礦井智能化高效掘進(jìn)技術(shù)研究

杜向陽(yáng)

（潞安化工集團(tuán)常村煤礦，山西長(zhǎng)治 046000）

當(dāng)前，在綜掘工作面上，以掘錨一體機(jī)、二運(yùn)轉(zhuǎn)載機(jī)和膠帶輸送機(jī)為主，但是，因?yàn)闆](méi)有一個(gè)統(tǒng)一的控制體系，使得各個(gè)設(shè)備都是在手動(dòng)的控制下進(jìn)行著各自的工作，因此，常常會(huì)發(fā)生因?yàn)橥讲煌蕉斐傻囊恍┰O(shè)備停工待機(jī)的情況，這不但會(huì)影響到綜掘工作的正常進(jìn)行，還會(huì)大大降低綜掘工作的效率。

針對(duì)當(dāng)前綜掘工作面的現(xiàn)狀，我國(guó)多家煤礦公司開(kāi)展了綜掘工作臺(tái)綜合控制的研究，相繼研發(fā)了綜掘工作面的智能化—人—機(jī)協(xié)調(diào)控制、智能化—無(wú)人綜掘等智能化控制，但這些控制都是局部小范圍的協(xié)調(diào)控制，很難在整體工作過(guò)程中形成全流程的整體控制[1]。為此，在深入剖析多個(gè)裝備協(xié)調(diào)工作過(guò)程的前提下，本課題擬構(gòu)建一套新型的綜掘工作臺(tái)智能調(diào)控體系，利用遙控集中控制技術(shù)，對(duì)各個(gè)裝備的工作狀況進(jìn)行綜合，并結(jié)合“人—機(jī)—鏈”的協(xié)調(diào)工作機(jī)制，形成一套全新的綜掘工作臺(tái)智能調(diào)控體系[2]。

1 掘、運(yùn)、支一體化智能控制系統(tǒng)

本課題提出的掘、運(yùn)、支一體化控制系統(tǒng)，根據(jù)礦井下綜掘面的具體需要，能夠?qū)ΦV井下的地下環(huán)境進(jìn)行智能感知，對(duì)掘—運(yùn)—支裝置進(jìn)行智能控制，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行自動(dòng)巡檢，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警，其總體架構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 掘、運(yùn)、支一體化智能控制系統(tǒng)

從圖1可以看出，邊緣感知層是其“眼睛”，其作用是對(duì)巷道內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并建立巷道內(nèi)的地質(zhì)狀況分布模型，為巷道施工提供技術(shù)支撐。平臺(tái)決策層作為“大腦”，其作用是對(duì)各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、判定，為掘進(jìn)機(jī)的智能掘進(jìn)、設(shè)備的自動(dòng)支護(hù)等提供決策依據(jù)，以確保礦井下掘進(jìn)面上設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)[3]。裝備執(zhí)行層作為其“四肢”，其作用是接收決策層的決策信息，并對(duì)其進(jìn)行有效的操作，從而達(dá)到多裝備協(xié)調(diào)操作，提升礦井下巷道施工的高效與穩(wěn)定。遠(yuǎn)程運(yùn)維層是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的“保姆”，它的作用是利用大數(shù)據(jù)的處理能力，對(duì)每一臺(tái)設(shè)備的工作狀況做出判斷，并給出整個(gè)生命周期的分析結(jié)果，從而保證設(shè)備的安全、可靠地工作。

