布置在巷道斷面圖上，并標出每個鉆孔相對于巷道軸線的角度和孔深 （見圖2和圖3）。

1.2 鉆孔作業(yè)

圖1 智能化礦山巷道掘進導向系統(tǒng)構成圖

圖2 巷道軸線與激光束之間的關系圖

圖3 在軟件中把爆破孔精確地布置在巷道斷面圖上

做完準備工作，操作人員只需要按下確認按鈕，鉆車就會在巷道內開始鉆孔作業(yè)。鉆車通過安裝在鉆車上的校準激光定位孔的位置，通過計算機控制鉆車各個關節(jié)位置的傳感器，在爆破面上鉆鑿出預先在計算機里面設定的爆破孔（見圖4）。

2 智能化礦山巷道掘進導向系統(tǒng)的詳細方向控制過程

圖4 計算機控制鉆車實現(xiàn)爆破面巖孔的智能化鉆鑿

導向系統(tǒng)對鉆車的方向控制包括角度控制和孔深控制。是通過對鉆車鉆臂、推進器的角度和推進長度進行控制而實現(xiàn)的。這就要求對鉆臂、推進器的角度，以及鉆孔的深度進行實時測量，并在軟件中通過顯示屏顯示出來。操作人員通過指令完成對鉆車的智能化控制，使鉆車達到最終的作業(yè)要求。

智能導向系統(tǒng)的角度指示包括測量和顯示推進器的方向。系統(tǒng)會測算出與參數方向的偏差，偏差會顯示在控制屏上。為了使系統(tǒng)顯示正確的值，操作人員需規(guī)定一個參考方向。

智能導向系統(tǒng)的孔深控制過程是：鉆車配備了測孔深的設備，系統(tǒng)會在鉆孔時顯示即時深度。為了使系統(tǒng)能控制鉆車的鉆孔深度達到工程要求，操作人員需給出一個全長度的孔。

2.1 顯示界面

系統(tǒng)的顯示屏界面如圖5所示。

圖5 智能導向系統(tǒng)的顯示屏界面

F1,F2,F3,F4——直接選擇按鈕。這些按鈕只在特定的菜單中起作用，并與菜單中的符號相對應。ESC退出鍵。后退一步，取消一個輸入的數值。

←左移鍵。向左移動光標。

↑上移鍵。向上移動光標，增大一個數值。

↓下移鍵。向下移動光標，減小一個數值。→右移健。向右移動光標。

回車鍵為輸入鍵。確認選項或有變動的數值，激活數值變動的字段。

2.2 菜單功能簡述

在鉆孔作業(yè)中，這些光標也可以用來小范圍移動推進器（見圖6）。

圖6 鉆孔作業(yè)操作菜單

系統(tǒng)啟動后即顯示圖6所示的主菜單 （樹形分支）。從這里可以直接進入鉆孔菜單。

菜單分支1：

包括鉆孔工作菜單。工作菜單顯示推進的方向和規(guī)定的全孔深度 （也可以在這里定義一個新的參考方向）。如果配有孔深度測量儀，則可以顯示當前的孔深，而且可以在鉆完孔后重新定義孔深。

