煤礦井下自動(dòng)掘進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用研究

李 凱

（陽(yáng)煤集團(tuán)壽陽(yáng)開元礦業(yè)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部掘進(jìn)五隊(duì)， 山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

煤礦井下掘進(jìn)機(jī)是一種用于巷道掘進(jìn)的大型機(jī)械化設(shè)備，在工作時(shí)通過控制人工控制搖臂的升降，按照一定的路徑對(duì)巷道進(jìn)行截割作業(yè)，滿足井下綜采作業(yè)的需求。但由于煤礦井下地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、能見度低，人工控制掘進(jìn)機(jī)的截割作業(yè)存在截割效率低、巷道成型質(zhì)量差、掘進(jìn)機(jī)使用壽命短等問題，嚴(yán)重制約了井下巷道掘進(jìn)效率[1]，目前巷道掘進(jìn)速度過低已經(jīng)成為制約井下綜采作業(yè)效率進(jìn)一步提高的關(guān)鍵。隨著煤礦井下無人化綜采作業(yè)的不斷發(fā)展，一種新型井下自動(dòng)掘進(jìn)技術(shù)方案被提出并得到實(shí)踐應(yīng)用。該方案將掘進(jìn)機(jī)的自主截割控制系統(tǒng)和可視化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)井下自主掘進(jìn)作業(yè)和遠(yuǎn)程人工控制掘進(jìn)作業(yè)的有機(jī)統(tǒng)一。自主截割控制系統(tǒng)以記憶截割控制為核心[1-2]，根據(jù)煤礦井下的實(shí)際情況在人工控制下先進(jìn)行一次巷道截割作業(yè)，后續(xù)即可通過一鍵控制的方法，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)在井下的自主截割。同時(shí)該控制系統(tǒng)還將可視化遠(yuǎn)程控制技術(shù)應(yīng)用在掘進(jìn)機(jī)截割控制中，完成對(duì)掘進(jìn)機(jī)人工截割控制和過程調(diào)整控制的遠(yuǎn)程操作，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的無人化掘進(jìn)作業(yè)，對(duì)提升井下綜采作業(yè)的效率和巷道成型質(zhì)量具有十分重要的意義。

1 掘進(jìn)機(jī)自主截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)煤礦井下自主截割控制要求，本文所提出的掘進(jìn)機(jī)自主截割控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)包括了上位機(jī)控制系統(tǒng)和下位機(jī)控制系統(tǒng)。下位機(jī)控制系統(tǒng)主要包括了以各類傳感器設(shè)備為核心的檢測(cè)單元以及以截割機(jī)構(gòu)為核心的執(zhí)行單元，該自主截割控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。

圖1 掘進(jìn)機(jī)自主截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

在該自主截割控制系統(tǒng)中，上位機(jī)控制單元是該系統(tǒng)的核心。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)執(zhí)行自主截割控制時(shí)，首先由人工控制掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)構(gòu)根據(jù)井下實(shí)際地質(zhì)環(huán)境和巷道截割成型要求，規(guī)劃最佳截割路徑，而后由記憶截割控制程序?qū)馗钭鳂I(yè)過程中的掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的位置坐標(biāo)、截割速度、進(jìn)給速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄，形成連續(xù)的截割控制邏輯。當(dāng)啟動(dòng)自主截割控制時(shí)，該系統(tǒng)根據(jù)傳感器設(shè)備監(jiān)測(cè)到的截割機(jī)構(gòu)的實(shí)際截割空間位置，實(shí)時(shí)顯示對(duì)應(yīng)的截割速度、進(jìn)給速度等，同時(shí)對(duì)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行負(fù)反饋監(jiān)測(cè)，不斷對(duì)實(shí)際截割狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)精確自主截割控制，確保了巷道成型質(zhì)量和掘進(jìn)效率的同步提高。

2 自主截割控制路徑的智能優(yōu)化

在掘進(jìn)機(jī)自主截割控制的過程中，理論上每一點(diǎn)的截割狀態(tài)都需要和人工截割作業(yè)時(shí)的截割狀態(tài)相對(duì)應(yīng)，但若對(duì)每一點(diǎn)都進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、調(diào)運(yùn)和計(jì)算，則將會(huì)極大影響截割作業(yè)效率和精確性，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)出現(xiàn)抖動(dòng)、截割偏位。因此需要對(duì)人工截割控制路徑進(jìn)行優(yōu)化：以后續(xù)截割點(diǎn)和起始點(diǎn)的垂直距離差值大于最小截割步距為優(yōu)化依據(jù)[4]，只保留滿足條件的截割點(diǎn)位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)截割作業(yè)路徑的優(yōu)化，自主截割控制的路徑優(yōu)化如下頁(yè)圖2所示，圖中T1—T5表示截割作業(yè)過程中的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。

