井下無人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制關(guān)鍵技術(shù)的分析

潘承武

（中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新錳礦分公司，廣西 大新 532300）

開采井下深部礦藏資源，可使礦產(chǎn)資源生產(chǎn)與發(fā)展需求得到滿足，有利于緩解資源緊張形勢(shì)，但需要注意，深部礦藏資源開采過程中，應(yīng)合理的采用相應(yīng)的技術(shù)手段，促進(jìn)采礦量及采礦效率的提升，并保證生產(chǎn)的安全性，而科技人員與礦山企業(yè)的發(fā)展方向?yàn)闊o人礦山，使人們?cè)絹碓街匾暉o人采礦技術(shù)。無人采礦技術(shù)的誕生顛覆了傳統(tǒng)采礦工藝，可促進(jìn)采礦流程自動(dòng)化，使采礦效率得到提升，解決深部采礦的安全性問題。深部開采中應(yīng)用無人采礦技術(shù)后，其關(guān)鍵在于裝備導(dǎo)航及控制，因而要科學(xué)的選擇裝備導(dǎo)航及控制技術(shù)，以有效的實(shí)現(xiàn)無人采礦。

1 深井下采礦應(yīng)用無人采礦技術(shù)的必要性

礦山開采為解決資源供需矛盾的有效手段之一，但在井下采礦環(huán)節(jié)中，由于作業(yè)環(huán)境十分惡劣，再加上空氣稀疏、通透性差，易發(fā)生安全事故，尤其是未能良好防范安全問題情況下，使安全氣事故發(fā)生率進(jìn)一步提高，如坍塌、瓦斯爆炸等，嚴(yán)重影響井下采礦工作及工作人員安全。為使安全事故發(fā)生率降低，除將安全意識(shí)提升外，還應(yīng)積極應(yīng)用無人采礦技術(shù)，既避免人為因素引起安全事故，也可保證工作人員安全，促進(jìn)井下采礦特別是深井下采礦的發(fā)展。

2 井下無人采礦技術(shù)裝備導(dǎo)航與控制的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 采掘規(guī)劃技術(shù)

采掘規(guī)劃主要是指規(guī)劃資源配置方式，通過資源的最優(yōu)化配置，促進(jìn)采掘效率的提升。傳統(tǒng)情況下，該項(xiàng)技術(shù)轉(zhuǎn)化工作空間的初始狀態(tài)時(shí)，采用的為可行辦法及簡(jiǎn)單動(dòng)作，使其變?yōu)槟繕?biāo)狀態(tài)，但此種傳統(tǒng)方法缺乏充足的智能程度及自動(dòng)化程度，導(dǎo)致無人采礦技術(shù)的要求無法有效滿足。因此，還需要將采掘規(guī)劃技術(shù)的智能程度及自動(dòng)化程度積極提升，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化微機(jī)控制挖掘機(jī)路徑及軌跡規(guī)劃，使無人采礦的采掘規(guī)劃要求被充分滿足。

2.2 裝備定位與導(dǎo)航控制技術(shù)

井下無人采礦中，基礎(chǔ)性的設(shè)備為自動(dòng)化設(shè)備，只有這些裝備具備定位及導(dǎo)航功能時(shí)，作業(yè)過程中裝備才能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航控制，達(dá)到無人采礦的目的。近年來，移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中越來越廣泛的應(yīng)用激光雷達(dá)，并以此為基礎(chǔ)，將位置信息集成在其他算法中，標(biāo)定過程不存在情況下，依然可以有效的檢測(cè)、跟蹤井下障礙物，促進(jìn)井下采礦裝備系統(tǒng)提高精度及可靠性。井下采礦具有復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境（見圖1），環(huán)境中存在較多的礦質(zhì)粉塵，空氣稀少，可見度及通透性均比較差，使得井下采礦裝備不適合利用GPS系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)定位及導(dǎo)航控制。自研制出電磁引導(dǎo)控制方式后，該問題得到有效解決，低頻引導(dǎo)下，電磁場(chǎng)由電纜形成，借助電磁傳感器裝置，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)井下采礦設(shè)備，再與視覺信標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)相結(jié)合，達(dá)到自動(dòng)定位及導(dǎo)航控制井下裝備的目的。另外，井下裝備的定位及導(dǎo)航控制還可以采用超聲波傳感器，超聲波傳感器能夠測(cè)定井下移動(dòng)裝備距離巷道的信息，再經(jīng)分析獲取的信息，對(duì)移動(dòng)裝備的位置做出良好的控制，促進(jìn)定位及導(dǎo)航控制的精確度提高。

