煤礦井下綜合機械化掘進系統(tǒng)智能化建設(shè)

煤礦井下綜合機械化掘進系統(tǒng)智能化建設(shè)摘要：目前，煤炭企業(yè)正朝著技術(shù)密集型方向發(fā)展。煤炭智能開采有助于提高勞動生產(chǎn)率和控制井下作業(yè)人員數(shù)量?；诖?，本文重點分析了煤礦井下綜合機械化掘進系統(tǒng)智能化建設(shè)。關(guān)鍵詞：煤礦井下；綜合機械化掘進系統(tǒng)；智能化建設(shè)煤礦智能化建設(shè)不僅是煤炭行業(yè)的重要發(fā)展方向，也是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的必然要求。在煤礦智能化建設(shè)中，掘進系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。在掘進系統(tǒng)中，感知、執(zhí)行元器件被增加到掘進機機身上，通過移動網(wǎng)絡(luò)及大數(shù)據(jù)分析，將無源導航及有源監(jiān)控相結(jié)合，實現(xiàn)掘進機的遠程可視化控制、遙控操作、防撞、智能定位、故障預警、行走速度調(diào)整、故障告警等，實現(xiàn)掘進工作面遠距離、智能化、無人值守，遠程監(jiān)控和安全快速掘進。一、采掘系統(tǒng)發(fā)展歷程我國煤炭開采歷史較西方發(fā)達國家較晚，在20世紀中期仍在采用人工打眼、支護等方式進行煤礦開采，挖掘效率低。鏟斗后卸式裝巖機在20世紀60年代后開始投入使用，雖然運輸效率未得到提高，支護技術(shù)手段也落后，但大機械替代了部分人力勞作，減少了煤炭行業(yè)對人力的需求。20世紀70年代后期，煤炭行業(yè)真正走入了大機械時代，許多國際先進的挖掘設(shè)備引入我國，簡化了煤炭采掘流程，有效提高了煤炭采掘效率及質(zhì)量。二、巖巷施工現(xiàn)狀在煤炭開采作業(yè)中，鉆爆法是一種重要的開采方法，它以傳統(tǒng)技術(shù)工藝為基礎(chǔ)，涉及施工支護、爆破、打眼和混凝土噴射。施工中使用的機械設(shè)備簡單，可靠性強，便于檢修維護，成本投資相對較低。然而，在系統(tǒng)運行中，涉及到許多復雜的流程，高度依賴人工，從而延長了施工時間。采用巖石平巷綜掘機可提高施工機械化水平，具有顯著的綜合性能和諸多優(yōu)勢。但需注意的是，這種技術(shù)方法也存在著投資成本高、切割效率不理想、挖掘機械體型大、局限性強等缺點。三、掘進智能化系統(tǒng)1、系統(tǒng)介紹。優(yōu)化掘進機機身設(shè)計，增加執(zhí)行元器件和感知元器件，實現(xiàn)遠程可視化控制、故障預警、智能定位、遙控操作，合理調(diào)整行走速度，實現(xiàn)故障報警。在系統(tǒng)優(yōu)化方面，對掘進機手動液控系統(tǒng)進行改造，主要是電液控系統(tǒng)，并在掘進機機身上增加了執(zhí)行元器件和感知元器件，以確保風機和故障告警聯(lián)動閉鎖控制。2、系統(tǒng)組成。在改造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時，應注意優(yōu)化模塊化設(shè)計。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備的實際要求，優(yōu)化配置各智能單元，包括：①主控單元：在掘進機遙控系統(tǒng)中，主控單元是核心部件，注重邏輯控制和指揮調(diào)度，合理安排掘進工藝，已成為掘進機系統(tǒng)的重要組成部分。②感知單元：負責采集、傳輸和顯示掘進工藝、環(huán)境、實時視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)。③定位單元：準確定位掘進機的位置和切割頭，比較預設(shè)的掘進機巷道參數(shù)，優(yōu)化調(diào)節(jié)掘進機。④防撞單元：負責地理信息數(shù)據(jù)采集，為掘進機提供智能化防撞功能。⑤遙控單元：包括手持式遙控器和可視化控制，以優(yōu)化遠程掘進作業(yè)。⑥預警保護單元：將感知單元的實時數(shù)據(jù)與系統(tǒng)預設(shè)值進行比較，注意故障告警停機、故障預警遷停等。⑦通信單元：涉及系統(tǒng)低頻通信、遠程數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)部通信。⑧集控單元：對于掘進機設(shè)備，對回傳數(shù)據(jù)進行深入分析，并與局扇風機、皮帶機和掘進工藝聯(lián)動閉鎖。掘進機司機可在集控室進行視頻監(jiān)控和掘進工況數(shù)據(jù)，實現(xiàn)遠程可視化掘進。3、遠程遙控系統(tǒng)。遠程遙控能實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信鏈路的暢通和掘進機動作的可控性，實現(xiàn)自動切割，能提高掘進機位置檢測的可靠性和控制精度。4、多系統(tǒng)耦合系統(tǒng)。系統(tǒng)的作用機制復雜，不能充分發(fā)揮整機的工作性能，這對裝備子系統(tǒng)和人物智能協(xié)調(diào)規(guī)劃提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。