露天礦邊幫壓煤無人開采導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用研究

李文國，劉 鑫

(內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

根據(jù)《中國礦產(chǎn)資源報(bào)告2018》顯示，截至2017年底，我國查明的煤炭資源儲(chǔ)量為16666.73×108t，其中可露天開采的儲(chǔ)量占7%，約為1166.67×108t。適合露天開采的煤炭資源主要分布在內(nèi)蒙古、新疆、云南，目前內(nèi)蒙古自治區(qū)的露天煤礦核定生產(chǎn)能力達(dá)51875×104t。

露天煤礦開采工藝及現(xiàn)行礦權(quán)設(shè)置政策，導(dǎo)致采場邊幫區(qū)域資源無法回收，隨著剝挖推進(jìn)并實(shí)施坑內(nèi)排土，這些資源將被掩埋。限于技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等因素，壓覆資源的復(fù)采難度太大，導(dǎo)致大量煤炭資源浪費(fèi)。根據(jù)《煤炭法》第二十二條：“國家鼓勵(lì)煤礦企業(yè)進(jìn)行復(fù)采或者開采邊角殘煤和極薄煤”[1]的規(guī)定，為提高資源回收率，并保證生產(chǎn)安全，在內(nèi)蒙古部分地區(qū)試采用邊幫巷采作業(yè)面無人化[2，3]回收工藝回采邊幫壓覆資源。

類似的端幫開采技術(shù)的發(fā)展始于20世紀(jì)40年代，在20世紀(jì)80年代已成功用于露天煤礦[4]。隨著采煤設(shè)備的不斷更新，端幫采煤技術(shù)的工藝形式也在不斷變化，其主要的生產(chǎn)工藝為：端幫井巷工程采煤工藝、端幫螺旋鉆采煤工藝、端幫采煤機(jī)(SHM)采煤工藝[5]。前兩種工藝實(shí)際應(yīng)用效果不理想，生產(chǎn)能力小，生產(chǎn)效率低；最近幾年出現(xiàn)的端幫采煤機(jī)工藝，是一種能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量、最大程度回收礦山資源，降低生產(chǎn)成本的開采技術(shù)。目前內(nèi)蒙古自治區(qū)試驗(yàn)開采中應(yīng)用的邊幫(端幫)采煤機(jī)(SLM)工藝設(shè)備缺乏先進(jìn)技術(shù)的融合，與世界同類設(shè)備自動(dòng)化水平差距較大。先進(jìn)、高效的無人化邊幫巷采裝備的自主研發(fā)，成為了該工藝的重點(diǎn)，定位導(dǎo)航技術(shù)是無人化邊幫巷采裝備研究的關(guān)鍵。

1 定位導(dǎo)航技術(shù)現(xiàn)狀

煤礦作業(yè)面無人化開采研究應(yīng)用的定位技術(shù)主要包括：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)法、紅外定位法、軌道里程計(jì)法、超聲波定位法、激光定位法、基于GIS的采煤機(jī)定位技術(shù)以及基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)等[6-13]。

1.1 慣性定位導(dǎo)航技術(shù)

慣性定位導(dǎo)航技術(shù)主要通過對INS測得的采煤機(jī)航向角、姿態(tài)角等角度數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換后，再對加速度計(jì)輸出值進(jìn)行積分運(yùn)算，可求得采煤機(jī)的三維坐標(biāo)位置[8，9]，其原理如圖1所示。

圖1 慣性導(dǎo)航定位技術(shù)的實(shí)施原理圖

1.2 激光指向法定位導(dǎo)航技術(shù)

激光指向法定位導(dǎo)航技術(shù)的主要設(shè)備是激光指向儀；采用半導(dǎo)體激光器，發(fā)射出激光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)處理，成為準(zhǔn)直的激光束后在水平和垂直兩個(gè)方向上對該光束進(jìn)行微調(diào)，為采煤機(jī)的行走進(jìn)行指向[8]，其原理如圖2所示。

圖2 激光指向法定位技術(shù)的實(shí)施原理圖

1.3 基于GIS的采煤機(jī)定位導(dǎo)航技術(shù)

基于地理信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測采煤機(jī)行走軌跡、截割軌跡、截割部位離煤層頂?shù)装寰嚯x等，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)在煤層工作面三維地質(zhì)環(huán)境中的定位與煤層地質(zhì)信息的感知[9]，其原理如圖3所示。

圖3 基于 GIS的采煤機(jī)定位技術(shù)的實(shí)施原理圖

2 激光與慣性導(dǎo)航技術(shù)試驗(yàn)應(yīng)用

目前內(nèi)蒙古自治區(qū)在部分露天煤礦開展的邊幫壓煤回收試驗(yàn)性開采工作，使用綜掘機(jī)或連續(xù)采煤機(jī)組巷采回收工藝。

2.1 邊幫煤回收激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)

圖4 激光指向儀

試采回收工藝設(shè)備多數(shù)采用的激光指向定位方法，主要利用的是激光的準(zhǔn)直特性。通過人工勘測輔助校準(zhǔn)，將激光指向定位儀(圖4)懸掛于距煤層開采頂板1m中間位置處采巷口龍門架上的激光發(fā)射器，發(fā)射出一條激光束，穿過采煤機(jī)前端的截割滾筒中間位置的兩齒之間，進(jìn)而照射到待采掘的煤層壁上。通過這三個(gè)位置信息便可以指引采煤機(jī)的開采行走方向，通過視頻監(jiān)控裝置輔助，駕駛?cè)藛T在控制室內(nèi)便可以直觀看到采煤機(jī)行進(jìn)、采掘的具體工況。對采煤機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)人為干預(yù)，從而遙控采煤機(jī)完成采煤過程。

