鐵新煤礦智能掘進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)方案分析

杜偉

（山西保利鐵新煤業(yè)有限公司，山西 晉中 031302）

在煤礦井下綜采作業(yè)工作中，巷道掘進(jìn)是非常重要的環(huán)節(jié)，該項(xiàng)工作通常又可細(xì)分為截割、支護(hù)、運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)方面，巷道掘進(jìn)各個(gè)環(huán)節(jié)的高效配合是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)效率和質(zhì)量提升的關(guān)鍵途徑。鐵新煤礦2301 材料巷掘進(jìn)工作面，由于缺乏統(tǒng)一的安排和精準(zhǔn)的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，導(dǎo)致實(shí)際工作過(guò)程中各個(gè)工序銜接相對(duì)較為混亂，對(duì)巷道掘進(jìn)效率及安全性的影響也比較大。為有效解決此類(lèi)問(wèn)題，鐵新煤礦決定應(yīng)用智能掘進(jìn)系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)做進(jìn)一步分析探究。

1 概 況

鐵新煤礦2301 材料巷掘進(jìn)工作面位于井下2號(hào)煤層三采區(qū)，北部距井田邊界188 m，緊鄰南續(xù)煤礦；西部為2301 運(yùn)輸巷；南部為2 煤三采區(qū)回風(fēng)巷、運(yùn)輸巷、軌道巷；東部距補(bǔ)2 鉆孔25 m。2301 材料巷工作面+555 水平，地面標(biāo)高+872.5—+1 020.0 m，井下標(biāo)高+552—+625 m，設(shè)計(jì)施工長(zhǎng)度1 761 m，沿2 號(hào)煤頂板進(jìn)行掘進(jìn)。2301 材料巷煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Coal seam roof and floor situation

2301 材料巷斷面形狀為矩形，掘進(jìn)寬度4.8 m，高2.3 m，斷面積11.04 m2；巷道凈寬4.6 m，凈高2.2 m，凈斷面積10.12 m2，巷道布置如圖1所示。

圖1 2301 巷道布置關(guān)系Fig.1 Layout relationship of the 2301 roadway

2 原有施工方法及其問(wèn)題

原2301 材料巷掘進(jìn)工作面巷道掘進(jìn)采用EBZ-160（II）型懸臂式掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)、裝煤矸配合帶式輸送機(jī)出矸的方法施工。工藝流程為交接班—安全檢查、敲幫問(wèn)頂—施工準(zhǔn)備（準(zhǔn)備支護(hù)設(shè)備和材料、檢修設(shè)備、延皮帶、校核激光等）—掘進(jìn)、運(yùn)煤、灑水降塵—安全檢查、敲幫問(wèn)頂—臨時(shí)支護(hù)—永久支護(hù)—質(zhì)量驗(yàn)收。

此掘進(jìn)形式存在以下問(wèn)題：①整體工藝配套方面，掘、支、運(yùn)、輔不平衡，制約了掘進(jìn)效率的提高；②掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化、智能化水平低，掘進(jìn)機(jī)不能遠(yuǎn)程遙控作業(yè)，難以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面迎頭的少人化和無(wú)人化，并且無(wú)自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)根據(jù)激光指向儀打在工作面煤壁上的光點(diǎn)憑感覺(jué)截割斷面，巷道成型差；③采用氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)錨護(hù)，勞動(dòng)量大、錨護(hù)效率低，且在空頂區(qū)下作業(yè)，危險(xiǎn)系數(shù)高；④帶式輸送未實(shí)現(xiàn)機(jī)尾自移和張緊力自動(dòng)控制；⑤各設(shè)備系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)，未實(shí)現(xiàn)集中協(xié)同控制，各設(shè)備均需單獨(dú)配備操作人員。

