礦用綜掘機(jī)升級(jí)改造分析及智能化控制技術(shù)研究

摘 要：為使己15-17-12130機(jī)巷實(shí)現(xiàn)安全高效掘進(jìn)，基于己15-17-12130機(jī)巷掘進(jìn)工程概況，采用一些智能化技術(shù)升級(jí)改造了掘進(jìn)設(shè)備，該機(jī)巷實(shí)現(xiàn)了高效智能掘進(jìn)，結(jié)合己15-17-12130機(jī)巷掘進(jìn)設(shè)備應(yīng)用現(xiàn)狀及智能化控制需求，提出了設(shè)備智能化改造技術(shù)方案，研究了智能控制關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用測(cè)試，結(jié)果表明：作業(yè)人員站在遠(yuǎn)離掘進(jìn)迎頭的安全位置便可遠(yuǎn)程遙控掘進(jìn)作業(yè)，掘進(jìn)設(shè)備可自主導(dǎo)航，自動(dòng)截割，掘進(jìn)速度可達(dá)380m/月，達(dá)到了安全高效掘進(jìn)的目的，該研究可為類似工況下礦井掘進(jìn)機(jī)的升級(jí)改造提供參考。

關(guān)鍵詞：綜掘機(jī) 傳感器 電控箱 故障預(yù)警 智能控制

巷道掘進(jìn)作業(yè)效率與井下采煤系統(tǒng)產(chǎn)能存在顯著的正相關(guān)性，其實(shí)際施工進(jìn)度受掘進(jìn)工藝、圍巖支護(hù)質(zhì)量及瓦斯綜合治理效能等多重技術(shù)參數(shù)的共同制約。現(xiàn)階段煤礦巷道施工速率普遍存在技術(shù)性滯后現(xiàn)象，采掘接續(xù)失衡已成為制約礦井可持續(xù)發(fā)展的突出技術(shù)瓶頸。綜掘工藝的規(guī)?；瘧?yīng)用雖在巷道施工效率提升方面取得階段性成效，但受傳統(tǒng)人工作業(yè)模式的制約，作業(yè)人員仍需在掘進(jìn)迎頭面臨多重職業(yè)危害：包括高分貝噪聲污染、高濃度粉塵環(huán)境、瓦斯異常積聚風(fēng)險(xiǎn)，以及圍巖失穩(wěn)引發(fā)的冒頂、沖擊地壓和突水等。實(shí)施掘進(jìn)裝備智能化技術(shù)升級(jí)工程，不僅能顯著優(yōu)化巷道施工效率與人員配置結(jié)構(gòu)，更能從本質(zhì)上增強(qiáng)巷道施工過程的安全可控性[1]。研究以山西某礦己15-17-12130機(jī)巷智能化改造工程為實(shí)踐載體，系統(tǒng)開展EBZ220型綜掘裝備智能控制系統(tǒng)的技術(shù)升級(jí)與工程驗(yàn)證工作，形成具有行業(yè)推廣價(jià)值的智能化掘進(jìn)技術(shù)實(shí)施方案，為同類礦井巷道施工模式革新提供可復(fù)制的技術(shù)路徑。

1 綜掘機(jī)智能化控制改造

1.1 智能控制架構(gòu)

山西某礦己15-17-12130機(jī)巷設(shè)計(jì)施工長1850m，設(shè)計(jì)斷面呈矩形（凈寬×凈高=4.6m

×3.8m），沿3號(hào)煤層底板走向施工。該區(qū)域煤層均厚3.8m、傾角2°～6°，圍巖結(jié)構(gòu)主要由泥巖、砂質(zhì)泥巖及粉砂巖構(gòu)成，選用EBZ-220型綜掘設(shè)備實(shí)施煤巖截割作業(yè)。

針對(duì)己15-17-12130機(jī)巷智能化掘進(jìn)需求，對(duì)現(xiàn)役EBZ-220綜掘機(jī)需實(shí)施智能化改造工程。詳見圖1，其核心架構(gòu)包含遠(yuǎn)程操控終端與機(jī)載執(zhí)行系統(tǒng)兩大功能模塊。

