井下作業(yè)面綜采設(shè)備高精度激光跟蹤定位系統(tǒng)的應(yīng)用

楊道華

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)錦瑞煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000）

錦瑞煤業(yè)井下綜采面煤層平均厚度為6.2 m，煤層的平均傾斜角為4.1°，所使用的采煤方法為長壁綜合機(jī)械化一次采全高工藝，采煤機(jī)為MG900/2210-WD 型，液壓支架為ZY12000/28/63D型、SGZ1250/3000 型。在綜采面上已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了“以綜采面自動(dòng)控制為主、監(jiān)控中心遠(yuǎn)程干預(yù)為輔”的井下作業(yè)面自動(dòng)化作業(yè)模式。目前“三機(jī)”之間的位置關(guān)系主要是通過編碼器或者紅外定位裝置確定，定位精度較低。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，優(yōu)化前“三機(jī)”之間的定位精度僅±0.14 m，因定位不準(zhǔn)而導(dǎo)致的“三機(jī)”運(yùn)行平均異常數(shù)量達(dá)到了2.2 次/d，給綜采面的正常作業(yè)帶來了嚴(yán)重影響。

項(xiàng)目組提出了一種以激光定位為核心的自動(dòng)化跟蹤定位系統(tǒng)，將發(fā)射/接收裝置固定在“三機(jī)”上，實(shí)現(xiàn)了快速精確定位。錦瑞煤業(yè)在項(xiàng)目開展過程中重點(diǎn)解決了不同設(shè)備位置坐標(biāo)統(tǒng)一問題、激光定位系統(tǒng)在“三機(jī)”上布局方式等。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用分析，該定位系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)定位，解決了傳統(tǒng)定位模式精度低、可靠性差的問題。

1 激光跟蹤定位系統(tǒng)架構(gòu)

基于采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行模式，錦瑞煤業(yè)所提出的井下高精度激光跟蹤定位系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1[1]。

該高精度激光跟蹤定位系統(tǒng)主要包括了三個(gè)部分：第一部分是絕對坐標(biāo)系的建立，用于統(tǒng)一地面、井下巷道和作業(yè)面處的坐標(biāo)信息，保證不同設(shè)備在不同位置處坐標(biāo)信息的統(tǒng)一性。該部分是保證系統(tǒng)定位精度的基礎(chǔ)。第二部分是激光跟蹤定位系統(tǒng)，該部分主要是激光定位、數(shù)據(jù)信息傳遞部分，用于對采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的位置進(jìn)行監(jiān)測和判斷，為系統(tǒng)的調(diào)整提供數(shù)據(jù)。第三部分是系統(tǒng)應(yīng)用，主要是獲取監(jiān)測信息后對采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的相對位姿進(jìn)行判斷并發(fā)出調(diào)控指令。

2 井下定位系統(tǒng)絕對坐標(biāo)系建立

煤礦井下巷道埋深較大，難以使用衛(wèi)星導(dǎo)航定位，導(dǎo)致井下坐標(biāo)系難以確定。而且作業(yè)面上各設(shè)備的位置是隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行不斷變動(dòng)，缺乏相對固定的定位基準(zhǔn)，難以進(jìn)行精確定位[2]。因此必須建立統(tǒng)一的絕對定位坐標(biāo)系，保證在井下動(dòng)態(tài)作業(yè)過程中位置坐標(biāo)的統(tǒng)一性。

為了保證位置坐標(biāo)的精確性，將作業(yè)面的絕對坐標(biāo)傳遞分為三個(gè)過程：把作業(yè)面尾部回撤巷道端部預(yù)設(shè)一個(gè)固定點(diǎn)，作為系統(tǒng)的絕對坐標(biāo)系，以該處為起始點(diǎn)，在上下順槽位置對預(yù)設(shè)的頂板控制點(diǎn)進(jìn)行加密；然后系統(tǒng)通過激光跟蹤模式自動(dòng)搜索靠近作業(yè)面位置的頂板控制點(diǎn)并將坐標(biāo)傳遞到作業(yè)面上；最后當(dāng)激光跟蹤系統(tǒng)隨著支架發(fā)生位置變動(dòng)后，系統(tǒng)自動(dòng)完成基準(zhǔn)重構(gòu)。