由圖2可知，以上所有點(diǎn)為正常人工截割控制情況下的采樣點(diǎn)，在E到F、K到G之間存在著大量的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，如果對(duì)每個(gè)點(diǎn)都進(jìn)行計(jì)算調(diào)整，將導(dǎo)致截割機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)極大振動(dòng)，因此必須對(duì)路徑進(jìn)行優(yōu)化。以截割起始點(diǎn)A為起點(diǎn)，首先判斷位置B和位置A之間的坐標(biāo)差值是否大于截割時(shí)的最小步距值，若小于最小步距，則繼續(xù)對(duì)位置C和位置A之間的坐標(biāo)差值是否大于截割時(shí)的最小步距值進(jìn)行判斷；若大于最小步距則保留B點(diǎn)，然后再以B點(diǎn)為起始點(diǎn)，以上述標(biāo)準(zhǔn)判斷B點(diǎn)與C點(diǎn)之間的位置關(guān)系并判斷是否保留C點(diǎn)。以此類推，最終形成了優(yōu)化后的截割路徑：A—B—C—D—E—F—G—H—I—J—K，確保了較高截割作業(yè)效率，提高了截割作業(yè)的穩(wěn)定性。

圖2 自主截割路徑優(yōu)化結(jié)構(gòu)示意圖

3 可視化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于虛擬仿真技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)可視化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)主要包括虛擬仿真平臺(tái)、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)及井下掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示[5]。

圖3 可視化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，在該可視化控制系統(tǒng)中，首先利用由三維虛擬建模軟件建立掘進(jìn)機(jī)虛擬三維模型對(duì)其控制狀態(tài)進(jìn)行定義，利用安置在掘進(jìn)機(jī)上的掘進(jìn)姿態(tài)傳感器設(shè)備對(duì)掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄蜻M(jìn)虛擬模型中，虛擬模型運(yùn)行狀態(tài)控制器控制三維模型表現(xiàn)出和井下掘進(jìn)機(jī)一致的運(yùn)行姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)井下掘進(jìn)狀態(tài)的監(jiān)控。該控制系統(tǒng)還能夠通過調(diào)整虛擬掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行情況對(duì)井下掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。為確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，在控制系統(tǒng)中采用了RS485數(shù)據(jù)傳輸總線結(jié)構(gòu)，不僅能夠滿足煤礦井下抗干擾的要求，且具有數(shù)據(jù)傳輸速度快、精度高、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)分析，當(dāng)采用自主截割控制系統(tǒng)和可視化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)相結(jié)合的掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割控制方案的情況下，能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)截割作業(yè)的運(yùn)行效率提升17%以上，巷道成型的不良率降低44%，且能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的無人化掘進(jìn)作業(yè)，極大提升了巷道掘進(jìn)的效率和經(jīng)濟(jì)性，具有十分重要的意義。

4 結(jié)論

本文分析的新型井下自動(dòng)掘進(jìn)技術(shù)方案，將掘進(jìn)機(jī)的自主截割控制系統(tǒng)和可視化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了井下自主掘進(jìn)作業(yè)和遠(yuǎn)程人工控制掘進(jìn)作業(yè)的有機(jī)統(tǒng)一，根據(jù)分析表明：

1）自主截割控制系統(tǒng)以記憶截割控制作業(yè)為核心，能夠根據(jù)記憶截割路徑和掘進(jìn)機(jī)截割狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自主截割控制，滿足較好地質(zhì)條件下的自動(dòng)截割控制需求；

2）截割路徑優(yōu)化系統(tǒng)以后續(xù)截割點(diǎn)和起始點(diǎn)的垂直距離差值大于最小截割步距為優(yōu)化依據(jù)，只保留滿足條件的截割點(diǎn)位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)截割作業(yè)路徑的優(yōu)化控制，確保了較高的截割作業(yè)效率和截割作業(yè)的穩(wěn)定性。

3）新型井下自動(dòng)掘進(jìn)控制技術(shù)能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)截割作業(yè)的運(yùn)行效率提升17%以上，巷道成型的不良率降低44%，極大地提升了巷道掘進(jìn)的效率和經(jīng)濟(jì)性。