在工作的時(shí)候，這個(gè)智能控制系統(tǒng)中，先要由邊緣感知層來(lái)對(duì)掘進(jìn)地區(qū)的地質(zhì)狀況展開(kāi)分析和總結(jié)，再將地質(zhì)狀況信息傳送到?jīng)Q策層，與此同時(shí)，設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況感應(yīng)系統(tǒng)也將各個(gè)綜掘設(shè)備的操作參數(shù)信息傳送到了平臺(tái)的決策層，系統(tǒng)利用決策邏輯方法來(lái)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的總體運(yùn)作情況做出決定，之后將決策結(jié)果傳送到了設(shè)備執(zhí)行層，從而對(duì)綜掘面的對(duì)應(yīng)設(shè)備進(jìn)行智能截割、智能支護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等操作[4]。此外，在該系統(tǒng)中還設(shè)立了一個(gè)遠(yuǎn)程運(yùn)維層，它的作用就是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)狀況展開(kāi)實(shí)時(shí)監(jiān)控，如果在設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)條件發(fā)生了什么變化，就會(huì)立即發(fā)出警報(bào)，并對(duì)其故障位置進(jìn)行準(zhǔn)確的定位，這樣就可以讓監(jiān)控人員在最短的時(shí)間之內(nèi)對(duì)其進(jìn)行處置，從而降低由于裝置的停機(jī)維修而造成的對(duì)綜掘面掘進(jìn)造成的沖擊，從而提高了裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性以及掘進(jìn)效率。

2 井下超前探測(cè)方案

該技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)井下圍巖的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)與分析，它可以迅速地獲得在掘進(jìn)工作面的前端有無(wú)隱藏的異常的地質(zhì)狀況，從而可以有效地處理由于小斷層、陷落柱、煤巖厚度變化等地質(zhì)狀況的變化所引起的生產(chǎn)事故；同時(shí)還可以迅速地對(duì)井下圍巖的硬度分布情況進(jìn)行分析，從而為掘進(jìn)機(jī)的連續(xù)智能截割和支護(hù)裝置的實(shí)時(shí)調(diào)整提供條件，提高了支護(hù)的穩(wěn)定性和可靠性[5]。

當(dāng)前，在煤礦井下超前探測(cè)中，最常見(jiàn)的有鉆探和物探兩種技術(shù)。目前，鉆探技術(shù)主要采用鉆孔采集巖樣，并對(duì)巖樣進(jìn)行檢測(cè)，其檢測(cè)精度較高，但檢測(cè)速度較慢，無(wú)法適應(yīng)高速鉆井的需要。物探技術(shù)多采用瞬變電磁法、直流電法等，可迅速檢測(cè)出圍巖狀況，但其檢測(cè)準(zhǔn)確度仍有不足，無(wú)法滿足安全施工要求。為此，本課題提出了“物探與鉆探”聯(lián)合的技術(shù)思路，即采用物探對(duì)巷道掘進(jìn)時(shí)的大范圍進(jìn)行勘察，對(duì)于疑似部位則采用小范圍的鉆探迅速勘察，滿足巷道掘進(jìn)時(shí)對(duì)圍巖狀況的快速感知要求，實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)快速性與可靠性的統(tǒng)一。

3 自動(dòng)掘進(jìn)控制系統(tǒng)

潞安化工集團(tuán)某煤礦目前采用的EBZ-220型掘進(jìn)機(jī)，經(jīng)過(guò)對(duì)其進(jìn)行智能改造和提升，已使其完全實(shí)現(xiàn)巷道掘進(jìn)自動(dòng)化，已經(jīng)可以完成視距遙控和遠(yuǎn)程遙控的雙模式控制，可以自主決策、智能控制的懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它還擁有位姿測(cè)量、位姿補(bǔ)償、多參數(shù)感知、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障報(bào)警、遠(yuǎn)程遙控干預(yù)等功能，從而可以讓掘進(jìn)機(jī)高精度定向、位姿調(diào)整、自適應(yīng)截割，此控制系統(tǒng)的應(yīng)用界面見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)掘進(jìn)控制系統(tǒng)界面

