掘進(jìn)工作面智能化控制研究

陳曉東

(山西焦煤汾西礦業(yè) 正益煤業(yè)，山西 介休 032000)

綜掘是提升巷道掘進(jìn)效率、降低勞動強(qiáng)度以及緩解采掘接替緊張問題的主要途徑之一，但是受掘進(jìn)工藝制約，綜掘工作面往往面臨粉塵濃度高、噪音大等問題，作業(yè)人員長時間在這種惡劣環(huán)境中工作，會給身體健康帶來一定威脅[1-2]。巷道掘進(jìn)涉及煤巖開挖、煤矸運(yùn)輸、支護(hù)等多個環(huán)節(jié)，通過綜掘、帶式輸送機(jī)及錨桿鉆機(jī)等配合，各環(huán)節(jié)雖然基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化操作，但是普遍面臨自動化程度低、效率不高等問題[3-4]。文中就以山西某礦3305運(yùn)輸巷為工程背景，對綜掘工作面智能化控制技術(shù)分析進(jìn)行分析，以期促進(jìn)巷道掘進(jìn)工作更好開展。

1 智能化控制系統(tǒng)構(gòu)建

3305運(yùn)輸巷沿著回采的3號煤層底板掘進(jìn)。3號煤層傾角2～5°，硬度0.5～1.5，厚度均值3.2 m，采用綜掘方式。3號煤層頂板、底板巖性以泥巖、鋁質(zhì)泥巖、砂巖及炭質(zhì)泥巖為主。3305運(yùn)輸巷設(shè)計(jì)為矩形斷面，凈寬、凈高分別為4.6 m、3.3 m，圍巖采用錨網(wǎng)索+W鋼帶支護(hù)。在3305運(yùn)輸巷內(nèi)布置的綜掘及圍巖支護(hù)設(shè)備包括：掘錨一體機(jī)、液壓錨桿鉆車、自移機(jī)尾(履帶式)、電纜拖拽裝置、吊掛平臺以及轉(zhuǎn)載機(jī)等。但在使用過程中，上述設(shè)備無法進(jìn)行聯(lián)動控制，導(dǎo)致掘進(jìn)效率偏低、安全性不高以及工作人員勞動強(qiáng)度大等問題，難以滿足井下巷道高效掘進(jìn)的需求。

依據(jù)3305運(yùn)輸巷現(xiàn)場條件，為實(shí)現(xiàn)巷道安全高效掘進(jìn)，綜合利用定位、監(jiān)測監(jiān)控、智能傳感器、遠(yuǎn)程控制以及無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，構(gòu)建一種掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備多信息融合分析、綜掘機(jī)導(dǎo)航定位及自主糾偏、人工遠(yuǎn)程干預(yù)以及多工序智能化控制等，具體構(gòu)建的智能化控制平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化控制平臺結(jié)構(gòu)示意

現(xiàn)階段智能錨護(hù)技術(shù)還不成熟，該掘進(jìn)工作面智能化控制系統(tǒng)結(jié)合3305運(yùn)輸巷現(xiàn)場地質(zhì)條件，依托綜掘機(jī)、自移機(jī)尾、轉(zhuǎn)載機(jī)以及智能組合開關(guān)等，實(shí)現(xiàn)對綜掘設(shè)備智能化控制。具體巷道內(nèi)設(shè)備布置情況如圖2所示。

圖2 巷道內(nèi)設(shè)備布置示意

2 智能化控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)

2.1.1 視頻監(jiān)控

工作人員在巷道內(nèi)遠(yuǎn)程操作時，需要依靠掘進(jìn)迎頭聲音以及視頻畫面指導(dǎo)操作。巷道視頻監(jiān)控位置主要有綜掘機(jī)懸臂相對機(jī)身位置、截割部相對迎頭位置，監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)運(yùn)輸系統(tǒng)狀態(tài)、綜掘機(jī)位置關(guān)系、自移機(jī)尾移動情況、轉(zhuǎn)載機(jī)及帶式輸送機(jī)運(yùn)輸情況等。由于現(xiàn)場存在粉塵濃度高、振動等情況，因此現(xiàn)場監(jiān)控使用了集成語音通信功能的高清攝像儀、低照度攝像儀及熱成像攝像儀等。高清攝像儀內(nèi)有拾音器、擴(kuò)音器等通信裝置，可解決巷道內(nèi)語音通信問題；低照度攝像儀組成部件包括紅外補(bǔ)光裝置、廣角攝像頭等，可在低光照條件下現(xiàn)場監(jiān)控畫面；熱成像儀可實(shí)現(xiàn)高粉塵環(huán)境下的成像問題[5-7]。綜掘機(jī)上攝像頭布置位置如圖3所示。

