智能礦用井下機器人巡檢系統在曹家灘煤礦中的應用

白怡明

(中國煤炭科工集團 沈陽設計研究院有限公司， 遼寧 沈陽 110015)

0 引言

曹家灘井田地界處在陜西省榆林市北部，設計生產能力為1 500萬t/a，井下輸煤系統由3條帶式輸送機組成，分別為大巷帶式輸送機、二煤帶式輸送機和工作面順槽帶式輸送機。礦井井下傾角平緩，地質構造比較單一，容易開采。但傳統帶式輸送機人工巡檢存在以下劣勢:

1) 輸煤系統與環境監測、人員定位、設備管理、視頻等系統相對獨立，不能夠實現跨系統的指揮與調度，指揮效率有很大的提升空間。

2) 管理人員不能及時掌握現場的環境條件和突發狀況，發出的指令滯后，不能迅速得知故障原因。輸煤系統沿線人工巡檢有誤報或漏報的現象發生。輸煤系統距離長、環節多，當流程中的一個設備出現停機故障時，會對整個煤流系統造成停機的影響。

3) 外部環境復雜，井下大巷照度較低，煤塵較高，容易受到外來人員或重物的碰觸，影響帶式輸送機的正常運行，從而發生重大安全事故。

4) 礦井組織人員按照計劃對輸煤系統進行定期點檢與檢修。由于沒有很好地利用輸煤系統的過程數據，所以不容易發現設備的輕微異常，無法進行預知維修。

近年來，井下礦用長距離帶式輸送機以其輸送速度快、輸送量大的特點，被大量用于煤炭輸送工程。但井下帶式輸送機地處巷道環境，周圍情況復雜，安全隱患大，一旦遭到破壞損失就較為嚴重。隨著國家對智能化礦山的迫切需求，利用自動化的技術及裝備建設智能化井下開采，已成為國內煤礦行業智能化建設的發展方向。曹家灘煤礦秉承“少人則安，無人則安”的安全管理理念，按照國家智能化、現代化煤礦的要求，設計了一套KRXJ38型智能礦用井下機器人巡檢系統。

1 智能礦用井下機器人巡檢系統介紹

KRXJ38型智能礦用井下機器人巡檢系統是一套井下礦用帶式輸送機綜合智能化巡檢系統。它主要由3個子系統組成：托輥磨損實時監測子系統、沿線機器人報警子系統、主電動機軸承振動監測子系統。

為了保障井下帶式輸送機的安全生產和無故障運行[1]，設計采用先進的智能化技術，通過異構數據采集網關，對影響輸煤系統的數據進行特征抓取，并對抓取的數據進行融合與相性分析，最終把主煤流特征信息轉化后進入規則庫。此系統主要由機器人本體、基站、軌道和地面工作站組成。巡檢機器人搭載多種傳感器，實時采集現場的圖像、聲音、紅外熱像、溫度及多種氣體濃度等參數[2]。該系統協同監控帶式輸送機的整體工況和運行狀態[3]，分析主煤流系統的綜合效率[4]，并給出提效措施，可大大降低設備的故障率并減少人工成本，及時反映現場實際情況及設備運轉狀況，從而消除安全隱患[5]，使輸煤系統長期處于良好的連續運轉狀態，創造更大的經濟效益[6]。帶式輸送機參數見表1。

表1 曹家灘井下礦用帶式輸送機參數

2 智能礦用井下機器人巡檢系統的關鍵技術

2.1 輸煤系統托輥磨損實時監測子系統

該系統通過對托輥支架的振動監測和分析及對托輥磨損狀況的判斷，給出報警指示信號。整個系統由振動傳感器、數據采集器、信號網絡傳輸設備、上位機電腦等組成，可智能監測托輥突發故障及磨損狀況，并給出指示信號。圖1為托輥磨損實時監測子系統擬采用的架構圖。

托輥磨損實時監測子系統在托輥側方安裝振動傳感器，間距不大于30 m，每300 m設置1臺數據采集器，通過網絡傳輸至后臺上位機電腦。然后，判斷托輥的實時磨損狀態并發出指示報警信號,可以避免導致托輥發生故障引起火災或停機事故。

輸煤系統托輥磨損實時監測子系統技術參數如表2所示。

2.2 沿線機器人報警子系統

2.2.1 子系統組成

沿線機器人報警子系統由報警主機、防區處理單元、振動感應光纜、通信光纜、多種傳感器、報警控制服務器等組成，系統架構見圖2。

圖1 托輥磨損實時監測子系統架構

表2 托輥磨損實時監測子系統技術參數

圖2 入侵報警子系統架構

2.2.2 采集分析

井下礦用帶式輸送機地處井下大巷環境，地勢狹窄，周圍情況復雜，照度較低，防護外部人員或重物撞擊對于安全生產顯得尤為重要。設計中利用在井下礦用帶式輸送機金屬外框裝設的防爆軌道，使用防爆軌道式機器人代替人工沿線巡檢，進行環境檢測、聲音收集、成像，實現對現場危險氣體、安全隱患的檢測分析。通過對承載物傳遞給傳感光纜的振動信號進行實時、持續的監控，發現外部事故隱患，并發出報警提示。

