煤礦智能化掘進(jìn)機(jī)技術(shù)應(yīng)用探討

梁猛猛

摘要：智能化掘進(jìn)系統(tǒng)，主要由掘進(jìn)工作面工況監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)、工作面數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)、掘進(jìn)工作面設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、斷面截割成形控制系統(tǒng)、智能化軟件系統(tǒng)構(gòu)成。該系統(tǒng)的應(yīng)用顯著提高礦井掘進(jìn)工作面的自動(dòng)化和智能化水平，增強(qiáng)了礦井的掘進(jìn)生產(chǎn)能力，完善了現(xiàn)有的智能化煤礦結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：深部礦井;智能化掘進(jìn);智能化設(shè)備;掘進(jìn)系統(tǒng)

引言

近年來，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等先進(jìn)技術(shù)在煤礦的應(yīng)用逐漸成熟，綜采工作面自動(dòng)化、智能化和無人化快速發(fā)展[1-4]。綜采工作面開采強(qiáng)度的加劇也導(dǎo)致了由采掘協(xié)調(diào)約束引起的掘進(jìn)工作量的增加，對(duì)掘進(jìn)工作面的智能化水平提出了新的要求[5-6]。

目前智能化掘進(jìn)工作面普遍存在以下技術(shù)難題：盲巷作業(yè)的掘進(jìn)工作面易造成粉塵積聚，視線受限影響操作人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的準(zhǔn)確判斷，易出現(xiàn)差挖和欠挖現(xiàn)象;依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行截割斷面成形控制、掘進(jìn)機(jī)位姿調(diào)整，斷面形狀難以符合施工要求;控制截割臂擺動(dòng)時(shí)，以激光指向?yàn)橛^測(cè)基準(zhǔn)，靠經(jīng)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)臂的運(yùn)動(dòng)控制易造成截割負(fù)載過大，影響掘進(jìn)機(jī)的使用壽命，礦井掘進(jìn)面總體智能化程度低。

針對(duì)這一系列技術(shù)難題，各礦井需進(jìn)一步發(fā)展建設(shè)智能化掘進(jìn)工作面，以期提高深部區(qū)域掘進(jìn)工作面的自動(dòng)化和智能化水平，加強(qiáng)礦井的安全生產(chǎn)管理能力，同時(shí)完善現(xiàn)有的智能化煤礦結(jié)構(gòu)。

1 智能化掘進(jìn)系統(tǒng)構(gòu)成及功能

智能化掘進(jìn)機(jī)是指通過構(gòu)建多機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)連續(xù)、快速、穩(wěn)定、安全的智能化巷道掘進(jìn)作業(yè)。智能化掘進(jìn)系統(tǒng)由掘進(jìn)工作面工況監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)、工作面數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)、掘進(jìn)工作面設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、斷面截割成形控制系統(tǒng)、智能化軟件系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)立足于整個(gè)掘進(jìn)工作面，以提高掘進(jìn)工作面安全性、降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高掘進(jìn)施工效率和施工質(zhì)量為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合當(dāng)前掘進(jìn)工藝和掘進(jìn)裝備的特點(diǎn)，最終將工作面環(huán)境、設(shè)備和人員共融和諧地統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)綜掘工作面多設(shè)備自主、平行、安全作業(yè)。

1.1掘進(jìn)工作面工況監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)

掘進(jìn)工作面工況監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)是指利用系統(tǒng)音視頻監(jiān)控、溫度傳感器壓力傳感器、高精度角度傳感器、位移傳感器等具有運(yùn)動(dòng)類傳感器的自動(dòng)標(biāo)定和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)功能的外置安裝式傳感器和紅外補(bǔ)光等技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路攝像畫面成像，全方位展示掘進(jìn)工作面場(chǎng)景、井下實(shí)時(shí)語音對(duì)講、掘進(jìn)機(jī)及后配套整機(jī)工況參數(shù)監(jiān)控、故障診斷和關(guān)鍵部件壽命預(yù)測(cè)、工作面音視頻遠(yuǎn)程重現(xiàn)、工作面人員安全管控、掘進(jìn)機(jī)機(jī)身與側(cè)幫接近預(yù)警等功能。

