宋璟玥
(國家能源集團(tuán)寧夏煤業(yè)有限責(zé)任公司信息技術(shù)中心,寧夏 銀川 750001)
煤炭作為我國重要的能源,是提升我國經(jīng)濟(jì)水平,保障人們生活質(zhì)量的基礎(chǔ)。但在開采過程中,地質(zhì)條件、設(shè)備等因素制約了掘進(jìn)速度的提升。因此,應(yīng)用智能化機(jī)電設(shè)備尤為必要。
四維數(shù)據(jù)分析技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵在于GIS的有效利用。空間GIS系統(tǒng)在資源管理、測繪以及采集分類等方面具有重要的意義,而四維數(shù)據(jù)需要在點(diǎn)、線、面的空間GIS中引入時(shí)間維,針對(duì)地質(zhì)條件、掘進(jìn)情況以及設(shè)備應(yīng)用的具體狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)化的整合;充分發(fā)揮綜掘工作面的時(shí)空環(huán)境特點(diǎn),利用大數(shù)據(jù)、智能關(guān)聯(lián)技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析和采集,保證控制操作的科學(xué)性、有效性。通過智能化平臺(tái)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合化分析,使得操作人員能夠清晰、動(dòng)態(tài)化地對(duì)具體時(shí)空環(huán)境變化進(jìn)行控制、調(diào)節(jié),不斷提高礦山的管理水平,助力煤礦實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)、開采和快速掘進(jìn)的目標(biāo)。
對(duì)于綜掘設(shè)備來說,智能化、一體化的作業(yè)需具備整體性和協(xié)同性,確保后續(xù)截割、支護(hù)以及卸料的協(xié)同性作業(yè)。所以,在保障設(shè)備自動(dòng)化操作的基礎(chǔ)上,應(yīng)建立群組協(xié)同控制操作和多機(jī)組群空間坐標(biāo)系,為設(shè)備精準(zhǔn)定位、智能化導(dǎo)航奠定良好的基礎(chǔ)。在群組協(xié)同控制技術(shù)的背景下,實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)、傳感設(shè)備的實(shí)時(shí)及動(dòng)態(tài)化交互,及時(shí)解決協(xié)同控制過程中的多機(jī)同步操作?,F(xiàn)階段,隨著群組協(xié)同智能化控制技術(shù)的深入發(fā)展,無人化掘、護(hù)、錨聯(lián)合機(jī)組的應(yīng)用范圍也逐漸擴(kuò)大,利用機(jī)器人操作可對(duì)群組協(xié)同和遠(yuǎn)程控制技術(shù)進(jìn)行有效連接。
在開展多樣化的煤巷作業(yè)時(shí),由于掘、護(hù)、錨對(duì)不同設(shè)備的實(shí)際操作需求不同,可將作業(yè)工序分為巷道掘進(jìn)、臨時(shí)支護(hù)以及永久支護(hù)。智能化平臺(tái)通過收集綜掘作業(yè)過程中的各類不同設(shè)備及工序的數(shù)據(jù),對(duì)具體作業(yè)情況進(jìn)行合理化分析,從而對(duì)智能系統(tǒng)的機(jī)電智能控制以及截割設(shè)定進(jìn)行完善和優(yōu)化,發(fā)揮智能截割、自主糾偏的優(yōu)勢。對(duì)掘、護(hù)、錨協(xié)同性與錨固網(wǎng)多結(jié)構(gòu)的協(xié)同性效果進(jìn)行深入挖掘和探究,提出可行性的方案,制定支架調(diào)平和錨固裝備自適應(yīng)協(xié)同控制的措施,采用群組分布式智能算法,將掘進(jìn)、支護(hù)以及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)境有機(jī)結(jié)合,提升智能化管理水平。同時(shí)智能化群組協(xié)同控制技術(shù)的應(yīng)用能夠及時(shí)獲取邊緣感知層的信息,以搭建物理模型的方式優(yōu)化循環(huán)作業(yè),顯著提升工作效率[1]。
