煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)研究

劉向鵬 王祥劍 孫明磊

摘要：在煤礦的現(xiàn)代化生產(chǎn)中，掘進(jìn)配套設(shè)施逐步發(fā)展為智能化方向，以往的掘進(jìn)模式難以適應(yīng)當(dāng)前時(shí)期煤炭快速增長的需求。為此，應(yīng)實(shí)現(xiàn)煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)的智能化建設(shè)和創(chuàng)新，以提升配套裝備的運(yùn)行效率，確保煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。為此，本文主要分析了煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)措施以及實(shí)際應(yīng)用，并闡述了煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)的完善建議。

關(guān)鍵詞：機(jī)械化掘進(jìn)智能化建設(shè)應(yīng)用

黨的十九大會(huì)議上倡導(dǎo)發(fā)展煤礦事業(yè)需要注重智能化示范煤礦的建設(shè)、強(qiáng)化地質(zhì)保障、改進(jìn)煤礦開拓設(shè)計(jì)，以及確保運(yùn)行的自動(dòng)化、傳輸?shù)臄?shù)字化、決策的智能化。發(fā)展到2025年，煤礦企業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)智能化水平的大大提升，建設(shè)智能化和多信息系統(tǒng)，以及升級(jí)煤礦智能系統(tǒng)技術(shù)設(shè)備，確保系統(tǒng)的協(xié)同運(yùn)行實(shí)現(xiàn)，以及推廣應(yīng)用安控以及作業(yè)機(jī)器人等。鑒于此，探究煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)顯得非常迫切和有必要。

1煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面智能化技術(shù)的類別

煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)應(yīng)有效應(yīng)用各種技術(shù)進(jìn)行完善，探究系統(tǒng)運(yùn)行能力、生產(chǎn)性能、地質(zhì)狀況等，其中重點(diǎn)結(jié)合下面幾點(diǎn)探究掘進(jìn)設(shè)備智能化控制系統(tǒng)的核心技術(shù)。一是無線遙感、數(shù)據(jù)采集、電氣控制、電液比例控制、人機(jī)交互、無線通信等系統(tǒng)構(gòu)成了單機(jī)控制技術(shù)系統(tǒng)。結(jié)合上述技術(shù)系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備間的一致協(xié)作，在智能控制系統(tǒng)當(dāng)中，能夠結(jié)合設(shè)計(jì)的程序控制設(shè)備。基于掘進(jìn)設(shè)備系統(tǒng)的一致協(xié)同下，能夠結(jié)合設(shè)計(jì)的系統(tǒng)流程進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控、電磁閥監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等工作。二是智能截割、自動(dòng)截割、自動(dòng)定位等技術(shù)屬于智能結(jié)構(gòu)技術(shù)的范疇[1]。其中，自動(dòng)定位技術(shù)能夠通過機(jī)組導(dǎo)航系統(tǒng)監(jiān)控監(jiān)控設(shè)備機(jī)身姿態(tài)以及掘進(jìn)方位，確保監(jiān)控運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合工作需要發(fā)送指令，從而確保在既定的路線中運(yùn)行設(shè)備，從而提升掘進(jìn)效率和精準(zhǔn)控制掘進(jìn)方向。而自動(dòng)截割技術(shù)重點(diǎn)是結(jié)合高度傳感器取得截割滾筒的部位，結(jié)合參數(shù)設(shè)計(jì)截割滾筒的結(jié)構(gòu)高度、切槽前景參數(shù)、滾筒終止以及起始部位、截割高度等[2]，即結(jié)合設(shè)備具備的記憶功能實(shí)現(xiàn)截割的智能化和自動(dòng)化。三是多機(jī)協(xié)同控制技術(shù)重點(diǎn)在掘進(jìn)裝備配套控制系統(tǒng)中中應(yīng)用，能夠協(xié)同控制邁步自移機(jī)尾運(yùn)輸系統(tǒng)以及輸送系統(tǒng)。其中，協(xié)同控制的智能化技術(shù)設(shè)備有膠帶運(yùn)輸機(jī)、破碎機(jī)、梭車、掘錨機(jī)等。

2煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)措施

2.1煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面智能化開采流程

綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面智能化開采重點(diǎn)以煤壁充當(dāng)輸入對(duì)象，其輸出對(duì)象是原煤和支護(hù)成型巷道，確保有效控制視頻、生產(chǎn)、探測(cè)，從而協(xié)同控制工作面電液控制系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)智能化開采模式。工作面信號(hào)狀態(tài)是交叉存在的，且具備較為復(fù)雜的來源。工作面探測(cè)流程涵蓋瓦斯抽采、超前地質(zhì)勘探、巖層移動(dòng)、水源探測(cè)等，而生產(chǎn)流程涵蓋輸送、支護(hù)、割煤等，視頻流程則涵蓋瓦斯和頂板監(jiān)測(cè)、排水、供電、通風(fēng)等[3]。

2.2煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)

結(jié)合工作面智能化開采流程，工作面智能化控制系統(tǒng)涵蓋視頻監(jiān)控、生產(chǎn)控制、圍巖探測(cè)等一些系統(tǒng)。

2.3煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)智能化開采的重要技術(shù)

智能化開采的重要技術(shù)有視頻監(jiān)控智能化技術(shù)、錨桿支護(hù)智能化技術(shù)、巷道變形智能化控制技術(shù)、輸送系統(tǒng)智能化技術(shù)、掘進(jìn)機(jī)智能化開采技術(shù)等。

2.4煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)

2.4.1建設(shè)背景

隨著煤礦綜采智能化技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，掘進(jìn)工作面智能化技術(shù)的發(fā)展較慢，長時(shí)間處在機(jī)械化時(shí)期。在進(jìn)行改進(jìn)時(shí)應(yīng)根據(jù)無人化、智能化、自動(dòng)化、機(jī)械化的發(fā)展方向[4]，以智能掘進(jìn)為發(fā)展目標(biāo)，實(shí)施涵蓋破碎機(jī)、梭車、掘錨機(jī)、錨桿鉆車的設(shè)施的智能化處理規(guī)劃，可以奠定智慧煤礦建設(shè)的良好基礎(chǔ)。

2.4.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在基礎(chǔ)配置中，應(yīng)用智能化連續(xù)采煤機(jī)、電液控制錨桿機(jī)、自動(dòng)化梭車、電纜收放車以及通風(fēng)、輸送、破碎等設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一控制[5];工作面集控中心進(jìn)行視頻監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制等功能;連續(xù)采煤機(jī)應(yīng)自動(dòng)收放水管與電纜、控制頂?shù)装?、?dǎo)航移機(jī)、識(shí)別煤巖、截割、定姿定位定向等;升級(jí)系統(tǒng)時(shí)加裝感知與測(cè)量元件，升級(jí)變頻器與電控箱，確保有效控制一系列機(jī)構(gòu)，以及兼容固有系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程、遙控、本機(jī)操作;增設(shè)智能控制向，對(duì)自主生產(chǎn)的智能軟件進(jìn)行設(shè)計(jì);增設(shè)熱成像儀器、視頻監(jiān)控儀器、聲音傳感器、組合慣導(dǎo)設(shè)施、角度傳感器、位移傳感器、梭車無線關(guān)聯(lián)設(shè)施[6]。在感知信息時(shí)結(jié)合連續(xù)采煤機(jī)檢測(cè)環(huán)境狀態(tài)及其姿態(tài)。對(duì)于自動(dòng)化梭車而言，其應(yīng)具備的功能是緊急停車和安全避障、破碎機(jī)和連續(xù)采煤機(jī)自動(dòng)對(duì)接裝煤、轉(zhuǎn)向控制、制動(dòng)控制、軌跡跟蹤控制，以及自主規(guī)劃路徑、人工干預(yù)、運(yùn)行速度、環(huán)境識(shí)別、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。