2.3 井下技術(shù)設(shè)備自動(dòng)控制技術(shù)

圖1 井下采礦環(huán)境

井下采礦發(fā)展過程中，作業(yè)環(huán)境的惡劣及復(fù)雜程度不斷提升，要想使無人采礦有效的實(shí)現(xiàn)，先要將井下技術(shù)設(shè)備的自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)。20世紀(jì)70年代時(shí)，我國(guó)開始研究鏟運(yùn)機(jī)視距遙控技術(shù)，通過該項(xiàng)技術(shù)，操作人員控制鏟運(yùn)機(jī)過程中，可在作業(yè)危險(xiǎn)區(qū)域范圍外以遙控方式實(shí)現(xiàn)，不僅能夠獲得良好控制效果，且井下采礦作業(yè)安全性得到保證。出現(xiàn)自動(dòng)控制技術(shù)及智能化技術(shù)后，研究人員越來越關(guān)注技術(shù)設(shè)備的自動(dòng)化控制。目前，井下無人采礦技術(shù)主要向著技術(shù)設(shè)備自動(dòng)控制水平提升的方向發(fā)展。井下無人采礦卡車由日本小松公司研發(fā)，該技術(shù)設(shè)備有機(jī)的結(jié)合了全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、耦合脈沖激光校準(zhǔn)制導(dǎo)系統(tǒng)，井下采礦作業(yè)時(shí)，卡車行駛路線若偏離標(biāo)準(zhǔn)行駛路線，告警信息會(huì)自動(dòng)發(fā)送到控制終端，將相應(yīng)的控制指令發(fā)出，保證卡車行駛路線回歸正常，促進(jìn)井下采礦的自動(dòng)化水平有效提升。另外，井下技術(shù)設(shè)備自動(dòng)控制技術(shù)研究中也比較關(guān)注通訊技術(shù)的應(yīng)用，融入通訊技術(shù)后，可向地表控制工作室傳輸設(shè)備控制及操作數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制井下鏟運(yùn)機(jī)的運(yùn)行與裝卸，而且可對(duì)鏟運(yùn)機(jī)運(yùn)行情況做出遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及診斷，提升無人采礦的安全性及穩(wěn)定性。

2.4 目標(biāo)跟蹤技術(shù)

井下移動(dòng)裝備為能移動(dòng)到指定工作地點(diǎn)，必須要跟蹤導(dǎo)航系統(tǒng)規(guī)劃的路線，而應(yīng)用目標(biāo)跟蹤技術(shù)后，可以有效地轉(zhuǎn)化規(guī)劃的路徑目標(biāo)點(diǎn)，變?yōu)橐苿?dòng)設(shè)備要制定的動(dòng)作，再由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化這些動(dòng)作，變?yōu)閳?zhí)行器控制信號(hào)，達(dá)到跟蹤移動(dòng)設(shè)備參考軌跡的目的。假設(shè)存在參考路徑情況下，研究采礦設(shè)備的運(yùn)動(dòng)學(xué)及位姿控制問題之后，將誤差方程建立起來，該方程中，相對(duì)參考路徑的角度誤差、位置誤差位姿控制器均包含。無線射頻跟蹤技術(shù)通過射頻方式，實(shí)現(xiàn)非接觸雙向通信，從而識(shí)別、數(shù)據(jù)交換及跟蹤不同狀態(tài)下的各類設(shè)備。該項(xiàng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)眾多，包含操作方便、具有較強(qiáng)的信號(hào)穿透力、工作距離長(zhǎng)等。芬蘭Sandvik公司研制出的地下鏟運(yùn)機(jī)應(yīng)用了TORO 0010C技術(shù)，該鏟運(yùn)機(jī)能夠自主操作運(yùn)輸、卸料，并可以半自動(dòng)控制鏟裝過程；日本三菱公司將礦石采掘軌跡自動(dòng)控制系統(tǒng)研制出來后，鏟斗大角度路徑的自由挖掘作業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)。