針對(duì)這些問(wèn)題以及鐵新煤礦對(duì)智能掘進(jìn)的需求，同時(shí)結(jié)合2301 材料巷掘進(jìn)工作面煤層巖性、地質(zhì)條件以及巷道斷面設(shè)計(jì)參數(shù)等，設(shè)計(jì)一套智能化掘進(jìn)工作面建設(shè)方案，提高生產(chǎn)效率。

3 智能掘進(jìn)系統(tǒng)建設(shè)方案

3.1 工藝裝備配套

2301 材料巷為回采巷道，故掘進(jìn)設(shè)備需適應(yīng)于煤巷掘進(jìn)。2301 材料巷斷面形狀為矩形，巷道凈寬4.6 m，而掘支交替作業(yè)工藝要求巷道凈斷面寬度5.0 m 以上（懸臂式掘進(jìn)機(jī)鏟板最小寬度3.0 m、液壓錨桿鉆車(chē)最小寬度1.3 m、懸臂式掘進(jìn)機(jī)和液壓錨桿鉆車(chē)行進(jìn)及錯(cuò)車(chē)安全距離最小為0.7 m），故不宜采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)+液壓錨桿鉆車(chē)配套方式；橫軸式掘錨一體化設(shè)備適用于矩形大斷面煤巷掘進(jìn)，2301 巷道高度較低，為2.2 m，故不宜采用橫軸式掘錨一化設(shè)備。

為適應(yīng)鐵新煤礦2301 材料巷中等穩(wěn)定頂板、巷道高度2.2 m、寬度4.6 m、矩形斷面形狀及類(lèi)似條件煤層巷道掘進(jìn)需求，結(jié)合該礦掘進(jìn)月單進(jìn)目標(biāo)和國(guó)內(nèi)外掘進(jìn)裝備制造情況，確定裝備配套方式為懸臂式掘進(jìn)機(jī)+錨桿鉆機(jī)+帶式轉(zhuǎn)載機(jī)+可伸縮帶式輸送機(jī)+邁步式自移機(jī)尾+除塵系統(tǒng)+集控中心等，如圖2 所示。

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，懸臂式掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置完成截割煤（巖）、迎頭臨時(shí)防護(hù)，通過(guò)錨桿鉆機(jī)完成一次永久支護(hù)，物料轉(zhuǎn)運(yùn)至帶式轉(zhuǎn)載機(jī)（二運(yùn)），再通過(guò)帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，轉(zhuǎn)運(yùn)至可伸縮帶式輸送機(jī)，除塵風(fēng)機(jī)在掘進(jìn)機(jī)割煤作業(yè)時(shí)進(jìn)行除塵工作。集控中心放置在巷道開(kāi)口附近，對(duì)工作面掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中可視監(jiān)測(cè)與協(xié)同控制。

3.2 智能掘進(jìn)系統(tǒng)

結(jié)合鐵新煤礦2301 材料巷實(shí)際情況，此次選擇EBZ-200 型掘進(jìn)機(jī)，該設(shè)備由截割部、鏟板部、一運(yùn)、行走部、臨時(shí)支護(hù)裝置、液壓系統(tǒng)、噴霧及冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成，除具有割、裝、運(yùn)等基礎(chǔ)機(jī)械化功能外，還具有自動(dòng)化、智能化功能，配套有掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，該掘進(jìn)設(shè)備的控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。

圖3 掘進(jìn)設(shè)備控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Module structure of tunneling equipment control system

根據(jù)這些控制系統(tǒng)模塊，EBZ-200 型懸臂式掘進(jìn)機(jī)具備自動(dòng)截割、遠(yuǎn)程操控和危險(xiǎn)區(qū)域人員接近識(shí)別與報(bào)警等功能。

（1）自動(dòng)截割。自動(dòng)截割控制系統(tǒng)可實(shí)時(shí)接收油缸內(nèi)置傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)截割臂進(jìn)行控制，完成拱形、梯形、矩形等多種形狀的斷面自動(dòng)截割，實(shí)現(xiàn)懸臂式掘進(jìn)機(jī)按已規(guī)劃好的截割軌跡自動(dòng)截割成巷。

