煤礦智能化掘進工作面裝備技術(shù)研究與應(yīng)用

煤礦智能化掘進工作面裝備技術(shù)研究與應(yīng)用摘要：煤炭占我國一次能源消費的65%，未來我國煤炭開采深度與難度越來越大，采掘作業(yè)是其最重要、最危險的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，70%煤礦事故發(fā)生在采掘區(qū)。掘進工作面的瓦斯爆炸及巖層垮塌、突水等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生率高、偶然性強，對掘進礦工生命安全威脅極大?，F(xiàn)場作業(yè)安全性差和工人勞動強度高是綜掘巷道掘進作業(yè)存在的主要問題之一。目前大多數(shù)綜掘巷道都采用掘錨分離作業(yè)進行施工，在掘、支、錨、運一體化或成套化裝備未能大面積推廣之前，研究智能化掘進工作面控制系統(tǒng)對提升掘進工作面作業(yè)水平和降低工人勞動強度具有重要的現(xiàn)實意義。關(guān)鍵詞：智能化掘進；裝備技術(shù)；應(yīng)用引言我國在“機械化換人、自動化減人”生產(chǎn)理念引導(dǎo)下，煤礦智能化發(fā)展步伐強健有力，煤礦機器人應(yīng)用推進迅速。國內(nèi)研究者針對掘進智能化進行了深入研究，煤炭學(xué)報、煤炭科學(xué)技術(shù)等期刊通過策劃煤礦快速智能掘進理論與技術(shù)、煤礦快速掘進技術(shù)與裝備等專題，系統(tǒng)總結(jié)和分析了采掘工作面智能化建設(shè)面臨的機遇與挑戰(zhàn)，王國法、王虹、吳淼、馬宏偉等研究者為掘進發(fā)展摹畫出發(fā)展技術(shù)路線，有力促進了國內(nèi)在采掘智能化方面的協(xié)同攻關(guān)，有效緩解了“采掘失衡”，為智能礦山的建設(shè)提供強有力的支撐。1技術(shù)分析針對懸臂相對機身的姿態(tài)檢測方法，目前常用的是內(nèi)置或外置傳感器，采用在懸臂升降和回轉(zhuǎn)油缸內(nèi)置磁致伸縮位移傳感器測量懸臂的俯仰角和偏航角，存在傳感器在高溫油中老化嚴(yán)重、可靠性較差和維護成本高等問題。采用懸臂外置靜態(tài)傾角傳感器測量懸臂俯仰角和偏航角，存在振動環(huán)境下精度差和易受煤灰、水、泥等影響使用的問題。采用慣性導(dǎo)航裝置測量懸臂俯仰角和偏航角，存在抗振性差、使用不便和成本高昂等問題。掘進工作面信息遠(yuǎn)程可視化僅實現(xiàn)了設(shè)備位姿的上位機顯示，從未實現(xiàn)井下巷道三維信息遠(yuǎn)程可視技術(shù)。針對機身自主定位問題，國內(nèi)相關(guān)廠家先后在井下進行了基于光電導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航的相關(guān)試驗，但未形成經(jīng)濟、可靠的相關(guān)產(chǎn)品。2裝備智能化之?dāng)?shù)據(jù)分析系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)煤礦裝備在使用過程中產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)，如何能夠充分利用這些數(shù)據(jù)，發(fā)掘數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系和差異，是煤礦區(qū)數(shù)據(jù)挖掘需解決的問題。目前，煤礦數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)還處于起步階段，裴秋艷采用數(shù)據(jù)挖掘方法應(yīng)用于礦井通風(fēng)安全領(lǐng)域，采用灰度預(yù)測及MGM優(yōu)化模型，對礦井生產(chǎn)過程中的通風(fēng)數(shù)據(jù)進行挖掘和處理，并以此為基礎(chǔ)，能夠?qū)ξ磥盹L(fēng)量變化趨勢進行預(yù)測。煤科集團沈陽研究院有限公司研制的KY400煤礦電機故障診斷系統(tǒng)能實時監(jiān)測電機的溫度、振動、電流等信號，具有運行狀態(tài)評價，壽命評估、故障診斷及維修決策等功能，最大限度地減少電機非計劃停機對煤礦井下安全生產(chǎn)的影響。KY400煤礦電機故障診斷系統(tǒng)內(nèi)置專家?guī)?，通過將實時數(shù)據(jù)與專家?guī)爝M行比對，可以進行故障識別與診斷：專家?guī)鞎鶕?jù)實際電機運行狀態(tài)不斷進行升級和修正，使得系統(tǒng)的靈敏度適應(yīng)實際需要。