該智能化系統(tǒng)集成遠(yuǎn)程啟?？刂啤⒆詣?dòng)截割路徑規(guī)劃等基礎(chǔ)功能，并配備無線通信模塊實(shí)現(xiàn)截割電機(jī)啟停、液壓泵站操控及多軸液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)程聯(lián)動(dòng)，通過射頻遙控技術(shù)完成設(shè)備姿態(tài)調(diào)整、行進(jìn)方向控制等復(fù)合動(dòng)作指令傳輸。

1.2 綜掘機(jī)智能化升級(jí)改造措施

基于EBZ-220型綜掘裝備智能化改造方案，結(jié)合設(shè)備現(xiàn)有控制架構(gòu)，實(shí)施以下智能控制體系構(gòu)建：①集成三維空間坐標(biāo)感知系統(tǒng)，開發(fā)包含位姿精準(zhǔn)定位、路徑記憶復(fù)現(xiàn)算法及坡度自適應(yīng)的智能截割控制模塊；②構(gòu)建“傳感-分析-執(zhí)行”控制鏈路，配置多源信息感知網(wǎng)絡(luò)（振動(dòng)/位移/傾角傳感器）、數(shù)據(jù)融合中樞（DSP控制器）、信號(hào)轉(zhuǎn)換接口及機(jī)電執(zhí)行機(jī)構(gòu)；③部署遠(yuǎn)程可視化監(jiān)控平臺(tái)，集成數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造可視化、設(shè)備運(yùn)行模態(tài)診斷及多參數(shù)集中調(diào)控。具體改造內(nèi)容詳見表1。

1.3 通信系統(tǒng)改造

構(gòu)建綜掘裝備遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的多模態(tài)通信架構(gòu)，部署支持5G NR與Wi-Fi6雙模傳輸協(xié)議的礦用隔爆型通信單元，系統(tǒng)構(gòu)成包含本安型無線基站（MA）、礦用多頻段收發(fā)器（ExibⅠ）、工業(yè)級(jí)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)及本質(zhì)安全電源模塊，通過環(huán)形拓?fù)浣M網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向傳輸，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延≤150ms，完全滿足井下復(fù)雜電磁環(huán)境下的實(shí)時(shí)控制需求。

1.4 智能化改造遠(yuǎn)程控制平臺(tái)

在地面與井下同步部署集中控制平臺(tái)，集成掘進(jìn)、支護(hù)、運(yùn)輸及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)流，包含智能操控、一鍵啟停及設(shè)備聯(lián)動(dòng)模塊。該系統(tǒng)支持掘進(jìn)設(shè)備遠(yuǎn)程可視化作業(yè)，并與輸送機(jī)集控系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)多級(jí)輸送設(shè)備協(xié)同管理[2]。

操控終端配置專用監(jiān)控主機(jī)，具備視頻數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)功能。

2 掘進(jìn)機(jī)智能控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障預(yù)警

構(gòu)建綜掘裝備全維度狀態(tài)感知網(wǎng)絡(luò)，通過多源傳感陣列實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)采集環(huán)境與設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，建立基于模糊邏輯的安全態(tài)勢(shì)評(píng)估模型，具體涵蓋以下構(gòu)成。

（1）環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)：實(shí)時(shí)采集作業(yè)面溫度、瓦斯?jié)舛?、粉塵含量及涌水狀態(tài)等動(dòng)態(tài)參數(shù)，同步實(shí)現(xiàn)超欠挖作業(yè)狀態(tài)分級(jí)預(yù)警。監(jiān)控界面動(dòng)態(tài)顯示環(huán)境感知數(shù)據(jù)流，設(shè)置多級(jí)預(yù)警閾值與自動(dòng)停機(jī)保護(hù)機(jī)制。系統(tǒng)根據(jù)瓦斯?jié)舛葏?shù)智能調(diào)節(jié)截割作業(yè)參數(shù)，結(jié)合粉塵質(zhì)量濃度監(jiān)測(cè)值，自動(dòng)優(yōu)化噴霧降塵系統(tǒng)工作模式。

（2）設(shè)備狀態(tài)診斷：基于分布式傳感網(wǎng)絡(luò)在線監(jiān)測(cè)星輪扭矩載荷譜、截割電機(jī)繞組溫升及液壓系統(tǒng)脈動(dòng)特征，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵部件遠(yuǎn)程健康評(píng)估。