菜單分支2：

包含了與鉆臂傳感器相關的菜單。選項（2）進入菜單（2.1）可看到角度傳感器。進入菜單（2.2）可對角度傳感器進行校準。

菜單2.1角度傳感器：顯示鉆臂的擺動角度，推進器的擺動角度和推進器的俯仰角度。

菜單2.2傳感器校準：這個信息可用來檢查這個傳感器是否按照設定程序工作。用于在更換了傳感器或處理模塊之后，對傳感器的校準。該菜單有密碼保護。

菜單分支3：設定菜單。

進入3.1菜單設定孔深；

進入3.2校準深度傳感器 （只適用于配備了孔深測量儀的設備）。

菜單分支4：屏幕亮度設置菜單：

該菜單調整屏幕的亮度，設定值為1-9。

菜單分支5：發(fā)現(xiàn)和故障診斷菜單。

進入菜單，可查看傳感器和處理模塊的狀態(tài)。菜單分支6：設置密碼的菜單。

該菜單可以設置特定菜單的保護密碼。其目的是操作者想要進入受保護的菜單時，需要輸入密碼解鎖菜單才能進入。這個菜單就是輸入密碼的。

2.3 工作菜單

進入工作菜單后，屏幕出現(xiàn)圖7所示的界面。

圖7 工作菜單界面

（1）將孔深測量儀的數據清零。

（2）查看操作者定義的參考方向。

（3）參考方向的模式選擇。

（4）設定的孔深。

（5）推進器俯仰角。

（6）推進方向。

（7）當前孔深。

推進方向用箭靶表示，靶心表示參考方向。當推進方向與參考方向有偏差時，則以一條黑線來表示實際孔底與參考方向所鉆的孔底的距離。如6，如果完全按照參考方向推進，則黑線縮短為一個點并與靶心重合。

例如顯示上面的圖像，則表示孔所鉆的底孔與按參考方向的底孔有7cm的偏差。

角度的顯示也與孔的最大深度有關，角度偏差也會顯示在控制屏上。

參考方向的模式也必須選擇，選項（3），如果選擇了‘臺車'符號，系統(tǒng)就會使用預設的參考方向，也就是以臺車的縱軸為參考方向。如果選擇了‘巷道'符號。可自由定義一個新的參考方向。

如果臺車配有孔深測量設備，則（7）會顯示實時的孔深，（1）也可以清零。

2.4 計算機文檔

隧道掘進導向系統(tǒng)由大量的硬件和軟件構成。這些硬件、軟件都是專門為了鉆孔作業(yè)臺車及其系統(tǒng)所設計的。硬件主要由安裝在各鉆臂關節(jié)點上的角度傳感器外伸和推進器回縮的線性傳感器以及測量鑿孔速度的傳感器組成。還包括測量鉆車切斜度的傾斜儀。各傳感器的信號被傳輸至計算機，通過計算機，這些數據被轉換為可讀數據，并在顯示屏上顯示，同時以電子文檔的形式保存在計算機內。

2.5 單臂鉆車配置的系統(tǒng)配置

以下是重慶格德瑞重工有限公司部分單臂鉆車，巷道掘進導向系統(tǒng)的配置情況、能實現(xiàn)的功能，以及能達到的效果。圖8為重慶格德瑞重工有限公司生產的CTJY12.1型輪胎式全液壓鑿巖鉆車。該鉆車的技術參數見表1。

圖8 格德瑞公司CTJY12.1型輪胎式全液壓鑿巖鉆車

表1 CTJY12.1型鉆車技術參數

系統(tǒng)關于單臂鑿巖鉆車的硬件配置、系統(tǒng)功能，介紹如下：

配套設備：

（1）三個傳感器：一個用于水平角度，兩個用于垂直角度。

（2）一臺顯示器。

系統(tǒng)功能：

（1）在顯示器上實時顯示推進梁相對于洞軸線的方向。

（2）通過顯示器的界面操作，操作人員可以把推進器調整到準確的方向上。

達到的效果：

（1）保證周邊孔鉆孔的準確性。

（2）使孔與孔之間的平行度更加精準。

2.6 三臂鉆車配置的系統(tǒng)配置

以下是重慶格德瑞重工有限公司部分三臂鉆車，巷道掘進導向系統(tǒng)的配置情況、能實現(xiàn)的功能，以及能達到的效果。圖9為重慶格德瑞重工有限公司生產的CTJY12.3型輪胎式全液壓鑿巖鉆車。該鉆車的技術參數見表2。