在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于激光掃描與多傳感器信息融合相結(jié)合的姿態(tài)測(cè)量方法，以保證姿態(tài)測(cè)量精度和姿態(tài)補(bǔ)償精度。通過(guò)在掘進(jìn)機(jī)上加裝激光掃描器，獲得當(dāng)前巷道剖面的數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行坐標(biāo)變換、特征抽取，獲得巷道剖面的點(diǎn)姿坐標(biāo)值，再采用線擬合求出巷道兩側(cè)的剖面尺寸。根據(jù)所提取的兩個(gè)煤層表面信息，對(duì)煤層掘進(jìn)過(guò)程中的巷道剖面中心線進(jìn)行精確的位置運(yùn)算，根據(jù)所建立的三維有限元分析方法，對(duì)巷道剖面進(jìn)行三維重建，根據(jù)三維重建結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)程的三維重建[6]。在機(jī)體的后面，將參照點(diǎn)放入機(jī)體，可以得到機(jī)體與背面參照點(diǎn)的距離，進(jìn)而可以對(duì)截割頭的截面鉆進(jìn)距離及累積總掘進(jìn)距離進(jìn)行分析，最后對(duì)5個(gè)掘進(jìn)機(jī)位姿參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試，進(jìn)而可以對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)的巷道截面截割，其控制界面見(jiàn)圖3。

圖3 截割姿態(tài)控制界面

為確保截割系統(tǒng)的精確度，通過(guò)各種傳感器，利用計(jì)算機(jī)控制截割臂的旋轉(zhuǎn)和提升油缸，實(shí)現(xiàn)截割機(jī)截割器的自動(dòng)截割。對(duì)于普通矩形巷道，遙控中心的計(jì)算機(jī)通過(guò)輸入巷道的寬度和高度，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算出巷道的特征點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了巷道掘進(jìn)的工作軌跡的控制；如果遇到了梯形或者半圓拱形等不規(guī)則巷道截面，就可以將截面曲線模型輸入進(jìn)去，構(gòu)建出特征值點(diǎn)，從而確定截割頭的工作軌跡[7]。

采用全自動(dòng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，可以對(duì)掘進(jìn)機(jī)的擺動(dòng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。在對(duì)截割頭的總電阻進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)截割頭力矩與功率的關(guān)系，可以得到截割頭外部負(fù)載所需要的截割功率，進(jìn)而可以得到截割臂擺速、截割電動(dòng)機(jī)電流與煤巖硬度之間的聯(lián)系，確保了自動(dòng)截割操作的準(zhǔn)確性，其調(diào)節(jié)精度可以在30mm之內(nèi)。

4 遠(yuǎn)程集控方案

掘進(jìn)工作面環(huán)境惡劣、空間狹小、電磁干擾嚴(yán)重的條件下，如何保障信息傳輸?shù)目焖傩?、?zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種裝備運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，是本課題研究的重點(diǎn)。本控制系統(tǒng)為遠(yuǎn)程集控方式，其核心由多機(jī)協(xié)同控制、供配電及通信、設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)控及故障診斷和主動(dòng)安全保護(hù)4個(gè)部分組成。

4.1 多機(jī)協(xié)同控制

多機(jī)協(xié)作控制，是指從掘進(jìn)到煤炭運(yùn)輸?shù)恼w協(xié)作，以確保巷道施工的連貫性。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)巷道施工過(guò)程的全面梳理與優(yōu)化，提出了“超限處理”、“間隔報(bào)警”等集成調(diào)控技術(shù)，并在井下巷道施工過(guò)程中加裝了“自動(dòng)導(dǎo)引”、“距離測(cè)量”等功能，保證了“掘—錨—運(yùn)”一體化操作的精確性，達(dá)到“邊掘邊運(yùn)”的目的。

4.2 供配電及通信系統(tǒng)

在供配電及通信方面，主要使用了多回路組合開(kāi)關(guān)，從而達(dá)到對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電的集約化管控，防止單個(gè)供電模塊發(fā)生異常而造成整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，從而達(dá)到對(duì)設(shè)備運(yùn)行進(jìn)行集中的控制和管理的目的。本項(xiàng)目擬將5G技術(shù)應(yīng)用于巷道施工，并通過(guò)中繼與信號(hào)增強(qiáng)技術(shù)，克服巷道施工中存在的多源異質(zhì)信息相互影響，實(shí)現(xiàn)巷道施工中多源異質(zhì)信息的快速傳輸。在建設(shè)的過(guò)程中，要根據(jù)各地區(qū)的具體條件，采取差異化的通信方法，以保證通信的安全性和經(jīng)濟(jì)性。最后，利用“現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)+綜掘面WLAN+工業(yè)以太網(wǎng)”組成的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)通訊集控系統(tǒng)，一次訪問(wèn)并集中控制綜掘智能監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，具備良好的可擴(kuò)展性和高穩(wěn)定性。