（2）遠(yuǎn)程可視化視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)在掘進(jìn)機(jī)上安裝的攝像頭、傳輸站等相關(guān)設(shè)備，將掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)的音頻以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)利用有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至掘進(jìn)機(jī)后方的遠(yuǎn)程操作臺(tái)，再通過(guò)環(huán)網(wǎng)全部傳輸至地面調(diào)度室，實(shí)現(xiàn)全方位的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

（3）自動(dòng)定位和導(dǎo)向系統(tǒng)。自主導(dǎo)航系統(tǒng)采用組合導(dǎo)航方式，包括慣性導(dǎo)航和全站儀，以實(shí)現(xiàn)機(jī)身的定位和定向。自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括巷道坐標(biāo)系下機(jī)身6 個(gè)自由度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括機(jī)身相對(duì)于巷道軸線的水平偏移、高度差、前進(jìn)距離，以及機(jī)身的橫滾角、俯仰角和偏航角，使機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)自主行走和自主截割操作。掘進(jìn)系統(tǒng)中自主導(dǎo)航系統(tǒng)界面如圖4 所示。

圖4 自主導(dǎo)航系統(tǒng)顯示界面圖Fig.4 Display interface of autonomous navigation system

為實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的精準(zhǔn)定位，采用基于捷聯(lián)導(dǎo)航的定位模式，對(duì)掘進(jìn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進(jìn)行定位。在此次智能掘進(jìn)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊全部設(shè)計(jì)完成后，將其應(yīng)用于日常開(kāi)采環(huán)節(jié)中，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試，采用的定位原理如圖5 所示。

圖5 定位原理Fig.5 Positioning principle

該定位技術(shù)模式下，操作按以下方式執(zhí)行：①角速度和加速度數(shù)據(jù)采集，使用陀螺儀來(lái)獲取角速度信息，使用加速度計(jì)來(lái)測(cè)量加速度；②姿態(tài)估算，利用角速度數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算姿態(tài)矩陣，這個(gè)矩陣描述了載體的朝向，從姿態(tài)矩陣中推導(dǎo)出姿態(tài)角，使用姿態(tài)矩陣來(lái)處理加速度數(shù)據(jù)，將它們從載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系；③重力分量濾除，通過(guò)濾除加速度數(shù)據(jù)中的重力分量，得出機(jī)車(chē)的速度和位置信息。

結(jié)合定位系統(tǒng)檢測(cè)到的機(jī)身姿態(tài)及機(jī)身相對(duì)于巷道的位置信息，根據(jù)巷道設(shè)計(jì)中線，計(jì)算航向角及偏差距離，對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)和航向進(jìn)行自動(dòng)糾偏控制。

（4）工況在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。應(yīng)用傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，采用流量傳感器、油箱油溫、液位傳感器、電壓及電流傳感器、電機(jī)溫度傳感器、電機(jī)漏電傳感器、油路壓力傳感器、甲烷傳感器等裝置，實(shí)時(shí)采集工況信息，并將數(shù)據(jù)上傳至機(jī)載顯示器及遠(yuǎn)程集控中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備工況在線監(jiān)測(cè)。同時(shí)，根據(jù)這些信息可以進(jìn)行工況分析及故障診斷，顯示故障來(lái)源、類(lèi)型、原因等信息，為操作人員遠(yuǎn)程操作提供重要的決策依據(jù)。如圖6 所示。

圖6 工況在線監(jiān)控系統(tǒng)顯示界面Fig.6 Display interface of working condition online monitoring system

