煤礦井下巷道快速掘進(jìn)技術(shù)的研究

柴 皓

（長治市煤礦技術(shù)服務(wù)中心，山西 長治 046000）

引言

隨著以采煤機(jī)為代表的自動化綜采設(shè)備的不斷投入應(yīng)用，煤礦井下綜采作業(yè)效率得到了大幅提升。目前，巷道掘進(jìn)主要依靠人工操作掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)，由于井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此需要人工根據(jù)截割經(jīng)驗(yàn)不斷調(diào)整掘進(jìn)機(jī)的作業(yè)姿態(tài)，從而保證巷道掘進(jìn)效率和質(zhì)量。這種掘進(jìn)方式在實(shí)際應(yīng)用中暴露出了掘進(jìn)效率低、巷道成型質(zhì)量差的問題，需要人工多次進(jìn)行巷道斷面修整，極大地影響了巷道掘進(jìn)效率。隨著自動控制技術(shù)的發(fā)展，一種新的煤礦井下巷道快速掘進(jìn)技術(shù)——掘進(jìn)機(jī)位姿自動監(jiān)測與糾偏技術(shù)、巷道斷面智能成型技術(shù)的出現(xiàn)與應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)巷道的自動成型作業(yè)。根據(jù)在煤礦井下的實(shí)際應(yīng)用表明，掘進(jìn)機(jī)位姿自動監(jiān)測與糾偏技術(shù)能夠?qū)蜻M(jìn)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和調(diào)整，巷道斷面智能成型技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的無人化智能截割作業(yè)，能夠?qū)⑾锏酪淮纬尚吐侍嵘?4.2%，將巷道掘進(jìn)效率提升22.1%，對實(shí)現(xiàn)井下采掘平衡，提高綜采經(jīng)濟(jì)性具有十分重要的意義。

1 快速掘進(jìn)技術(shù)構(gòu)架

掘進(jìn)機(jī)在綜采作業(yè)過程中的工藝流程主要包括姿態(tài)調(diào)整、掏槽定位、巷道斷面截割、刷幫掃底、收煤幾個環(huán)節(jié)，其中掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整精度和巷道斷面截割方式直接影響到掘進(jìn)作業(yè)效率和斷面成型質(zhì)量，因此對巷道掘進(jìn)效率的提升應(yīng)重點(diǎn)從掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)的監(jiān)測和糾偏、巷道斷面的自動成型兩方面入手，同時需要增加掘進(jìn)機(jī)故障自動監(jiān)測技術(shù)，提升掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)的穩(wěn)定性。煤礦井下巷道快速掘進(jìn)方案整體架構(gòu)如圖1 所示[1]。

圖1 井下巷道快速掘進(jìn)方案構(gòu)架示意圖

由圖1 可知，掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)位姿檢測與糾偏技術(shù)主要是利用大量的傳感器設(shè)備對掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，然后利用組合定位算法及慣性導(dǎo)航位姿解算方法對掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，針對不同的姿態(tài)選擇不同的糾偏方案，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自適應(yīng)糾偏。

斷面自動成型與自適應(yīng)截割技術(shù)主要是通過斷面成型誤差分析、自適應(yīng)截割控制和截割軌跡跟蹤技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。

掘進(jìn)機(jī)的故障監(jiān)測技術(shù)，主要指的是自適應(yīng)診斷，包括全狀態(tài)故障診斷、容錯組合定位及動態(tài)位姿容錯控制，通過對各類運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行監(jiān)控對比，確定掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對故障的自動檢測和報警，提升掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 采煤機(jī)位姿糾偏技術(shù)

由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)作業(yè)過程中受多種因素的影響，其位姿不斷發(fā)生變化，無法滿足掘進(jìn)一致性的需求，目前多采用機(jī)器視覺定位、超聲波定位、激光定位、無線電定位等技術(shù)，但在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)單一的定位方案受干擾嚴(yán)重，無法滿足快速、精確定位的需求，因此提出一種新的組合式的采煤機(jī)位姿定位、糾偏方案，其采用了捷聯(lián)慣性導(dǎo)航定位技術(shù)，整體定位糾偏原理如圖2 所示[2]。

