煤礦井下巷道快速掘進技術的研究

柴 皓

（長治市煤礦技術服務中心，山西 長治 046000）

引言

隨著以采煤機為代表的自動化綜采設備的不斷投入應用，煤礦井下綜采作業效率得到了大幅提升。目前，巷道掘進主要依靠人工操作掘進機進行掘進作業，由于井下地質條件較為復雜，因此需要人工根據截割經驗不斷調整掘進機的作業姿態，從而保證巷道掘進效率和質量。這種掘進方式在實際應用中暴露出了掘進效率低、巷道成型質量差的問題，需要人工多次進行巷道斷面修整，極大地影響了巷道掘進效率。隨著自動控制技術的發展，一種新的煤礦井下巷道快速掘進技術——掘進機位姿自動監測與糾偏技術、巷道斷面智能成型技術的出現與應用，實現了掘進機巷道的自動成型作業。根據在煤礦井下的實際應用表明，掘進機位姿自動監測與糾偏技術能夠對掘進機狀態進行實時監控和調整，巷道斷面智能成型技術能夠實現掘進機的無人化智能截割作業，能夠將巷道一次成型率提升34.2%，將巷道掘進效率提升22.1%，對實現井下采掘平衡，提高綜采經濟性具有十分重要的意義。

1 快速掘進技術構架

掘進機在綜采作業過程中的工藝流程主要包括姿態調整、掏槽定位、巷道斷面截割、刷幫掃底、收煤幾個環節，其中掘進機的姿態調整精度和巷道斷面截割方式直接影響到掘進作業效率和斷面成型質量，因此對巷道掘進效率的提升應重點從掘進機姿態的監測和糾偏、巷道斷面的自動成型兩方面入手，同時需要增加掘進機故障自動監測技術，提升掘進機掘進作業的穩定性。煤礦井下巷道快速掘進方案整體架構如圖1 所示[1]。

圖1 井下巷道快速掘進方案構架示意圖

由圖1 可知，掘進機的掘進位姿檢測與糾偏技術主要是利用大量的傳感器設備對掘進機的姿態進行監測，然后利用組合定位算法及慣性導航位姿解算方法對掘進機的姿態進行確認，針對不同的姿態選擇不同的糾偏方案，從而實現掘進機的自適應糾偏。

斷面自動成型與自適應截割技術主要是通過斷面成型誤差分析、自適應截割控制和截割軌跡跟蹤技術來實現的。

掘進機的故障監測技術，主要指的是自適應診斷，包括全狀態故障診斷、容錯組合定位及動態位姿容錯控制，通過對各類運行狀態信息進行監控對比，確定掘進機的運行狀態，進而實現對故障的自動檢測和報警，提升掘進機的運行穩定性。

2 采煤機位姿糾偏技術

由于煤礦井下地質環境復雜，掘進機在掘進作業過程中受多種因素的影響，其位姿不斷發生變化，無法滿足掘進一致性的需求，目前多采用機器視覺定位、超聲波定位、激光定位、無線電定位等技術，但在應用過程中發現單一的定位方案受干擾嚴重，無法滿足快速、精確定位的需求，因此提出一種新的組合式的采煤機位姿定位、糾偏方案，其采用了捷聯慣性導航定位技術，整體定位糾偏原理如圖2 所示[2]。

圖2 組合式位姿糾偏技術原理

由圖2 可知，該綜合定位系統由4 個移動式捷聯慣導定位基站、4 個固定式捷聯慣導定位基站和設置在掘進機機身上的捷聯慣導設備構成。在應用過程中，通過對掘進機相對于坐標原點變化量的分析確定掘進機工作過程中的位姿情況，同時結合激光測距設備標定掘進機機身的模塊坐標值來確認掘進機的位姿狀態。

通過對掘進機位姿變化情況的統計，在掘進過程中最容易發生變化的姿態主要是懸臂的俯仰角和進給過程中的位置誤差，對懸臂俯仰角的調整主要通過控制懸臂執行油缸來調整，當系統確定俯仰角的偏差量后根據預設的對應邏輯，自動計算出執行油缸的調整量，然后輸出調整信號，控制對執行油缸的調整。對掘進機進給過程中位置誤差的調整主要依靠執行機構的液壓馬達，同樣是通過位姿檢測后輸出調整信號，滿足位姿調整需求。

3 巷道自動截割成型原理

煤礦井下巷道結構通常為半拱形，不同的截割軌跡具有不同的巷道成型效果，通過對多種截割軌跡的分析，最終確定采用“S”形截割路徑（在截割作業時從下到上進行截割），井下巷道斷面的自動截割原理如圖3 所示[3]。

在進行掘進作業時，系統首先讀取掘進機的絕對位姿狀態，然后根據捷聯慣導原理推算出掘進機截割機構相對于巷道的相對位置坐標[4]，設定截割切入點后截割機構根據預設的“S”形截割路徑進行自動成型作業。掘進機的自動成型作業還包括截割后的掃底、刷幫，從而有效保證了巷道的成型質量，滿足了快速、高效的截割作業需求。

圖3 巷道自動成形原理示意圖

4 掘進機故障自動檢測及應用效果分析

掘進機的故障自動檢測主要是依靠各類傳感器設備對掘進機運行過程中的截割轉速、位姿狀態、截割電流等進行監測，將監測結果和數據庫內的正常運行范圍進行對比，若參數超標持續時間超過5 s 則系統自動進行故障報警和故障數據分析，鎖定故障原因，提升掘進機的運行穩定性。

該巷道快速掘進技術方案通過對自動檢測技術的升級實現了位姿自動調整、智能截割作業和自動故障預警。根據在煤礦井下巷道的實際應用表明，采用新的快速掘進技術后，井下巷道的掘進速度由最初的5.2 m/d 提升到了目前的6.35 m/d，掘進效率提升了22.1%，掘進機掘進過程中的巷道一次成型率由54.9%提升到了目前的73.7%，比優化前提升了34.2%，掘進機工作過程中的停機維修時間比優化前降低了73.4%，顯著提升了井下巷道掘進效率和一致性。

5 結論

1）掘進機的掘進位姿檢測與糾偏技術主要是利用大量的傳感器設備對掘進機的姿態進行監測，然后利用組合定位算法及慣性導航位姿解算方法對姿態進行確認，從而實現掘進機的自適應定位和糾偏。

2）采用新的快速掘進技術后，井下巷道的掘進效率比優化前提升了22.1%，巷道一次成型率比優化前提升了34.2%，掘進機工作過程中的停機維修時間比優化前降低了73.4%，顯著提升了井下巷道掘進效率和一致性。