煤礦智能化掘進(jìn)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)建設(shè)與應(yīng)用

呂富杰

（霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦，山西 臨汾 031600）

1 智能化掘進(jìn)系統(tǒng)

1.1 設(shè)計(jì)要求

自動化機(jī)械巷道掘進(jìn)作業(yè)應(yīng)采用適宜的技術(shù)裝備，應(yīng)滿足煤礦采掘接替需求。采用智能物探、鉆探技術(shù)進(jìn)行巷道超前探測，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)字化分類存儲和現(xiàn)場地質(zhì)三維建模功能；掘進(jìn)工作面的條件適宜煤層，優(yōu)先采用掘、支、錨、運(yùn)、破碎一體化成套裝備，通過掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)程集控平臺，實(shí)現(xiàn)基于感知信息對掘進(jìn)工作面的遠(yuǎn)程集中控制[1-2]。

1.2 系統(tǒng)組成及優(yōu)勢

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、中央控制單元、光纖通信以太環(huán)網(wǎng)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控分站、遙控器和井下井上遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備等部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)架構(gòu)

實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化作業(yè)，根據(jù)地質(zhì)條件、空頂距等要求，以安全、高效、少人、快掘?yàn)槟繕?biāo)，實(shí)現(xiàn)智能化掘進(jìn)。實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備“一鍵啟?！?、供配電、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、視頻監(jiān)測、無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)管理及單位可視操控、多機(jī)協(xié)同控制、遠(yuǎn)程集中控制和流程啟停等。掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)是面向工程機(jī)械裝備制造產(chǎn)業(yè)，將煤炭巷道掘進(jìn)技術(shù)升級換代，解決現(xiàn)有煤巷掘進(jìn)帶來的管理、安全、環(huán)保、效率等一系列問題的系統(tǒng)。該系統(tǒng)針對巷道工作面進(jìn)行研究，以一種具有實(shí)時(shí)性的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)測量系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，提出懸臂式掘錨機(jī)智能遠(yuǎn)程控制方案。新型掘進(jìn)機(jī)智能遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，長期適用于工作面現(xiàn)場惡劣的環(huán)境，使得工作人員遠(yuǎn)離粉塵、噪聲及危險(xiǎn)區(qū)域，改善工作環(huán)境，減少事故發(fā)生概率，提高掘進(jìn)作業(yè)的工作效率及安全性[3]。

1.3 掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)工作現(xiàn)場的視頻采集功能，圖像分辨率可達(dá)1 080P，且成像系統(tǒng)中具備紅外照射、強(qiáng)光抑制、超寬動態(tài)、超低照明度等算法，具備云臺攝像功能，滿足角度旋轉(zhuǎn)、焦距縮放；同時(shí)具備語音通信的功能；掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)參數(shù)信息數(shù)據(jù)采集功能；采集后數(shù)據(jù)可遠(yuǎn)程傳輸功能；1 000 m 外遠(yuǎn)程監(jiān)視、遙控功能；井下數(shù)據(jù)、圖像上傳至地面調(diào)度中心的功能；截割軌跡在線監(jiān)測的功能[4]。

1.3.1 慣性導(dǎo)航定位技術(shù)

光纖慣導(dǎo)產(chǎn)品采用模塊化設(shè)計(jì)，光纖INS 純慣性自主定位定向具有反應(yīng)速度快、準(zhǔn)備時(shí)間短、姿態(tài)精度實(shí)時(shí)可調(diào)、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

1.3.2 在線監(jiān)測截割軌跡

采用高精度陀螺儀與加速度計(jì)，速度快、時(shí)間短、抗干擾能力強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)煤礦巷道掘進(jìn)自主掘進(jìn)機(jī)車身姿態(tài)方位信息的獲取，可達(dá)到精度0.1°車身姿態(tài)，掘進(jìn)機(jī)智能實(shí)時(shí)傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的多傳感信息指令，模型精確計(jì)算得出實(shí)時(shí)的截割頭位姿參數(shù)。

1.3.3 截割遠(yuǎn)程智能控制

掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)距離截割（＞1 500 m），控制反應(yīng)速度快；掘進(jìn)工作面具有巷道成型準(zhǔn)確，邊界報(bào)警功能，斷面成型誤差小于15 cm，有效防止超掘、欠掘現(xiàn)象發(fā)生，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離迎頭斷面截割。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和精確傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相融合，精確完成掘進(jìn)機(jī)截割頭軌跡模擬實(shí)時(shí)監(jiān)控，上傳至現(xiàn)場操作臺和地面監(jiān)控室，實(shí)時(shí)掌控巷道掘進(jìn)過程中設(shè)備工作情況與掘進(jìn)工作面的各種參數(shù)信息[5]。

1.3.4 遠(yuǎn)程可視化應(yīng)用

掘進(jìn)機(jī)上安裝高清無線攝像頭和信息數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。監(jiān)控視頻清晰度1080P 和紅外補(bǔ)光技術(shù)等優(yōu)點(diǎn)；封閉式一體化云平臺設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)水平角度0～360°，垂直角度0～90°。通過無線高清攝像頭和信息數(shù)據(jù)采集傳輸設(shè)備，同時(shí)將掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)的音頻信息、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息等通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至掘進(jìn)機(jī)后方的遠(yuǎn)程操作平臺，再通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)傳輸至地面操控室，全方位實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1.3.5 井下電子圍欄

人員防誤入系統(tǒng)采用視覺AI 技術(shù)+UWB 高精定位組合，實(shí)現(xiàn)主動與被動式組合檢測。利用視覺AI技術(shù)，主動檢測掘進(jìn)機(jī)一定范圍內(nèi)的人員情況；利用UWB 技術(shù)，對礦燈及人員標(biāo)識卡進(jìn)行識別。在工作過程中一旦檢測到人員誤入，主動報(bào)警提示。

