李硯耕

（中國地質(zhì)大學(xué)，湖北 武漢 430074）

1 智能化礦山巷道掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)簡介

傳統(tǒng)采礦法存在資源消耗多、生產(chǎn)效率低、安全保障性差、污染嚴(yán)重等問題，與采礦行業(yè)發(fā)展速度不匹配，成為限制行業(yè)發(fā)展的瓶頸。進(jìn)入21世紀(jì)，現(xiàn)代高新技術(shù)和信息科技為世界礦業(yè)帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，傳統(tǒng)礦業(yè)正邁入一個(gè)信息化、自動化、智能化的嶄新而充滿活力的科技發(fā)展領(lǐng)域。在此情況下，智能掘進(jìn)設(shè)備成為世界采礦業(yè)的未來發(fā)展方向和追求目標(biāo)之一。

礦山巷道掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)智能化是采用通信、傳感器、人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)等信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及礦山自動化設(shè)備，整個(gè)巷道開采過程中，操作人員只需要在巷道外操作計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)發(fā)出的無線電信號來控制鉆車在井下工作 （見圖1）。其工作過程主要分為以下幾個(gè)階段。

1.1 準(zhǔn)備工作

通過專門為巷道掘進(jìn)系統(tǒng)開發(fā)的軟件，在三向坐標(biāo)上建立巷道軸線與激光束之間的關(guān)系，然后把爆破孔精確地布置在巷道斷面圖上，并標(biāo)出每個(gè)鉆孔相對于巷道軸線的角度和孔深 （見圖2和圖3）。

1.2 鉆孔作業(yè)

圖1 智能化礦山巷道掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)構(gòu)成圖

圖2 巷道軸線與激光束之間的關(guān)系圖

圖3 在軟件中把爆破孔精確地布置在巷道斷面圖上

做完準(zhǔn)備工作，操作人員只需要按下確認(rèn)按鈕，鉆車就會在巷道內(nèi)開始鉆孔作業(yè)。鉆車通過安裝在鉆車上的校準(zhǔn)激光定位孔的位置，通過計(jì)算機(jī)控制鉆車各個(gè)關(guān)節(jié)位置的傳感器，在爆破面上鉆鑿出預(yù)先在計(jì)算機(jī)里面設(shè)定的爆破孔（見圖4）。

2 智能化礦山巷道掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)的詳細(xì)方向控制過程

圖4 計(jì)算機(jī)控制鉆車實(shí)現(xiàn)爆破面巖孔的智能化鉆鑿

導(dǎo)向系統(tǒng)對鉆車的方向控制包括角度控制和孔深控制。是通過對鉆車鉆臂、推進(jìn)器的角度和推進(jìn)長度進(jìn)行控制而實(shí)現(xiàn)的。這就要求對鉆臂、推進(jìn)器的角度，以及鉆孔的深度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并在軟件中通過顯示屏顯示出來。操作人員通過指令完成對鉆車的智能化控制，使鉆車達(dá)到最終的作業(yè)要求。

智能導(dǎo)向系統(tǒng)的角度指示包括測量和顯示推進(jìn)器的方向。系統(tǒng)會測算出與參數(shù)方向的偏差，偏差會顯示在控制屏上。為了使系統(tǒng)顯示正確的值，操作人員需規(guī)定一個(gè)參考方向。

智能導(dǎo)向系統(tǒng)的孔深控制過程是：鉆車配備了測孔深的設(shè)備，系統(tǒng)會在鉆孔時(shí)顯示即時(shí)深度。為了使系統(tǒng)能控制鉆車的鉆孔深度達(dá)到工程要求，操作人員需給出一個(gè)全長度的孔。

2.1 顯示界面

系統(tǒng)的顯示屏界面如圖5所示。

圖5 智能導(dǎo)向系統(tǒng)的顯示屏界面

F1,F2,F3,F4——直接選擇按鈕。這些按鈕只在特定的菜單中起作用，并與菜單中的符號相對應(yīng)。ESC退出鍵。后退一步，取消一個(gè)輸入的數(shù)值。

