杜向陽

（潞安化工集團常村煤礦，山西長治 046000）

當(dāng)前，在綜掘工作面上，以掘錨一體機、二運轉(zhuǎn)載機和膠帶輸送機為主，但是，因為沒有一個統(tǒng)一的控制體系，使得各個設(shè)備都是在手動的控制下進行著各自的工作，因此，常常會發(fā)生因為同步不同步而造成的一些設(shè)備停工待機的情況，這不但會影響到綜掘工作的正常進行，還會大大降低綜掘工作的效率。

針對當(dāng)前綜掘工作面的現(xiàn)狀，我國多家煤礦公司開展了綜掘工作臺綜合控制的研究，相繼研發(fā)了綜掘工作面的智能化—人—機協(xié)調(diào)控制、智能化—無人綜掘等智能化控制，但這些控制都是局部小范圍的協(xié)調(diào)控制，很難在整體工作過程中形成全流程的整體控制[1]。為此，在深入剖析多個裝備協(xié)調(diào)工作過程的前提下，本課題擬構(gòu)建一套新型的綜掘工作臺智能調(diào)控體系，利用遙控集中控制技術(shù)，對各個裝備的工作狀況進行綜合，并結(jié)合“人—機—鏈”的協(xié)調(diào)工作機制，形成一套全新的綜掘工作臺智能調(diào)控體系[2]。

1 掘、運、支一體化智能控制系統(tǒng)

本課題提出的掘、運、支一體化控制系統(tǒng)，根據(jù)礦井下綜掘面的具體需要，能夠?qū)ΦV井下的地下環(huán)境進行智能感知，對掘—運—支裝置進行智能控制，對系統(tǒng)運行狀況進行自動巡檢，并對系統(tǒng)運行狀況進行自動監(jiān)測及故障預(yù)警，其總體架構(gòu)見圖1。

圖1 掘、運、支一體化智能控制系統(tǒng)

從圖1可以看出，邊緣感知層是其“眼睛”，其作用是對巷道內(nèi)的環(huán)境進行實時監(jiān)控，并建立巷道內(nèi)的地質(zhì)狀況分布模型，為巷道施工提供技術(shù)支撐。平臺決策層作為“大腦”，其作用是對各種監(jiān)控數(shù)據(jù)進行分析、判定，為掘進機的智能掘進、設(shè)備的自動支護等提供決策依據(jù)，以確保礦井下掘進面上設(shè)備的平穩(wěn)運轉(zhuǎn)[3]。裝備執(zhí)行層作為其“四肢”，其作用是接收決策層的決策信息，并對其進行有效的操作，從而達到多裝備協(xié)調(diào)操作，提升礦井下巷道施工的高效與穩(wěn)定。遠程運維層是整個監(jiān)控系統(tǒng)的“保姆”，它的作用是利用大數(shù)據(jù)的處理能力，對每一臺設(shè)備的工作狀況做出判斷，并給出整個生命周期的分析結(jié)果，從而保證設(shè)備的安全、可靠地工作。

在工作的時候，這個智能控制系統(tǒng)中，先要由邊緣感知層來對掘進地區(qū)的地質(zhì)狀況展開分析和總結(jié)，再將地質(zhì)狀況信息傳送到?jīng)Q策層，與此同時，設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀況感應(yīng)系統(tǒng)也將各個綜掘設(shè)備的操作參數(shù)信息傳送到了平臺的決策層，系統(tǒng)利用決策邏輯方法來對整個系統(tǒng)的總體運作情況做出決定，之后將決策結(jié)果傳送到了設(shè)備執(zhí)行層，從而對綜掘面的對應(yīng)設(shè)備進行智能截割、智能支護、遠程監(jiān)控等操作[4]。此外，在該系統(tǒng)中還設(shè)立了一個遠程運維層，它的作用就是對整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)狀況展開實時監(jiān)控，如果在設(shè)備的運轉(zhuǎn)條件發(fā)生了什么變化，就會立即發(fā)出警報，并對其故障位置進行準(zhǔn)確的定位，這樣就可以讓監(jiān)控人員在最短的時間之內(nèi)對其進行處置，從而降低由于裝置的停機維修而造成的對綜掘面掘進造成的沖擊，從而提高了裝置的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性以及掘進效率。

2 井下超前探測方案

該技術(shù)的關(guān)鍵在于對井下圍巖的情況進行實時的檢測與分析，它可以迅速地獲得在掘進工作面的前端有無隱藏的異常的地質(zhì)狀況，從而可以有效地處理由于小斷層、陷落柱、煤巖厚度變化等地質(zhì)狀況的變化所引起的生產(chǎn)事故；同時還可以迅速地對井下圍巖的硬度分布情況進行分析，從而為掘進機的連續(xù)智能截割和支護裝置的實時調(diào)整提供條件，提高了支護的穩(wěn)定性和可靠性[5]。

