杜偉

（山西保利鐵新煤業(yè)有限公司，山西 晉中 031302）

在煤礦井下綜采作業(yè)工作中，巷道掘進是非常重要的環(huán)節(jié)，該項工作通常又可細(xì)分為截割、支護、運輸?shù)榷鄠€方面，巷道掘進各個環(huán)節(jié)的高效配合是實現(xiàn)掘進效率和質(zhì)量提升的關(guān)鍵途徑。鐵新煤礦2301 材料巷掘進工作面，由于缺乏統(tǒng)一的安排和精準(zhǔn)的作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，導(dǎo)致實際工作過程中各個工序銜接相對較為混亂，對巷道掘進效率及安全性的影響也比較大。為有效解決此類問題，鐵新煤礦決定應(yīng)用智能掘進系統(tǒng)，以此為基礎(chǔ)做進一步分析探究。

1 概 況

鐵新煤礦2301 材料巷掘進工作面位于井下2號煤層三采區(qū)，北部距井田邊界188 m，緊鄰南續(xù)煤礦；西部為2301 運輸巷；南部為2 煤三采區(qū)回風(fēng)巷、運輸巷、軌道巷；東部距補2 鉆孔25 m。2301 材料巷工作面+555 水平，地面標(biāo)高+872.5—+1 020.0 m，井下標(biāo)高+552—+625 m，設(shè)計施工長度1 761 m，沿2 號煤頂板進行掘進。2301 材料巷煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆rTable 1 Coal seam roof and floor situation

2301 材料巷斷面形狀為矩形，掘進寬度4.8 m，高2.3 m，斷面積11.04 m2；巷道凈寬4.6 m，凈高2.2 m，凈斷面積10.12 m2，巷道布置如圖1所示。

圖1 2301 巷道布置關(guān)系Fig.1 Layout relationship of the 2301 roadway

2 原有施工方法及其問題

原2301 材料巷掘進工作面巷道掘進采用EBZ-160（II）型懸臂式掘進機掘進、裝煤矸配合帶式輸送機出矸的方法施工。工藝流程為交接班—安全檢查、敲幫問頂—施工準(zhǔn)備（準(zhǔn)備支護設(shè)備和材料、檢修設(shè)備、延皮帶、校核激光等）—掘進、運煤、灑水降塵—安全檢查、敲幫問頂—臨時支護—永久支護—質(zhì)量驗收。

此掘進形式存在以下問題：①整體工藝配套方面，掘、支、運、輔不平衡，制約了掘進效率的提高；②掘進機自動化、智能化水平低，掘進機不能遠(yuǎn)程遙控作業(yè)，難以實現(xiàn)掘進工作面迎頭的少人化和無人化，并且無自主定位和導(dǎo)航系統(tǒng)，掘進機司機根據(jù)激光指向儀打在工作面煤壁上的光點憑感覺截割斷面，巷道成型差；③采用氣動錨桿鉆機錨護，勞動量大、錨護效率低，且在空頂區(qū)下作業(yè)，危險系數(shù)高；④帶式輸送未實現(xiàn)機尾自移和張緊力自動控制；⑤各設(shè)備系統(tǒng)間關(guān)聯(lián)性不強，未實現(xiàn)集中協(xié)同控制，各設(shè)備均需單獨配備操作人員。

針對這些問題以及鐵新煤礦對智能掘進的需求，同時結(jié)合2301 材料巷掘進工作面煤層巖性、地質(zhì)條件以及巷道斷面設(shè)計參數(shù)等，設(shè)計一套智能化掘進工作面建設(shè)方案，提高生產(chǎn)效率。

3 智能掘進系統(tǒng)建設(shè)方案

3.1 工藝裝備配套

2301 材料巷為回采巷道，故掘進設(shè)備需適應(yīng)于煤巷掘進。2301 材料巷斷面形狀為矩形，巷道凈寬4.6 m，而掘支交替作業(yè)工藝要求巷道凈斷面寬度5.0 m 以上（懸臂式掘進機鏟板最小寬度3.0 m、液壓錨桿鉆車最小寬度1.3 m、懸臂式掘進機和液壓錨桿鉆車行進及錯車安全距離最小為0.7 m），故不宜采用懸臂式掘進機+液壓錨桿鉆車配套方式；橫軸式掘錨一體化設(shè)備適用于矩形大斷面煤巷掘進，2301 巷道高度較低，為2.2 m，故不宜采用橫軸式掘錨一化設(shè)備。