2.4.3技術(shù)規(guī)劃

在技術(shù)規(guī)劃中，重點(diǎn)在升級(jí)固有電控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行遠(yuǎn)程控制或遙控，對(duì)壓力傳感器、電磁閥進(jìn)行增加，優(yōu)化制動(dòng)和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電液控制;設(shè)置輪胎轉(zhuǎn)速傳感器，以精準(zhǔn)閉環(huán)控制牽引系統(tǒng)，即結(jié)合聯(lián)巷自動(dòng)起步、停車[7];應(yīng)用LSAM技術(shù)以及多線激光雷達(dá)和精度較高的機(jī)載慣導(dǎo)模塊，確保自動(dòng)規(guī)劃路徑;通過激光引導(dǎo)識(shí)別技術(shù)無線自動(dòng)對(duì)接破碎機(jī)和連續(xù)采煤機(jī)，確保輸送自動(dòng)啟停的實(shí)現(xiàn);將稱重傳感器增加在梭車料倉當(dāng)中，對(duì)煤量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)觀察載重情況，保障實(shí)現(xiàn)理想的卸煤和裝煤效果;設(shè)置視頻監(jiān)控系統(tǒng)，確保其跟轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)時(shí)隨動(dòng)，能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控;設(shè)置自主避障以及探測(cè)設(shè)施，保障運(yùn)行的安全性。在升級(jí)改造電控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)對(duì)變頻器箱實(shí)施改造，設(shè)置自動(dòng)控制箱，將激光雷達(dá)、熱成像儀器、慣導(dǎo)、攝像頭和顯示器等安裝在駕駛室中。在傳感器上，應(yīng)設(shè)置可以閉環(huán)控制速度的輪胎編碼器、稱重傳感器、液壓壓力傳感器、行走轉(zhuǎn)向油缸傳感器。在改進(jìn)和升級(jí)液壓系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)優(yōu)化輸送機(jī)升降電磁閥、解制動(dòng)電磁閥、制動(dòng)和電磁閥比例等。在梭車的自動(dòng)駕駛上，需要結(jié)合探頭、攝像儀、激光雷達(dá)等感知環(huán)境，結(jié)合學(xué)習(xí)智能算法與傳感器滲透信息的方式規(guī)劃路徑或軌跡，結(jié)合行走變頻調(diào)速、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)，在SLAM以及激光雷達(dá)掃描上，應(yīng)設(shè)置多線激光雷達(dá)與精度較高的慣導(dǎo);將慣導(dǎo)安裝在車身，將精準(zhǔn)的姿態(tài)信息提供給激光雷達(dá);車身橫軸屬于激光雷達(dá)掃描的方向，其掃描的范圍是±90°;對(duì)巷道頂棚以及兩側(cè)壁的形貌信息進(jìn)行獲取。

3煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司研發(fā)了一種頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進(jìn)系統(tǒng)，其引入了自主決策控制技術(shù)，設(shè)備的運(yùn)行無需人為干預(yù)，可以實(shí)現(xiàn)無人操作。該系統(tǒng)在排水巷、高抽巷為典型的小斷面巷道，實(shí)施全斷面掘進(jìn)。這樣相關(guān)工作者能夠遠(yuǎn)離切削面，工作過程中不需要進(jìn)入，非常穩(wěn)定和安全[8]。并且，可以自主進(jìn)行支護(hù)，具備較高的掘進(jìn)效益。其中，該系統(tǒng)應(yīng)用了一些重要的技術(shù)，如多傳感器數(shù)據(jù)融到磁合、圖像識(shí)別、硐室遠(yuǎn)程智能控制等技術(shù)。

3.1自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)

一是預(yù)處理光靶圖像，以圖像銳化、平滑、濾波等方式將無關(guān)的圖像信息消除，以使數(shù)據(jù)簡化;二是對(duì)光靶數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取，實(shí)施亞像素定位技術(shù)，對(duì)圖像中激光光斑的坐標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，然后通過攝像機(jī)標(biāo)定換算至空間坐標(biāo)來定位目標(biāo);三是在防爆PLC 當(dāng)中進(jìn)行算法的通信測(cè)試。

3.2自動(dòng)進(jìn)水排渣系統(tǒng)