圖3 綜掘機(jī)上攝像頭布置位置示意

2.1.2 設(shè)備運(yùn)行參數(shù)監(jiān)測

操作人員對掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，由視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供直觀圖像，由于掘進(jìn)區(qū)域內(nèi)設(shè)備多、體積大，視頻監(jiān)控存在視覺盲區(qū)，無法實(shí)時掌握掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行情況。為此，采用智能傳感器監(jiān)測技術(shù)對綜掘設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，操作臺給出提示、警告、緊急停機(jī)等信息。

在綜掘機(jī)懸臂安裝傾角傳感器，實(shí)現(xiàn)懸臂仰角監(jiān)測；在回轉(zhuǎn)臺上安裝旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)監(jiān)測懸臂旋轉(zhuǎn)角；在鏟板、后支撐安裝傾角傳感器，用以監(jiān)測鏟板、后支撐等與巷道底板相對位置的參數(shù)；綜掘機(jī)機(jī)身布置超聲波測距傳感器，在高粉塵環(huán)境下可測量綜掘機(jī)與巷道壁距離，避免機(jī)身與巷幫出現(xiàn)碰撞問題。

2.1.3 集控平臺

將3305運(yùn)輸巷迎頭視頻、音頻及各傳感器監(jiān)測等經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至集控平臺，集控平臺通過數(shù)據(jù)解析技術(shù)按照類別、場景等將掘進(jìn)迎頭視頻畫面、整機(jī)工作參數(shù)以及環(huán)境參數(shù)等顯示到集中平臺顯示屏上，以便操作人員實(shí)時掌握掘進(jìn)迎頭設(shè)備情況，為操作人員多角度、多方位操作提供依據(jù)。在集控平臺上有緊急停機(jī)按鈕，可接入掘進(jìn)機(jī)饋電開關(guān)，實(shí)現(xiàn)緊急停車。

2.2 掘進(jìn)設(shè)備協(xié)同控制及集中供電

在3305運(yùn)輸巷內(nèi)布置的設(shè)備包括掘進(jìn)機(jī)、自移機(jī)尾、組合開關(guān)以及轉(zhuǎn)載機(jī)等。運(yùn)輸系統(tǒng)包括掘進(jìn)機(jī)刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載以及膠帶輸送機(jī)等。綜掘機(jī)最靠近迎頭，在綜掘機(jī)正常運(yùn)行時帶動轉(zhuǎn)載機(jī)在自移式機(jī)尾軌道上移動，而自移機(jī)尾處于相對靜止?fàn)顟B(tài)；自移機(jī)尾前移時綜掘機(jī)完成掘進(jìn)處于靜止?fàn)顟B(tài)。運(yùn)輸系統(tǒng)用于煤矸運(yùn)輸，運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)行取決于各運(yùn)輸環(huán)節(jié)是否按照順序正常啟動。

協(xié)同控制包括運(yùn)輸系統(tǒng)聯(lián)動控制以及自移機(jī)尾自主移動等。運(yùn)輸系統(tǒng)聯(lián)動控制時，通過控制開關(guān)采用開放通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)及運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備聯(lián)動；當(dāng)選擇自移機(jī)尾自主移動控制時，可通過一鍵控制實(shí)現(xiàn)機(jī)尾自主移動。巷道內(nèi)掘進(jìn)機(jī)、自移機(jī)尾、帶式輸送機(jī)等掘進(jìn)及運(yùn)輸設(shè)備均采用集中控制、集中供電模式。

2.3 智能控制上位機(jī)控制軟件

用三維激光掃描儀獲取巷道數(shù)據(jù)，為巷道實(shí)景重現(xiàn)提供支持；通過上位機(jī)控制軟件，最終集成視頻監(jiān)控、掘進(jìn)設(shè)備參數(shù)設(shè)置、超挖預(yù)警、設(shè)備碰撞預(yù)警以及掘進(jìn)機(jī)軌跡顯示等功能。上位機(jī)可實(shí)時顯示掘進(jìn)設(shè)備姿態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等信息，設(shè)定的姿態(tài)信息以及運(yùn)行參數(shù)信息用以指導(dǎo)掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程截割控制。

3 主要創(chuàng)新點(diǎn)及現(xiàn)場應(yīng)用效果

3.1 主要創(chuàng)新點(diǎn)

