煤礦掘進(jìn)機(jī)的智能化發(fā)展與挑戰(zhàn)

李 揚(yáng)

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)華越機(jī)械有限公司，山西陽泉 045000）

0 引言

2019 年1 月，國家煤炭安全部門發(fā)布公告呼吁國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)和機(jī)器人技術(shù)公司積極與煤礦企業(yè)合作，促進(jìn)煤礦機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)程，2020 年6 月中國移動(dòng)聯(lián)合陽煤和華為合作的首個(gè)5G 智能煤礦竣工，也標(biāo)志著5G+智能化煤礦建設(shè)邁出了意義重大的一步。對于綜合機(jī)械化掘進(jìn)技術(shù)方面，國內(nèi)國外發(fā)展的智能化和無人化程度都較低[1-2]。在連續(xù)采煤掘進(jìn)技術(shù)方面，目前美、德、英等國家在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全遙控控制，但我國起步較晚，國內(nèi)首臺(tái)連采機(jī)ML340 如圖1 所示。在掘錨一體化掘進(jìn)技術(shù)方面，國外的研究領(lǐng)先于國內(nèi)，國外目前能夠?qū)崿F(xiàn)半自動(dòng)化水平。

圖1 連續(xù)采煤機(jī)作業(yè)線設(shè)備

1 目前煤礦掘進(jìn)機(jī)智能化研發(fā)應(yīng)用情況

當(dāng)前隨著國家政策的引導(dǎo)，智能化技術(shù)在煤礦掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用越來越普遍，目前5 種類型的煤礦機(jī)器人的研發(fā)應(yīng)用情況如表1 所示。

表1 煤礦機(jī)器人研發(fā)與應(yīng)用情況

2 掘進(jìn)機(jī)智能化技術(shù)及其特征

智能化技術(shù)廣泛應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、信息顯示系統(tǒng)，可以有效收集掘進(jìn)機(jī)工作過程中的參數(shù)數(shù)據(jù)收集工作，從各個(gè)不同工作流程中，實(shí)現(xiàn)煤礦截割、裝運(yùn)及行走等各種不同工作環(huán)節(jié)的智能化控制[3]。智能掘進(jìn)需要各類機(jī)器人精密協(xié)同的工作，需要具備以下智能化特征：①環(huán)境和自身的狀態(tài)感知；②行為自主決策；③動(dòng)作精準(zhǔn)執(zhí)行等。煤礦井下精確自主定位技術(shù)目前主要有基于視覺的導(dǎo)航技術(shù)、慣性導(dǎo)航技術(shù)、室內(nèi)定位技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)等。西安科技大學(xué)馬宏偉等研究了在煤礦井下無GPS 的環(huán)境下，提出了通過激光雷達(dá)的SLAM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的位姿估計(jì)和環(huán)境地圖構(gòu)建（圖2）[4]。

圖2 自動(dòng)駕駛控制系統(tǒng)

（1）煤智能截割技術(shù)中煤巖識別是掘進(jìn)機(jī)截割頭高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)，國內(nèi)學(xué)者實(shí)現(xiàn)通過振動(dòng)檢測、煤巖灰度值和紋理以及煤巖反射光譜等不同方法進(jìn)行煤巖識別的理論基礎(chǔ)和技術(shù)體系。掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割技術(shù)直接決定了巷道掘進(jìn)前進(jìn)工作面的延續(xù)性和完整性。中國礦業(yè)大學(xué)的王蘇彧提出了一種有關(guān)縱軸式掘進(jìn)機(jī)記憶截割的控制方法，田劼介紹了掘進(jìn)機(jī)記憶截割控制方法[5]。

（2）掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)。煤礦巷道中工作面環(huán)境復(fù)雜、粉塵嚴(yán)重、勞動(dòng)量大，安全隱患較多，因此實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)施工的無人化離不開遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，而遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)需要施工環(huán)境監(jiān)控技術(shù)和機(jī)器自身故障診斷技術(shù)。目前我國采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建數(shù)字綜掘工作面，執(zhí)行“虛實(shí)同步、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、遠(yuǎn)程干預(yù)、人機(jī)協(xié)作”的掘進(jìn)機(jī)工作策略，達(dá)到了設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。掘進(jìn)機(jī)的工作環(huán)境惡劣，較易發(fā)生故障，目前國內(nèi)在掘進(jìn)機(jī)截割部、截割系統(tǒng)故障診斷問題上已有理論基礎(chǔ)和技術(shù)（圖3～圖4）。

圖3 掘進(jìn)機(jī)截割路徑示意

圖4 自動(dòng)截割控制流程

（3）煤礦掘進(jìn)裝備需要引入機(jī)器人技術(shù)。掘進(jìn)機(jī)中的液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)是非線性、多輸入、多輸出系統(tǒng)。隨著綜掘工作面的自動(dòng)化水平日新月異，需要將工業(yè)機(jī)器人控制理念引入進(jìn)來，在機(jī)器的位姿精確測量的前提下，逐步實(shí)現(xiàn)煤礦巷道掘進(jìn)的無人作業(yè)目標(biāo)。

3 煤礦掘進(jìn)機(jī)智能化的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

我國的掘進(jìn)機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)研究很薄弱，需要加強(qiáng)基礎(chǔ)科學(xué)研究的力度，打好掘進(jìn)機(jī)開發(fā)的理論基礎(chǔ)，突破關(guān)鍵核心技術(shù)，加快實(shí)踐應(yīng)用。未來掘進(jìn)機(jī)需要做到個(gè)性化，以便于適應(yīng)各煤礦開采條件和工作環(huán)境；要做到智慧化，確保其具備自主運(yùn)行控制和移動(dòng)作業(yè)能力，將云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)、5G 傳輸、人工智能、數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于煤礦掘進(jìn)機(jī)；要做到標(biāo)準(zhǔn)化，未來煤礦掘進(jìn)機(jī)要進(jìn)行平臺(tái)化、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化接口和通信協(xié)議，提高維護(hù)和換件的便捷性。只有更加智能、高效、便捷，掘進(jìn)機(jī)才能在未來的煤礦掘進(jìn)機(jī)市場領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)勢。