為適應(yīng)鐵新煤礦2301 材料巷中等穩(wěn)定頂板、巷道高度2.2 m、寬度4.6 m、矩形斷面形狀及類似條件煤層巷道掘進需求，結(jié)合該礦掘進月單進目標(biāo)和國內(nèi)外掘進裝備制造情況，確定裝備配套方式為懸臂式掘進機+錨桿鉆機+帶式轉(zhuǎn)載機+可伸縮帶式輸送機+邁步式自移機尾+除塵系統(tǒng)+集控中心等，如圖2 所示。

在實際運行過程中，懸臂式掘進機機載臨時支護裝置完成截割煤（巖）、迎頭臨時防護，通過錨桿鉆機完成一次永久支護，物料轉(zhuǎn)運至帶式轉(zhuǎn)載機（二運），再通過帶式轉(zhuǎn)載機，轉(zhuǎn)運至可伸縮帶式輸送機，除塵風(fēng)機在掘進機割煤作業(yè)時進行除塵工作。集控中心放置在巷道開口附近，對工作面掘進設(shè)備進行遠(yuǎn)程集中可視監(jiān)測與協(xié)同控制。

3.2 智能掘進系統(tǒng)

結(jié)合鐵新煤礦2301 材料巷實際情況，此次選擇EBZ-200 型掘進機，該設(shè)備由截割部、鏟板部、一運、行走部、臨時支護裝置、液壓系統(tǒng)、噴霧及冷卻系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等組成，除具有割、裝、運等基礎(chǔ)機械化功能外，還具有自動化、智能化功能，配套有掘進機遠(yuǎn)程智能控制系統(tǒng)，該掘進設(shè)備的控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。

圖3 掘進設(shè)備控制系統(tǒng)模塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Module structure of tunneling equipment control system

根據(jù)這些控制系統(tǒng)模塊，EBZ-200 型懸臂式掘進機具備自動截割、遠(yuǎn)程操控和危險區(qū)域人員接近識別與報警等功能。

（1）自動截割。自動截割控制系統(tǒng)可實時接收油缸內(nèi)置傳感器數(shù)據(jù)，對截割臂進行控制，完成拱形、梯形、矩形等多種形狀的斷面自動截割，實現(xiàn)懸臂式掘進機按已規(guī)劃好的截割軌跡自動截割成巷。

（2）遠(yuǎn)程可視化視頻監(jiān)控系統(tǒng)。通過在掘進機上安裝的攝像頭、傳輸站等相關(guān)設(shè)備，將掘進機工作時的音頻以及設(shè)備運行狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)利用有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至掘進機后方的遠(yuǎn)程操作臺，再通過環(huán)網(wǎng)全部傳輸至地面調(diào)度室，實現(xiàn)全方位的遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。

（3）自動定位和導(dǎo)向系統(tǒng)。自主導(dǎo)航系統(tǒng)采用組合導(dǎo)航方式，包括慣性導(dǎo)航和全站儀，以實現(xiàn)機身的定位和定向。自主導(dǎo)航系統(tǒng)包括巷道坐標(biāo)系下機身6 個自由度的實時數(shù)據(jù)，包括機身相對于巷道軸線的水平偏移、高度差、前進距離，以及機身的橫滾角、俯仰角和偏航角，使機器能夠?qū)崿F(xiàn)自主行走和自主截割操作。掘進系統(tǒng)中自主導(dǎo)航系統(tǒng)界面如圖4 所示。

圖4 自主導(dǎo)航系統(tǒng)顯示界面圖Fig.4 Display interface of autonomous navigation system

為實現(xiàn)對掘進設(shè)備的精準(zhǔn)定位，采用基于捷聯(lián)導(dǎo)航的定位模式，對掘進系統(tǒng)的關(guān)鍵部件進行定位。在此次智能掘進系統(tǒng)各個功能模塊全部設(shè)計完成后，將其應(yīng)用于日常開采環(huán)節(jié)中，對其應(yīng)用效果進行測試，采用的定位原理如圖5 所示。