綜采面上激光跟蹤實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)絕對坐標(biāo)傳遞過程如圖2。圖中P 點(diǎn)表示錦瑞煤業(yè)的地理坐標(biāo)基準(zhǔn)點(diǎn)，M 表示礦區(qū)的近井點(diǎn)，O 表示作業(yè)面的絕對坐標(biāo)系，Z 軸朝向天頂方向，Y 軸和作業(yè)面的推進(jìn)方向平行。

圖2 作業(yè)面絕對坐標(biāo)傳遞示意圖

為了保證系統(tǒng)應(yīng)用的精確性，地質(zhì)測繪組先根據(jù)P 點(diǎn)位置的坐標(biāo)和方位來確定M 點(diǎn)的坐標(biāo)及方位，然后通過AB 段進(jìn)行地面和井下的測量連續(xù)，將地面上的位置坐標(biāo)傳遞到井下，最后再經(jīng)過B-O點(diǎn)來進(jìn)行井下巷道支導(dǎo)線的測量。將激光實(shí)時(shí)跟蹤定位系統(tǒng)設(shè)置在回撤通道的O 點(diǎn)，將其作為工作面的絕對坐標(biāo)系，然后計(jì)算出該位置的笛卡爾坐標(biāo)值和方位角，作為系統(tǒng)的坐標(biāo)基準(zhǔn)。

3 激光跟蹤定位系統(tǒng)應(yīng)用

3.1 激光跟蹤定位系統(tǒng)布置方案

激光跟蹤定位系統(tǒng)在作業(yè)面上的實(shí)時(shí)定位跟蹤方案如圖3。

圖3 作業(yè)面激光跟蹤實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)

在作業(yè)面上共布置了5 個(gè)激光跟蹤器，激光跟蹤器的型號為Leica AT901-B 型[3]，每個(gè)激光跟蹤器之間的間隔為200 m。在順槽頂板的位置設(shè)置BK7 型角錐棱鏡，設(shè)置位置位于上順槽和下順槽的頂板控制點(diǎn)處。當(dāng)系統(tǒng)開始工作時(shí)，位于巷道兩端的激光跟蹤器開始搜索和測量已知坐標(biāo)的頂板控制點(diǎn)，并通過三角法來確定自身測量基準(zhǔn)位置的絕對坐標(biāo)，然后激光跟蹤器旋轉(zhuǎn)一定的角度搜索和他鄰近的激光跟蹤器信號并進(jìn)行絕對坐標(biāo)的傳遞，從而完成由順槽頂板控制點(diǎn)到作業(yè)面上各設(shè)備絕對坐標(biāo)點(diǎn)的精確傳遞。

3.2 激光跟蹤定位工作流程

井下綜采設(shè)備激光跟蹤定位系統(tǒng)采用了非接觸式動(dòng)態(tài)激光定位方法，其整體結(jié)構(gòu)如圖4[4]。

圖4 激光跟蹤定位系統(tǒng)監(jiān)測裝置布置圖

整個(gè)激光跟蹤定位系統(tǒng)的運(yùn)行都是以絕對坐標(biāo)系為基礎(chǔ)，各個(gè)激光定位器的布置結(jié)構(gòu)如圖4，采煤機(jī)在運(yùn)行到不同區(qū)間時(shí)由不同區(qū)間內(nèi)的激光定位器跟蹤定位。位移作業(yè)面端部的激光定位器先對準(zhǔn)頂板控制點(diǎn)上的角棱鏡，獲取到綜采面端部激光定位器的絕對位置坐標(biāo)，依次遞推獲取到采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)在系統(tǒng)中的絕對坐標(biāo)位置。