←左移鍵。向左移動光標(biāo)。

↑上移鍵。向上移動光標(biāo)，增大一個(gè)數(shù)值。

↓下移鍵。向下移動光標(biāo)，減小一個(gè)數(shù)值?！乙平?。向右移動光標(biāo)。

回車鍵為輸入鍵。確認(rèn)選項(xiàng)或有變動的數(shù)值，激活數(shù)值變動的字段。

2.2 菜單功能簡述

在鉆孔作業(yè)中，這些光標(biāo)也可以用來小范圍移動推進(jìn)器（見圖6）。

圖6 鉆孔作業(yè)操作菜單

系統(tǒng)啟動后即顯示圖6所示的主菜單 （樹形分支）。從這里可以直接進(jìn)入鉆孔菜單。

菜單分支1：

包括鉆孔工作菜單。工作菜單顯示推進(jìn)的方向和規(guī)定的全孔深度 （也可以在這里定義一個(gè)新的參考方向）。如果配有孔深度測量儀，則可以顯示當(dāng)前的孔深，而且可以在鉆完孔后重新定義孔深。

菜單分支2：

包含了與鉆臂傳感器相關(guān)的菜單。選項(xiàng)（2）進(jìn)入菜單（2.1）可看到角度傳感器。進(jìn)入菜單（2.2）可對角度傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)。

菜單2.1角度傳感器：顯示鉆臂的擺動角度，推進(jìn)器的擺動角度和推進(jìn)器的俯仰角度。

菜單2.2傳感器校準(zhǔn)：這個(gè)信息可用來檢查這個(gè)傳感器是否按照設(shè)定程序工作。用于在更換了傳感器或處理模塊之后，對傳感器的校準(zhǔn)。該菜單有密碼保護(hù)。

菜單分支3：設(shè)定菜單。

進(jìn)入3.1菜單設(shè)定孔深；

進(jìn)入3.2校準(zhǔn)深度傳感器 （只適用于配備了孔深測量儀的設(shè)備）。

菜單分支4：屏幕亮度設(shè)置菜單：

該菜單調(diào)整屏幕的亮度，設(shè)定值為1-9。

菜單分支5：發(fā)現(xiàn)和故障診斷菜單。

進(jìn)入菜單，可查看傳感器和處理模塊的狀態(tài)。菜單分支6：設(shè)置密碼的菜單。

該菜單可以設(shè)置特定菜單的保護(hù)密碼。其目的是操作者想要進(jìn)入受保護(hù)的菜單時(shí)，需要輸入密碼解鎖菜單才能進(jìn)入。這個(gè)菜單就是輸入密碼的。

2.3 工作菜單

進(jìn)入工作菜單后，屏幕出現(xiàn)圖7所示的界面。

圖7 工作菜單界面

（1）將孔深測量儀的數(shù)據(jù)清零。

（2）查看操作者定義的參考方向。

（3）參考方向的模式選擇。

（4）設(shè)定的孔深。

（5）推進(jìn)器俯仰角。

（6）推進(jìn)方向。

（7）當(dāng)前孔深。

推進(jìn)方向用箭靶表示，靶心表示參考方向。當(dāng)推進(jìn)方向與參考方向有偏差時(shí)，則以一條黑線來表示實(shí)際孔底與參考方向所鉆的孔底的距離。如6，如果完全按照參考方向推進(jìn)，則黑線縮短為一個(gè)點(diǎn)并與靶心重合。

例如顯示上面的圖像，則表示孔所鉆的底孔與按參考方向的底孔有7cm的偏差。

角度的顯示也與孔的最大深度有關(guān)，角度偏差也會顯示在控制屏上。

參考方向的模式也必須選擇，選項(xiàng)（3），如果選擇了‘臺車'符號，系統(tǒng)就會使用預(yù)設(shè)的參考方向，也就是以臺車的縱軸為參考方向。如果選擇了‘巷道'符號?？勺杂啥x一個(gè)新的參考方向。