綜掘作業(yè)的巷道粉塵含量較高且能見度較低,人工操作時(shí)對(duì)設(shè)備的空間位置無法清晰掌握,導(dǎo)致操作的精確程度不高。井下機(jī)器人通過利用視覺測量、機(jī)器視覺以及物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)為依托的智能導(dǎo)航模式,能夠?qū)υO(shè)備的行為進(jìn)行有效控制,實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)操作。利用傳感器和激光能夠獲得視覺測量信息,采用PID控制算法迅速糾偏定位;搭建相應(yīng)的視覺智能控制系統(tǒng),借助深度學(xué)習(xí)功能的相機(jī)達(dá)到自主導(dǎo)航操作;將慣性導(dǎo)航和數(shù)字全站儀相結(jié)合,對(duì)掘進(jìn)設(shè)備位置進(jìn)行精確判斷,解決井下作業(yè)環(huán)境定位偏差大、掘進(jìn)施工質(zhì)量低的問題。
掘進(jìn)截割作業(yè)過程受煤巖硬度制約,對(duì)設(shè)備壽命和巷道成型影響較大。截割臂回轉(zhuǎn)速度不能自適應(yīng)調(diào)節(jié),勢必造成截割無法順利實(shí)施甚至發(fā)生安全事故。而組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用能夠解決上述問題。掘錨一體自適應(yīng)機(jī)組的智能控制系統(tǒng)利用組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)深入分析截割臂上升速度和速率,對(duì)錨機(jī)的具體運(yùn)行進(jìn)行合理判斷,對(duì)產(chǎn)生的差異性進(jìn)行有效判定,及時(shí)將獲得的參數(shù)信息上傳至控制平臺(tái)中。控制平臺(tái)依據(jù)偏量差計(jì)算油缸和電機(jī)調(diào)節(jié)量,將調(diào)節(jié)量轉(zhuǎn)為控制電信號(hào),保證執(zhí)行情況符合截割系統(tǒng)調(diào)控的要求。機(jī)組合理控制數(shù)據(jù)采集單元和監(jiān)測單元。其中,監(jiān)測單元在掘錨設(shè)備的幫助下,采用動(dòng)態(tài)化方式采集掘錨機(jī)的電機(jī)溫度以及截割轉(zhuǎn)速信息,并將采集的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容及時(shí)傳遞到礦用本安型的數(shù)據(jù)單元中??刂浦行耐瓿蓴?shù)據(jù)分析后將對(duì)設(shè)備的具體應(yīng)用情況進(jìn)行合理化的評(píng)估,對(duì)掘錨機(jī)下一階段的狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測,向電磁閥控制單元中發(fā)送預(yù)測結(jié)果,對(duì)單元下達(dá)相應(yīng)的指令操作信息,完成相應(yīng)的動(dòng)作。
由于該煤礦的井下巷道地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜,巷道內(nèi)圍巖硬度并不相同,存在截割時(shí)發(fā)生截割荷載力度隨時(shí)變化的風(fēng)險(xiǎn),因此,為提升掘進(jìn)機(jī)截割的安全性,應(yīng)依據(jù)不同的截割狀態(tài)對(duì)其作業(yè)進(jìn)度、截割速度和高度進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整。利用圍巖狀態(tài)自動(dòng)感知技術(shù)(如圖1所示)能夠有效改善該煤礦傳統(tǒng)的人工判斷造成的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、工作效率低的問題。以鉆探、物探相結(jié)合的方式,準(zhǔn)確、迅速獲取信息的同時(shí),具有感知性強(qiáng)的特點(diǎn)。在該控制系統(tǒng)中,可以實(shí)現(xiàn)空間物探透視技術(shù)對(duì)圍巖的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行綜合判定,從而以短距離鉆孔探測的方式獲得圍巖的實(shí)際狀態(tài),對(duì)截割作業(yè)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在勘探速度快、劃定區(qū)域精準(zhǔn),極大提升了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[3]。