在工作過程中采煤機(jī)按照一定的速度進(jìn)給，此時(shí)由距離采煤機(jī)最近的激光跟蹤器向著采煤機(jī)上的激光反射器發(fā)射激光束，對采煤機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤定位并獲取采煤機(jī)的絕對位置坐標(biāo)。該布置方案的優(yōu)點(diǎn)在于當(dāng)任何一個(gè)激光跟蹤器因?yàn)橐萍芏鴮?dǎo)致位置改變后，能夠快速地搜索到相鄰區(qū)域的激光跟蹤器，獲取到新的絕對位置坐標(biāo)，保證了在動(dòng)態(tài)調(diào)整過程中位置監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

3.3 激光跟蹤器設(shè)置

整個(gè)激光定位系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)在于各激光跟蹤器能否正常地接收激光位置信號。為了滿足在整個(gè)截割作業(yè)過程中動(dòng)態(tài)定位的需求，對系統(tǒng)中激光跟蹤器的設(shè)置位置和數(shù)量進(jìn)行了嚴(yán)格的分析和論證，最終確定了系統(tǒng)中各激光跟蹤器的安裝位置，結(jié)果如圖5[5]。

圖5 激光跟蹤器安裝位置示意圖

由圖5 可知，將綜采面激光跟蹤器設(shè)置在液壓支架頂梁的下側(cè)，通過一個(gè)連接座保持激光器的水平狀態(tài)，在采煤機(jī)的上側(cè)設(shè)置一個(gè)角錐棱鏡，激光跟蹤器向角錐棱鏡發(fā)出光束[6]，經(jīng)過反射后再進(jìn)入到綜采面上的激光跟蹤器，通過對目標(biāo)光斑位置的監(jiān)測即可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤定位。

當(dāng)采煤機(jī)在工作過程中，隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行，在對應(yīng)位置區(qū)段內(nèi)由該區(qū)段內(nèi)的激光跟蹤器進(jìn)行連續(xù)跟蹤定位，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤，當(dāng)進(jìn)入到下一個(gè)區(qū)間后，由下一個(gè)激光跟蹤器接替跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)對綜采面上各設(shè)備運(yùn)行過程位置的精確監(jiān)測。

4 應(yīng)用分析

1）激光穿透力好，能夠更好地適應(yīng)井下高塵、高濕的作業(yè)環(huán)境。自應(yīng)用以來，未出現(xiàn)過因井下作業(yè)環(huán)境惡劣而導(dǎo)致的定位系統(tǒng)故障現(xiàn)象。

2）該定位系統(tǒng)能夠自動(dòng)進(jìn)行井下位置坐標(biāo)修正和定位，無需人工干預(yù)，實(shí)現(xiàn)了定位坐標(biāo)快速修正和定位基準(zhǔn)的快速調(diào)整。

3）該定位系統(tǒng)能夠?qū)⒃O(shè)備間的定位精度由±0.14 m 降低到目前的±0.03 m，定位誤差量降低了78.6%。因設(shè)備定位誤差原因?qū)е碌墓收蠑?shù)量由2.2 次/d 降低到了目前的0.3 次/d，故障數(shù)量降低了86.4%。該定位系統(tǒng)完全能夠滿足井下設(shè)備間聯(lián)合運(yùn)行控制的需求，為實(shí)現(xiàn)井下無人化綜采控制奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)語

錦瑞煤業(yè)首次采用激光跟蹤技術(shù)，搭建了井下激光跟蹤定位坐標(biāo)系體系和跟蹤定位系統(tǒng)，提高了采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中的定位精度和可靠性，減少了運(yùn)行過程中的故障，有效地提升了井下作業(yè)面自動(dòng)化綜采作業(yè)的效率和安全性，對其他采用聯(lián)動(dòng)綜采技術(shù)的同類型煤礦具有較大的參考價(jià)值。