薛振江，白建軍，趙 朋

(陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司一號煤礦，陜西 黃陵 727307)

0 引言

《煤礦安全規(guī)程》要求綜采工作面工程質(zhì)量達(dá)到“三直一平”的標(biāo)準(zhǔn)。普通綜采工作面采用鋪設(shè)鋼絲繩為依據(jù)，拉移液壓支架來調(diào)整工作面的平直度，由于受地質(zhì)條件影響，職工需反復(fù)多次調(diào)整推移行程，來實現(xiàn)工作面“三直一平”的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，部分大型煤炭企業(yè)在綜采工作面實施智能化開采技術(shù)。在智能開采過程中，為提高液壓支架推移行程，保證工作面達(dá)到“三直一平”的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。各大煤炭企業(yè)通過在推移千斤頂中安設(shè)行程傳感器，根據(jù)行程數(shù)據(jù)顯示，在巷道監(jiān)控中心或地面人工遠(yuǎn)程干預(yù)調(diào)整推移行程，來實現(xiàn)工作面的找直找平。

為進(jìn)一步減人提效，從根本上解決地質(zhì)條件對推移行程的影響，實現(xiàn)液壓支架自動找直找平，提高自動化水平和工作效率。天瑪公司與陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)一號煤礦共同開發(fā)研究出“機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)”，為自動找直找平開拓出新的途徑。

1 自動找直找平技術(shù)的現(xiàn)狀與存在難題

1.1 自動找直找平技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

近幾年來，煤炭開采技術(shù)裝備發(fā)展以澳大利亞、德國和美國等發(fā)達(dá)國家為主導(dǎo)。其中澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)院開發(fā)的LSAC技術(shù)在目前自動找直找平技術(shù)方面較為成熟。其主要是由澳大利亞綜采長壁工作面自動控制委員會(Longwall Automation Steering Committee，LASC)開展的煤礦綜采自動化和智能化技術(shù)的研究。通過采用高精度光纖陀螺儀和定制的定位導(dǎo)航算法，應(yīng)用于工作面設(shè)備，取得了采煤機(jī)三維精確定位(誤差±10 cm)、工作面矯直系統(tǒng)(誤差±50 cm)和工作面水平控制，完成了工作面自動化系統(tǒng)原型。通過鉆孔地質(zhì)勘探和掘進(jìn)相結(jié)合的方式，描繪工作面煤層的賦存分布，通過陀螺儀獲知采煤機(jī)的三維坐標(biāo)，兩者結(jié)合實現(xiàn)工作面的全自動化割煤，該創(chuàng)新成果突破了煤巖識別難題，另辟蹊徑解決了采煤機(jī)準(zhǔn)確割煤問題。LASC核心技術(shù)包括：采煤機(jī)的三維空間定位、自動工作面拉直、保持工作面平直、自動調(diào)高控制、3D可視化為遠(yuǎn)程監(jiān)控提供虛擬現(xiàn)實等。

我國煤礦在智能化開采方面以陜煤集團(tuán)、神東集團(tuán)為代表，在智能開采方面進(jìn)行探索研究，形成了以采煤機(jī)記憶截割、液壓支架自動跟機(jī)及可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控的安全生產(chǎn)新模式[3-4]，實現(xiàn)了在地面(或巷道)監(jiān)控中心對綜采設(shè)備的智能監(jiān)測與集中控制，將礦工的作業(yè)人數(shù)由過去的每班19人降為現(xiàn)在的7人作業(yè)，將礦工從艱苦的環(huán)境中解放出來。目前國內(nèi)煤炭行業(yè)在自動找直找平方面就陜煤集團(tuán)黃陵礦業(yè)一家進(jìn)行工業(yè)性探索研究，通過與北京天瑪公司合作，另辟新徑，開發(fā)出“機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)”解決工作面自動找直找平的技術(shù)難題。

1.2 國內(nèi)自動找直找平存在的技術(shù)難題

綜采工作面利用三維導(dǎo)航裝置，對工作面直線度實施快速檢測，國際上已有先例(如澳聯(lián)邦)，但導(dǎo)航裝置隨時間變化，精度誤差相對較大，價格相差也很大。目前安裝在采煤機(jī)上，運行速度慢，震動影響大，且導(dǎo)航器停止運行后，自檢校正時間要超過0.5 h，不適應(yīng)現(xiàn)場工況，造成在煤炭工業(yè)上推廣價值也不大[5-6]。生產(chǎn)過程中，工作面粉塵較大，攝像儀效果不好，熱成像儀捕捉熱紅外信號，不受粉塵影響，可很好地實時觀測采煤機(jī)滾筒狀態(tài)，但熱成像儀成本高，采用常規(guī)的安裝固定視頻、跟機(jī)切換的方式不經(jīng)濟(jì)，需要一臺裝置跟機(jī)移動采集。工作面目前采用固定視頻攝像、跟機(jī)切換方式監(jiān)控，有時每2臺支架就要安裝一臺攝像儀，但實時監(jiān)控只有8個畫面，造成工作面設(shè)備線纜多、投資大，系統(tǒng)復(fù)雜、通訊數(shù)據(jù)流量大，需要減少攝像頭數(shù)量。目前國內(nèi)在這方面尚無成熟的技術(shù)和經(jīng)驗。

