煤礦綜采工作面遠程可視化控制技術系統(tǒng)的研究

李志旺

（西山煤電馬蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

綜采面周圍環(huán)境粉塵高、濕度大、噪聲大，嚴重影響作業(yè)人員的職業(yè)健康。同時，綜采面事故頻發(fā)，如礦頂垮塌、瓦斯爆炸、礦井洪水等嚴重威脅人員的生命安全，但是綜采面又涉及開挖、支撐、運輸、勘探和通信等各種重要作業(yè)，不能減少人力數(shù)量和工作強度，因此采礦面成為煤礦災害的高發(fā)地區(qū)[1]。為了解決這些困擾綜采面安全高效生產的問題，普遍的共識是依靠自動化和智能技術來解決。為此，對煤礦綜采面進行了更多的探索，相關的成功經驗值得綜合參考[2]?；诋斍熬C合采礦面的各種研究成果，結合目前的客觀技術要求以及玉溪煤礦現(xiàn)狀，本研究提出了新的可行的技術途徑，即煤礦綜采工作面遠程可視化控制技術系統(tǒng)。

1 遠程視覺控制系統(tǒng)

隨著煤炭工業(yè)的復蘇，無論是對持續(xù)開采的需求，還是對安全高效生產的需求，提高全機械化開采的自動化和智能化水平都勢在必行。包括進一步提高傳動設備單機自動化水平，提高配套機械化，開展原煤運輸、材料運輸、道路通風、航向面除塵等自動與智能系統(tǒng)的集成研究?；诿旱V綜采面的成功經驗，提出了一種滿足當前技術水平、滿足煤礦地下作業(yè)需求的“遠程視覺控制”技術體系。從可視化遠程干預型智能化采煤關鍵控制技術的關鍵邏輯示意圖（見圖1）可以看到，控制系統(tǒng)涉及許多專業(yè)領域和類別。

圖1 可視化遠程干預型智能化采煤關鍵控制技術的邏輯示意圖

綜采面的“遠程可視化控制”是多種技術的集成，必須建立一個完整的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。這意味著視覺、狀態(tài)數(shù)據(jù)、控制命令等的實時交互。需要在遠程（地面或地下監(jiān)測中心）與航向面周圍的每個設備之間進行操作。綜采面上的每個獨立設備都要有一定的自動化和智能基礎，以確?，F(xiàn)場作業(yè)的自動協(xié)調和保護[3]，主要包括成套設備的協(xié)調控制、智能切割等關鍵技術。

2 對關鍵技術問題的探討

2.1 綜采面WLAN 協(xié)同控制技術

對于機械化綜采面，設備具有較大的移動范圍和強機動性。通過無線接入地下環(huán)網是一種相對可行、比較方便的方式。通過“設備現(xiàn)場總線網+WLAN+礦山工業(yè)以太網”的方法，實現(xiàn)了全機械化綜采面的數(shù)據(jù)交換和上傳。綜采面的WLAN 優(yōu)先選擇工業(yè)4G專用網技術，以滿足高帶寬、移動接入穩(wěn)定性、網絡調度和可擴展性的需求。

全機械化綜采面的自動化控制對象不僅是單臺機器，而且是將整個面作為整體來協(xié)調控制。例如，在快速傳動系統(tǒng)中，它已經能夠實現(xiàn)對聯(lián)動、阻塞、行走、牽引和姿勢等的協(xié)同控制。根據(jù)開挖、支護和運輸工藝的要求，實現(xiàn)成套設備控制，解決了重負荷啟動、隧道開采運輸效率等具體問題[4]。

在雙車道隧道作業(yè)中，需要經常調度穿梭車、車頂螺栓、叉車和饋線斷路器等設備，切割支撐和運輸作業(yè)依靠人工監(jiān)控。操作人員不能交換設備的狀態(tài)信息和周圍的工作條件，因此他們無法根據(jù)其他設備的運行狀態(tài)及時預測和調整機器的運行情況。例如，無法根據(jù)有無煤流對啟動和停止設備的負荷大小進行控制。圖2 為礦用WLAN 網絡拓撲結構。

圖2 礦用WLAN 網絡拓撲結構圖

目前，玉溪煤礦對連接綜采面的設備進行了許多有益的嘗試。例如，穿梭車和斷路器的操作實現(xiàn)了卸煤聯(lián)動操作，饋線斷路器可根據(jù)穿梭車的位置自動啟動和停止，避免怠速空轉。在快速傳動系統(tǒng)中，還嘗試了成套設備的自動連接操作、鎖定和調度等。