（5）人員接近預(yù)警系統(tǒng)。

基于UWB 測(cè)距方法的人員定位，重新設(shè)計(jì)了人員防入侵分系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)檢測(cè)設(shè)備與設(shè)備以及設(shè)備與人員之間的位置。通過(guò)在懸臂式掘進(jìn)機(jī)安裝定位基站，人員佩戴定位卡，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備周?chē)娜藛T精確定位，結(jié)合人員紅外防入侵技術(shù)，能夠提供安全預(yù)警和停機(jī)保護(hù)功能，應(yīng)對(duì)未佩戴標(biāo)識(shí)卡的人員進(jìn)入工作面的情況。系統(tǒng)具備廣泛的報(bào)警范圍，最大可達(dá)100 m，支持設(shè)備聲光報(bào)警、標(biāo)識(shí)卡聲音報(bào)警和震動(dòng)報(bào)警。此外，標(biāo)識(shí)卡可以進(jìn)行分類(lèi)管理，允許設(shè)置特殊權(quán)限，比如在危險(xiǎn)區(qū)域內(nèi)駕駛員可以免于報(bào)警。

3.3 智能連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)

鐵新煤礦礦井主斜井主提升運(yùn)輸系統(tǒng)選用DTL100/28/ 2×355S 型1 m 強(qiáng)力皮帶，提升斜長(zhǎng)850 m，提升傾角20°，輸送機(jī)運(yùn)輸能力280 t/h，目前已可以實(shí)現(xiàn)井下主運(yùn)輸系統(tǒng)集控。輔助提升系統(tǒng)選用副斜井雙鉤串車(chē)提升系統(tǒng)，絞車(chē)型號(hào)為2JK-3×1.8A，副斜井全長(zhǎng)760 m，傾角24°，擔(dān)負(fù)全礦的輔助運(yùn)輸任務(wù)。副斜井安有一部RJKY55-32/1800 型架空乘人裝置，北翼架空人車(chē)巷與 2 煤三采區(qū)輔助運(yùn)輸巷分別安裝RJKY55-32/1500 型架空乘人裝置用于運(yùn)送人員。3部架空乘人裝置實(shí)現(xiàn)地面集控，井下自動(dòng)啟停功能，斜巷與運(yùn)輸設(shè)備實(shí)現(xiàn)閉鎖保護(hù)功能。井下大巷采掘順槽均安裝SQ 系列無(wú)極繩絞車(chē)輔助運(yùn)輸。

2301 材料巷安裝DZQ80/30/15 帶式轉(zhuǎn)載機(jī)，并新配置一套DWZY800/1200 型掘進(jìn)工作面用邁步式帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾。自移機(jī)尾最前端導(dǎo)軌上分別為智能組合開(kāi)關(guān)平臺(tái)、電纜架平臺(tái)等，機(jī)尾布置1 個(gè)滾筒座。自移機(jī)尾具有防退滑自鎖功能，且便于隨自移機(jī)尾移動(dòng)靈活操作。自移機(jī)尾具備滑靴抬高、皮帶找平、機(jī)尾調(diào)偏功能等基本功能。自移機(jī)尾系統(tǒng)具有集中對(duì)外傳輸?shù)慕y(tǒng)一接口，各主要參數(shù)及傳感器參數(shù)均具有實(shí)時(shí)上傳功能，具備遠(yuǎn)控功能，通信鏈路采用有線和無(wú)線冗余配置方式。自移機(jī)尾的電控系統(tǒng)應(yīng)用開(kāi)放通信協(xié)議和接口協(xié)議，可以接入礦方智能掘進(jìn)集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自移機(jī)尾的遠(yuǎn)程集控。

3.4 智能輔助生產(chǎn)系統(tǒng)

2301 材料巷采用壓入式通風(fēng)，選用2 臺(tái)FBDNo6.0/2×22 型局部通風(fēng)機(jī)，通過(guò)風(fēng)筒將新鮮風(fēng)流送入掘進(jìn)工作面，實(shí)行“雙風(fēng)機(jī)、雙電源、自動(dòng)切換”的運(yùn)行模式。2 臺(tái)通風(fēng)機(jī)采用交叉耦合控制模式，確保其始終處于平穩(wěn)高效的運(yùn)行工況下，控制模式原理如圖7 所示。

