谷 瑞

（晉能控股煤業(yè)集團浙能麻家梁煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000）

1 概況

麻家梁煤業(yè)14506 巷道設(shè)計長度1300 m，布置在4 號煤層中，煤層厚度平均6.3 m，煤層厚度變化較小，煤層中一般含3～5 層夾矸，其單層夾矸厚度0.20～0.65 m，平均0.35 m，夾矸總厚度平均小于1.40 m。煤層傾角最大11°，平均6°，賦存較穩(wěn)定。

14506 綜掘工作面采用三一公司生產(chǎn)的EBZ200掘進機組，在礦用5G 無線通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對掘進機智能改造[1-3]，具備自主導(dǎo)航、精準定位、坡度追蹤、自動截割、智能控制、工況監(jiān)測、故障診斷、環(huán)境監(jiān)測、危險區(qū)域人員識別、一鍵啟停等功能，實現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖巷及半煤巖巷自動化掘進，從而在少人、甚至無人操作下，完成高效、安全的井下掘進作業(yè)，最終實現(xiàn)煤礦井下掘進工作的全智能化、無人化目標。

2 綜掘工作面智能化改造

2.1 工作模式

（1）便攜式視距遙控

掘進機操作司機攜帶輕便的掘進機遙控器，在掘進機附近利用人眼觀察截割頭位置和進尺，控制掘進機的各種操作功能[4]。本模式功能主要用于掘進機司機臨時需要觀察現(xiàn)場情況和緊急情況下的工作處理。

（2）基于視頻圖像的無線遠程遙控

在此功能模式下，掘進機司機基于掘進面和掘進機機身安裝的視頻攝像頭畫面，獲得截割頭在截割剖面的位置，遠程操作掘進機，控制截割頭位置和進尺，進行掘進作業(yè)。

（3）基于激光定位的無線遠程遙控

在此功能模式下，視頻監(jiān)控畫面只是作為輔助參考位置，掘進機司機主要利于激光定位系統(tǒng)以及在遠程遙控控制臺上模擬顯示的截割頭相對截割面位置（如圖1），遠程操作掘進機，控制截割頭位置和進尺，進行掘進作業(yè)。

圖1 基于激光定位的無線遠程遙控

（4）基于激光定位的自動巷道斷面成形

斷面自動截割成形系統(tǒng)包括兩個功能，即自動截割成形和自動刷幫，前者控制掘進機截割臂按照設(shè)定路徑和步距自動完成斷面截割，而后者可進一步提高兩幫的截割控制精度以及修整斷面形狀。

在此功能模式下，每個截割循環(huán)開始時，掘進機自動進行位置校正，在設(shè)定起始位置點開始截割。同時，在截割過程中，根據(jù)機身位置偏移，自動對截割位置進行校正，最終自動完成截割成形和自動刷幫功能。

2.2 位姿監(jiān)測系統(tǒng)

為了獲取掘進機機身的絕對位姿參數(shù)，本系統(tǒng)采用激光掃描儀結(jié)合機身多傳感器數(shù)據(jù)融合的懸臂式掘進機位姿檢測方法。既充分利用激光掃描儀絕對位置校準，又利用了掘進機機身安裝的多傳感器實時數(shù)據(jù)，聯(lián)合工作，解決了高清攝像頭無法清晰觀測截割頭具體位置的缺陷。

（1）掘進機自身姿態(tài)

掘進機自身的姿態(tài)通過加裝在掘進機油缸里的磁致位移傳感器，通過升降、回轉(zhuǎn)、鏟板、后支撐油缸的位移變化值，從而讀取出掘進機當前的實時機身狀態(tài)，最終可以在上位機軟件中通過掘進機三維動畫，實時顯示出掘進機的自身狀態(tài)。

（2）掘進機絕對位置

掘進機機身絕對位置參數(shù)，如圖2，由三個角度參數(shù)和兩個距離參數(shù)構(gòu)成，即“機身偏向角α”“機身俯仰角β”“機身橫滾角γ”“機身偏向位移A”和“機身縱向位移B”。

圖2 絕對位置

2.3 可視化系統(tǒng)

視頻監(jiān)控[5]選用機載高清1080P 攝像儀，具有紅外補光技術(shù)，保證截割工作時的成像質(zhì)量。綜掘機機身安裝6 個攝像儀，牢固固定并安裝防沖擊防護罩（避免外物的拐碰及特殊條件下爆破的沖擊）；6 個攝像儀采取固定設(shè)計，減少攝像儀的人工挪移，方便纜線的保護。采用納米玻璃減小摩擦系數(shù)，阻止污染物駐留，澆封設(shè)計提高抗震性能。掘進機上設(shè)減震裝置，攝像儀采用電子減震技術(shù)，通過圖像補充減小截割過程中攝像儀的振動。

2.4 人員防護系統(tǒng)

通過在掘進機的后方5 m 處（位置可調(diào)）安裝紅外對射傳感器，在掘進機作業(yè)期間，一旦檢測到有人員誤入，立即觸發(fā)急停，避免危險事故發(fā)生。