1.3.6 地面操作臺

地面集控中心通過礦井萬兆環(huán)網(wǎng)將井下集控中心的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婕刂行?，集成了各分系統(tǒng)的綜合集中控制功能，以及數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析等功能?？煞譃楹喴椎孛娌僮髋_、1.2 m 曲面屏地面操作臺、三維視覺畫面地面操作臺。井下集控室是智能化綜掘工作面的核心裝備，集成了各分系統(tǒng)的綜合集中控制功能，各參數(shù)的采集以及分析處理功能。井下集控可分為遠(yuǎn)程操作臺集控、井下集控室集控。

2 掘錨一體

錨桿鉆車可實(shí)現(xiàn)360°無死角鉆孔作業(yè)；通過兩個鉆臂調(diào)整相對位置，找到更適合的打孔位置；平臺與鉆臂一體化設(shè)計(jì)的操作平臺，可以給操作者提供安全方便的操作位置[4-5]，如圖2 所示。

圖2 錨桿鉆車

將兩個錨桿機(jī)構(gòu)與掘進(jìn)機(jī)巧妙地組合在一起，掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)將錨護(hù)機(jī)構(gòu)收回到行走部上；錨護(hù)作業(yè)時(shí)，支護(hù)展開兩錨桿機(jī)前伸到截割頭前錨護(hù)作業(yè)，避免了截割部作業(yè)振動對錨護(hù)機(jī)構(gòu)的影響。

錨桿機(jī)具有夾持器功能，可以夾住卸釬桿、拔釬桿；夾持器打開后，可以通過錨盤120 mm×120 mm。雙級伸縮平臺，錨桿機(jī)構(gòu)在兩側(cè)行走部，通過雙級滑動伸縮平臺，將錨桿機(jī)伸出到截割頭前方錨固作業(yè)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)與錨護(hù)位置的切換。

掘錨機(jī)的作用，現(xiàn)場施工人員在支護(hù)頂板下只做簡單的輔助工作；降低勞動強(qiáng)度和安全系數(shù)，減少人力成本。機(jī)械化實(shí)現(xiàn)錨護(hù)作業(yè)改善了作業(yè)環(huán)境，解決了掘進(jìn)機(jī)與錨桿機(jī)分解結(jié)合工作造成人力、物力的浪費(fèi)；實(shí)現(xiàn)全斷面錨桿施工。掘進(jìn)機(jī)與錨護(hù)設(shè)備設(shè)有液壓互鎖切換閥，確保錨護(hù)機(jī)設(shè)備動作時(shí)掘進(jìn)機(jī)不動，錨護(hù)機(jī)設(shè)備有壓力傳感器鎖死截割電機(jī)，避免誤操作。

3 功能實(shí)現(xiàn)

1）掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性的掘進(jìn)機(jī)機(jī)身位姿參數(shù)測量系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)截割頭自動截割，進(jìn)而達(dá)到工作面少人化、智能化；

2）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程（井下、地面）圖像監(jiān)控掘進(jìn)機(jī)工作斷面、設(shè)備截割頭、整機(jī)位置、后配套出料情況，方便操作者操作以及緊急情況處理；

3）遠(yuǎn)程智能截割，掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程遙控操作，提高操作人員的人身安全，改善其工作環(huán)境，降低巷道粉塵對其的危害；有利于煤礦擴(kuò)展需求的視頻和數(shù)據(jù)信息接口。地面工作人員可實(shí)時(shí)監(jiān)控井下環(huán)境和設(shè)備情況，異常情況時(shí)可以采取緊急措施。該系統(tǒng)預(yù)留出了相應(yīng)視頻和數(shù)據(jù)信息接口，有利于煤礦擴(kuò)展的需求；有效解決煤礦井下掘進(jìn)面環(huán)境惡劣問題。

4 應(yīng)用效果

1）提高工作效率,巷道掘進(jìn)機(jī)工作現(xiàn)場復(fù)雜、環(huán)境惡劣、截割粉塵量大、亮度差，斷面欠挖、超挖現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。功能實(shí)現(xiàn)后，實(shí)時(shí)坐標(biāo)控制巷道截割邊界，完成巷道邊界報(bào)警功能及停止掘進(jìn)機(jī)截割頭邊界超挖動作，抑制截割斷面欠挖、超挖現(xiàn)象，巷道掘進(jìn)效率提高28%，減少了施工時(shí)間，提高巷道成型質(zhì)量。

2）節(jié)約人力成本，掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)改造后，每個掘進(jìn)工作面每班減少工作人員8 名，早、中、夜三班共減少24 人，掘進(jìn)直接工平均工資按10 600元/（人·月）計(jì)算，每月節(jié)約人工成本約254 400 元，按12×254 400 計(jì)算，年節(jié)約人工成本約305.28 萬元。山西某礦現(xiàn)有掘進(jìn)工作面4 個，按3 052 800×4計(jì)算，全礦年節(jié)約1 221.12 萬元。

5 結(jié)語

山西某礦掘進(jìn)機(jī)按照本質(zhì)安全的要求進(jìn)行智能化升級改造，優(yōu)化了掘進(jìn)機(jī)行走偏誤差，提高了巷道掘進(jìn)斷面的質(zhì)量控制準(zhǔn)確度，改善了工作環(huán)境，降低勞動強(qiáng)度，減少人力、物力成本，提高了山西某礦安全生產(chǎn)效率。