自動找直找平技術在工作面的應用

薛振江，白建軍，趙 朋

(陜西陜煤黃陵礦業有限公司一號煤礦，陜西 黃陵 727307)

0 引言

《煤礦安全規程》要求綜采工作面工程質量達到“三直一平”的標準。普通綜采工作面采用鋪設鋼絲繩為依據，拉移液壓支架來調整工作面的平直度，由于受地質條件影響，職工需反復多次調整推移行程，來實現工作面“三直一平”的作業標準[1-2]。近年來，隨著科學技術的不斷發展，部分大型煤炭企業在綜采工作面實施智能化開采技術。在智能開采過程中，為提高液壓支架推移行程，保證工作面達到“三直一平”的作業標準。各大煤炭企業通過在推移千斤頂中安設行程傳感器，根據行程數據顯示，在巷道監控中心或地面人工遠程干預調整推移行程，來實現工作面的找直找平。

為進一步減人提效，從根本上解決地質條件對推移行程的影響，實現液壓支架自動找直找平，提高自動化水平和工作效率。天瑪公司與陜煤集團黃陵礦業一號煤礦共同開發研究出“機器人巡檢機構”，為自動找直找平開拓出新的途徑。

1 自動找直找平技術的現狀與存在難題

1.1 自動找直找平技術的應用現狀

近幾年來，煤炭開采技術裝備發展以澳大利亞、德國和美國等發達國家為主導。其中澳大利亞聯邦科學院開發的LSAC技術在目前自動找直找平技術方面較為成熟。其主要是由澳大利亞綜采長壁工作面自動控制委員會(Longwall Automation Steering Committee，LASC)開展的煤礦綜采自動化和智能化技術的研究。通過采用高精度光纖陀螺儀和定制的定位導航算法，應用于工作面設備，取得了采煤機三維精確定位(誤差±10 cm)、工作面矯直系統(誤差±50 cm)和工作面水平控制，完成了工作面自動化系統原型。通過鉆孔地質勘探和掘進相結合的方式，描繪工作面煤層的賦存分布，通過陀螺儀獲知采煤機的三維坐標，兩者結合實現工作面的全自動化割煤，該創新成果突破了煤巖識別難題，另辟蹊徑解決了采煤機準確割煤問題。LASC核心技術包括：采煤機的三維空間定位、自動工作面拉直、保持工作面平直、自動調高控制、3D可視化為遠程監控提供虛擬現實等。

我國煤礦在智能化開采方面以陜煤集團、神東集團為代表，在智能開采方面進行探索研究，形成了以采煤機記憶截割、液壓支架自動跟機及可視化遠程監控的安全生產新模式[3-4]，實現了在地面(或巷道)監控中心對綜采設備的智能監測與集中控制，將礦工的作業人數由過去的每班19人降為現在的7人作業，將礦工從艱苦的環境中解放出來。目前國內煤炭行業在自動找直找平方面就陜煤集團黃陵礦業一家進行工業性探索研究，通過與北京天瑪公司合作，另辟新徑，開發出“機器人巡檢機構”解決工作面自動找直找平的技術難題。

1.2 國內自動找直找平存在的技術難題

綜采工作面利用三維導航裝置，對工作面直線度實施快速檢測，國際上已有先例(如澳聯邦)，但導航裝置隨時間變化，精度誤差相對較大，價格相差也很大。目前安裝在采煤機上，運行速度慢，震動影響大，且導航器停止運行后，自檢校正時間要超過0.5 h，不適應現場工況，造成在煤炭工業上推廣價值也不大[5-6]。生產過程中，工作面粉塵較大，攝像儀效果不好，熱成像儀捕捉熱紅外信號，不受粉塵影響，可很好地實時觀測采煤機滾筒狀態，但熱成像儀成本高，采用常規的安裝固定視頻、跟機切換的方式不經濟，需要一臺裝置跟機移動采集。工作面目前采用固定視頻攝像、跟機切換方式監控，有時每2臺支架就要安裝一臺攝像儀，但實時監控只有8個畫面，造成工作面設備線纜多、投資大，系統復雜、通訊數據流量大，需要減少攝像頭數量。目前國內在這方面尚無成熟的技術和經驗。