2.5 地形感知技術(shù)

井下采礦作業(yè)中，采掘?qū)ο髲?fù)雜多樣，既包含無規(guī)則性的巖石碎塊，還包含細(xì)砂粒、大顆粒砂，土層也千變?nèi)f化，即使采掘地點(diǎn)相同，鏟斗也可能會(huì)碰倒多種土壤性質(zhì)類型。為能全自動(dòng)化的采掘，地形成像能力是采掘機(jī)必須要具備的。現(xiàn)階段，超聲波技術(shù)、激光測(cè)距儀等均為可采用的地形感知技術(shù)。

2.6 運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)

路徑規(guī)劃好之后，工作裝置需據(jù)此自動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作，而實(shí)現(xiàn)這一目的的技術(shù)手段為運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)。實(shí)際上，可將采礦設(shè)備看成執(zhí)行器，其中包含的移動(dòng)部件有數(shù)個(gè)，通過力的方式相互作用于周圍環(huán)境，完成相應(yīng)的動(dòng)作。利用該項(xiàng)技術(shù)，美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)研制出一種挖掘機(jī)，此挖掘機(jī)可將裝車任務(wù)自動(dòng)完成，同時(shí)，兩個(gè)激光掃描測(cè)距儀安裝在挖掘機(jī)上，對(duì)卡車位置做出有效的識(shí)別與確定，并能進(jìn)行土壤面形狀的測(cè)量、障礙物的探測(cè)。通過挖掘機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可對(duì)挖掘土壤位置做出確定，并明確卡車卸載的位置，而且在挖掘點(diǎn)與卸載點(diǎn)之間，挖掘機(jī)還能自動(dòng)選擇最快速的運(yùn)動(dòng)方式，提升作業(yè)效率。

2.7 遠(yuǎn)程通訊技術(shù)

操作者操作井下裝備時(shí)，利用通訊系統(tǒng)，可獲得傳感器信息及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息，之后操作者向機(jī)器執(zhí)行器傳遞相應(yīng)的指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控的目的。另外，通信技術(shù)作用下，操作者可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下裝備狀態(tài)，必要時(shí)，經(jīng)人機(jī)接口操作井下設(shè)備。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，中國(guó)科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所研制出井下定位系統(tǒng)，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)方法的提出，礦井安全監(jiān)測(cè)技術(shù)問題為井下定位系統(tǒng)主要研究，具體包含移動(dòng)節(jié)點(diǎn)結(jié)合網(wǎng)關(guān)的精確定位方法、射頻信號(hào)強(qiáng)度基礎(chǔ)上移動(dòng)節(jié)點(diǎn)相對(duì)位置定位方法等，利用井下定位系統(tǒng)，可精確定位井下移動(dòng)設(shè)備，便于日常調(diào)度、災(zāi)害救援等工作的良好開展。

3 結(jié)語

井下開采中應(yīng)用無人采礦技術(shù)后，還需要科學(xué)的選擇裝備導(dǎo)航及控制技術(shù)，以能實(shí)現(xiàn)井下裝備的自動(dòng)化、智能化移動(dòng)及動(dòng)作，真正的實(shí)現(xiàn)無人采礦，促進(jìn)采礦效率及質(zhì)量的提升，并提高井下采礦的安全性及穩(wěn)定性。

[1]吳濤,張?jiān)迄i,楊曉偉等.固體礦產(chǎn)資源智能采礦關(guān)鍵技術(shù)研究[J].地質(zhì)與勘探,2017,53(03):558-564.

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