1.2工作面數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)

工作面數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)是井上井下相互關(guān)聯(lián)的保障。工作面掘進(jìn)機(jī)整機(jī)關(guān)鍵數(shù)據(jù)、音視頻信息采用無線4G通訊+有線傳輸?shù)慕M合方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。工作面數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)預(yù)留多種通訊接口和千兆光纖接口，可實(shí)現(xiàn)多接口無障礙連接，信息按需傳送，保證工作面數(shù)據(jù)能夠快速、高效和安全的傳輸、連接和應(yīng)用。

1.3掘進(jìn)工作面設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

掘進(jìn)工作面設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)包括本機(jī)手動(dòng)控制、視距無線遙控操作（≥50 m）、井下任意距離超視距遙控操作（≥1000 m）和地面調(diào)度室控制四種控制方式。該系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控操作，用來實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)各種動(dòng)作功能。四種控制方式都可對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行獨(dú)立控制并相互閉鎖，且能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵緊急停（急停按鈕）?？蓪?shí)現(xiàn)視距遙控和超視距遙控的無縫切，以及集控中心嵌入式操作面板遠(yuǎn)程控制。井下集控中心遠(yuǎn)程控制的使用增大了人員操作設(shè)備的距離，提高安全性。

1.4斷面截割成形控制系統(tǒng)

斷面截割成形控制系統(tǒng)通過動(dòng)態(tài)傾角傳感器和角度傳感器實(shí)現(xiàn)截割頭相對(duì)于機(jī)身的位姿檢測(cè);通過機(jī)身傾角傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)身俯仰角檢測(cè);通過組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)身相對(duì)于巷道的位姿檢測(cè);通過測(cè)距傳感器與導(dǎo)航控制箱實(shí)現(xiàn)機(jī)身距側(cè)幫和機(jī)身距迎頭的實(shí)時(shí)距離檢測(cè)。系統(tǒng)利用位姿解算軟件實(shí)現(xiàn)截割頭位姿數(shù)據(jù)和機(jī)身位姿數(shù)據(jù)融合，經(jīng)控制單元計(jì)算出巷道空間下截割頭實(shí)時(shí)位置，在誤差范圍內(nèi)準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)截割位置軌跡監(jiān)測(cè)。根據(jù)巷道實(shí)際條件，操作人員通過遙控器和上位機(jī)進(jìn)行巷道邊界標(biāo)定、截割軌跡示教并存儲(chǔ)截割路徑及控制工藝，通過選擇記憶截割模式實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)一個(gè)循環(huán)內(nèi)斷面截割自動(dòng)成形，保證巷道成形標(biāo)準(zhǔn)化。

1.5智能化軟件系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)智能化軟件系統(tǒng)主要包括機(jī)載數(shù)據(jù)采集軟件、截割頭位姿解算軟件、機(jī)身位姿解算軟件、掘進(jìn)機(jī)智能控制軟件、上位機(jī)視頻監(jiān)控軟件和上位機(jī)數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件。所有軟件都采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的理念進(jìn)行開發(fā)。遠(yuǎn)程控制臺(tái)上位機(jī)軟件集視頻監(jiān)控、整機(jī)三維顯示、巷道及整機(jī)參數(shù)設(shè)置、懸臂姿態(tài)信息顯示與存儲(chǔ)、機(jī)身與側(cè)幫接近預(yù)警、懸臂與鏟板防碰撞預(yù)警、超欠挖預(yù)警、截割軌跡顯示、人機(jī)智能交互、參數(shù)設(shè)定、歷史事件查詢等功能于一體。智能化軟件系統(tǒng)支持以太網(wǎng)、RS485、CANBUS、OPC等多種通訊接口，可以與地面其他設(shè)備信息聯(lián)通集控，并預(yù)留后配套設(shè)備協(xié)同控制、斷面掃描成像等功能通訊和顯示接口，便于遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)功能升級(jí)。

2.智能化掘進(jìn)機(jī)