2.5 自動截割

通過采集多參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)以及位姿測量和位姿補償?shù)慕Y(jié)果，通過數(shù)學(xué)建模，自動控制截割臂的回轉(zhuǎn)和升降油缸，截割出符合煤礦掘進規(guī)程要求的規(guī)整斷面。

2.6 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

掘進機安裝信號轉(zhuǎn)換器與巷道中間基站用無線信號連接，通過光纖連接環(huán)網(wǎng)將視頻和重要參數(shù)信息傳輸至遠程控制臺和地面控制中心，實現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的遠程實時監(jiān)控。

遠端控制中心對設(shè)備的工作環(huán)境及自身情況進行監(jiān)控展示，實時采集掘進機的電壓、電流、油溫等關(guān)鍵狀態(tài)信息，當數(shù)據(jù)超過門限值時，發(fā)出聲光報警。

2.7 軟件系統(tǒng)

（1）主界面功能

與機車車載子系統(tǒng)器建立通信；顯示綜掘機工作參數(shù)；采集遙控控制狀態(tài)；綜掘機車位姿檢測和補償；自動截割工藝控制；自動掃幫工藝控制；車載控制器狀態(tài)指示。

（2）綜掘機參數(shù)配置

綜掘機位姿檢測需要預(yù)知車體結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳感器安裝位置，從而能夠計算綜掘機位姿參數(shù)并在截割過程中由于機身位姿變化進行自動補償。

（3）位姿監(jiān)測

主要功能：多角度顯示綜掘機姿態(tài)；各油缸位移實時顯示；截割頭動畫實時顯示位置；實時顯示截割頭路徑坐標；綜掘機各個動作模擬動畫顯示。

（4）自動截割

主要功能：根據(jù)截割斷面尺寸和形狀自動計算截割路徑；實時顯示本循環(huán)歷史截割軌跡；實時顯示當前截割頭位置；顯示截割頭尺寸、截齒尺寸；自動掃幫。

（5）激光雷達圖顯示

主要功能：綜掘機航向角、俯仰角、橫滾角、左右?guī)途嚯x實時顯示；實時計算并擬合顯示綜掘機在巷道位置以及巷道中線；實時顯示截割深度；實時統(tǒng)計截割深度；動畫實時顯示截割頭進入煤壁深度；截割深度統(tǒng)計清零。

孕中期產(chǎn)篩指標中，AFP主要由胎兒肝臟分泌，可通過胎盤屏障和胎兒的膜屏障進入母體血清，在懷有開放性神經(jīng)管缺陷患兒的孕母血清中AFP水平可比正常妊娠高出80%以上；而在懷有唐氏綜合征患兒時，孕母血清中的AFP水平則比正常妊娠明顯降低。free-βHCG在妊娠8～10周達高峰期，于18周左右下降至穩(wěn)定水平，在懷有唐氏綜合征患兒的孕母血清中其含量顯著升高，在孕中期平均為正常妊娠的2倍。uE3是由胎兒腎上腺、肝臟和胎盤合成的一種雌激素，該指標水平隨著孕周的增加而增加，可反映胎兒的生長發(fā)育狀態(tài)。唐氏綜合征妊娠時，uE3水平較正常妊娠低29%，可能與胎兒發(fā)育遲緩有關(guān)。

（6）故障報警

主要功能：實時顯示當前報警參數(shù)；歷史報警參數(shù)顯示；報警查詢；報警信息提示。

（7）維修提醒

主要功能：設(shè)置維修計劃；維修計劃周期提醒；維修信息提醒；剩余時間提醒。

（8）動作提示

主要功能：實時提示當前綜掘機正在進行的控制動作；實時提示綜掘機當前狀態(tài)。

主要功能：實時顯示左右星輪壓力、一運壓力、液壓系統(tǒng)壓力、截割電流等工作參數(shù)。

（10）智能化掘進機配備數(shù)字孿生仿真監(jiān)控系統(tǒng)，并具備越界停機自動檢測系統(tǒng)，當掘進機自動截割時，系統(tǒng)可以檢測到掘進機周圍區(qū)域人員情況，一旦檢測到有人誤入掘進機作業(yè)區(qū)域，立即停機報警。

（11）地面調(diào)度室配備一套地面集控中心，通過光纜與井下控制臺連通，井下遠程控制臺和地面集控中心控制臺要求整體化設(shè)計，要求內(nèi)置系統(tǒng)軟件，可以實現(xiàn)井下掘進機3D 效果仿真監(jiān)控。

3 應(yīng)用效果

14506 綜掘工作面進行智能化改造后，綜掘機能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航、坡度追蹤和自動截割，掘進設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)單系統(tǒng)或單設(shè)備的遠程自動控制，同時具備危險區(qū)域人員接近識別與報警功能，集控平臺具備對巷道掘進設(shè)備進行遠程操控的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵啟停及智能操控。

巷道掘進過程實現(xiàn)全機械化作業(yè)，掘進速度滿足礦井采掘接替要求，掘進工作面生產(chǎn)班單班作業(yè)人數(shù)減為9 人。