1) 懸臂姿態(tài)監(jiān)測。通過綜合使用傾角傳感器及旋轉(zhuǎn)變壓器可實(shí)現(xiàn)懸臂傾角、偏航姿態(tài)等監(jiān)測，同時在傳感器內(nèi)置有補(bǔ)償系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)懸臂姿態(tài)高精度監(jiān)測。采用的懸臂姿態(tài)監(jiān)測技術(shù)可解決傳統(tǒng)油缸內(nèi)置傳感器故障發(fā)生率高、壽命短以及維護(hù)難度大等問題。

2) 遠(yuǎn)程監(jiān)控。構(gòu)建的遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺可實(shí)現(xiàn)巷道視頻監(jiān)控顯示，掘進(jìn)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、參數(shù)顯示，巷道輪廓、掘進(jìn)機(jī)三維模型以及綜掘機(jī)懸臂位置等顯示。

3) 協(xié)同控制及集中供電。巷道內(nèi)掘進(jìn)、運(yùn)輸?shù)仍O(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制；通過機(jī)尾智能開關(guān)實(shí)現(xiàn)集中供電。

4) 基于巷道實(shí)景融合的上位機(jī)軟件系統(tǒng)。上位機(jī)控制軟件包括數(shù)據(jù)以及視頻兩個部分，其中數(shù)據(jù)處理部分采用C#語言開發(fā)、視頻處理部分采用Java語言開發(fā)。構(gòu)建的上位機(jī)可實(shí)時顯示掘進(jìn)設(shè)備姿態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等信息。

3.2 現(xiàn)場應(yīng)用效果

以往采用綜掘技術(shù)時，需4～6名工作人員，存在掘進(jìn)效率偏低、工作環(huán)境惡劣以及安全隱患多等問題。在3305運(yùn)輸巷現(xiàn)場應(yīng)用智能化控制技術(shù)后，實(shí)現(xiàn)了綜掘設(shè)備的遠(yuǎn)程智能化控制，地面監(jiān)控中心可實(shí)時獲取掘進(jìn)巷道現(xiàn)場情況。作業(yè)人員在距離掘進(jìn)迎頭30 m以外的安全位置進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，避免了高噪音及高粉塵等對工作人員健康的影響，同時每班只需3～4名作業(yè)人員，減少了掘進(jìn)巷道工作人員數(shù)量，提升了巷道掘進(jìn)綜合智能化水平，3305運(yùn)輸巷掘進(jìn)速度增至320 m/月，實(shí)現(xiàn)了安全高效掘進(jìn)。

4 結(jié) 語

1) 巷道安全快速掘進(jìn)是實(shí)現(xiàn)煤炭高效回采的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)綜掘設(shè)備智能化控制對提高掘進(jìn)效率、安全保障能力及改善井下作業(yè)人員環(huán)境質(zhì)量等均有顯著促進(jìn)作用。文章介紹了依據(jù)3305運(yùn)輸巷現(xiàn)場情況構(gòu)建的智能控制系統(tǒng)，并對該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)以及創(chuàng)新點(diǎn)等進(jìn)行了分析。

2) 智能控制系統(tǒng)通過多類型攝像儀實(shí)現(xiàn)迎頭設(shè)備、環(huán)境等監(jiān)測；綜合傾角傳感器及旋轉(zhuǎn)變壓器實(shí)現(xiàn)了懸臂姿態(tài)精準(zhǔn)監(jiān)測；通過協(xié)同控制及集中供電實(shí)現(xiàn)綜掘設(shè)備遠(yuǎn)程集中控制；通過基于巷道實(shí)景融合的上位機(jī)軟件系統(tǒng)，可實(shí)時展現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備姿態(tài)、運(yùn)行參數(shù)等信息，便于操作人員掌握設(shè)備運(yùn)行情況，并為遠(yuǎn)程操作提供指導(dǎo)。

3) 智能控制系統(tǒng)在3305運(yùn)輸巷現(xiàn)場應(yīng)用后，系統(tǒng)運(yùn)行平穩(wěn)、巷道內(nèi)各設(shè)備均可靠運(yùn)行，巷道掘進(jìn)進(jìn)尺由250 m/月提升至320 m/月，綜合掘進(jìn)效率提升28%；掘進(jìn)人員數(shù)量由4～6人減少至3～4人。智能控制系統(tǒng)在巷道掘進(jìn)中取得了較為顯著的減人增效效果。