井下采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測管道機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計*

王瑞冬

(山西焦煤西山煤電太原有限公司，山西 太原 030000)

0 引 言

采空區(qū)是由于開采井下煤炭資源導(dǎo)致在地底下形成的一種空洞現(xiàn)象，井下采空區(qū)的存在使得回采工作面臨著嚴(yán)重的問題，采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀邥鹜咚贡ㄊ鹿?，一氧化碳濃度高又預(yù)示著采空區(qū)可能發(fā)生煤層自燃。目前對于采空區(qū)的處理主要是頂板垮落后進(jìn)行充填，采空區(qū)是井下最容易發(fā)生瓦斯和火災(zāi)的地點之一，為此對采空區(qū)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測對于保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要的作用和意義[1-2]。

煤礦井下采空區(qū)具有煤層易自燃、危險性大的火災(zāi)隱患，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：必須開展自然發(fā)火監(jiān)測工作，建立自然發(fā)火監(jiān)測系統(tǒng)，確定煤層自然發(fā)火標(biāo)志氣體及臨界值，健全自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報及管理制度；對于采用氮氣防滅火時，做出如下規(guī)定[3]：氮氣源穩(wěn)定可靠；注入的氮氣濃度不小于97%；需要對采空區(qū)氣體成分進(jìn)行檢測。國內(nèi)傳統(tǒng)的采空區(qū)巡檢使用大量的人力完成，通過人工手持檢測裝置在采空區(qū)管道處采集氣體，隨后將收集到的氣體拿到地面上進(jìn)行監(jiān)測，整個過程需要的時間較長，需要的人力成本比較高，工人勞動強(qiáng)度比較大。針對采空區(qū)環(huán)境檢測問題，國內(nèi)的研究成果主要有：馮宇宸利用STM32單片機(jī)和無線通訊模塊，設(shè)計了一種采空區(qū)的檢測裝置[4]，但是這樣的檢測裝置并不具有運動功能，只能實現(xiàn)定點檢測，且在無線通訊時容易受到外部干擾，最終檢測效果不好。國外對采空區(qū)的檢測主要是通過采用防爆傳感器設(shè)計成小型的裝置，放置到管道中，無法實現(xiàn)移動，僅僅是實現(xiàn)了定點檢測[5-6]。

針對現(xiàn)有的采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，采用模塊化設(shè)計思想，設(shè)計了一種比較小巧的智能機(jī)器人，可以在采空區(qū)管道內(nèi)進(jìn)行自主巡檢，并且采集采空區(qū)空氣中瓦斯的濃度，避免煤礦井下采空區(qū)發(fā)生自燃或火災(zāi)，實驗結(jié)果表明所設(shè)計的采空區(qū)管道巡檢機(jī)器人能夠滿足實際的巡檢要求，準(zhǔn)確采集環(huán)境的參數(shù)信息并實時顯示狀況。

1 煤礦采空區(qū)環(huán)境檢測系統(tǒng)要求

傳統(tǒng)的采空區(qū)氣體采樣手段為通過束管，采集采空區(qū)氣體，然后先將樣品帶到地面檢測站通過頻譜儀對氣體成分進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果判斷是否需要對采空區(qū)注入惰性氣體(氮氣)來達(dá)到防治火災(zāi)的目的。束管監(jiān)測系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，監(jiān)測時間滯后性明顯，取樣氣體不準(zhǔn)確，人工參與度高、勞動量大，難以實現(xiàn)預(yù)警和預(yù)報，采空區(qū)注氮量難以控制等缺點[5]。

由于采空區(qū)環(huán)境比較復(fù)雜，頂板垮落后一般采用的充填方式并不能保證采空區(qū)范圍內(nèi)不出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸瑯?biāo)的問題，當(dāng)前采用的主要方式是在充填后伸出管道，通過在管道出口處采集采空區(qū)內(nèi)的空氣進(jìn)行分析。為此，需要保證巡檢機(jī)器人能夠深入到管道內(nèi)部，一直停留在管道內(nèi)部不斷采集氣體信號并上傳到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中。圖1所示為采空區(qū)處理方式基本結(jié)構(gòu)。