2.2 防撞技術

移動設備之間的碰撞、前后重疊圈設備相對移動時的碰撞和阻力，以及工作人員與設備之間的危險接近，都可能導致生產事故。到目前為止，已經測試了各種防碰撞技術，如基于光學的紅外探測、基于無線信號的雷達技術、基于圖像的人體識別技術和基于無線測距的超寬帶定位技術，防撞模塊工作流程如圖3 所示。

圖3 防撞模塊工作流程

這些技術都有一定的局限性。例如，紅外和雷達技術只能識別障礙物，不能區(qū)分人或物?；趫D像的人體識別具有實時性能，不能應用于快速移動的設備。無線定位技術要求受保護人員攜帶身份證，否則無法識別，身份證和個人位置識別卡不能共同使用。如何突破對人體的快速識別，實現(xiàn)對移動設備的主動保護是下一步的研究重點。

2.3 定位技術

定位技術通過各種方法建立隧道機與道路的相對坐標空間角，實時調整隧道設備的水平偏角、水平偏移、偏仰角和滾仰角等姿態(tài)參數(shù)，并結合隧道設計參數(shù)，為整機行走控制提供直接控制參數(shù)，使驅動設備始終處于隧道設計所要求的理想位置。

隧道設備的定位是智能切割控制的基礎。目前使用的主要技術有全站儀、陀螺儀、電子羅盤、激光引導和視覺測量等。目前的主要問題是如何克服地下惡劣的工作條件，包括機器振動、粉塵和高溫、高濕等惡劣的工作環(huán)境，并將其他領域的自主導航技術成功應用于煤礦設備。目前，慣性導航系統(tǒng)（陀螺儀+加速度計）在機械化方面的應用取得了進展。為了適應全機械化掘進面的工作條件，還需要克服低速和漂移的困難。

2.4 自適應切割

根據(jù)隧道技術的要求，可獨立完成橫截面的圓形切削，其中主要包括切面成型控制和切削頭的自動速度控制，以提高切割效率和切割質量。采煤切割示意圖如圖4 所示，可以看出，在準確定位的基礎上，根據(jù)道路橫斷面剖面的技術要求，通過定量指標自動調整切割周期路徑，可避免過度開挖和欠開挖。主要的實現(xiàn)方法包括內存切割和設置邊界參數(shù)。

圖4 采煤切割示意圖

根據(jù)巖石硬度自動調整切割頭速度和切割臂擺動速度。對煤層和軟巖，適合采用切削頭轉速高、切割臂擺動速度高的方法，提高工作效率。對硬巖，可采用降低切削速度、增加切削力矩的方法，提高巖石破碎能力，減少工具磨損。傳動作業(yè)的主要任務是切割滿足設計要求的路段，并根據(jù)切割負荷調整切割策略。切割水頭動態(tài)負載的實時識別技術仍處于理論探索階段，以實際測量和反演計算的模式來表示。利用神經網絡識別切割電流、切割振動和氣缸壓力等的信息融合處理。通過對切割頭振動響應的反向推導，推導出了動態(tài)負載的計算表達式。

3 結語

通過綜合開挖面的無線網絡對成套設備進行協(xié)調控制，實現(xiàn)了綜合開挖面上各類數(shù)據(jù)和信息的有效關聯(lián)和上傳。它可以實現(xiàn)工作面的協(xié)調、聯(lián)合控制和大數(shù)據(jù)的沉淀?？陀^地說，對于勘探和錨定生產操作的自動化和智能化，還缺乏一套完整的解決方案。對隧道掘進過程的智能控制進行了大量的研究，并取得了有效的進展。隧道錨固自動化和智能化、環(huán)境安全監(jiān)控和輔助操作缺乏完善的解決方案，需要根據(jù)當?shù)厍闆r進行工藝創(chuàng)新，通過新設備和新工藝逐步應用智能信息技術，實現(xiàn)降低人工、提高效率的目標。從長遠來看，要真正實現(xiàn)“透明的綜合隧道面”，必須對基于數(shù)據(jù)的3DVR 數(shù)字平臺進行研究。這也是提高綜合隧道工作面安全、持續(xù)、高效生產的技術途徑之一。