圖2 組合式位姿糾偏技術(shù)原理

由圖2 可知，該綜合定位系統(tǒng)由4 個移動式捷聯(lián)慣導(dǎo)定位基站、4 個固定式捷聯(lián)慣導(dǎo)定位基站和設(shè)置在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上的捷聯(lián)慣導(dǎo)設(shè)備構(gòu)成。在應(yīng)用過程中，通過對掘進(jìn)機(jī)相對于坐標(biāo)原點(diǎn)變化量的分析確定掘進(jìn)機(jī)工作過程中的位姿情況，同時結(jié)合激光測距設(shè)備標(biāo)定掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的模塊坐標(biāo)值來確認(rèn)掘進(jìn)機(jī)的位姿狀態(tài)。

通過對掘進(jìn)機(jī)位姿變化情況的統(tǒng)計，在掘進(jìn)過程中最容易發(fā)生變化的姿態(tài)主要是懸臂的俯仰角和進(jìn)給過程中的位置誤差，對懸臂俯仰角的調(diào)整主要通過控制懸臂執(zhí)行油缸來調(diào)整，當(dāng)系統(tǒng)確定俯仰角的偏差量后根據(jù)預(yù)設(shè)的對應(yīng)邏輯，自動計算出執(zhí)行油缸的調(diào)整量，然后輸出調(diào)整信號，控制對執(zhí)行油缸的調(diào)整。對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)給過程中位置誤差的調(diào)整主要依靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)的液壓馬達(dá)，同樣是通過位姿檢測后輸出調(diào)整信號，滿足位姿調(diào)整需求。

3 巷道自動截割成型原理

煤礦井下巷道結(jié)構(gòu)通常為半拱形，不同的截割軌跡具有不同的巷道成型效果，通過對多種截割軌跡的分析，最終確定采用“S”形截割路徑（在截割作業(yè)時從下到上進(jìn)行截割），井下巷道斷面的自動截割原理如圖3 所示[3]。

在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時，系統(tǒng)首先讀取掘進(jìn)機(jī)的絕對位姿狀態(tài)，然后根據(jù)捷聯(lián)慣導(dǎo)原理推算出掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)相對于巷道的相對位置坐標(biāo)[4]，設(shè)定截割切入點(diǎn)后截割機(jī)構(gòu)根據(jù)預(yù)設(shè)的“S”形截割路徑進(jìn)行自動成型作業(yè)。掘進(jìn)機(jī)的自動成型作業(yè)還包括截割后的掃底、刷幫，從而有效保證了巷道的成型質(zhì)量，滿足了快速、高效的截割作業(yè)需求。

圖3 巷道自動成形原理示意圖

4 掘進(jìn)機(jī)故障自動檢測及應(yīng)用效果分析

掘進(jìn)機(jī)的故障自動檢測主要是依靠各類傳感器設(shè)備對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中的截割轉(zhuǎn)速、位姿狀態(tài)、截割電流等進(jìn)行監(jiān)測，將監(jiān)測結(jié)果和數(shù)據(jù)庫內(nèi)的正常運(yùn)行范圍進(jìn)行對比，若參數(shù)超標(biāo)持續(xù)時間超過5 s 則系統(tǒng)自動進(jìn)行故障報警和故障數(shù)據(jù)分析，鎖定故障原因，提升掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性。

該巷道快速掘進(jìn)技術(shù)方案通過對自動檢測技術(shù)的升級實(shí)現(xiàn)了位姿自動調(diào)整、智能截割作業(yè)和自動故障預(yù)警。根據(jù)在煤礦井下巷道的實(shí)際應(yīng)用表明，采用新的快速掘進(jìn)技術(shù)后，井下巷道的掘進(jìn)速度由最初的5.2 m/d 提升到了目前的6.35 m/d，掘進(jìn)效率提升了22.1%，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中的巷道一次成型率由54.9%提升到了目前的73.7%，比優(yōu)化前提升了34.2%，掘進(jìn)機(jī)工作過程中的停機(jī)維修時間比優(yōu)化前降低了73.4%，顯著提升了井下巷道掘進(jìn)效率和一致性。

5 結(jié)論

1）掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)位姿檢測與糾偏技術(shù)主要是利用大量的傳感器設(shè)備對掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，然后利用組合定位算法及慣性導(dǎo)航位姿解算方法對姿態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自適應(yīng)定位和糾偏。

2）采用新的快速掘進(jìn)技術(shù)后，井下巷道的掘進(jìn)效率比優(yōu)化前提升了22.1%，巷道一次成型率比優(yōu)化前提升了34.2%，掘進(jìn)機(jī)工作過程中的停機(jī)維修時間比優(yōu)化前降低了73.4%，顯著提升了井下巷道掘進(jìn)效率和一致性。