礦用頂管機(jī)應(yīng)用了泥水排渣的理論，其結(jié)合泥漿排出刀盤切削渣石，進(jìn)水排渣泵流量不但對(duì)排放渣石的速度形成制約，而且有助于切削掌子面提升穩(wěn)定性。頂管式煤礦小斷面巷道智能掘進(jìn)系統(tǒng)可以將流量和壓力傳感器等設(shè)計(jì)在管路上，從而可以對(duì)供排水泵出口壓力信息進(jìn)行采集和記錄，構(gòu)建出渣、供水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，且將圖像識(shí)別裝備設(shè)計(jì)在出渣口，這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)控排渣速度以及顆粒大小，且通過磁力耦合器實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)供排水泵的流量，以確保掌子面的可靠性以及排渣的不間斷性。

3.3自動(dòng)頂進(jìn)系統(tǒng)

自動(dòng)頂進(jìn)系統(tǒng)開啟后可以檢測(cè)按鍵的狀態(tài)，以及確定自動(dòng)頂進(jìn)功能互鎖、手動(dòng)頂進(jìn)、急停等按鍵狀態(tài)。為了確保順利地排出機(jī)頭中的渣石，首先將頂進(jìn)延時(shí)時(shí)間（5s）流出[9]，在結(jié)束延時(shí)后開展自動(dòng)頂進(jìn)操作（中繼伸出、主頂伸出，在中繼伸出時(shí)應(yīng)對(duì)機(jī)頭切削流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，倘若機(jī)頭具備較大的切削電流，那么應(yīng)對(duì)頂進(jìn)速度進(jìn)行優(yōu)化，確保機(jī)頭切削電流在適度的范圍之內(nèi)，當(dāng)中繼頂進(jìn)行程到位后，自動(dòng)頂進(jìn)的流程即完成）。

3.4自動(dòng)開關(guān)機(jī)系統(tǒng)

對(duì)于自動(dòng)開機(jī)系統(tǒng)而言，當(dāng)自動(dòng)開機(jī)指令被操作者發(fā)出之后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行主頂頂進(jìn)、排渣泵與進(jìn)水泵開啟、旁通閥開啟、刀盤旋轉(zhuǎn)、進(jìn)水排泥閥開啟、故障檢查等工作，在主頂頂至行程滿而操作換管的情況下，自動(dòng)關(guān)機(jī)系統(tǒng)被系統(tǒng)啟動(dòng)，然后可以關(guān)閉排泥閥、后退主頂?shù)?，防范了開機(jī)操作的繁瑣性，顯著降低了人為故障率。

3.5采煤機(jī)控制系統(tǒng)

作為智能化采煤工作面的關(guān)鍵組成部分，采煤機(jī)控制系統(tǒng)也屬于高效回采煤炭資源的中心環(huán)節(jié)。采煤機(jī)控制系統(tǒng)的兩大組成部分是工控平臺(tái)和就地控制，其功能是環(huán)境和綜采聯(lián)動(dòng)、安全防護(hù)、采煤路徑規(guī)劃等。采煤機(jī)應(yīng)用雙向傳輸?shù)姆绞絺鬏敂?shù)據(jù)，不但能夠結(jié)合本身具備的數(shù)據(jù)線交換數(shù)據(jù)，而且可以通過工作面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的平臺(tái)接收與傳輸數(shù)據(jù)，其環(huán)境適應(yīng)能力和抗干擾性非常強(qiáng)。采煤機(jī)控制系統(tǒng)的主要組成部分是數(shù)據(jù)交換機(jī)、工控平臺(tái)、上位機(jī)。在順槽控制室當(dāng)中安裝了控制系統(tǒng)，經(jīng)由交換機(jī)跟工控平臺(tái)連接著采煤機(jī)，結(jié)合工作面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)的平臺(tái)向工控平臺(tái)接入生產(chǎn)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)雙向傳輸數(shù)據(jù)的通信作用?？傊?，采煤機(jī)控制系統(tǒng)旨在控制和規(guī)劃采煤機(jī)路徑。當(dāng)今，針對(duì)賦存構(gòu)造不存在顯著改變和巷道頂?shù)装宸€(wěn)定的條件下，智能化采煤工作面應(yīng)用記憶截割方式業(yè)已實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的效果，然而，針對(duì)工作面存在較大改變和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的巷道頂?shù)装鍡l件，智能化工作面采煤生產(chǎn)依舊面臨相應(yīng)的缺陷。為了完善這種不足之處，確保采煤生產(chǎn)的穩(wěn)定進(jìn)行，采煤機(jī)智能控制系統(tǒng)結(jié)合工控平臺(tái)可以分析和處理數(shù)據(jù)，從而有效規(guī)劃采煤機(jī)下六刀的路徑，并且結(jié)合順槽控制室采煤機(jī)上位機(jī)將工作面高度修正值輸入這種手段，確保取得有關(guān)的工作面地質(zhì)結(jié)構(gòu)截割曲線，從而智能化、高效化地截割煤層。與以往的采煤機(jī)記憶截割工藝技術(shù)相比，此系統(tǒng)顯著提升了適應(yīng)性與精確度[10]。

4煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)的完善建議

煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)需要具備高效掘進(jìn)的效果，可以在煤巖迅速掘進(jìn)裝備中應(yīng)用。其能夠劃分為掘進(jìn)、輸送、支護(hù)等流程，結(jié)合新技術(shù)手段的應(yīng)用，可以有效解決支護(hù)、輸送、掘進(jìn)的有關(guān)問題，從而實(shí)現(xiàn)裝備運(yùn)行的高效化與一體化。掘進(jìn)機(jī)有著遠(yuǎn)程監(jiān)控和定位切割的功能，可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的程監(jiān)控以及錨桿機(jī)運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化，然而應(yīng)將若干檢查人員預(yù)留在工作面。掘進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域是掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)和方向，為了實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，應(yīng)使遠(yuǎn)程監(jiān)控、自動(dòng)截割、遠(yuǎn)程遙控等功能實(shí)現(xiàn)[11]。其中，遠(yuǎn)程監(jiān)控得益于數(shù)據(jù)通信鏈路的順暢性以及掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作的可控性。自動(dòng)截割能夠確保掘進(jìn)機(jī)的控制精度達(dá)標(biāo)、位置檢測(cè)可信性得到提升。智能化截割可以確保自動(dòng)截割的穩(wěn)定運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)開采效率的提升和空間的拓展。并且，對(duì)掘進(jìn)工藝適應(yīng)性進(jìn)行完善和創(chuàng)新，根據(jù)地質(zhì)條件狀況合理調(diào)控掘進(jìn)機(jī)器人的操作安全性以及掘進(jìn)速度。通常而言，相關(guān)操作都無需人工干預(yù)。遠(yuǎn)程控制的掘進(jìn)工作面牽涉到礦井掘錨機(jī)、破碎轉(zhuǎn)載機(jī)、膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)、錨桿鉆車等，并且設(shè)置供電和通信控制設(shè)備以及通風(fēng)除塵設(shè)施等，從而可以建構(gòu)高效、快速的掘進(jìn)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)輸送、支護(hù)、掘進(jìn)的一體化?？傊?，新試驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)組可以體現(xiàn)協(xié)同控制、自主運(yùn)行、遠(yuǎn)程監(jiān)控、核心單機(jī)裝備的功能，從而可以提高煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)的自動(dòng)化、數(shù)字化、信息化水平。

5結(jié)語

綜上所述，煤炭是我國能源的基石，是可以實(shí)現(xiàn)清潔高效利用的最經(jīng)濟(jì)、可靠的能源，煤礦智能化是實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐。換句話說，煤礦綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)技術(shù)和系統(tǒng)不斷完善、發(fā)展，煤礦企業(yè)應(yīng)客觀、綜合地分析掘進(jìn)配套設(shè)備及其技術(shù)，有效滲透一系列先進(jìn)技術(shù)和系統(tǒng)，從而持續(xù)提升掘進(jìn)的智能化水平，確保煤礦的安全、高效掘進(jìn)。

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