4.3 設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷

設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測(cè)及故障診斷的最大目標(biāo)就是要對(duì)各個(gè)掘進(jìn)設(shè)備的運(yùn)行情況展開(kāi)集中監(jiān)控，在此過(guò)程中可以預(yù)先感知到設(shè)備的運(yùn)行異常，可以迅速地對(duì)其進(jìn)行定位和處理，從而減少由于設(shè)備故障而造成的停機(jī)事故。該系統(tǒng)使用了一個(gè)分布式的數(shù)據(jù)處理模塊，它可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控掘進(jìn)設(shè)備的核心工作參數(shù)，并對(duì)出現(xiàn)的故障和異常發(fā)出預(yù)警。此外，該系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)地產(chǎn)生一份設(shè)備的檢查報(bào)告，為設(shè)備的維修和保養(yǎng)工作提供技術(shù)支撐，從而有效地解決了傳統(tǒng)的維修工作沒(méi)有針對(duì)性、維修周期長(zhǎng)、費(fèi)用高的缺點(diǎn)。

4.4 主動(dòng)安全保護(hù)

“主動(dòng)式安全保護(hù)”是指將井下巷道施工區(qū)域按照安全級(jí)別進(jìn)行分區(qū)，利用紅外線熱像儀以及井下的主動(dòng)式定位技術(shù)，對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在施工人員處于危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，提示有關(guān)人員及時(shí)撤離，在施工人員違反規(guī)定進(jìn)入施工作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停機(jī)，防止造成施工人員傷亡，從而達(dá)到對(duì)施工人員進(jìn)行主動(dòng)式安全保護(hù)，提升巷道施工的安全性能。

5 應(yīng)用情況分析

潞安化工集團(tuán)某煤礦為放頂煤回采，以“孤島”開(kāi)采為主，礦井內(nèi)工作人數(shù)較多，開(kāi)采效果較差，目前掘進(jìn)進(jìn)尺只有4.7m/d，且掘進(jìn)工作面一般配備18 名工人。在使用了井下智慧掘進(jìn)控制系統(tǒng)之后，利用遠(yuǎn)程集控技術(shù)、人—機(jī)—環(huán)協(xié)作控制技術(shù)等進(jìn)行了全面地實(shí)施，對(duì)綜掘工作面多機(jī)協(xié)調(diào)操作進(jìn)行了優(yōu)化配置，將掘進(jìn)進(jìn)尺提高到了5.9m/d。同時(shí)，將該工作面人數(shù)減少到12人，降低了33.3%，在安全得到了明顯的提高的同時(shí)綜掘效率也大幅提高，因此，它的應(yīng)用和推廣價(jià)值非常高。

6 結(jié)論

（1）新的采掘—運(yùn)輸—支護(hù)一體化控制系統(tǒng)可對(duì)井下作業(yè)環(huán)境進(jìn)行智能感知，對(duì)采掘—運(yùn)輸—支護(hù)裝置進(jìn)行智能控制，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)及預(yù)警。

（2）通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的智能控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)截割精細(xì)化的調(diào)節(jié)，使其調(diào)節(jié)精度達(dá)到30mm 以下，達(dá)到了智能化截割的控制要求。

（3）本系統(tǒng)可提高井下巷道綜掘效率25.5%，減少綜掘工作面操作人數(shù)33.3%，對(duì)提高井下巷道掘進(jìn)效率和提高掘進(jìn)安全性起到了非常關(guān)鍵的作用。