2 黃陵礦業(yè)機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)及應(yīng)用效果

2.1 機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)的構(gòu)成

黃陵礦業(yè)公司開發(fā)的機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)采用礦用輕型刮板運輸機(jī)為基礎(chǔ)，根據(jù)采煤機(jī)兩側(cè)滾筒中心距設(shè)計，上面共安設(shè)8臺小車，每臺小車長度為0.52 m，每節(jié)連接機(jī)構(gòu)為1.5 m，小車長度合計為4.16 m，連接結(jié)構(gòu)長度為10.5 m，系統(tǒng)總長度為14.66 m，系統(tǒng)按照盡量減少減短各小車連接器長度的原則布置，每車上面安設(shè)有防護(hù)罩，防止在運行過程中，掉落的煤矸石損傷小車，同時小車之間選用4n/4c進(jìn)行連接通訊，當(dāng)小車相互錯開時，柔性保護(hù)套彎曲不會損壞。同時，為給機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)提供運行平臺，結(jié)合刮板運輸機(jī)電纜槽的結(jié)構(gòu)形式，將巡檢機(jī)構(gòu)運行平臺(輕型溜槽)固定在綜采面刮板運輸機(jī)上，用于工作面巡檢機(jī)構(gòu)的行走。通過巡檢架構(gòu)鏈條運行，使自動巡檢機(jī)構(gòu)裝備跟隨采煤機(jī)自動巡檢，形成一條標(biāo)準(zhǔn)的“直線”為液壓支架自動找直提供數(shù)據(jù)依據(jù)。機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)組成框架及現(xiàn)場圖，如圖1、圖2所示。

圖1 機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)組成框架圖

圖2 現(xiàn)場安裝使用的機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)

2.2 關(guān)鍵控制技術(shù)

機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)采用變頻控制技術(shù)來調(diào)節(jié)巡檢機(jī)構(gòu)的運行速度。其速度最高可達(dá)60 m/min。在正常運行過程中，采煤機(jī)通過CAN通訊的方式將采煤機(jī)運行速度傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將信息反饋至巡檢機(jī)構(gòu)PLC，PLC及時調(diào)整巡檢機(jī)構(gòu)運行變頻速度，實現(xiàn)采煤機(jī)與機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)同步運行；同時，在巡檢機(jī)構(gòu)安設(shè)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，巡檢機(jī)構(gòu)與采煤機(jī)巡檢過程中，形成一條“直線”，為液壓支架找直找平提供依據(jù)，當(dāng)采煤機(jī)運行至機(jī)頭或機(jī)尾時，巡檢機(jī)構(gòu)以60 m/min的速度對工作面進(jìn)行一次快速巡檢，監(jiān)測液壓支架拉移步距是否到位，運輸機(jī)是否平直，并將數(shù)據(jù)通過安設(shè)在巡檢機(jī)構(gòu)的工業(yè)無線發(fā)射器發(fā)射，由安裝在液壓支架的無線工業(yè)接收器接收，通過光纖將其傳輸至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心經(jīng)過對數(shù)據(jù)快速分析，及時將分析的指令通過監(jiān)控中心發(fā)給電液控制系統(tǒng)，使液壓支架進(jìn)行自動調(diào)直。機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)控制技術(shù)結(jié)構(gòu)原理圖，如圖3所示。

圖3 機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)控制技術(shù)結(jié)構(gòu)原理圖

2.3 巡檢機(jī)構(gòu)使用優(yōu)勢

巡檢機(jī)構(gòu)高清熱成像云臺對工作面采煤機(jī)前后滾筒運行視頻顯現(xiàn)的更加清晰，便調(diào)整工作面采煤機(jī)運行高度。通過紅外線攝像儀成像視頻，可對采煤機(jī)滾筒臥底量進(jìn)行掌握，確保遠(yuǎn)程操控員及時調(diào)整臥底量。采用慣性導(dǎo)航為液壓支架自動找直找平提供依據(jù)，使找直找平技術(shù)由人工干預(yù)到自動找直找平的升級。采用變頻調(diào)速，實現(xiàn)了巡檢機(jī)構(gòu)與采煤機(jī)同步運行的功能。為其他煤炭企業(yè)研究自動找直找平技術(shù)提供了研究方向。

2.4 機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)應(yīng)用效果

2018年7月“機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)”在黃陵礦業(yè)一號煤礦623工作面調(diào)試運行以來，其初步實現(xiàn)了巡檢機(jī)構(gòu)跟隨采煤機(jī)全程監(jiān)控采煤機(jī)，并運行至機(jī)頭機(jī)尾過程中對工作面進(jìn)行快速巡檢，形成一條直線，為液壓支架自動找直找平提供依據(jù)，確保液壓支架拉移實現(xiàn)“精準(zhǔn)”。

機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)運行以來，雖達(dá)到初步預(yù)想，但在運行過程中還存在機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)溜槽受液壓支架自動推移拉架影響，巡檢機(jī)構(gòu)溜槽易出現(xiàn)脫槽現(xiàn)象，影響巡檢機(jī)構(gòu)的運行，導(dǎo)致巡檢機(jī)構(gòu)溜槽需1～2 d調(diào)整一次，嚴(yán)重影響巡檢機(jī)構(gòu)性能發(fā)揮，建議將巡檢機(jī)構(gòu)溜槽設(shè)計成懸掛式高強(qiáng)度可彎曲繩索，消除其受液壓支架自動拉架移架對溜槽的影響，確保機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)的正常運行巡檢。

3 結(jié)語

“機(jī)器人巡檢機(jī)構(gòu)”具有快速巡檢、維護(hù)簡單、技術(shù)新穎等特點，為綜采工作面“三直一平”提供技術(shù)保證。目前，其雖初步實現(xiàn)了液壓支架自動找直找平的功能，但還存在一些缺陷，還需不斷改進(jìn)提升才能發(fā)揮出其最大性能和追求目標(biāo)。相信隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，自動找直找平技術(shù)必將成為未來各大煤炭企業(yè)研究探索的重點項目，必將成為未來智能化工作面必不可少的裝備之一。