圖1 采空區(qū)處理結(jié)構(gòu)組成圖

由圖1可知，利用充填層將采空區(qū)進(jìn)行封閉，同時從采空區(qū)對外伸出多個排氣管道，并采用法蘭進(jìn)行連接，用于采集采空區(qū)內(nèi)部的氣體，以防采空區(qū)內(nèi)部甲烷濃度過高或者發(fā)生自燃威脅礦井安全[6]。

2 總體方案

針對以上問題，提出煤礦井下采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測管道機(jī)器人系統(tǒng)，研究如何確定待檢測的標(biāo)志性氣體，研究標(biāo)志性氣體濃度變化與煤層溫度之間的關(guān)系。

針對小型移動機(jī)器人的定位、運動控制算法和導(dǎo)航策略等多個問題，引入模糊控制、模仿學(xué)習(xí)和多模塊優(yōu)化方法，提高復(fù)雜環(huán)境下的智能機(jī)器人運動能力和自主導(dǎo)航能力。將模糊神經(jīng)控制技術(shù)引入到管道機(jī)器人的控制,提出環(huán)境、結(jié)構(gòu)、參數(shù)高度集成的模糊神經(jīng)新控制算法。該方法包括基于環(huán)境識別的自監(jiān)督學(xué)習(xí)算法和增強(qiáng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)自學(xué)習(xí)算法[7]。設(shè)計了如圖2所示為井下采空區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)方案，其中包括管道巡檢機(jī)器人，用于采集并分析管道內(nèi)瓦斯的濃度。

圖2 采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)圖1.礦井調(diào)度中心 2.監(jiān)控中心 3.網(wǎng)絡(luò)中繼站 4.主機(jī)箱 5.通氣罩 6.管道巡檢機(jī)器人 7.行走管路 8.注氮機(jī) 9.注氮管路

如圖2所示，該智能巡檢系統(tǒng)由行走管路系統(tǒng)、巡檢機(jī)器人、主機(jī)箱、注氮設(shè)備、監(jiān)測監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成。其中檢測機(jī)器人布置在采空區(qū)的行走管路系統(tǒng)中，通過機(jī)器人的卡輪，將機(jī)器人本體緊緊定位在管道內(nèi)部，并且隨著輪的轉(zhuǎn)動可以深入到采空區(qū)內(nèi)側(cè)，采集最內(nèi)層的氣體參數(shù)并且進(jìn)行實時分析，從而對采空區(qū)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，檢測環(huán)境中各類氣體濃度、溫濕度、粉塵等信息[8]。當(dāng)檢測到環(huán)境氣體超過設(shè)定閾值時，控制系統(tǒng)向地面檢測控制中心發(fā)出預(yù)警并控制注氮機(jī)向采空區(qū)注氮，在檢測到氮氣濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)值時控制注氮機(jī)停止，解除警報，機(jī)器人繼續(xù)巡檢，并且每日自動生成檢測報告。

采空區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)包括五大模塊：①行走管道系統(tǒng)：是機(jī)器人本體行走的通道，也是對環(huán)境檢測的主要場所，用于對采空區(qū)的氣體進(jìn)行采集；②管道巡檢機(jī)器人本體：可實現(xiàn)自動行走和自動檢測，可以實現(xiàn)在管道內(nèi)部的定點檢測和數(shù)據(jù)的存儲和發(fā)送功能等；③主機(jī)箱：是對機(jī)器人發(fā)送操作指令，獲得最終的檢測數(shù)據(jù)并且對信號進(jìn)行發(fā)送；④網(wǎng)絡(luò)通訊系統(tǒng)：聯(lián)系機(jī)器人本體和上位機(jī)，將機(jī)器人本體檢測到的數(shù)據(jù)及時上傳到上位機(jī)，在上位機(jī)中顯示井下環(huán)境參數(shù)信息；⑤地面監(jiān)控中心：主要是以上位機(jī)為基礎(chǔ)的地面監(jiān)控調(diào)度室，通過在地面監(jiān)控中心可以查看采空區(qū)環(huán)境的參數(shù)情況，對機(jī)器人發(fā)出控制指令并且接收機(jī)器人采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以自動生成歷史監(jiān)測報告。