（3）安全防護(hù)機(jī)制：構(gòu)建掘進(jìn)成型質(zhì)量雙閾值預(yù)警機(jī)制，針對(duì)超欠挖現(xiàn)象可能引發(fā)的圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)警。系統(tǒng)同步集成截割機(jī)構(gòu)空間位姿參數(shù)與巷道設(shè)計(jì)輪廓數(shù)據(jù)，通過位姿-輪廓偏差分析，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)成型質(zhì)量智能預(yù)判。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

在綜掘設(shè)備的前部、后側(cè)、雙側(cè)、中段及運(yùn)輸裝置周邊關(guān)鍵區(qū)域裝配多組高清攝像裝置，形成360度無死角監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)設(shè)備本體及周邊作業(yè)場景的動(dòng)態(tài)影像。

2.3 綜掘機(jī)姿態(tài)定位及智能截割

2.3.1 綜掘機(jī)姿態(tài)定位

姿態(tài)測(cè)量與空間定位體系構(gòu)成綜掘設(shè)備智能控制的核心模塊，主要由截割部件定位與機(jī)體姿態(tài)測(cè)量兩大單元組成。該裝置通過整合激光陀螺慣性導(dǎo)航裝置與三維激光掃描設(shè)備，分別完成設(shè)備本體空間坐標(biāo)測(cè)定和截割機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤，其工作原理及系統(tǒng)架構(gòu)詳見圖2所示示意圖。

利用三維激光掃描裝置捕捉巷道兩側(cè)預(yù)設(shè)激光標(biāo)靶與綜掘設(shè)備的空間關(guān)系，同步將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)上傳至中央控制系統(tǒng)的圖形處理器（GPU）開展點(diǎn)云數(shù)據(jù)建模運(yùn)算；中央處理器（CPU）通過協(xié)同處理激光陀螺慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與三維激光掃描數(shù)據(jù)流，最終解算出設(shè)備本體空間坐標(biāo)參數(shù)及實(shí)時(shí)姿態(tài)數(shù)據(jù)。

綜掘設(shè)備主控單元基于實(shí)時(shí)姿態(tài)參數(shù)，綜合解析截割機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)角度、升降幅度以及液壓執(zhí)行單元位移量等多源數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)標(biāo)定截割機(jī)構(gòu)在巷道內(nèi)的空間坐標(biāo)參數(shù)。液壓執(zhí)行單元行程采用磁致伸縮傳感裝置（測(cè)量精度±0.02%）進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，借助可編程邏輯控制器（PLC）對(duì)位移數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算解算，最終輸出截割機(jī)構(gòu)俯仰角α與回轉(zhuǎn)角β的精確數(shù)值，其空間定位實(shí)現(xiàn)原理參見圖3。

基于α俯仰角參數(shù)與β回轉(zhuǎn)角參數(shù)，聯(lián)合分析機(jī)體回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)基準(zhǔn)點(diǎn)空間坐標(biāo)（x，y，z），通過空間幾何解算即可推導(dǎo)出截割機(jī)構(gòu)末端執(zhí)行點(diǎn)精確空間坐標(biāo)（x1，y1，z1），最終達(dá)成截割裝置毫米級(jí)精度的空間定位控制。

2.3.2 截割路徑規(guī)劃

煤礦井下巷道頂板存在平頂、弧頂、斜頂?shù)炔煌螒B(tài)特征，因此掘進(jìn)軌跡需具備動(dòng)態(tài)適應(yīng)頂板形態(tài)變化的智能調(diào)節(jié)功能。運(yùn)用可編程邏輯控制器（PLC）整合應(yīng)用曲線段角度分割算法與直線段間距分割算法，構(gòu)建數(shù)字化巷道斷面成型模型。巷道輪廓自動(dòng)成型工藝包含主體成型掃描與輪廓精修掃描雙階段控制：主體成型階段采用平行推進(jìn)方式完成巷道主體輪廓的初步成型，輪廓精修階段則依據(jù)預(yù)設(shè)斷面參數(shù)對(duì)輪廓邊界實(shí)施精準(zhǔn)修整作業(yè)。該工藝通過精確調(diào)控兩種掃描模式間的作業(yè)間距參數(shù)，實(shí)現(xiàn)巷道成型表面精度的有效管控，其智能化截割路徑規(guī)劃邏輯詳見圖4。