圖5 定位原理Fig.5 Positioning principle

該定位技術(shù)模式下，操作按以下方式執(zhí)行：①角速度和加速度數(shù)據(jù)采集，使用陀螺儀來獲取角速度信息，使用加速度計來測量加速度；②姿態(tài)估算，利用角速度數(shù)據(jù)來計算姿態(tài)矩陣，這個矩陣描述了載體的朝向，從姿態(tài)矩陣中推導(dǎo)出姿態(tài)角，使用姿態(tài)矩陣來處理加速度數(shù)據(jù)，將它們從載體坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到導(dǎo)航坐標(biāo)系；③重力分量濾除，通過濾除加速度數(shù)據(jù)中的重力分量，得出機車的速度和位置信息。

結(jié)合定位系統(tǒng)檢測到的機身姿態(tài)及機身相對于巷道的位置信息，根據(jù)巷道設(shè)計中線，計算航向角及偏差距離，對懸臂式掘進機的姿態(tài)和航向進行自動糾偏控制。

（4）工況在線監(jiān)測系統(tǒng)。應(yīng)用傳感技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)，采用流量傳感器、油箱油溫、液位傳感器、電壓及電流傳感器、電機溫度傳感器、電機漏電傳感器、油路壓力傳感器、甲烷傳感器等裝置，實時采集工況信息，并將數(shù)據(jù)上傳至機載顯示器及遠(yuǎn)程集控中心，實現(xiàn)設(shè)備工況在線監(jiān)測。同時，根據(jù)這些信息可以進行工況分析及故障診斷，顯示故障來源、類型、原因等信息，為操作人員遠(yuǎn)程操作提供重要的決策依據(jù)。如圖6 所示。

圖6 工況在線監(jiān)控系統(tǒng)顯示界面Fig.6 Display interface of working condition online monitoring system

（5）人員接近預(yù)警系統(tǒng)。

基于UWB 測距方法的人員定位，重新設(shè)計了人員防入侵分系統(tǒng)，用于實時檢測設(shè)備與設(shè)備以及設(shè)備與人員之間的位置。通過在懸臂式掘進機安裝定位基站，人員佩戴定位卡，實現(xiàn)對設(shè)備周圍的人員精確定位，結(jié)合人員紅外防入侵技術(shù)，能夠提供安全預(yù)警和停機保護功能，應(yīng)對未佩戴標(biāo)識卡的人員進入工作面的情況。系統(tǒng)具備廣泛的報警范圍，最大可達(dá)100 m，支持設(shè)備聲光報警、標(biāo)識卡聲音報警和震動報警。此外，標(biāo)識卡可以進行分類管理，允許設(shè)置特殊權(quán)限，比如在危險區(qū)域內(nèi)駕駛員可以免于報警。

3.3 智能連續(xù)運輸系統(tǒng)

鐵新煤礦礦井主斜井主提升運輸系統(tǒng)選用DTL100/28/ 2×355S 型1 m 強力皮帶，提升斜長850 m，提升傾角20°，輸送機運輸能力280 t/h，目前已可以實現(xiàn)井下主運輸系統(tǒng)集控。輔助提升系統(tǒng)選用副斜井雙鉤串車提升系統(tǒng)，絞車型號為2JK-3×1.8A，副斜井全長760 m，傾角24°，擔(dān)負(fù)全礦的輔助運輸任務(wù)。副斜井安有一部RJKY55-32/1800 型架空乘人裝置，北翼架空人車巷與 2 煤三采區(qū)輔助運輸巷分別安裝RJKY55-32/1500 型架空乘人裝置用于運送人員。3部架空乘人裝置實現(xiàn)地面集控，井下自動啟停功能，斜巷與運輸設(shè)備實現(xiàn)閉鎖保護功能。井下大巷采掘順槽均安裝SQ 系列無極繩絞車輔助運輸。

2301 材料巷安裝DZQ80/30/15 帶式轉(zhuǎn)載機，并新配置一套DWZY800/1200 型掘進工作面用邁步式帶式輸送機自移機尾。自移機尾最前端導(dǎo)軌上分別為智能組合開關(guān)平臺、電纜架平臺等，機尾布置1 個滾筒座。自移機尾具有防退滑自鎖功能，且便于隨自移機尾移動靈活操作。自移機尾具備滑靴抬高、皮帶找平、機尾調(diào)偏功能等基本功能。自移機尾系統(tǒng)具有集中對外傳輸?shù)慕y(tǒng)一接口，各主要參數(shù)及傳感器參數(shù)均具有實時上傳功能，具備遠(yuǎn)控功能，通信鏈路采用有線和無線冗余配置方式。自移機尾的電控系統(tǒng)應(yīng)用開放通信協(xié)議和接口協(xié)議，可以接入礦方智能掘進集控系統(tǒng)，實現(xiàn)自移機尾的遠(yuǎn)程集控。

