陳四樓煤礦智能化掘進工作面控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

朱棟棟 李 猛 張 豪 王曉統(tǒng)

（1．河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦；2．河南能源化工集團永煤公司車集煤礦）

煤炭占我國一次能源消費的65%，未來我國煤炭開采深度與難度越來越大，采掘作業(yè)是其最重要、最危險的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，70%煤礦事故發(fā)生在采掘區(qū)。掘進工作面的瓦斯爆炸及巖層垮塌、突水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率高、偶然性強，對掘進礦工生命安全威脅極大［1］?，F(xiàn)場作業(yè)安全性差和工人勞動強度高是綜掘巷道掘進作業(yè)存在的主要問題之一。目前大多數(shù)綜掘巷道都采用掘錨分離作業(yè)進行施工，在掘、支、錨、運一體化或成套化裝備未能大面積推廣之前，研究智能化掘進工作面控制系統(tǒng)對提升掘進工作面作業(yè)水平和降低工人勞動強度具有重要的現(xiàn)實意義。

陳四樓煤礦自2013年開始進行掘進工作面自動化建設(shè)的相關(guān)工作，首先進行掘進工作面可視化的相關(guān)研究；2015年10月份就煤巷工作面機械化、自動化建設(shè)開展了一系列工作；2017年提出了掘進機的遠程控制，并且進行了深入的探索和研究，在此方面積累了一定的經(jīng)驗。

1 可行性技術(shù)研究分析

1.1 工作面亟待解決問題

為實現(xiàn)智能化掘進工作面控制系統(tǒng)的應(yīng)用，需要解決狹窄受限空間下遠程數(shù)據(jù)傳輸、懸臂相對于機身姿態(tài)和位姿的檢測、工作面信息遠程可視化顯示和機身定位等問題。針對遠程數(shù)據(jù)傳輸問題，在井下巷道狹窄空間下，錨索和煤壁對數(shù)據(jù)傳輸存在干擾情況，并且在遠程傳輸時，傳輸距離也會對信號產(chǎn)生影響。傳統(tǒng)的無線信號傳輸方法或工業(yè)以太網(wǎng)傳輸方法的信號傳輸效果都受環(huán)境和距離的影響，需要尋找新的方法解決這些問題。

1.2 技術(shù)分析

針對懸臂相對機身的姿態(tài)檢測方法，目前常用的是內(nèi)置或外置傳感器，采用在懸臂升降和回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器測量懸臂的俯仰角和偏航角，存在傳感器在高溫油中老化嚴重、可靠性較差和維護成本高等問題。采用懸臂外置靜態(tài)傾角傳感器測量懸臂俯仰角和偏航角，存在振動環(huán)境下精度差和易受煤灰、水、泥等影響使用的問題。采用慣性導(dǎo)航裝置測量懸臂俯仰角和偏航角，存在抗振性差、使用不便和成本高昂等問題［2］。掘進工作面信息遠程可視化僅實現(xiàn)了設(shè)備位姿的上位機顯示，從未實現(xiàn)井下巷道三維信息遠程可視技術(shù)。針對機身自主定位問題，國內(nèi)相關(guān)廠家先后在井下進行了基于光電導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航的相關(guān)試驗，但未形成經(jīng)濟、可靠的相關(guān)產(chǎn)品。

2 工作面可行性條件

2.1 煤（巖）層賦存特征

陳四樓煤礦2901上順槽二2煤層厚度最大為2.8 m，局部受斷層影響最小煤厚為1.46 m，平均為2.37 m。煤巖類型：黑色，金剛、土狀光澤，斷口平坦，貝殼狀，粒狀及透鏡體結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，以亮煤為主，含少量鏡、暗煤，半光亮型，內(nèi)生裂隙發(fā)育。2901工作面整體為一單斜構(gòu)造，工作面里段發(fā)育一寬緩的向斜褶曲，地層傾角為3°～24°，平均為15°。二2煤層特征情況見表1；二2煤層頂、底板巖性見表2。

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2.2 巷道斷面

巷道斷面為梯形斷面，巷道斷面設(shè)計尺寸為5 200 mm×3 200 mm（凈寬×凈高）；巷道先按照方位角358°施工852 m（平距），再按照方位角337°施工356 m（平距）至設(shè)計位置。巷道沿二2煤層掘進，見頂、見底，當煤層較薄時，可適當破頂、破底，保證巷道正中高度不低于3.2 m；當煤層較厚時，可適當留底煤施工，保證巷道中心最大高度不超過3.5 m，底板左右施工成水平。

3 主要控制系統(tǒng)技術(shù)