當(dāng)前，在煤礦井下超前探測中，最常見的有鉆探和物探兩種技術(shù)。目前，鉆探技術(shù)主要采用鉆孔采集巖樣，并對巖樣進行檢測，其檢測精度較高，但檢測速度較慢，無法適應(yīng)高速鉆井的需要。物探技術(shù)多采用瞬變電磁法、直流電法等，可迅速檢測出圍巖狀況，但其檢測準(zhǔn)確度仍有不足，無法滿足安全施工要求。為此，本課題提出了“物探與鉆探”聯(lián)合的技術(shù)思路，即采用物探對巷道掘進時的大范圍進行勘察，對于疑似部位則采用小范圍的鉆探迅速勘察，滿足巷道掘進時對圍巖狀況的快速感知要求，實現(xiàn)巷道掘進快速性與可靠性的統(tǒng)一。

3 自動掘進控制系統(tǒng)

潞安化工集團某煤礦目前采用的EBZ-220型掘進機，經(jīng)過對其進行智能改造和提升，已使其完全實現(xiàn)巷道掘進自動化，已經(jīng)可以完成視距遙控和遠程遙控的雙模式控制，可以自主決策、智能控制的懸臂式掘進機自動控制系統(tǒng)，它還擁有位姿測量、位姿補償、多參數(shù)感知、狀態(tài)監(jiān)測與故障報警、遠程遙控干預(yù)等功能，從而可以讓掘進機高精度定向、位姿調(diào)整、自適應(yīng)截割，此控制系統(tǒng)的應(yīng)用界面見圖2。

圖2 自動掘進控制系統(tǒng)界面

在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于激光掃描與多傳感器信息融合相結(jié)合的姿態(tài)測量方法，以保證姿態(tài)測量精度和姿態(tài)補償精度。通過在掘進機上加裝激光掃描器，獲得當(dāng)前巷道剖面的數(shù)據(jù)，通過對其進行坐標(biāo)變換、特征抽取，獲得巷道剖面的點姿坐標(biāo)值，再采用線擬合求出巷道兩側(cè)的剖面尺寸。根據(jù)所提取的兩個煤層表面信息，對煤層掘進過程中的巷道剖面中心線進行精確的位置運算，根據(jù)所建立的三維有限元分析方法，對巷道剖面進行三維重建，根據(jù)三維重建結(jié)果，實現(xiàn)對巷道掘進過程的三維重建[6]。在機體的后面，將參照點放入機體，可以得到機體與背面參照點的距離，進而可以對截割頭的截面鉆進距離及累積總掘進距離進行分析，最后對5個掘進機位姿參數(shù)進行自動測試，進而可以對其進行自動的巷道截面截割，其控制界面見圖3。

圖3 截割姿態(tài)控制界面

為確保截割系統(tǒng)的精確度，通過各種傳感器，利用計算機控制截割臂的旋轉(zhuǎn)和提升油缸，實現(xiàn)截割機截割器的自動截割。對于普通矩形巷道，遙控中心的計算機通過輸入巷道的寬度和高度，由計算機控制系統(tǒng)自動計算出巷道的特征點，實現(xiàn)了巷道掘進的工作軌跡的控制；如果遇到了梯形或者半圓拱形等不規(guī)則巷道截面，就可以將截面曲線模型輸入進去，構(gòu)建出特征值點，從而確定截割頭的工作軌跡[7]。

采用全自動的自動調(diào)節(jié)裝置，可以對掘進機的擺動速度進行調(diào)節(jié)。在對截割頭的總電阻進行分析的基礎(chǔ)上，根據(jù)截割頭力矩與功率的關(guān)系，可以得到截割頭外部負(fù)載所需要的截割功率，進而可以得到截割臂擺速、截割電動機電流與煤巖硬度之間的聯(lián)系，確保了自動截割操作的準(zhǔn)確性，其調(diào)節(jié)精度可以在30mm之內(nèi)。

4 遠程集控方案

掘進工作面環(huán)境惡劣、空間狹小、電磁干擾嚴(yán)重的條件下，如何保障信息傳輸?shù)目焖傩?、?zhǔn)確性，實現(xiàn)對各種裝備運行狀態(tài)的遠距離監(jiān)控，是本課題研究的重點。本控制系統(tǒng)為遠程集控方式，其核心由多機協(xié)同控制、供配電及通信、設(shè)備狀態(tài)自動監(jiān)控及故障診斷和主動安全保護4個部分組成。

