＊高鵬翔

（晉能控股集團(tuán)同忻礦 山西 037000）

引言

在當(dāng)前國家能源緊張的大環(huán)境下，為確保我國能源安全，發(fā)揮煤礦行業(yè)在國家發(fā)展中的重要作用，是當(dāng)前亟須考慮的現(xiàn)實問題。煤礦智能化建設(shè)在提升煤礦生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率方面有顯著的效果，是我國當(dāng)前煤炭發(fā)展的重要方向。為此，構(gòu)建安全、高效、環(huán)保、智慧的煤礦，是我國煤礦工業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。結(jié)合礦井的生產(chǎn)實際，廣泛的引進(jìn)更先進(jìn)、可靠性更高的生產(chǎn)設(shè)備，同時整合工作面現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備，提升系統(tǒng)運行的效率，最大限度的確保工作面生產(chǎn)的安全性[1]。

掘進(jìn)機(jī)是實現(xiàn)煤礦智能化開采的重要裝備。提升掘進(jìn)機(jī)的機(jī)動性能、自動化及智能化水平，是煤巷掘進(jìn)與采煤技術(shù)持續(xù)革新的關(guān)鍵。掘進(jìn)機(jī)運動軌跡分析是巷道智能化建設(shè)的迫切需要。對此國內(nèi)的很多學(xué)者這方面進(jìn)行了大量的研究，如馮君玲等[2]應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行了縱軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭載荷情況影響因素的仿真分析；邢健[3]以CAN總線為基礎(chǔ)設(shè)計了掘進(jìn)機(jī)實時監(jiān)控系統(tǒng)并分析了其應(yīng)用；岳亞軍[4]研究了以云端技術(shù)為基礎(chǔ)的頂管掘進(jìn)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，并試著研究，怎樣建立應(yīng)用數(shù)據(jù)庫；張亞林等[5]研究了以慣性導(dǎo)航系統(tǒng)為基礎(chǔ)的掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)；王祝[6]研究了以機(jī)器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)的懸臂掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行自主定位的主要技術(shù)；徐嘯[7]探討了礦井巷道掘進(jìn)作業(yè)中智能化技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用；劉志強(qiáng)等[8]研究了復(fù)雜工況下的建井智能化技術(shù)；錢敏等[9]研究了礦井掘進(jìn)工作面存在的主要不安全行為與具體防控措施；于洋[10]研究了以智能化技術(shù)為基礎(chǔ)的掘進(jìn)工作面安全生產(chǎn)預(yù)警監(jiān)測技術(shù)；郝正強(qiáng)[11]研究了掘進(jìn)機(jī)自動截割的主要成形控制方法，并進(jìn)行了應(yīng)用分析。而目前已有的機(jī)器人步態(tài)研究主要集中在步態(tài)控制方面，缺乏對機(jī)器人的避障、路徑規(guī)劃等方面的研究。文章就EBZ160型隧道掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)改造作了較為詳盡的闡述，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了現(xiàn)場使用實驗。通過對EBZ160掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行智能化改造，使隧道的安全性能得到了顯著的改善、施工效率得到了顯著的提高、施工與支護(hù)技術(shù)得到了優(yōu)化[12]。采用多機(jī)器協(xié)作的方式，實現(xiàn)了掘進(jìn)巷道錨桿運輸安全智能操作的連續(xù)、快速和穩(wěn)定。

本系統(tǒng)在充分考慮工作面實際情況的條件下，對當(dāng)前工程建設(shè)的實際情況，工程設(shè)備的配置情況，當(dāng)前的智能化水平進(jìn)行了深入的分析，并結(jié)合最新的標(biāo)準(zhǔn)，完成智能掘進(jìn)工作面的建設(shè)，該系統(tǒng)具有可視化工程，可以在遠(yuǎn)程實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備控制，實現(xiàn)高危崗位無人化操作，大幅度提升工作面的生產(chǎn)效率和安全性，以高度的智能化水平推進(jìn)礦井的高質(zhì)量發(fā)展。

1.EBZ160型掘進(jìn)機(jī)組成結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

EBZ160型掘進(jìn)機(jī)作為工作面作業(yè)最重要的設(shè)備，其主要的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，該系統(tǒng)主要有13個關(guān)鍵的部件，包括液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)、裝載機(jī)構(gòu)等。掘進(jìn)機(jī)的參數(shù)如表1所示。

圖1 EBZ160型掘進(jìn)機(jī)組成示意圖

表1 EBZ160型掘進(jìn)機(jī)參數(shù)

2.EBZ160型掘進(jìn)機(jī)技術(shù)改造

本文主要從以下4個系統(tǒng)完成對工作面的智能化改造：掘進(jìn)機(jī)機(jī)載子系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)、掘進(jìn)工作面集控系統(tǒng)及智能轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。

(1)掘進(jìn)機(jī)機(jī)載子系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要組成為傳感器單元，主要用來采集距離、視頻等信息；姿態(tài)檢測單元，主要用來檢測掘進(jìn)機(jī)的姿態(tài)；同時包括遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制模塊和對應(yīng)的執(zhí)行單元等。

該系統(tǒng)利用三維36度全景激光雷達(dá)及參考定位標(biāo)志牌實現(xiàn)了對掘進(jìn)機(jī)的位置、姿態(tài)的實時監(jiān)控。本項目提出一種基于激光掃描與車身多傳感信息融合的懸臂機(jī)器人姿態(tài)探測新技術(shù)，在保證機(jī)器人姿態(tài)精度的前提下，充分發(fā)揮機(jī)器人多傳感信息的協(xié)同作用，有效地克服了傳統(tǒng)機(jī)器人不能清楚地觀測到機(jī)器人姿態(tài)精確定位不足的問題如圖2所示。