3.4 智能輔助生產(chǎn)系統(tǒng)

2301 材料巷采用壓入式通風(fēng)，選用2 臺FBDNo6.0/2×22 型局部通風(fēng)機，通過風(fēng)筒將新鮮風(fēng)流送入掘進工作面，實行“雙風(fēng)機、雙電源、自動切換”的運行模式。2 臺通風(fēng)機采用交叉耦合控制模式，確保其始終處于平穩(wěn)高效的運行工況下，控制模式原理如圖7 所示。

圖7 交叉耦合控制模式原理Fig.7 Principle of cross-coupling control mode

當(dāng)控制2 臺通風(fēng)機的電機分別以w1 和w2 的轉(zhuǎn)速運行時，控制器將通過傳感器設(shè)備讀取2 臺電機的轉(zhuǎn)速差，而后根據(jù)轉(zhuǎn)速差，為2 臺電機分別指定反饋調(diào)節(jié)系數(shù)K1 和K2，實現(xiàn)雙電機的協(xié)調(diào)控制。通過試湊法對整定耦合系數(shù)進行確定，確定鐵新煤礦整定耦合系數(shù)為140，兼顧系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性兩方面的需要。

鐵新煤礦2301 材料巷粉塵濃度不算高，且采用半煤巖巷掘進模式，因此選用KCS-500D 型礦用濕式除塵器，安裝于皮帶機自移機尾上，與自移機尾和智能化掘進機配套使用。

3.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞酵瓿蓪蜻M機、轉(zhuǎn)載機及掘進迎頭環(huán)境狀況的視頻監(jiān)控。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)傳送工作面圖像，操作人員根據(jù)頂?shù)装迩闆r、掘進機截割情況、各設(shè)備狀態(tài)等信息，必要時對掘進機進行遠(yuǎn)程干預(yù)。此次設(shè)計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由視頻攝像儀、視頻顯示器、工業(yè)以太網(wǎng)等設(shè)備組成，可在集控中心中心對工作面的視頻實時顯示，為工作面設(shè)備的遠(yuǎn)程控制提供依據(jù)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)分前端攝像部分、傳輸部分和顯示終端。

（1）前端攝像部分主要包括礦用本安型攝像儀（中低速/高速）、礦用本安型紅外球型云臺攝像儀、配套電源。

（2）傳輸部分。攝像儀的視頻數(shù)據(jù)通過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸?shù)揭曨l監(jiān)視器顯示。

（3）顯示終端。集控中心配備的礦用本質(zhì)安全型顯示器可以作為視頻監(jiān)控的顯示終端，配合專用的軟件可以實現(xiàn)視頻顯示，實時接收視頻攝像儀發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上的視頻數(shù)據(jù)流，動態(tài)解碼、實時顯示，可以同時顯示多路視頻信息。

懸臂式掘進機電控箱給機載視頻控制箱供電，視頻控制箱給攝像頭供電，同時對視頻信號進行采集處理，為數(shù)據(jù)終端提供數(shù)據(jù)接口，并實現(xiàn)所有視頻數(shù)據(jù)的就地存儲，視頻地面存儲時間不低于30 d。2301 材料巷配置的存儲硬盤至少可實現(xiàn)80 h 的視頻存儲，根據(jù)現(xiàn)場需求可配置容量更大的硬盤。

4 結(jié)論

（1）在此次智能掘進系統(tǒng)各個功能模塊全部設(shè)計完成后，對其應(yīng)用效果進行測試。整體來看，系統(tǒng)設(shè)備技術(shù)水平、系統(tǒng)設(shè)備智能分析能力以及遠(yuǎn)程集控平臺性能都達(dá)到了預(yù)期的水平，應(yīng)用效果良好，解決了鐵新煤礦采掘失衡、掘進效率較低的問題，提高了智能化程度。

（2）在當(dāng)前煤礦生產(chǎn)規(guī)模進一步拓展的大背景下，煤礦智能化掘進系統(tǒng)的應(yīng)用已是大勢所趨。通過應(yīng)用煤礦智能化快速掘進系統(tǒng)，其作業(yè)精度、掘進量等方面將得到進一步的優(yōu)化與突破。