王 凱

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責任公司，山西 沁水 048000)

隨著煤礦資源的大量開采，采用更加先進的開采設備及系統(tǒng)提高煤礦開采量已成為當前煤礦領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。礦用掘進機是煤礦開采中的重要設備，與采煤機、帶式輸送機等設備共同完成煤礦的開采任務[1]。當前市場上通用的掘進機設備智能化程度較低、所需作業(yè)人員較多，設計智能化集控系統(tǒng)已成為當前煤礦設備智能化升級發(fā)展的必然趨勢[2]。為此，以玉溪煤礦工作面掘進機為例，開展了礦用掘進機中智能化掘進集控系統(tǒng)的總體設計及關(guān)鍵分系統(tǒng)研究，完成了該系統(tǒng)的實際應用及評價，驗證了該系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，提高了掘進機的掘進效率及煤礦開采量，達到了預期效果，實際應用價值較大。

1 集控系統(tǒng)設計的必要性

以玉溪煤礦工作面掘進機為例。該煤礦采用四六制生產(chǎn)制度，檢修班不允許生產(chǎn)，而當前掘進工作面在檢修班進行檢修、防突檢測以及前移膠帶機尾等工作。但在實際掘進過程中存在以下問題：

1) 當前掘錨一體機機載鉆錨裝置無法滿足防突檢測鉆孔要求，新購一臺成本較高；

2) 增加帶式輸送機自移機尾無法實現(xiàn)減人增效；

3) 掘進斷面較大，支護作業(yè)規(guī)程要求一掘一錨，目前使用手持氣動錨桿鉆機進行支護作業(yè)，掘進機工作一個循環(huán)需要分為上下兩部分完成，工作效率低且現(xiàn)場作業(yè)人員安全系數(shù)較低。

因此，同時考慮先用于煤巷掘進，后期也可在巖巷掘進中使用，計劃采購1臺智能化EBZ200型懸臂式巖巷掘進機，配套原有的供電、運輸、通風及排水等設備，在1303工作面回風巷中設計一套集成于掘進機設備中的智能化掘進集控系統(tǒng),以實現(xiàn)掘進工作面的少人化，達到生產(chǎn)安全管理控制的目的。

2 集控系統(tǒng)設計

集控系統(tǒng)是整個EBZ200型煤礦掘進機中重要的組成部分，包括井下遠程集控中心和地面遠程集控中心。地面遠程集控中心得到井下遠程集控中心的授權(quán)后，在地面可以實現(xiàn)在井下的全部操作功能。井下遠程集控中心在緊急情況下可以隨時把操控權(quán)限切換到井下遠程集控中心。在掘進機本體中配備了傾角傳感器、慣性導航儀、三維掃描儀、紅外攝像儀、人員接近傳感器、油溫油位傳感器、語音對講設備和控制箱等智能化監(jiān)測監(jiān)控設備，實現(xiàn)掘進機的工況參數(shù)監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、設備精準定位、自主導航、智能截割、環(huán)境監(jiān)測等功能[3]。

在數(shù)據(jù)傳輸和集控方面，主要利用礦方的5G系統(tǒng)，將智能掘進機相關(guān)數(shù)據(jù)接入井下遠程集控中心，實現(xiàn)遠程控制與監(jiān)控。同時，集控中心的相關(guān)數(shù)據(jù)通過千兆交換機接入井下萬兆環(huán)網(wǎng)，接入地面遠程集控中心。通過智能化控制軟件，在井下遠程集控中心、地面遠程集控中心能夠?qū)崟r顯示掘進工作面現(xiàn)場的情況，監(jiān)聽現(xiàn)場聲音；同時設備工作狀態(tài)信息可以實時顯示在集控中心的顯示界面上；現(xiàn)場開放權(quán)限后，可以實現(xiàn)掘進工作面設備的井下集控中心或地面集控中心遠程操作控制，集控系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)架如圖1所示。

圖1 掘進機中集控系統(tǒng)網(wǎng)絡構(gòu)架

3 關(guān)鍵分系統(tǒng)設計

3.1 掘進機車身定位系統(tǒng)

掘進機車身定位系統(tǒng)采用三維激光掃描儀與激光陀螺慣性導航融合技術(shù)。三維激光掃描儀主要通過內(nèi)置的激光雷達掃描預定的相關(guān)標靶，將采集的點云數(shù)據(jù)發(fā)送至GPU圖像處理器進行模型構(gòu)建及計算。其中，該定位系統(tǒng)中的CPU處理器通過高速運算將三維激光掃描儀計算數(shù)據(jù)與激光陀螺慣性導航儀的航姿信息(航向角、俯仰角、側(cè)傾角、加速度等)進行融合處理，得到掘進機車身的姿態(tài)及位置信息，其原理如圖2所示。另外，車身位置信息結(jié)合截割臂升降、回轉(zhuǎn)、伸縮油缸位移傳感器通過車載控制器進行截割頭相對于巷道的位置信息[4]。截割頭位置信息是斷面自動截割成型的重要數(shù)據(jù)信息。車身姿態(tài)和位置信息是進行車身自主糾偏和防碰撞的重要數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)通過構(gòu)建完畢的掘進機模型可以得出截割機構(gòu)的俯仰角和回轉(zhuǎn)角。