智能化掘進(jìn)機(jī)是煤礦實(shí)現(xiàn)智能化掘進(jìn)的基礎(chǔ)。智能掘進(jìn)機(jī)高效服務(wù)煤礦井下巷道成形：包括截割軌跡、位姿測(cè)量、超視距控制、可視化、三維仿真、故障預(yù)警等基礎(chǔ)功能。截割軌跡系統(tǒng)如圖1所示。巷道斷面成形懸臂式掘進(jìn)機(jī)僅能截割巷道部分?jǐn)嗝?，要用于任何斷面形狀的隧道，需多次上下左右連續(xù)移動(dòng)截割頭來完成工作。位姿精確測(cè)量它具有多種傳感器，可以確定掘進(jìn)機(jī)自身位置和姿態(tài)，保證定向掘進(jìn)精度，滿足掘進(jìn)施工要求。掘進(jìn)自動(dòng)控制建立懸臂式掘進(jìn)機(jī)控制數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)方程的正解和逆解，分別獲得截割頭的位姿和掘進(jìn)的控制量，完成掘進(jìn)施工自動(dòng)控制?？煽啃愿呔邆渚蜻M(jìn)機(jī)關(guān)鍵部件的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)故障診斷與預(yù)測(cè)維護(hù)，提升設(shè)備可靠性，保證掘進(jìn)機(jī)開機(jī)率。基于慣性導(dǎo)航技術(shù)的掘進(jìn)機(jī)定位技術(shù)。慣性導(dǎo)航技術(shù)是通過陀螺儀和加速度傳感計(jì)測(cè)量掘進(jìn)機(jī)的三軸角速度和三軸加速度信息，通過積分運(yùn)算得到掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)與位置信息，是一種不依賴外部信息的自主導(dǎo)航技術(shù)。

智能化掘進(jìn)實(shí)現(xiàn)功能如圖2所示。具體表現(xiàn)為，智能掘進(jìn)機(jī)可通過人員手環(huán)腕表進(jìn)行識(shí)別人員位置實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)人員安全預(yù)警功能;通過傳感器檢測(cè)關(guān)鍵部件相對(duì)位置關(guān)系實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)防碰撞預(yù)警功能;通過大數(shù)據(jù)分析工人常見操作習(xí)慣，預(yù)制工人常用截割軌跡，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割功能;通過記錄工作操作習(xí)慣，記錄工人截割軌跡，實(shí)現(xiàn)截割過程重現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)記憶截割功能;通過三維掃描儀重現(xiàn)已掘巷道三維信息，與巷道施工參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，分析是否超挖或欠挖實(shí)現(xiàn)斷面三維掃面、超挖欠挖預(yù)警;通過三維掃描技術(shù)可設(shè)備三維模式，在上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)已掘巷道及空間中掘進(jìn)機(jī)位姿的三維實(shí)景顯示功能;通過組合導(dǎo)航技術(shù)，利用設(shè)備傳感器反饋參數(shù)，結(jié)合PID調(diào)節(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)懸臂擺動(dòng)速度的自適應(yīng)控制功能。

3.智能化掘進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用效益分析

智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用可有效改善煤礦的安全生產(chǎn)條件。掘進(jìn)層面的智能化改造旨在創(chuàng)在一個(gè)安全可控的掘進(jìn)生產(chǎn)環(huán)境，通過掘進(jìn)工作面工況監(jiān)控和故障診斷系統(tǒng)、工作面數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)、掘進(jìn)工作面設(shè)備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、斷面截割成形控制系統(tǒng)、智能化軟件系統(tǒng)的應(yīng)用，借助礦井地面集中監(jiān)測(cè)監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享、報(bào)警聯(lián)動(dòng)、精確人員定位等手段，增加掘進(jìn)工作面掘進(jìn)效率，保證井下采掘接替協(xié)調(diào);減少固定崗位人員，降低生產(chǎn)成本，降低井下掘進(jìn)工作面生產(chǎn)過程中人員傷亡，提高安全管理水平。為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作安全生產(chǎn)管理過程透明化，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警實(shí)時(shí)化奠定基礎(chǔ)，是建設(shè)智慧礦山的重要組成部分。

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