為實現(xiàn)掘進機的智能化操作和無人值守，在掘進作業(yè)過程中，應分析不確定性干擾和未建模狀態(tài)，建立系統(tǒng)間的耦合模型。聯(lián)合機器自學習算法，根據(jù)多目標優(yōu)化決策模塊，協(xié)調(diào)控制最優(yōu)掘進參數(shù)和最優(yōu)支護方案，構(gòu)建安全掘進協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化決策專家系統(tǒng)。5、智能導航系統(tǒng)①結(jié)合無源、有源導航：在掘進工作面，導航方式主要是激光指引裝置，指引裝置發(fā)出激光，能代表巷道前進方向。巷道持續(xù)延伸，指引裝置也持續(xù)前進。掘進機司機能憑借豐富經(jīng)驗，將掘進面的激光點放置在切割面上，切割時將切割頭放置在外周邊界上。此導航模式無法自動切割掘進機。有源監(jiān)控是通過攝像頭對掘進工作面進行監(jiān)控，使地面控制人員能了解工作面情況，第一時間發(fā)現(xiàn)潛在問題，并采取有效措施處理。②自立識別系統(tǒng)運行狀態(tài)，維護系統(tǒng)運行效益。掘進機測量系統(tǒng)有多種技術(shù)方法，因此要定期自檢，以判斷測量精度，傳遞診斷結(jié)果，提出科學的檢修維護信息，這樣能規(guī)范化導航系統(tǒng)的精度輸出，合理控制偏差，避免掘進面超差現(xiàn)象。③接受多傳感器信號，做好科學分析和使用。掘進智能導航系統(tǒng)以無源導航系統(tǒng)為方案，為解決配置復雜問題，提高靈活性和可靠性，有必要測量滾筒高度和切割壁空間。智能導航系統(tǒng)有助于融合多傳感器信息，實現(xiàn)綜合應用，全面測量掘進機位置，提高掘進作業(yè)的靈活性。④在多系統(tǒng)掘進作業(yè)中，實現(xiàn)協(xié)同控制和智能規(guī)劃。井下掘進設(shè)備涉及多個子系統(tǒng)，協(xié)調(diào)程度高，任務(wù)繁多，其中，運輸、支撐和推進子系統(tǒng)要求技術(shù)人員按標準化操作順序進行技術(shù)操作，能體現(xiàn)掘進施工的特點，尤其是人機交錯特點。機械安裝、運輸和支出易造成運輸傷害、機械傷害和頂板冒落傷人事件。在維護掘進裝備運行安全穩(wěn)定的同時，實現(xiàn)智能操作和無人值守，對掘進設(shè)備的自主識別系統(tǒng)和任務(wù)智能規(guī)劃提出了嚴峻挑戰(zhàn)。煤礦井下掘進作業(yè)的重點是提高掘進效率，消除地質(zhì)適應性問題，實現(xiàn)掘進設(shè)備快速安全掘進，引導掘進裝備技術(shù)跨越，增強裝備自主創(chuàng)新能力，實現(xiàn)長期穩(wěn)定發(fā)展。⑤在人工智能技術(shù)引導下，注重巖巷掘進參數(shù)理論的分析與處理。在井下掘進作業(yè)中，根據(jù)不同地質(zhì)條件增加荷載參數(shù)，作為中間橋梁。根據(jù)掘進深度和數(shù)據(jù)挖掘，設(shè)立巖巷掘進機狀態(tài)與掘進主控參量映射關(guān)系。重視機械參數(shù)辨識的理論研究，結(jié)合掘進參數(shù)約束條件和代價函數(shù)計算方法，在線優(yōu)化匹配控制參數(shù)，實現(xiàn)基于決策參數(shù)的多目標動態(tài)規(guī)劃，處理好井下掘進機的不良問題，降低安全事故發(fā)生率。⑥系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢：本系統(tǒng)采用智能導航系統(tǒng)，聚焦聯(lián)合慣性導航系統(tǒng)方案，有效檢測切割頭的空間位置，結(jié)合掘進機遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對掘進機的精確數(shù)字化控制。企業(yè)根據(jù)掘進工作面實際情況，對相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)切割方式的優(yōu)化，這樣能滿足開采安全性要求，又能提高開采效率。四、掘進系統(tǒng)智能化的應用與展望掘進系統(tǒng)的智能化應能實現(xiàn)快速高效掘進的效果，并有效地作用于煤巷快速掘進裝備中。系統(tǒng)可分為支護、運輸、掘進等工序步驟，并結(jié)合新技術(shù)處理掘進、運輸、支護等相關(guān)問題，提高設(shè)備運行的集成度和高效性。掘進機具有定位切割和遠程監(jiān)控等功能，能對掘進機進行遠程監(jiān)控，優(yōu)化錨桿機工作參數(shù)，但需在工作面預留一些檢查員。掘進機的發(fā)展趨勢集中在掘進機器人領(lǐng)域，為實現(xiàn)這一發(fā)展目標，要實現(xiàn)遠程控制、自動切割、遠程監(jiān)控等功能。遠程監(jiān)控取決于掘進機動作的可控性和數(shù)據(jù)通信鏈路的暢通性。自動切割可顯示掘進機位置檢測的可靠性和控制精度的符合性。智能切割能提高自動切割操作的可靠性，擴大開采效率，提升空間。優(yōu)化提高掘進工藝適應性，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境調(diào)節(jié)掘進機器人的掘進速度和作業(yè)安全性。在正常工作條件下，無需人工干預。掘進工作面遠程控制包括膠帶轉(zhuǎn)載機、破碎轉(zhuǎn)載機、錨桿鉆車和井下掘錨機，并配備通風除塵