該項目以陳四樓煤礦2901工作面上順槽為研究對象，以掘進機、大跨距帶式轉(zhuǎn)載機、自移機尾為依托裝備，主要研究內(nèi)容為掘進機工作面人員安全管控系統(tǒng)、狹窄受限空間下遠程數(shù)據(jù)傳輸及地面上傳技術(shù)、不同操作空間下控制技術(shù)等。將不同技術(shù)和裝備進行合理搭配，最大程度地提升視頻、機身位姿和三維掃面等多信息的準確性、實時性和融合度，實現(xiàn)真正意義上的機器自主決策為主的自主行走、自動截割和斷面自動成形控制，最終實現(xiàn)遠程實景重現(xiàn)的智能2901工作面上順槽。工作面智能化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該項目的研究方法為理論與實踐相結(jié)合，充分利用現(xiàn)有的成熟技術(shù)以及通過一些新技術(shù)或新產(chǎn)品，通過現(xiàn)場應(yīng)用，根據(jù)暴露出的實際問題，提出切合現(xiàn)場應(yīng)用的方案，以解決遇到的實際問題。

3.1 掘進工作面人員安全管控系統(tǒng)

UWB無線定位系統(tǒng)主要由礦用澆封兼本安讀卡器、標識卡、礦用本安型聲光報警器組成，該系統(tǒng)可實現(xiàn)人與設(shè)備、設(shè)備與設(shè)備之間防碰撞報警，以解決井下采掘設(shè)備對人員擠壓碰撞的實際問題［3］。該系統(tǒng)可同時設(shè)置報警區(qū)與停機區(qū)，在不同的區(qū)域報警器發(fā)出不同的聲光報警信號，人員佩戴的標識卡通過震動和聲音發(fā)出報警提示信息，同時輸出對應(yīng)的開關(guān)觸點信號，控制設(shè)備停止行走或停機。人員安全防入侵系統(tǒng)主要由熱紅外傳感器組成，可實現(xiàn)在一定范圍建立電子圍欄，檢測是否有人闖入。

UWB無線定位系統(tǒng)需人員佩戴相應(yīng)標識卡才能實時定位人員位置，人員安全防入侵系統(tǒng)無法檢測闖入人員具體的信息?？紤]井下現(xiàn)場作業(yè)的復(fù)雜性，人員可能忘記佩戴標識卡而誤入工作面的情況，結(jié)合人員安全防入侵系統(tǒng)的特點，取2個系統(tǒng)的優(yōu)點，建立一套完備的人員安全管控系統(tǒng)［4］。對未帶標識卡的人員闖入到設(shè)定報警區(qū)域進行語音警示，闖入到停機區(qū)域進行設(shè)備停機、設(shè)備鎖機等動作。對佩戴標識卡的人員，比如掘進司機、安檢人員，進入到設(shè)定的停機區(qū)域進行語音警示。通過以上2種檢測人員系統(tǒng)的融合，只需要對標識卡進行有效管理，即可實現(xiàn)2901工作面上順槽的人員安全管控。

對于2901工作面上順槽，UWB定位系統(tǒng)安裝在掘進機機身中央，人員闖入系統(tǒng)安裝在智能組合開關(guān)和自移機尾末端，2種系統(tǒng)各司其職，但又相互融合，實現(xiàn)2901工作面上順槽的人員安全管控。人員安全管控示意圖如圖2所示。

3.2 狹窄受限空間下遠程數(shù)據(jù)傳輸及地面上傳技術(shù)

掘進巷道空間狹窄受限且掘進作業(yè)過程中需要頻繁調(diào)動機身，為保證通訊的可靠性，擬采用無線+有線的組合通訊方式實現(xiàn)與遠程操作臺進行數(shù)據(jù)交互，可為操作人員在遠程離機操作時仍然能真實感知到現(xiàn)場的實時工況，提供數(shù)據(jù)支撐和決策依據(jù)［5］。利用多種通訊方式融合技術(shù)、跨網(wǎng)段地址映射技術(shù)將機載集成數(shù)據(jù)采集分站采集的各種系統(tǒng)信息實時地傳輸?shù)竭h程可視化作業(yè)操作臺。通過在機身上布置工業(yè)路由器和巷道懸掛4G基站、定向天線、配套電源、光纖電纜，實現(xiàn)掘進機與遠程操作臺之間的遠程數(shù)據(jù)傳輸。

2901工作面上順槽設(shè)備的控制數(shù)據(jù)、關(guān)鍵參數(shù)和工作面音視頻信息采用以太網(wǎng)、4G網(wǎng)絡(luò)、光纖的組合方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程和地面?zhèn)鬏?。井下遠程控制臺作為井下數(shù)據(jù)終端，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的就地顯示、存儲，也作為井下數(shù)據(jù)上傳的管理平臺。遠程控制臺含有光纖接口，可以直接通過光纖接入礦上環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳功能。井下傳輸鏈路主要包括工業(yè)路由器、4G基站、基站電源箱、礦上環(huán)網(wǎng)交換機，各個傳輸鏈路的使用充分考慮現(xiàn)場的應(yīng)用條件，保證整個傳輸鏈路可靠、穩(wěn)定。遠程及地面數(shù)據(jù)傳輸鏈路如圖3所示。