如果臺車配有孔深測量設(shè)備，則（7）會顯示實(shí)時(shí)的孔深，（1）也可以清零。

2.4 計(jì)算機(jī)文檔

隧道掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)由大量的硬件和軟件構(gòu)成。這些硬件、軟件都是專門為了鉆孔作業(yè)臺車及其系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的。硬件主要由安裝在各鉆臂關(guān)節(jié)點(diǎn)上的角度傳感器外伸和推進(jìn)器回縮的線性傳感器以及測量鑿孔速度的傳感器組成。還包括測量鉆車切斜度的傾斜儀。各傳感器的信號被傳輸至計(jì)算機(jī)，通過計(jì)算機(jī)，這些數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)換為可讀數(shù)據(jù)，并在顯示屏上顯示，同時(shí)以電子文檔的形式保存在計(jì)算機(jī)內(nèi)。

2.5 單臂鉆車配置的系統(tǒng)配置

以下是重慶格德瑞重工有限公司部分單臂鉆車，巷道掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)的配置情況、能實(shí)現(xiàn)的功能，以及能達(dá)到的效果。圖8為重慶格德瑞重工有限公司生產(chǎn)的CTJY12.1型輪胎式全液壓鑿巖鉆車。該鉆車的技術(shù)參數(shù)見表1。

圖8 格德瑞公司CTJY12.1型輪胎式全液壓鑿巖鉆車

表1 CTJY12.1型鉆車技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)關(guān)于單臂鑿巖鉆車的硬件配置、系統(tǒng)功能，介紹如下：

配套設(shè)備：

（1）三個(gè)傳感器：一個(gè)用于水平角度，兩個(gè)用于垂直角度。

（2）一臺顯示器。

系統(tǒng)功能：

（1）在顯示器上實(shí)時(shí)顯示推進(jìn)梁相對于洞軸線的方向。

（2）通過顯示器的界面操作，操作人員可以把推進(jìn)器調(diào)整到準(zhǔn)確的方向上。

達(dá)到的效果：

（1）保證周邊孔鉆孔的準(zhǔn)確性。

（2）使孔與孔之間的平行度更加精準(zhǔn)。

2.6 三臂鉆車配置的系統(tǒng)配置

以下是重慶格德瑞重工有限公司部分三臂鉆車，巷道掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)的配置情況、能實(shí)現(xiàn)的功能，以及能達(dá)到的效果。圖9為重慶格德瑞重工有限公司生產(chǎn)的CTJY12.3型輪胎式全液壓鑿巖鉆車。該鉆車的技術(shù)參數(shù)見表2。

圖9 格德瑞公司CTJY12.3型三臂輪胎式全液壓鑿巖鉆車

三臂鑿巖鉆車的硬件配置、系統(tǒng)功能、效果如下：

配套設(shè)備：

（1）九個(gè)傳感器：三個(gè)用于水平角度，六個(gè)用于垂直角度。

（2）一臺顯示器。

系統(tǒng)功能：

（1）在顯示器上實(shí)時(shí)顯示推進(jìn)梁相對于洞軸線的方向。

表2 CTJY12.3型鉆車技術(shù)參數(shù)

（2）通過顯示器的界面操作，操作人員可以把推進(jìn)器調(diào)整到準(zhǔn)確的方向上。

達(dá)到的效果：

（1）保證周邊孔鉆孔的準(zhǔn)確性。

（2）使孔與孔之間的平行度更加精準(zhǔn)。

2.7 智能化控制的煤礦用切頂切縫鉆機(jī)

20世紀(jì)60年代，礦業(yè)科學(xué)技術(shù)得到快速發(fā)展。其中，以錢鳴高院士的“砌體梁”理論和宋振騏院士的“傳遞巖梁”理論為代表，引領(lǐng)了長壁開采的兩次技術(shù)變革。但隨著煤礦開采深度的增加，深部巷道圍巖大變形問題引起的災(zāi)害事故愈加嚴(yán)重，尤其是順槽巷道事故頻發(fā)。而解決上述問題必須從根本上改變傳統(tǒng)采煤方法，早在2008年何滿潮院士便率先提出了“切頂短壁梁理論”，標(biāo)志著煤炭開采科學(xué)技術(shù)進(jìn)入新紀(jì)元[1]。以李硯耕院士為代表的鑿巖設(shè)備科研團(tuán)隊(duì)，順應(yīng)煤礦開采技術(shù)的進(jìn)步，對煤礦用切頂切縫鉆機(jī)進(jìn)行智能化控制研究，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了操作人員可以遠(yuǎn)離現(xiàn)場遙控鉆機(jī)作業(yè)施工，從而降低了對操作人員的專業(yè)技術(shù)及施工經(jīng)驗(yàn)要求，提高了作業(yè)質(zhì)量。智能化控制的切頂切縫鉆機(jī)已在重慶格德瑞重工有限公司實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，其外形如圖10所示。對切頂切縫鉆機(jī)的智能化控制跟上面所述掘進(jìn)鉆車的掘進(jìn)智能化控制方式類似，此處不再詳述。