2.3.3 截割負(fù)載自適應(yīng)技術(shù)

伴隨采掘作業(yè)向深部及大范圍延伸，煤層地質(zhì)賦存環(huán)境日趨復(fù)雜化，掘進(jìn)過程中不同區(qū)段煤巖體力學(xué)特性（包括硬度指標(biāo)、節(jié)理分布及裂隙發(fā)育程度）呈現(xiàn)顯著差異性特征，從而引發(fā)截割作業(yè)載荷的動(dòng)態(tài)波動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)截割機(jī)構(gòu)運(yùn)行速率未能實(shí)時(shí)響應(yīng)載荷波動(dòng)時(shí)，不僅會(huì)顯著影響作業(yè)效率，更可能誘發(fā)設(shè)備本體異常振動(dòng)現(xiàn)象。系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)升降執(zhí)行油缸與回轉(zhuǎn)油路的壓力波動(dòng)參數(shù)、截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率消耗特征以及設(shè)備航向角動(dòng)態(tài)偏移量等關(guān)鍵指標(biāo)，可有效識(shí)別截割速率與作業(yè)載荷的協(xié)同失配狀態(tài)。上述參數(shù)作為核心輸入變量被集成至可編程邏輯控制器（PLC）的載荷自適應(yīng)調(diào)控模塊，通過圖5展現(xiàn)的負(fù)載匹配率η函數(shù)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，依據(jù)η值的動(dòng)態(tài)反饋結(jié)果對(duì)截割速率實(shí)施閉環(huán)調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)截割載荷與設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的智能匹配控制。該函數(shù)模型中，P1、P2分別表征回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與截割執(zhí)行單元液壓壓力參數(shù)，Power_M表示截割驅(qū)動(dòng)電機(jī)實(shí)時(shí)功率輸出值，dθ則反映設(shè)備航向角瞬時(shí)變化速。

3 工程應(yīng)用分析

針對(duì)己15-17-12130機(jī)巷EBZ220型綜掘設(shè)備實(shí)施智能化改造工程，重點(diǎn)集成智能控制系統(tǒng)（涵蓋自動(dòng)截割路徑規(guī)劃、自主導(dǎo)航定位及遠(yuǎn)程管控等模塊）。依托井下遠(yuǎn)程操控平臺(tái)完成設(shè)備運(yùn)行指令傳輸，同步構(gòu)建地面集控中心數(shù)字孿生系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)與作業(yè)場景三維可視化模型[3]。經(jīng)智能化功能升級(jí)后，該巷道掘進(jìn)作業(yè)面30-50m危險(xiǎn)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無人化作業(yè)，設(shè)備月度掘進(jìn)效率提升至380m，成功構(gòu)建了煤礦巷道智能化高效掘進(jìn)模式。

4 結(jié)語

巷道掘進(jìn)裝備智能化控制體系的構(gòu)建，已成為提升巷道施工效率與優(yōu)化井下人力配置的核心技術(shù)路徑。該技術(shù)體系通過將作業(yè)人員從高危險(xiǎn)性的掘進(jìn)作業(yè)面撤離，在提升本質(zhì)安全水平方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。文章結(jié)合己15-17-12130機(jī)巷EBZ220型綜掘設(shè)備智能化改造工程，系統(tǒng)闡述了智能控制系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施方案。工程實(shí)踐顯示，改造后系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)作業(yè)人員在安全區(qū)域遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行，地面調(diào)度中心同步接收設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與作業(yè)面實(shí)時(shí)影像數(shù)據(jù)，在保持月進(jìn)尺380m的穩(wěn)定掘進(jìn)效率基礎(chǔ)上，構(gòu)建了“遠(yuǎn)程監(jiān)控+智能掘進(jìn)”的新型作業(yè)模式，為煤礦井下智能化建設(shè)提供了可復(fù)制的技術(shù)范式。

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