3煤礦智能化掘進工作面裝備技術(shù)的應(yīng)用3.1智能掘進工藝與裝備以懸臂式掘進機為龍頭的成套裝備:適應(yīng)復(fù)雜地質(zhì)條件、頂板穩(wěn)定性差、需要及時支護、空頂距小適用于半煤巖、巖巷，同時也適用于煤巷具有多種配套形式;以掘錨一體機為龍頭的成套裝備:掘支運一體化智能掘進系統(tǒng)由掘錨一體機、錨桿錨索支護裝備、后配套裝備和協(xié)同控制系統(tǒng)組成;以連采機為龍頭的成套裝備:采用連續(xù)采煤機和錨桿鉆車交叉換位作業(yè)，間歇式作業(yè)，長距離巷道掘進能夠減少綜采工作面搬家倒面的次數(shù)，提高設(shè)備開機率，適用于地質(zhì)條件簡單、低瓦斯礦井，其中連續(xù)采煤機采用切槽+采垛兩次進刀式，錨桿鉆車支護，與連續(xù)采煤機交叉平行作業(yè)，運輸路徑為連續(xù)采煤機－梭車－給料破碎機－順槽皮帶，以鏟車清浮煤、運送物料作為輔助;全斷面掘進機為成套裝備:由盾構(gòu)機或全斷面掘進機、錨桿支護系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等組成，適應(yīng)煤巷、半煤巖巷及全巖巷道的全斷面快速掘進，可實現(xiàn)斷面一次性成形，具備高效截割裝載一體化，掘進與支護平行作業(yè)，封閉式掘進，安全性較好，智能化程度高，掘進效率高等特點。3.2“視覺+”組合定位提出“視覺+”位姿測量方法，基于激光點-線特征標(biāo)靶的懸臂式掘進機機身及截割頭位姿單目視覺測量方案，以巷道設(shè)計走向數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，建立巷道坐標(biāo)系實現(xiàn)掘進裝備機體的全位姿檢測，為進一步實現(xiàn)智能截割、糾偏控制、定向掘進提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，該方案包括機身全局定位和截割頭局部定位兩個子系統(tǒng)，前者獲得機身在巷道坐標(biāo)系下的空間位姿，后者獲得截割頭在掘進機身坐標(biāo)系下的空間位姿?？紤]了視覺測量可能存在的遮擋、丟幀等問題，實際測試時該系統(tǒng)采用了低成本慣導(dǎo)，以多傳感器融合保證動態(tài)測量的穩(wěn)定性。3.3自動頂進系統(tǒng)自動頂進系統(tǒng)的控制開啟自動頂進系統(tǒng)之后，系統(tǒng)對按鍵狀態(tài)進行檢測，確認(rèn)急停、手動頂進等和自動頂進功能互鎖的按鍵狀態(tài)是否符合；之后，為了保證機頭內(nèi)部渣石的排渣通暢，先流出延時5s的頂進延時時間，延時結(jié)束之后，先后進行主頂伸出、中繼1伸出的自動頂進操作，在中繼1伸出的過程中，需要監(jiān)測機頭的切削電流，如果機頭切削電流過大，需要調(diào)整頂進速度，保證機頭的切削電流在合理的范圍內(nèi)，當(dāng)中繼1的頂進行程到位之后，完成了自動頂進流程。3.4斷面自動成形控制技術(shù)斷面成形控制指在一個循環(huán)截割內(nèi)斷面輪廓自動成形控制，可在實現(xiàn)掘進機智能控制的基礎(chǔ)上完成斷面截割自動成形控制。利用懸臂相對機身的實時位姿信息，實現(xiàn)斷面在一定范圍內(nèi)可人工干預(yù)的自動截割成形控制。在截割循環(huán)開始時，按照巷道斷面輪廓的工藝要求以及截割頭外形和初始運動參數(shù)，確立截割的初始軌跡。截割過程中根據(jù)工作面環(huán)境信息、煤巖情況以及整機工況參數(shù)調(diào)整截割參數(shù)和截割路徑，以保證最終按工藝要求完成斷面截割。記憶截割指掘進機操作司機根據(jù)自己的截割習(xí)慣進行示教，控制器對操作人員操作懸臂運動軌跡進行記錄、存儲，同時上位機同步顯示司機示教時懸臂的運行軌跡。在進行下一循環(huán)截割時，操作人員直接調(diào)用已存儲的示教軌跡即可實現(xiàn)懸臂按照人員示教軌跡自動運行。懸臂擺動速度會根據(jù)截割反饋電流自動進行懸臂高速、中速、低速三擋速度調(diào)整，使懸臂擺動速度與巖石硬度變化處于最佳匹配。結(jié)束語目前，煤機裝備智能化技術(shù)還處于起步階段，雖然有部分煤機裝備采用了智能化技術(shù)，但還未形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，多數(shù)煤機裝備還停留在機械化、自動化的階段。探討煤礦開采數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等煤礦區(qū)裝各智能化的關(guān)鍵技術(shù)，確定這些技術(shù)在煤礦區(qū)裝備的應(yīng)用范圍，得出煤礦區(qū)裝備智能化的技術(shù)路線，對提升煤礦區(qū)裝備智能化水平具有重要意義。參考文獻[1]李巖.煤礦掘進機智能控制機構(gòu)的研究[J].機電工程技術(shù),2020,49(10):165-166.[2]馬宏偉,王鵬,張旭輝,曹現(xiàn)剛,毛清華,王川偉,薛旭升,劉鵬,夏晶,董明,田海波.煤礦巷道智能掘進機器人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[J].西安科技大學(xué)學(xué)報,2020,40(05):751-759.[3]張超,張旭輝,毛清華,馬宏偉,杜昱陽,陳曉晶,夏晶,謝兵,王川偉,薛旭升,曹現(xiàn)剛,田海波,劉鵬.煤礦智能掘進機器人數(shù)字孿生系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].西安科技大學(xué)學(xué)