3 虛擬樣機(jī)仿真分析

管道巡檢機(jī)器人是在管道內(nèi)作業(yè)，不僅要滿足煤礦井下惡劣的環(huán)境要求，機(jī)器人本體具有防塵、防潮等特點，還需要具有良好的運動特性，能夠根據(jù)需要在管道不同深度采集氣體信號。采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，在SolidWorks 2019中建立巡檢機(jī)器人模型設(shè)計方案[9-10]，將樣機(jī)模型導(dǎo)入到Adams 2017中進(jìn)行仿真分析，在Adams中管道添加為固定約束，機(jī)器人本體與管道內(nèi)壁添加圓柱副，同時在機(jī)器人本體驅(qū)動輪位置處添加轉(zhuǎn)動副，并在轉(zhuǎn)動副位置添加驅(qū)動力，在機(jī)器人三個驅(qū)動輪上分別定義驅(qū)動力，選擇運動學(xué)分析模塊，進(jìn)行仿真分析，圖3所示為機(jī)器人導(dǎo)入Adams后的仿真分析模型。

圖3 在Adams中的仿真模型

機(jī)器人本體運動軌跡仿真。根據(jù)在Adams 2017中設(shè)定的條件，管道內(nèi)壁為160 mm，管道外壁為170 mm，設(shè)定管道機(jī)器人的重力方向沿-Z方向，在水平管道段有機(jī)器人沿著Y方向移動，運動仿真曲線如圖4所示。

圖4 運動學(xué)仿真分析曲線

通過利用Adams對管道巡檢機(jī)器人進(jìn)行運動學(xué)仿真分析，從圖4中可以看出，車身在管道內(nèi)壁運動的過程中并不是嚴(yán)格意義上的直線移動存在一定的扭動，車身的運動位置表現(xiàn)為過度比較圓滑的曲線，從曲線中可以看出，巡檢機(jī)器人在管道內(nèi)的運動比較平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)速度的突變。各個機(jī)構(gòu)之間沒有發(fā)生干涉，結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

圖5 機(jī)器人x方向上的位移變化曲線

從圖5中可以看出在X方向上受到管道壁對機(jī)器人本體的約束，通過在x軸方向上的位移仿真結(jié)果可以得出機(jī)器人本體在x軸方向上的位移變化比較小，波動幅值最大值為0.8 mm，波動幅值較小，基本上可以忽略不計。

4 實驗樣機(jī)

通過對采空區(qū)環(huán)境檢測系統(tǒng)總體方案設(shè)計，利用虛擬樣機(jī)運動學(xué)仿真分析，可以得出管道巡檢機(jī)器人運動平穩(wěn)，位移的波動較小，能夠滿足管道內(nèi)氣體采集和數(shù)據(jù)分析功能。隨后利用3D打印技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，制造了管道巡檢機(jī)器人樣機(jī)模型并進(jìn)行了實際應(yīng)用和效果驗證，模型如圖6所示。

圖6 管道巡檢機(jī)器人樣機(jī)模型

通過設(shè)計管道巡檢機(jī)器人并利用橡膠軟管模擬實際管道系統(tǒng)，在直管內(nèi)部進(jìn)行運動并測量管道機(jī)器人本體在x軸方向上和y軸方向上的運動，分析得出：此次設(shè)計的管道巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，總質(zhì)量為8 kg，機(jī)身搭載瓦斯傳感器和WiFi通訊模塊，能夠準(zhǔn)確采集采空區(qū)內(nèi)的瓦斯氣體并準(zhǔn)確上傳到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。通過使用速度傳感器、位移傳感器檢測管道巡檢機(jī)器人的運動速度和位移，最終得出機(jī)器人本體按照預(yù)定的速度運行時，速度波動較小，能夠足量采集到采空區(qū)內(nèi)的氣體，并對氣體進(jìn)行分析和分子的提取，上傳到上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，能夠滿足對環(huán)境氣體參數(shù)的采集要求。

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)的采空區(qū)巡檢使用大量人力導(dǎo)致巡檢工人勞動強(qiáng)度大、巡檢效率低、環(huán)境參數(shù)采集繁瑣等問題，設(shè)計了一種煤礦采空區(qū)環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)并設(shè)計了與之配套的管道巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計巧妙且緊湊、布置靈活、體積小、重量輕，能夠在采空區(qū)管道內(nèi)部自由移動，在運動中準(zhǔn)確采集到采空區(qū)空氣中的瓦斯?jié)舛龋行П苊饷旱V井下采空區(qū)發(fā)生自燃或火災(zāi)事故，對于保證煤礦安全生產(chǎn)具有重要的作用和價值。