圖7 交叉耦合控制模式原理Fig.7 Principle of cross-coupling control mode

當(dāng)控制2 臺(tái)通風(fēng)機(jī)的電機(jī)分別以w1 和w2 的轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，控制器將通過(guò)傳感器設(shè)備讀取2 臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)速差，而后根據(jù)轉(zhuǎn)速差，為2 臺(tái)電機(jī)分別指定反饋調(diào)節(jié)系數(shù)K1 和K2，實(shí)現(xiàn)雙電機(jī)的協(xié)調(diào)控制。通過(guò)試湊法對(duì)整定耦合系數(shù)進(jìn)行確定，確定鐵新煤礦整定耦合系數(shù)為140，兼顧系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性?xún)煞矫娴男枰?/p>

鐵新煤礦2301 材料巷粉塵濃度不算高，且采用半煤巖巷掘進(jìn)模式，因此選用KCS-500D 型礦用濕式除塵器，安裝于皮帶機(jī)自移機(jī)尾上，與自移機(jī)尾和智能化掘進(jìn)機(jī)配套使用。

3.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞酵瓿蓪?duì)掘進(jìn)機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及掘進(jìn)迎頭環(huán)境狀況的視頻監(jiān)控。通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳送工作面圖像，操作人員根據(jù)頂?shù)装迩闆r、掘進(jìn)機(jī)截割情況、各設(shè)備狀態(tài)等信息，必要時(shí)對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程干預(yù)。此次設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻攝像儀、視頻顯示器、工業(yè)以太網(wǎng)等設(shè)備組成，可在集控中心中心對(duì)工作面的視頻實(shí)時(shí)顯示，為工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程控制提供依據(jù)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)分前端攝像部分、傳輸部分和顯示終端。

（1）前端攝像部分主要包括礦用本安型攝像儀（中低速/高速）、礦用本安型紅外球型云臺(tái)攝像儀、配套電源。

（2）傳輸部分。攝像儀的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)視器顯示。

（3）顯示終端。集控中心配備的礦用本質(zhì)安全型顯示器可以作為視頻監(jiān)控的顯示終端，配合專(zhuān)用的軟件可以實(shí)現(xiàn)視頻顯示，實(shí)時(shí)接收視頻攝像儀發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上的視頻數(shù)據(jù)流，動(dòng)態(tài)解碼、實(shí)時(shí)顯示，可以同時(shí)顯示多路視頻信息。

懸臂式掘進(jìn)機(jī)電控箱給機(jī)載視頻控制箱供電，視頻控制箱給攝像頭供電，同時(shí)對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行采集處理，為數(shù)據(jù)終端提供數(shù)據(jù)接口，并實(shí)現(xiàn)所有視頻數(shù)據(jù)的就地存儲(chǔ)，視頻地面存儲(chǔ)時(shí)間不低于30 d。2301 材料巷配置的存儲(chǔ)硬盤(pán)至少可實(shí)現(xiàn)80 h 的視頻存儲(chǔ)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求可配置容量更大的硬盤(pán)。

4 結(jié)論

（1）在此次智能掘進(jìn)系統(tǒng)各個(gè)功能模塊全部設(shè)計(jì)完成后，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行測(cè)試。整體來(lái)看，系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)水平、系統(tǒng)設(shè)備智能分析能力以及遠(yuǎn)程集控平臺(tái)性能都達(dá)到了預(yù)期的水平，應(yīng)用效果良好，解決了鐵新煤礦采掘失衡、掘進(jìn)效率較低的問(wèn)題，提高了智能化程度。

（2）在當(dāng)前煤礦生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步拓展的大背景下，煤礦智能化掘進(jìn)系統(tǒng)的應(yīng)用已是大勢(shì)所趨。通過(guò)應(yīng)用煤礦智能化快速掘進(jìn)系統(tǒng)，其作業(yè)精度、掘進(jìn)量等方面將得到進(jìn)一步的優(yōu)化與突破。