圖2 激光掃描儀示意圖

在該掘進(jìn)機(jī)上，裝有5套煤礦專用的本式粉塵攝像裝置，可對整個工作面進(jìn)行監(jiān)控，見圖3。該攝像機(jī)具有自動清潔的能力，實際安裝位視實際環(huán)境而定。通過礦井自動化網(wǎng)絡(luò)將視頻上傳到地面，技術(shù)人員通過控制中心的平臺頁面可以對任意一個攝像頭進(jìn)行訪問，實現(xiàn)了在地面的實時監(jiān)測、顯示和存儲，存儲的存儲期限不少于30天。在掘進(jìn)機(jī)的機(jī)體上裝有防撞傳感器，通過探測機(jī)體與煤面的距離來達(dá)到防撞的目的[4]。

圖3 攝像儀安裝位置示意圖

(2)網(wǎng)絡(luò)通信子系統(tǒng)

在掘進(jìn)機(jī)上分別安裝了信號傳輸基站與本安交換機(jī)，通過通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與控制系統(tǒng)之間的信息傳輸。圖4為數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D，數(shù)據(jù)采集端以無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至控制臺。

圖4 無線傳輸示意圖

(3)掘進(jìn)工作面集控系統(tǒng)

EC601-MJJ-SU-01煤礦本安遠(yuǎn)程發(fā)送機(jī)，可對各開關(guān)、把手的狀況進(jìn)行實時的檢測，并將其控制命令經(jīng)無線網(wǎng)傳送到EC601-MJJ-MU-01煤礦本安全車內(nèi)的無線電接收機(jī)。遠(yuǎn)程遙控平臺上配備兩臺顯示器，分別用來顯示系統(tǒng)控制軟件運行的參數(shù)信息和工作面視頻采集單元傳送過來的監(jiān)控畫面，圖5為遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺。

圖5 遠(yuǎn)程遙控平臺

(4)智能轉(zhuǎn)運系統(tǒng)

DWZY1000/2000緩沖床式皮帶機(jī)用自移機(jī)尾，該設(shè)備適用于各種皮帶運輸機(jī)，在掘進(jìn)面施工時，可以在支架上設(shè)置一體化的防塵裝置，防塵裝置可獨立移動，也可以和機(jī)架同步移動[5]。該液壓系統(tǒng)的動力源為掘進(jìn)面高壓乳化液如圖6所示。

圖6 智能轉(zhuǎn)運系統(tǒng)示意圖

3.應(yīng)用效果

由于煤礦地質(zhì)構(gòu)造和工作環(huán)境的特殊性，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中經(jīng)常會遇到不水平的情況。另外，因隧道開挖時巷道圍巖發(fā)生滲水，造成了隧道底板潮濕、淤泥的現(xiàn)象[13]。30102回風(fēng)順槽的主要成分為煤，該工作面的基本參數(shù)為寬×高，為5.6m×3.5m，采用多重聯(lián)合支護(hù)的形式，在對工作面完成智能化改造以后，得到了如下效果。

(1)作業(yè)工序影響時間對比

使用EBZ160型掘進(jìn)機(jī)，在掘進(jìn)過程中需要多次的往返作業(yè)，降低了生產(chǎn)效率，單次掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)退循環(huán)時間高達(dá)18min經(jīng)過智能化改造后，每一次掘進(jìn)周期僅需1次回撤，時間約為2min。施工過程縮短16min，顯著降低施工過程持續(xù)時間[6]。

(2)掘進(jìn)進(jìn)尺對比

采用EBZ160型掘進(jìn)機(jī)每天的掘進(jìn)距離為5m，在完成了智能化改造后，掘進(jìn)距離達(dá)到了8m，掘進(jìn)效率提升了60%。

(3)減少了工人數(shù)量

工作面的智能化改造對現(xiàn)場作業(yè)效率的提升起到了良好的效果，有效促進(jìn)了巷道掘進(jìn)與支護(hù)的協(xié)同，降低現(xiàn)場作業(yè)的施工人數(shù)。經(jīng)過改造前后的對比，改造后，工作面掘進(jìn)司機(jī)的人數(shù)比之前減少3人、皮帶工的人數(shù)比之前減少3人，最大限度的降低人工作業(yè)的風(fēng)險，同時智能化改造后顯著的提升了生產(chǎn)效率，確保了采掘工作、掘—支—錨工作的一體化進(jìn)行[7]。該工作面的工作模式以自動控制為主，并配備少量的技術(shù)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控與控制，從而確保在實現(xiàn)工作面人少的情況下仍能夠保持較高的掘進(jìn)效率。

4.結(jié)束語

通過對EBZ160型掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行智能改造，減少了工人人數(shù)，降低了勞動強(qiáng)度，保證了施工效率，增加了經(jīng)濟(jì)效益，降低了管理的工作負(fù)擔(dān)，提升了巷道施工效率，保證了施工的安全性。通過對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測，能夠?qū)崟r掌握設(shè)備運行狀態(tài)，并可以根據(jù)監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行有針對性的維修保養(yǎng)，防止突發(fā)故障造成的經(jīng)濟(jì)損失，從而實現(xiàn)了為類似礦井進(jìn)行智能建設(shè)提供指導(dǎo)的目標(biāo)。