基于傳感器和遠程操控的采煤機系統作業分析

李志武

（山西汾西礦業（集團）有限責任公司雙柳煤礦， 山西 呂梁 033300）

1 探地雷達（GPR）技術的應用分析

探地雷達技術是當前較為先進的勘探手段之一，因體積小、質量輕，非常適合在空間緊張的地下硐室中作業，其無損探測和實時顯示連續剖面的特點可保證探地雷達探測工作的高效率，使得探測工作的成果客觀準確，且圖像資料簡單易懂，在眾多行業得到了廣泛使用。

1.1 GPR深度傳感器的應用

GPR已經在土木工程和地下工程中被廣泛應用。GPR的核心吸引力在于它是非侵入性和非破壞性的，并且可以提供地下特征的瞬時成像。基礎的探地雷達的原理涉及將能量傳輸到地面然后測量具有不同介電值的材料界面由此產生的反射。接收到的反射大小取決于地電導率和介電常數的大小和形狀目標、介電常數的差值以及一個邊界、空隙、腔體和其他介電界面可能引起脈沖回波的不連續性。通常在煤層中發現的地質特征地層特別適合雷達成像。這是相對于其主體地層來說，因為煤具有較低的導電率和較高的電導率介電常數。迄今為止，GPR尚未廣泛應用于煤礦煤層深度測量，這在很大程度上由于敏感的電子設備不能簡單適用于惡劣的煤炭開采環境以及調控GPR返回雷達信號的復雜性。GPR成功實施的關鍵要求煤炭測量系統使用信號處理將原始雷達數據轉換成合適的形式并立即被非專業人員利用。大多數商用GPR系統不適合地下煤挖掘（并不提供自動化的實時處理能力），因此常依靠經過培訓的運營商手動解釋離線的原始雷達數據，最終由傳感器的典型原始GPR輸出直接進入自由空間。主峰表示一個天線-空氣耦合特性，依據此特性可以有效地得知煤層與巖石的邊界導電率發生突變。但是，需要額外復雜算法處理原始雷達數據才能提供控制地層的煤層深度精確估計[1]。

1.2 探地雷達探測礦層位置及厚度

礦山開采過程中，為解決工作接續緊張問題，一般需要預先精確查明后續計劃開采礦層的可采價值，主要通過確定礦層厚度來計算出儲量大小。礦層與頂底板巖性差異較大時，可以利用探地雷達確定礦層上下界同探測位置的相對位置關系，由此得出礦層厚度的準確值及其變化，并計算出探測區域的礦層儲量供開采設計參考。如某煤礦開采時大力使用放頂煤技術，工作面上下順槽超前工作面煤壁幾百米掘進，通過向順槽頂板鉆孔計算放頂煤工作面的煤炭儲量，效率非常低，且準確性較差，增加了巷道頂板圍巖的破碎度，影響了正常的運煤和行人。而采用探地雷達技術向巷道頂板方向探測并沿巷道全長得到雷達探測剖面圖像，即可得到頂煤厚度值及其變化情況，對采煤工作影響小且準確可靠。圖1顯示了一個典型的地下采礦作業的視圖橫截面，目的是保持采煤機在煤層中遵循最佳的采礦視野，確定需要的煤炭厚度。

圖1 典型的地下采礦作業的視圖橫截面及傳感器位置控制

2 基于遠程控制的慣性導航與傳感系統

高瓦斯采礦是我國煤礦開采的重要難題，遠程控制的高壁采掘機被引入以前，主要采用露天煤礦（已露出煤層）形式操作開采。目前，隨著采掘機自動化水平的提升，連續運輸系統和基于遠程控制的慣性導航與傳感系統逐步被帶入到現代的煤礦開采當中。

2.1 需求側指導—慣性導航

所謂慣性導航，其基礎是要求平直，平行礦巷的分離必須符合巖土設計要求，這樣就必須要求挖掘機在其需求側實現采礦機器的位置和導航，以便可以及時地阻止開采和遠程控制。

國內外很多學者已經提出了許多方法用于橫向高壁采礦機械的指導。激光測量提供了精確的長壁機器位置的潛力確定，但與場地有關的問題，如能見度和視線范圍意味著一般的方法不是可能被應用的[2]。一些光電/機械鉆孔型測量方法已經被考慮應用到實際工作當中，但也受到實際的影響，例如，在一個非常惡劣的環境中需要準確的角度測量，但這具有極高的執行難度。使用傳統無線電的專用三角測量系統，在實際使用當中無法實現所需的機器位置準確度。所以，目前強烈建議鋪設少量GPR外部基礎設施來啟用位置感測系統（慣性導航），即使使用低頻率穿透覆土也可以實現很好的位置測量。

2.2 應用實例研究

GPR裝置應用于地下煤礦，該機被稱為長壁采煤機。主要目的是確定雷達單元傳感器是否可以用作煤礦開采中的地層場景控制。為此，基于GPR的傳感器被安裝在我國某大型煤礦中的一個長壁采煤機上。整個GPR處理系統由三部分主要組件組成：寬帶（800 MHz）雙基地脈沖雷達、數據處理單元和可視化系統[3]。完整的GPR系統第一個在表面上組裝和測試，并搭配慣性導航系統。

為了保障實際工作中的礦坑安全，該煤礦地下提前設有自動煤厚度潛力測量系統，以防止可能出現的安全事故。已知此礦巷的頂板與煤層之間地板是由灰分含量高的風化黏土層組成（70%～80%）的。實際測量當中，配有GPR的采掘機在切割時盡可能接近邊界，好處是煤質量很高，慣性導航的精確度較高。但是，在某些地區會開采到凝灰巖層，其周圍的煤炭產品的灰分含量急劇增加，這是在今后設計和實踐當中應該繼續優化的問題。

3 結語

地面穿透雷達（GPR）煤層厚度傳感器和慣性位置導航系統應用于煤層控制不僅涉及通信、位置和導航系統整合，還涉及了監控和故障排除，這均是本論文涉及但未詳述的關鍵問題。隨著自動化技術的不斷發展，這些問題將逐步解決，并且集成多傳感器的綜合控制系統將被認為是解決煤炭開采局限的有利手段。