圖9 格德瑞公司CTJY12.3型三臂輪胎式全液壓鑿巖鉆車

三臂鑿巖鉆車的硬件配置、系統(tǒng)功能、效果如下：

配套設備：

（1）九個傳感器：三個用于水平角度，六個用于垂直角度。

（2）一臺顯示器。

系統(tǒng)功能：

（1）在顯示器上實時顯示推進梁相對于洞軸線的方向。

表2 CTJY12.3型鉆車技術參數

（2）通過顯示器的界面操作，操作人員可以把推進器調整到準確的方向上。

達到的效果：

（1）保證周邊孔鉆孔的準確性。

（2）使孔與孔之間的平行度更加精準。

2.7 智能化控制的煤礦用切頂切縫鉆機

20世紀60年代，礦業(yè)科學技術得到快速發(fā)展。其中，以錢鳴高院士的“砌體梁”理論和宋振騏院士的“傳遞巖梁”理論為代表，引領了長壁開采的兩次技術變革。但隨著煤礦開采深度的增加，深部巷道圍巖大變形問題引起的災害事故愈加嚴重，尤其是順槽巷道事故頻發(fā)。而解決上述問題必須從根本上改變傳統(tǒng)采煤方法，早在2008年何滿潮院士便率先提出了“切頂短壁梁理論”，標志著煤炭開采科學技術進入新紀元[1]。以李硯耕院士為代表的鑿巖設備科研團隊，順應煤礦開采技術的進步，對煤礦用切頂切縫鉆機進行智能化控制研究，進一步實現(xiàn)了操作人員可以遠離現(xiàn)場遙控鉆機作業(yè)施工，從而降低了對操作人員的專業(yè)技術及施工經驗要求，提高了作業(yè)質量。智能化控制的切頂切縫鉆機已在重慶格德瑞重工有限公司實現(xiàn)量產，其外形如圖10所示。對切頂切縫鉆機的智能化控制跟上面所述掘進鉆車的掘進智能化控制方式類似，此處不再詳述。

重慶格德瑞重裝院主要研發(fā)了以下專用設備。

圖10 智能化控制的切頂切縫鉆機

（1）煤層切頂卸壓沿空自動成巷無煤柱開采的專用切縫鉆機，見圖11。

（2）中厚煤層切頂切縫的專用鉆機，見圖12。

（3）可360°旋轉的掛網與錨固同步鉆機，見圖13。

（4）厚煤層掛網與錨固同步鉆機，如圖14。

（5）回風洞掘進鉆機，見圖15。

煤礦用切頂切縫鉆機用在煤層切頂卸壓沿空成巷法開采中，為了定向形成頂板的斷裂而不破壞頂板，采用導向鉆頭實現(xiàn)頂板按預定的方向斷裂的切縫工藝。切縫工藝示意圖如圖16所示，切縫專用鉆頭外形如圖17所示。

圖11 薄煤層切頂卸壓沿空成巷開采的專用切縫鉆機

圖12 中厚煤層切頂切縫鉆機

圖13 可360°旋轉的掛網與錨固同步鉆機

圖14 厚煤層掛網與錨固同步鉆機

圖15 回風洞掘進鉆機

圖16 切頂卸壓沿空成巷開采技術中的切縫工藝示意圖

圖17 切頂專用鉆頭

3 結語

（1）智能化礦山巷道掘進設備導向系統(tǒng)的研究與應用，是落實國家通過高新技術提升傳統(tǒng)產業(yè)政策的具體體現(xiàn)。智能化是以自動化、信息化以及人工智能等眾多高新技術為基礎，通過多學科、多技術的交叉融合及綜合應用而形成的高端技術，將促進我國采礦業(yè)這一傳統(tǒng)產業(yè)與諸多高新技術的結合，從而大幅度提高我國礦山采礦技術的水平，促使礦山生產維持在最佳狀態(tài)和最優(yōu)水平，從而大幅度提高礦山的采礦效率、降低采礦成本、改善經濟效益，有效提高礦山企業(yè)的競爭能力。

（2）以李硯耕院士為首的重慶格德瑞重工智能裝備研究院科研團隊，成功地開發(fā)了智能化礦山巷道掘進導向系統(tǒng)，并應用到各類礦山巷道掘進和采煤頂板切割設備中，可實現(xiàn)巷道的無人安全操作，減少對操作人員的身體傷害。并可獲得較準確的巷道開挖斷面，取得良好的經濟效益和社會效益。

（3）從我國整個鑿巖設備的生產情況來看，智能化的比例比起其他行業(yè)還遠遠算不上先進。希望通過這次將重慶格德瑞重工智能裝備研究院研發(fā)的智能裝備情況向各位同仁做簡略的介紹，能為全行業(yè)向智能化先進水平邁進起到拋磚引玉的作用，為行業(yè)邁向國際產業(yè)鏈的高端盡自己的綿薄之力。