4.1 多機協(xié)同控制

多機協(xié)作控制，是指從掘進到煤炭運輸?shù)恼w協(xié)作，以確保巷道施工的連貫性。在此基礎(chǔ)上，通過對巷道施工過程的全面梳理與優(yōu)化，提出了“超限處理”、“間隔報警”等集成調(diào)控技術(shù)，并在井下巷道施工過程中加裝了“自動導(dǎo)引”、“距離測量”等功能，保證了“掘—錨—運”一體化操作的精確性，達到“邊掘邊運”的目的。

4.2 供配電及通信系統(tǒng)

在供配電及通信方面，主要使用了多回路組合開關(guān)，從而達到對整個系統(tǒng)供電的集約化管控，防止單個供電模塊發(fā)生異常而造成整個系統(tǒng)的癱瘓，從而達到對設(shè)備運行進行集中的控制和管理的目的。本項目擬將5G技術(shù)應(yīng)用于巷道施工，并通過中繼與信號增強技術(shù)，克服巷道施工中存在的多源異質(zhì)信息相互影響，實現(xiàn)巷道施工中多源異質(zhì)信息的快速傳輸。在建設(shè)的過程中，要根據(jù)各地區(qū)的具體條件，采取差異化的通信方法，以保證通信的安全性和經(jīng)濟性。最后，利用“現(xiàn)場總線網(wǎng)+綜掘面WLAN+工業(yè)以太網(wǎng)”組成的遠距離數(shù)據(jù)通訊集控系統(tǒng)，一次訪問并集中控制綜掘智能監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，具備良好的可擴展性和高穩(wěn)定性。

4.3 設(shè)備狀態(tài)自動監(jiān)測及故障診斷

設(shè)備狀態(tài)自動監(jiān)測及故障診斷的最大目標(biāo)就是要對各個掘進設(shè)備的運行情況展開集中監(jiān)控，在此過程中可以預(yù)先感知到設(shè)備的運行異常，可以迅速地對其進行定位和處理，從而減少由于設(shè)備故障而造成的停機事故。該系統(tǒng)使用了一個分布式的數(shù)據(jù)處理模塊，它可以實時地監(jiān)控掘進設(shè)備的核心工作參數(shù)，并對出現(xiàn)的故障和異常發(fā)出預(yù)警。此外，該系統(tǒng)還會自動地產(chǎn)生一份設(shè)備的檢查報告，為設(shè)備的維修和保養(yǎng)工作提供技術(shù)支撐，從而有效地解決了傳統(tǒng)的維修工作沒有針對性、維修周期長、費用高的缺點。

4.4 主動安全保護

“主動式安全保護”是指將井下巷道施工區(qū)域按照安全級別進行分區(qū)，利用紅外線熱像儀以及井下的主動式定位技術(shù)，對施工區(qū)域進行實時監(jiān)測，在施工人員處于危險區(qū)域時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，提示有關(guān)人員及時撤離，在施工人員違反規(guī)定進入施工作業(yè)危險區(qū)域時，系統(tǒng)會自動停機，防止造成施工人員傷亡，從而達到對施工人員進行主動式安全保護，提升巷道施工的安全性能。

5 應(yīng)用情況分析

潞安化工集團某煤礦為放頂煤回采，以“孤島”開采為主，礦井內(nèi)工作人數(shù)較多，開采效果較差，目前掘進進尺只有4.7m/d，且掘進工作面一般配備18 名工人。在使用了井下智慧掘進控制系統(tǒng)之后，利用遠程集控技術(shù)、人—機—環(huán)協(xié)作控制技術(shù)等進行了全面地實施，對綜掘工作面多機協(xié)調(diào)操作進行了優(yōu)化配置，將掘進進尺提高到了5.9m/d。同時，將該工作面人數(shù)減少到12人，降低了33.3%，在安全得到了明顯的提高的同時綜掘效率也大幅提高，因此，它的應(yīng)用和推廣價值非常高。

6 結(jié)論

（1）新的采掘—運輸—支護一體化控制系統(tǒng)可對井下作業(yè)環(huán)境進行智能感知，對采掘—運輸—支護裝置進行智能控制，對系統(tǒng)運行狀況進行智能監(jiān)測及預(yù)警。

（2）通過對掘進機的智能控制，實現(xiàn)了對截割精細化的調(diào)節(jié)，使其調(diào)節(jié)精度達到30mm 以下，達到了智能化截割的控制要求。

（3）本系統(tǒng)可提高井下巷道綜掘效率25.5%，減少綜掘工作面操作人數(shù)33.3%，對提高井下巷道掘進效率和提高掘進安全性起到了非常關(guān)鍵的作用。