2.2 邊幫煤回收慣性導(dǎo)航系統(tǒng)

進(jìn)行試驗(yàn)性開采的伊金霍洛旗德隆礦業(yè)有限公司，采用回收率在95%以上的充填巷采方式回收邊幫壓煤，采煤及填充兩種工藝均采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，此系統(tǒng)是通過角速度計(jì)[14]測量物體運(yùn)動(dòng)時(shí)的角速度數(shù)據(jù)，結(jié)合相應(yīng)的公式算法得出加速度并確定出物體位置，從而實(shí)現(xiàn)了對被測物體的定位和導(dǎo)航。

該系統(tǒng)可以將自動(dòng)采煤機(jī)、填充機(jī)(的姿態(tài)，航向等數(shù)據(jù)繪制成運(yùn)行軌跡，并實(shí)時(shí)上傳到控制室。操作人員可隨時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并可進(jìn)行自動(dòng)或人為干預(yù)完成采煤過程。

3 應(yīng)用效果對比

3.1 適用性對比

從定位精確度方面考慮激光指向定位導(dǎo)航系統(tǒng)，定位精度小于0.002m；光線明暗、使用環(huán)境的干擾導(dǎo)致定位精準(zhǔn)度及生產(chǎn)實(shí)效均相對較低[15]；激光指向定位方法，自動(dòng)化水平、智能化程度較低；可滿足現(xiàn)場前期試驗(yàn)性小范圍、低強(qiáng)度、煤層賦存狀態(tài)好的資源回收開采使用。

慣性導(dǎo)航技術(shù)的定位精度明顯優(yōu)于激光指向定位技術(shù)，但其無法提供具體的時(shí)間信息[16]，固有的定位誤差隨著時(shí)間增加而增大[17]；慣性導(dǎo)航系統(tǒng)完全依賴自身的傳感器信息，不需要外部輔助，可獨(dú)立、持續(xù)不間斷工作，系統(tǒng)設(shè)備不易受濕度、粉塵等環(huán)境因素的干擾，穩(wěn)定性好、適應(yīng)多種環(huán)境，可滿足實(shí)驗(yàn)性回收開采需要，也能在大范圍、高強(qiáng)度、煤層賦存狀態(tài)差的條件下進(jìn)行回收開采。

在試采生產(chǎn)中采用慣性導(dǎo)航技術(shù)相比于采用激光定位導(dǎo)航技術(shù)的采煤工藝，便于實(shí)現(xiàn)采煤工作面的無人化操作，有利于提高工藝自動(dòng)化、智能化水平，具有更好的環(huán)境適用性。

3.2 經(jīng)濟(jì)性對比

采用激光指向定位導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備投資低，設(shè)備在拆裝過程中易損壞；需要現(xiàn)場操作人員分別進(jìn)行指向儀調(diào)校、拆裝、采煤過程控制操作等工作。耗費(fèi)人力、時(shí)間更多，生產(chǎn)效率低。

慣性定位導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)備投資大，生產(chǎn)過程中僅需采煤過程控制操作，操作人員比激光導(dǎo)航技術(shù)少約50%(見表1)，人工成本低；自動(dòng)化程度及生產(chǎn)效率高，其平均日產(chǎn)出量比采用激光定位導(dǎo)航系統(tǒng)的回收工藝高出132t/d。

表1 激光指向與陀螺儀慣性導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)場試驗(yàn)效果對比表

根據(jù)3煤和4煤的試采結(jié)果可知，采用慣性定位導(dǎo)航技術(shù)比激光指向定位技術(shù)的邊幫采煤工藝系統(tǒng)設(shè)備投入大，人工費(fèi)用少，生產(chǎn)效率高。從長期來看采用慣性定位導(dǎo)航技術(shù)的邊幫采煤工藝系統(tǒng)更智能、經(jīng)濟(jì)效益更好。

4 結(jié) 語

現(xiàn)階段內(nèi)蒙古自治區(qū)小范圍開展的露天礦邊幫壓煤回收工藝系統(tǒng)試驗(yàn)性開采工作，研究如何安全、高效回收露天煤礦邊幫壓覆資源，提高資源回收率，已取得初步成果，社會(huì)效益與企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益明顯。根據(jù)已開展的邊幫壓煤回收試驗(yàn)性開采工藝實(shí)施效果分析，采用慣性導(dǎo)航技術(shù)，便于實(shí)現(xiàn)采煤工作面的無人化操作，減少了人員成本，節(jié)省了時(shí)間，提高了工藝的生產(chǎn)效率及自動(dòng)化、智能化水平，具有更好的環(huán)境適用性和經(jīng)濟(jì)可行性。

這一實(shí)踐為今后回收露天礦邊幫壓覆資源，自主研發(fā)的無人化開采設(shè)備，及研究該設(shè)備所用定位導(dǎo)航系統(tǒng)，提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。希望在未來無人化采煤裝備研究中，能基于自主研發(fā)設(shè)備定位導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用，結(jié)合地理位置信息系統(tǒng)，伽瑪射線感知系統(tǒng)、邏輯控制系統(tǒng)等技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)類似于汽車自動(dòng)駕駛的智慧化采煤系統(tǒng)的自主生產(chǎn)。即發(fā)出指令后，依托于先進(jìn)的定位感知系統(tǒng)，通過礦井大數(shù)據(jù)系統(tǒng)運(yùn)算分析，實(shí)現(xiàn)智慧化自主生產(chǎn)。