1) 視頻采集分析。在井下礦用帶式輸送機的拉緊及中驅兩處關鍵位置增加了輔助視頻監控系統。每處設置4路可見光攝像機對關鍵部位進行監測，4路紅外熱成像儀對滾筒軸承進行實時溫度監測，以確保設備的安全可靠運行，對整個帶式輸送機運行系統的穩定運行起到關鍵的作用。防爆軌道安裝在行人側和非行人側，現場安裝2臺巡檢機器人，一臺機器人安裝在行人側，對行人側的托輥、沿線電纜及管路進行實時監測，發現問題后及時報警并存儲；另一臺機器人安裝在非行人側，機器人對非行人側的托輥、外部環境監測系統及束管氣體泄漏等進行實時監測。

2) 外部環境參數采集分析。機器人在運行中實時監測現場聲音，尤其是托輥聲音，對異常聲音發出警報，并實時存儲。監控室可以通過對音頻的回放分析托輥是否損壞，降低了傳統巡檢工人的勞動強度，提高了帶式輸送機的安全性，實現減員增效的目的。井下外部環境復雜，有多條氣體管道，氣體一旦泄露，存在重大的安全隱患。機器人通過搭載氣體探測傳感器，對現場氣體濃度進行實時監測為監測的氣體濃度達到設定值時，機器人會發出語音報警，并將實時位置上傳到控制室，用戶可到相應位置并及時進行分析處理，確保運輸系統的安全運行。機器人通過搭載紅外熱成像儀及在關鍵部位安裝固定紅外熱成像儀，對設備進行溫度監測。當監測溫度達到設定值時，機器人發出語音報警。

3) 區域振動感應分析。系統利用防區處理單元、振動感應光纜的采集信息，當外界振動或有應力作用時，其反射波長也會隨之發生變化。當確定外界振動的全變化過程時，可以判斷安全隱患的發生。通過光纖將光信號傳輸至報警主機，后臺的光纖信號處理器可以接受到光信號的變化，系統軟件進行識別判斷。通過對比環境因素和其他人為入侵引起的光纖光柵的振動和各種特征參量，過濾環境因素所造成的系統誤報，最終發出報警信號。

2.2.3 沿線機器人報警子系統技術參數

沿線機器人報警子系統技術參數見表3。

2.3 主電動機軸承振動監測子系統

井下礦用帶式輸送機的主電動機軸承在全生命周期運行過程中，其故障特性是一個逐漸發展的過程，從初級故障至故障加劇至軸承使用壽命結束。在此故障變化過程中，其振動也存在一種變化趨勢。通過找到該種趨勢特征值的變化，來評估主電動機軸承的運行及使用狀態。

系統采用振動傳感器負責采集現場電動機軸承振動實時數據，將振動信號轉化為電信號，并上傳至上位機。依據監測數據的故障頻率及幅值響應判定軸承的運行狀況。通過對通信運行數據的時域和頻域的分析，解析異常頻率特征在軸承運行狀態下的響應，結合其振動響應分析其頻率特征，以實現對軸承運行狀態的判定，從而達到監測主電動機軸承運行狀態的目的，并及時制定排查方案及處理措施，保證機組的穩定運行。同時，避免了傳統帶式輸送機主電動機軸承在運行過程中長時間靜止狀態后啟動運行，造成滾動體和內圈接觸區的微小損傷，在加劇振動后逐步惡化，最終影響軸承的使用壽命。系統架構如圖3所示。

3 智能礦用井下機器人巡檢系統的優勢

井下礦用帶式輸送機的安全生產和無故障運行是非常重要的，實現不間斷的安全運營，可確切了解設備的所有參數，預知性地了解設備的異常故障、磨損狀況及壽命預測，使管理人員可以提前預知機電設備可能產生的各種情況，預先做好應急預案，以達到合理安排生產和使用計劃、減少設備非計劃停機、降低維護成本的目的。智能礦用井下機器人巡檢系統的優勢為:

表3 報警子系統參數

圖3 主電動機軸承振動監測子系統架構

1) 該系統是一套綜合智能化巡檢系統，涉及到檢測、通訊等多種現代科學技術的融合。它對曹家灘煤礦的智能化礦山起到積極的作用。

2) 該系統協同帶式輸送機監控系統的整體工況和運行狀態，可通過數據變化的提前預警降低設備的故障率和人工成本，反映現場實際情況及設備運轉狀況，使帶式輸送機長期處于良好的連續運轉狀態。

3) 該系統可以使設備檢修的針對性更強，變故障修為狀態修，變人工巡檢為自動故障監視，減輕維護人員的工作強度，達到無人操作。此外，該系統還有利于提高設備的安全和健康運行，延長使用壽命，同時防止外來人員或重物的碰觸，消除安全隱患，保證連續生產，從而創造巨大的經濟效益。

4 結論

本文介紹了曹家灘煤礦井下帶式輸送機機器人巡檢系統的應用。目前該設計項目已經完成建設及安裝調試工作，正處在運行階段。系統充分利用了礦井智能化技術，將傳統帶式輸送機監控系統、機器人巡檢系統與智能化有機結合，異構聯動，達到“無人巡檢”的工作狀態,有效減少了管理維修人員不能實時了解托輥的磨損狀況、托輥損壞不能及時更換，管理人員人工巡檢有誤報或漏報的現象，防止外來人員或重物碰觸帶式輸送機影響帶式輸送機正常運行。在運行期間得到業主的一致好評，取得了巨大的經濟效益，為曹家灘煤礦井下輸煤系統的安全長時間運行提供了可靠保障。