圖2 慣性導航儀原理圖

3.2 斷面定義及路徑規(guī)劃設計

煤礦巷道斷面一般有弧頂、平頂、斜頂式三種，僅在弧線段數(shù)、直線段數(shù)和直線斜率方面有區(qū)別。基于以上特性，利用直線按間距分段和弧線按角度分段相結(jié)合的方法對斷面的輪廓在PLC內(nèi)進行模型搭建。另外，斷面自動成形分為逐行掃描階段和邊界掃描階段。逐行掃描完成斷面的初成形，邊界掃描完成斷面的精細化邊界修幫?？刂浦鹦袙呙栝g距可以對成形斷面的平整度進行調(diào)整。所設計的斷面定義及路徑規(guī)劃如圖3所示。

圖3 斷面定義及路徑規(guī)劃

3.3 環(huán)境監(jiān)測、安全保護關(guān)鍵儀器設備選型設計

3.3.1 粉塵監(jiān)測儀器選型設計

粉塵傳感器主要實現(xiàn)對煤礦井下呼吸性粉塵的在線監(jiān)測。傳感器具有呼塵分離效果好算法先進準確度高額定工作電流小傳輸距離更遠等顯著特點。為此，針對此工作面，在工作面上安裝了GCG1000(X) 粉塵濃度傳感器，傳感器數(shù)量根據(jù)監(jiān)測要求確定，粉塵傳感器主要技術(shù)參數(shù)有：①粉塵濃度測量范圍為0.1～500 mg/m3；②粉塵濃度測量誤差不大于±15%.

3.3.2 甲烷氣體監(jiān)測儀器選型設計

礦用低濃度甲烷傳感器主要適用于煤礦井下和其它具有爆炸性氣體(甲烷混合物、煤塵)場合，可用于井下大中型采掘設備和其它機電設備上，連續(xù)監(jiān)測設備附近風流中的瓦斯?jié)舛龋部捎糜诠潭▓龊?，當瓦斯?jié)舛冗_到或超過報警點時，傳感器立即發(fā)出聲、光報警信號。故選用了GJC4(B)型礦用甲烷傳感器，該傳感器采用高性能熱催化元件、微電腦數(shù)字技術(shù)和新型電子器件，性能穩(wěn)定，門限準確，反應迅速，精度高。使用方式采用人性化設計，軟調(diào)節(jié)技術(shù)，操作簡單，使用方便。其工作溫度為(0～40)℃，測量范圍：(0.00%～4.00%)CH4，響應時間≤20 s，傳感器工作電壓(9～24)VDC，傳感器的傳輸距離 ≤2 km.

3.4 危險區(qū)域人員識別技術(shù)分析

為提高危險作業(yè)區(qū)域人員的保護力度，設計了一種危險區(qū)域人員識別技術(shù)。該技術(shù)采用在掘進機車身上加裝熱釋紅外傳感器、精準定位等模式，對進入探測范圍內(nèi)的人員進行感應，對進入危險區(qū)域人員近感探測，開機前及運行過程中，監(jiān)測到人員時，5 m范圍內(nèi)停機，聲光報警器報警；同時，將誤闖信息傳遞至監(jiān)控平臺上，實現(xiàn)對相關(guān)信息的實時顯示及報警，危險區(qū)域人員識別示意如圖4所示。

圖4 危險區(qū)域人員識別示意

4 實際應用評價

為進一步驗證此掘進機中集控系統(tǒng)的綜合性能，按照《全省煤礦智能化建設基本要求及評分方法(試行)》要求，對該系統(tǒng)進行了實際應用及評價打分驗證。該系統(tǒng)在實際應用過程中，整體運行良好，智能化程度較高，系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性較好；建立了在地面以及井下建立遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)一鍵啟動及智能操作；同時，該系統(tǒng)自帶瓦斯傳感器，增加了粉塵傳感器，實現(xiàn)了對井下環(huán)境數(shù)據(jù)智能分析及檢測；也實現(xiàn)了整個掘進過程的自主導航、坡度追蹤和自動截割等功能；通過與錨桿鉆車的配合使用，實現(xiàn)全機械化作業(yè)，掘進速度滿足礦井采掘接替要求。經(jīng)玉溪煤礦相關(guān)人員評價，該系統(tǒng)的綜合評分為76.34分，相對較高，達到了工作面中掘進機的智能化掘進作業(yè)要求。

5 結(jié) 語

以玉溪煤礦工作面掘進機為例，在分析當前煤礦工作面掘進過程中存在問題的基礎(chǔ)上，開展了掘進集控系統(tǒng)的總體設計及關(guān)鍵分系統(tǒng)設計研究，并對該系統(tǒng)進行了實際應用評價。該集控系統(tǒng)運行良好，智能化程度較高，實現(xiàn)了整個掘進過程的多項自動控制及操作；整個掘進機設備的掘進效率明顯提高，達到了預期要求。該系統(tǒng)的應用設計有效支撐并完善了掘進機設備及整個工作面的智能化程度，實際應用價值較大。