圖1 快速掘進(jìn)智能化控制系統(tǒng)
掘錨一體自適應(yīng)控制系統(tǒng)分為電磁閥控制器、監(jiān)測單元和數(shù)據(jù)采集器。監(jiān)測單元的工作重點(diǎn)為合理運(yùn)用傳感器設(shè)備,實(shí)現(xiàn)掘錨機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、搖臂傾角以及電機(jī)溫度的動(dòng)態(tài)化監(jiān)測,得出的信息數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給電磁閥控制器與執(zhí)行電機(jī),對(duì)掘錨機(jī)的整體運(yùn)行狀況進(jìn)行信息調(diào)整和優(yōu)化。系統(tǒng)在信息調(diào)整的過程中通過控制截割臂升降速度、速率,并獲得數(shù)據(jù)信息后得出實(shí)際狀態(tài)與要求狀態(tài)的差值,及時(shí)將差值上傳至上位機(jī)內(nèi)部,由上位機(jī)依據(jù)偏差量計(jì)算電機(jī)和油缸的具體調(diào)節(jié)量。將調(diào)節(jié)量及時(shí)轉(zhuǎn)為控制電信號(hào),向電機(jī)和液壓系統(tǒng)有效傳遞,保證執(zhí)行結(jié)果符合截割要求,避免產(chǎn)生誤差以及調(diào)整失誤。
某礦的綜采面煤層坡度在5°以內(nèi),直接頂與老頂均為泥巖。煤層的普氏系數(shù)為3.巷道以錨網(wǎng)梁為主,頂錨桿采用6×6布置結(jié)構(gòu),幫錨桿的布置結(jié)構(gòu)為5×5.綜采面設(shè)有液壓錨桿鉆車、帶式輸送機(jī)、吊掛平臺(tái)等。由于實(shí)際工作中各項(xiàng)工作脫節(jié),無法有效連接,造成掘進(jìn)效率較低、工作安全效果較差。針對(duì)上述問題,為進(jìn)一步提高綜掘機(jī)械化、智能化程度,計(jì)劃采取智能化控制技術(shù),提高綜掘質(zhì)量。其中,綜掘機(jī)械化程度(%)=綜掘進(jìn)尺(m)/掘進(jìn)總進(jìn)度尺(m)×100%.
綜掘工作面機(jī)電控制系統(tǒng)由邊緣感知層、平臺(tái)決策層、設(shè)備執(zhí)行層和遠(yuǎn)程運(yùn)維層構(gòu)成。邊緣層能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)掘進(jìn)作業(yè)面的總體性把控,實(shí)現(xiàn)地質(zhì)、裝備的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)監(jiān)控,提升精確度,符合智能化切割作業(yè)對(duì)參數(shù)信息的控制化要求。平臺(tái)決策層對(duì)監(jiān)測信息進(jìn)行全面、系統(tǒng)性地把控,與設(shè)備的運(yùn)行情況相結(jié)合,保證截割工作滿足工作需求,能夠及時(shí)向掘進(jìn)設(shè)備發(fā)出調(diào)節(jié)控制信號(hào),實(shí)現(xiàn)綜采面各環(huán)節(jié)設(shè)備的合作和控制。設(shè)備執(zhí)行層通過傳遞控制調(diào)節(jié)信號(hào)的方式,做好后續(xù)的自動(dòng)截割、錨桿支護(hù)以及裝載卸料工作,達(dá)到設(shè)備同步運(yùn)行的目的。遠(yuǎn)程運(yùn)維層主要是針對(duì)所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行科學(xué)化、智能化的分析和整理,及時(shí)了解設(shè)備整體運(yùn)行狀態(tài),生成相應(yīng)的報(bào)告信息,在設(shè)備維護(hù)、設(shè)備調(diào)節(jié)和故障判斷方面具有重要意義。該智能化系統(tǒng)能夠有效解決綜掘工作面數(shù)據(jù)不清晰的問題,實(shí)現(xiàn)設(shè)備的一體化控制[2]。快速掘進(jìn)智能化控制系統(tǒng)由4個(gè)層面組成,分別為感知層、傳輸層、顯示層和控制層,見圖1.