3.3 不同操作空間下控制技術(shù)

（1）不同操作空間下設(shè)備控制模式。井下設(shè)備操作人員在不同地質(zhì)條件、環(huán)境及安全因數(shù)下，需對設(shè)備進行不同空間的操作，以滿足安全掘進的需求。根據(jù)空間位置變換，目前井下設(shè)備的操作方式包括井下離機視距、井下離機任意距離超視距和地面控制3種。3種操作空間下，在單獨發(fā)射器實現(xiàn)視距和超視距控制無縫切換的基礎(chǔ)上，同時保證不同優(yōu)先級的控制方式可以有序接入、自動識別、自動組網(wǎng)和實時控制。根據(jù)不同的工況需求，通過上位機可選擇人工操作、定位截割、記憶截割和自動截割模式，即實現(xiàn)機器決策為主、人工干預(yù)為輔的遠程可視化斷面成形控制。

（2）斷面自動成形控制技術(shù)。斷面成形控制指在一個循環(huán)截割內(nèi)斷面輪廓自動成形控制，可在實現(xiàn)掘進機智能控制的基礎(chǔ)上完成斷面截割自動成形控制。利用懸臂相對機身的實時位姿信息，實現(xiàn)斷面在一定范圍內(nèi)可人工干預(yù)的自動截割成形控制。在截割循環(huán)開始時，按照巷道斷面輪廓的工藝要求以及截割頭外形和初始運動參數(shù)，確立截割的初始軌跡。截割過程中根據(jù)工作面環(huán)境信息、煤巖情況以及整機工況參數(shù)調(diào)整截割參數(shù)和截割路徑，以保證最終按工藝要求完成斷面截割［6］。記憶截割指掘進機操作司機根據(jù)自己的截割習慣進行示教，控制器對操作人員操作懸臂運動軌跡進行記錄、存儲，同時上位機同步顯示司機示教時懸臂的運行軌跡。在進行下一循環(huán)截割時，操作人員直接調(diào)用已存儲的示教軌跡即可實現(xiàn)懸臂按照人員示教軌跡自動運行。懸臂擺動速度會根據(jù)截割反饋電流自動進行懸臂高速、中速、低速三擋速度調(diào)整，使懸臂擺動速度與巖石硬度變化處于最佳匹配。

（3）自移機尾自動跟隨控制技術(shù)。自移機尾處于掘進機后方，是掘進機與礦上運輸系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)的重要環(huán)節(jié)［7］。通過對2901工作面上順槽設(shè)備行走順序、設(shè)備推進工藝研究，結(jié)合自移機尾特殊的行走方式，考慮自移機尾設(shè)備較長、關(guān)節(jié)較多等特殊情況，深入研究自移機尾隨動原理。2個以上設(shè)備自主移動時應(yīng)考慮設(shè)備與設(shè)備位置關(guān)系、設(shè)備與巷道位置關(guān)系，防止設(shè)備發(fā)生碰撞危險。

4 實際應(yīng)用效果

在陳四樓煤礦綜掘工作面掘進、錨護、運輸、通風、除塵、供電、供水等成熟工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合多年來對掘進工作面智能化建設(shè)的實踐探索，提出掘進工作面智能化建設(shè)的總體思路，符合開展“掘進工作面智能化建設(shè)”的指示精神［8］。項目實施后可實現(xiàn)掘進工作面智能化作業(yè)，可大幅提高工作面施工安全性、施工效率和施工質(zhì)量，同時可向類似地質(zhì)條件礦井進行推廣示范，產(chǎn)生長遠的社會效益。

該項目的研究成果能應(yīng)用于市場上掘進機、連采機、掘錨機等所有類型機械的掘進工作面，不僅能提高掘進行業(yè)的整體技術(shù)水平，搶占掘進裝備領(lǐng)域的未來發(fā)展制高點，培養(yǎng)一批具有新思維、新理念的技術(shù)人才，而且為將來掘進工作面實現(xiàn)少人化、無人化提供技術(shù)儲備［9］。對該項目的各個系統(tǒng)進行裁剪、組合后，能滿足不同地質(zhì)條件和場景的多種應(yīng)用需求，同時將其與其他智能化系統(tǒng)進行集成，進而實現(xiàn)技術(shù)推廣和產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 語

通過對智能化掘進工作面控制系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用，總結(jié)形成了一套適用于陳四樓煤礦的掘進工作面智能化控制系統(tǒng)工藝技術(shù)體系，有效促進了煤礦生產(chǎn)，提高了作業(yè)效率，其創(chuàng)收效益非?？捎^。