2 黃陵礦業機器人巡檢機構及應用效果

2.1 機器人巡檢機構的構成

黃陵礦業公司開發的機器人巡檢機構采用礦用輕型刮板運輸機為基礎，根據采煤機兩側滾筒中心距設計，上面共安設8臺小車，每臺小車長度為0.52 m，每節連接機構為1.5 m，小車長度合計為4.16 m，連接結構長度為10.5 m，系統總長度為14.66 m，系統按照盡量減少減短各小車連接器長度的原則布置，每車上面安設有防護罩，防止在運行過程中，掉落的煤矸石損傷小車，同時小車之間選用4n/4c進行連接通訊，當小車相互錯開時，柔性保護套彎曲不會損壞。同時，為給機器人巡檢機構提供運行平臺，結合刮板運輸機電纜槽的結構形式，將巡檢機構運行平臺(輕型溜槽)固定在綜采面刮板運輸機上，用于工作面巡檢機構的行走。通過巡檢架構鏈條運行，使自動巡檢機構裝備跟隨采煤機自動巡檢，形成一條標準的“直線”為液壓支架自動找直提供數據依據。機器人巡檢機構組成框架及現場圖，如圖1、圖2所示。

圖1 機器人巡檢機構組成框架圖

圖2 現場安裝使用的機器人巡檢機構

2.2 關鍵控制技術

機器人巡檢機構采用變頻控制技術來調節巡檢機構的運行速度。其速度最高可達60 m/min。在正常運行過程中，采煤機通過CAN通訊的方式將采煤機運行速度傳輸至監控中心，監控中心將信息反饋至巡檢機構PLC，PLC及時調整巡檢機構運行變頻速度，實現采煤機與機器人巡檢機構同步運行；同時，在巡檢機構安設慣性導航系統，巡檢機構與采煤機巡檢過程中，形成一條“直線”，為液壓支架找直找平提供依據，當采煤機運行至機頭或機尾時，巡檢機構以60 m/min的速度對工作面進行一次快速巡檢，監測液壓支架拉移步距是否到位，運輸機是否平直，并將數據通過安設在巡檢機構的工業無線發射器發射，由安裝在液壓支架的無線工業接收器接收，通過光纖將其傳輸至監控中心，監控中心經過對數據快速分析，及時將分析的指令通過監控中心發給電液控制系統，使液壓支架進行自動調直。機器人巡檢機構控制技術結構原理圖，如圖3所示。

圖3 機器人巡檢機構控制技術結構原理圖

2.3 巡檢機構使用優勢

巡檢機構高清熱成像云臺對工作面采煤機前后滾筒運行視頻顯現的更加清晰，便調整工作面采煤機運行高度。通過紅外線攝像儀成像視頻，可對采煤機滾筒臥底量進行掌握，確保遠程操控員及時調整臥底量。采用慣性導航為液壓支架自動找直找平提供依據，使找直找平技術由人工干預到自動找直找平的升級。采用變頻調速，實現了巡檢機構與采煤機同步運行的功能。為其他煤炭企業研究自動找直找平技術提供了研究方向。

2.4 機器人巡檢機構應用效果

2018年7月“機器人巡檢機構”在黃陵礦業一號煤礦623工作面調試運行以來，其初步實現了巡檢機構跟隨采煤機全程監控采煤機，并運行至機頭機尾過程中對工作面進行快速巡檢，形成一條直線，為液壓支架自動找直找平提供依據，確保液壓支架拉移實現“精準”。

機器人巡檢機構運行以來，雖達到初步預想，但在運行過程中還存在機器人巡檢機構溜槽受液壓支架自動推移拉架影響，巡檢機構溜槽易出現脫槽現象，影響巡檢機構的運行，導致巡檢機構溜槽需1～2 d調整一次，嚴重影響巡檢機構性能發揮，建議將巡檢機構溜槽設計成懸掛式高強度可彎曲繩索，消除其受液壓支架自動拉架移架對溜槽的影響，確保機器人巡檢機構的正常運行巡檢。

3 結語

“機器人巡檢機構”具有快速巡檢、維護簡單、技術新穎等特點，為綜采工作面“三直一平”提供技術保證。目前，其雖初步實現了液壓支架自動找直找平的功能，但還存在一些缺陷，還需不斷改進提升才能發揮出其最大性能和追求目標。相信隨著科學技術的不斷發展，自動找直找平技術必將成為未來各大煤炭企業研究探索的重點項目，必將成為未來智能化工作面必不可少的裝備之一。