1) 感知層運(yùn)用了掘進(jìn)工作面感知技術(shù),其功能分別為環(huán)境、設(shè)備、設(shè)備和設(shè)備之間、設(shè)備和人、已掘區(qū)以及未掘區(qū)感知等。
2) 傳輸層應(yīng)用掘進(jìn)工作面?zhèn)鬏敿夹g(shù),其功能分別為有線和無線傳輸。
3) 顯示層應(yīng)用掘進(jìn)工作面重現(xiàn)技術(shù),功能包括數(shù)據(jù)、音頻視頻、環(huán)境、設(shè)備、未知區(qū)域和已知區(qū)域重現(xiàn)等。
4) 控制層應(yīng)用掘進(jìn)工作面控制技術(shù),功能為遙控視距、遙控超視距、多設(shè)備協(xié)同控制、一鍵啟動(dòng)、自動(dòng)行走、自動(dòng)截割等。
只有做好新開挖巷道的支護(hù)工作才能提升巷道掘進(jìn)的安全性和可靠性。以往的支護(hù)方案采用人工鉆孔、人工放置以及錨固劑等方式,支護(hù)效率較低且需要大量的作業(yè)人員,安全性無法保障。所以,應(yīng)用智能化的支護(hù)方案尤為重要。該煤礦采取錨桿鉆車隨車自動(dòng)支護(hù)的方式。錨桿鉆車(如圖2所示)的優(yōu)勢在于能將智能錨護(hù)、自動(dòng)鋪網(wǎng)融合在一起,在錨桿鉆車右側(cè)的升降臂位置設(shè)置相應(yīng)的智能錨護(hù)模塊,以液壓控制的方式,達(dá)到自動(dòng)打孔、自動(dòng)裝錨桿的目的。錨桿的左側(cè)設(shè)有相應(yīng)的機(jī)械手臂,采用電壓控制的方式取放網(wǎng)片。在實(shí)際工作過程中以錨箱切換和鏈?zhǔn)藉^桿倉相結(jié)合的方式,實(shí)現(xiàn)智能化鉆孔和安裝錨桿,利用轉(zhuǎn)矩測量傳感器的方式監(jiān)測鉆進(jìn)速度和推力,調(diào)節(jié)鉆進(jìn)速度,避免在鉆進(jìn)速度發(fā)生改變時(shí)出現(xiàn)鉆頭磨損問題。智能支護(hù)方案能夠?qū)鷰r狀態(tài)進(jìn)行智能化、自動(dòng)化的感知,依據(jù)圍巖硬度及時(shí)調(diào)整系統(tǒng)內(nèi)部的鉆進(jìn)速度和硬度匹配信息,合理控制鉆井速度。除此之外,該設(shè)備還擁有錨固劑填裝機(jī)構(gòu),以啟動(dòng)控制的方式對(duì)錨固進(jìn)行自動(dòng)化填裝,借助獨(dú)立式的機(jī)械手臂合理鋪設(shè)錨網(wǎng),提高了鋪設(shè)效率和鋪設(shè)安全性。
圖2 錨桿鉆車示意
當(dāng)前,該煤礦已完成綜掘工作面機(jī)電智能化系統(tǒng)的改造工作,實(shí)現(xiàn)了綜掘工作面機(jī)電智能化控制系統(tǒng)的創(chuàng)新。智能化控制系統(tǒng)擁有學(xué)習(xí)功能,可形成自動(dòng)記憶。通過與原有工作方式對(duì)比,優(yōu)化后井下綜掘工作面智能化聯(lián)動(dòng)程度不斷提升,系統(tǒng)通過自主識(shí)別、自動(dòng)控制、故障診斷等方式,提升了工作效率。具體數(shù)據(jù)如表1所示。
表1 綜掘工作面優(yōu)化對(duì)比
在煤礦綜掘工作中應(yīng)用智能化控制技術(shù)不僅能提升煤炭的生產(chǎn)效率,還能為綠色發(fā)展提供支持。煤炭企業(yè)應(yīng)提高智能化控制技術(shù),積極采用多方面的智能化控制技術(shù),保證工作開展的科學(xué)化、動(dòng)態(tài)化,實(shí)現(xiàn)智能化控制技術(shù)和煤炭生產(chǎn)的融合性發(fā)展。