重慶格德瑞重裝院主要研發(fā)了以下專用設(shè)備。

圖10 智能化控制的切頂切縫鉆機(jī)

（1）煤層切頂卸壓沿空自動成巷無煤柱開采的專用切縫鉆機(jī)，見圖11。

（2）中厚煤層切頂切縫的專用鉆機(jī)，見圖12。

（3）可360°旋轉(zhuǎn)的掛網(wǎng)與錨固同步鉆機(jī)，見圖13。

（4）厚煤層掛網(wǎng)與錨固同步鉆機(jī)，如圖14。

（5）回風(fēng)洞掘進(jìn)鉆機(jī)，見圖15。

煤礦用切頂切縫鉆機(jī)用在煤層切頂卸壓沿空成巷法開采中，為了定向形成頂板的斷裂而不破壞頂板，采用導(dǎo)向鉆頭實(shí)現(xiàn)頂板按預(yù)定的方向斷裂的切縫工藝。切縫工藝示意圖如圖16所示，切縫專用鉆頭外形如圖17所示。

圖11 薄煤層切頂卸壓沿空成巷開采的專用切縫鉆機(jī)

圖12 中厚煤層切頂切縫鉆機(jī)

圖13 可360°旋轉(zhuǎn)的掛網(wǎng)與錨固同步鉆機(jī)

圖14 厚煤層掛網(wǎng)與錨固同步鉆機(jī)

圖15 回風(fēng)洞掘進(jìn)鉆機(jī)

圖16 切頂卸壓沿空成巷開采技術(shù)中的切縫工藝示意圖

圖17 切頂專用鉆頭

3 結(jié)語

（1）智能化礦山巷道掘進(jìn)設(shè)備導(dǎo)向系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，是落實(shí)國家通過高新技術(shù)提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)政策的具體體現(xiàn)。智能化是以自動化、信息化以及人工智能等眾多高新技術(shù)為基礎(chǔ)，通過多學(xué)科、多技術(shù)的交叉融合及綜合應(yīng)用而形成的高端技術(shù)，將促進(jìn)我國采礦業(yè)這一傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)與諸多高新技術(shù)的結(jié)合，從而大幅度提高我國礦山采礦技術(shù)的水平，促使礦山生產(chǎn)維持在最佳狀態(tài)和最優(yōu)水平，從而大幅度提高礦山的采礦效率、降低采礦成本、改善經(jīng)濟(jì)效益，有效提高礦山企業(yè)的競爭能力。

（2）以李硯耕院士為首的重慶格德瑞重工智能裝備研究院科研團(tuán)隊(duì)，成功地開發(fā)了智能化礦山巷道掘進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)，并應(yīng)用到各類礦山巷道掘進(jìn)和采煤頂板切割設(shè)備中，可實(shí)現(xiàn)巷道的無人安全操作，減少對操作人員的身體傷害。并可獲得較準(zhǔn)確的巷道開挖斷面，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

（3）從我國整個(gè)鑿巖設(shè)備的生產(chǎn)情況來看，智能化的比例比起其他行業(yè)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)算不上先進(jìn)。希望通過這次將重慶格德瑞重工智能裝備研究院研發(fā)的智能裝備情況向各位同仁做簡略的介紹，能為全行業(yè)向智能化先進(jìn)水平邁進(jìn)起到拋磚引玉的作用，為行業(yè)邁向國際產(chǎn)業(yè)鏈的高端盡自己的綿薄之力。