陳四樓煤礦智能化掘進工作面控制系統關鍵技術研究與應用

朱棟棟 李 猛 張 豪 王曉統

（1．河南能源化工集團永煤公司陳四樓煤礦；2．河南能源化工集團永煤公司車集煤礦）

煤炭占我國一次能源消費的65%，未來我國煤炭開采深度與難度越來越大，采掘作業是其最重要、最危險的生產環節，70%煤礦事故發生在采掘區。掘進工作面的瓦斯爆炸及巖層垮塌、突水等地質災害發生率高、偶然性強，對掘進礦工生命安全威脅極大［1］。現場作業安全性差和工人勞動強度高是綜掘巷道掘進作業存在的主要問題之一。目前大多數綜掘巷道都采用掘錨分離作業進行施工，在掘、支、錨、運一體化或成套化裝備未能大面積推廣之前，研究智能化掘進工作面控制系統對提升掘進工作面作業水平和降低工人勞動強度具有重要的現實意義。

陳四樓煤礦自2013年開始進行掘進工作面自動化建設的相關工作，首先進行掘進工作面可視化的相關研究；2015年10月份就煤巷工作面機械化、自動化建設開展了一系列工作；2017年提出了掘進機的遠程控制，并且進行了深入的探索和研究，在此方面積累了一定的經驗。

1 可行性技術研究分析

1.1 工作面亟待解決問題

為實現智能化掘進工作面控制系統的應用，需要解決狹窄受限空間下遠程數據傳輸、懸臂相對于機身姿態和位姿的檢測、工作面信息遠程可視化顯示和機身定位等問題。針對遠程數據傳輸問題，在井下巷道狹窄空間下，錨索和煤壁對數據傳輸存在干擾情況，并且在遠程傳輸時，傳輸距離也會對信號產生影響。傳統的無線信號傳輸方法或工業以太網傳輸方法的信號傳輸效果都受環境和距離的影響，需要尋找新的方法解決這些問題。

1.2 技術分析

針對懸臂相對機身的姿態檢測方法，目前常用的是內置或外置傳感器，采用在懸臂升降和回轉油缸內置磁致伸縮位移傳感器測量懸臂的俯仰角和偏航角，存在傳感器在高溫油中老化嚴重、可靠性較差和維護成本高等問題。采用懸臂外置靜態傾角傳感器測量懸臂俯仰角和偏航角，存在振動環境下精度差和易受煤灰、水、泥等影響使用的問題。采用慣性導航裝置測量懸臂俯仰角和偏航角，存在抗振性差、使用不便和成本高昂等問題［2］。掘進工作面信息遠程可視化僅實現了設備位姿的上位機顯示，從未實現井下巷道三維信息遠程可視技術。針對機身自主定位問題，國內相關廠家先后在井下進行了基于光電導航和慣性導航的相關試驗，但未形成經濟、可靠的相關產品。

2 工作面可行性條件

2.1 煤（巖）層賦存特征

陳四樓煤礦2901上順槽二2煤層厚度最大為2.8 m，局部受斷層影響最小煤厚為1.46 m，平均為2.37 m。煤巖類型：黑色，金剛、土狀光澤，斷口平坦，貝殼狀，粒狀及透鏡體結構，塊狀構造，以亮煤為主，含少量鏡、暗煤，半光亮型，內生裂隙發育。2901工作面整體為一單斜構造，工作面里段發育一寬緩的向斜褶曲，地層傾角為3°～24°，平均為15°。二2煤層特征情況見表1；二2煤層頂、底板巖性見表2。

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2.2 巷道斷面

巷道斷面為梯形斷面，巷道斷面設計尺寸為5 200 mm×3 200 mm（凈寬×凈高）；巷道先按照方位角358°施工852 m（平距），再按照方位角337°施工356 m（平距）至設計位置。巷道沿二2煤層掘進，見頂、見底，當煤層較薄時，可適當破頂、破底，保證巷道正中高度不低于3.2 m；當煤層較厚時，可適當留底煤施工，保證巷道中心最大高度不超過3.5 m，底板左右施工成水平。

3 主要控制系統技術

該項目以陳四樓煤礦2901工作面上順槽為研究對象，以掘進機、大跨距帶式轉載機、自移機尾為依托裝備，主要研究內容為掘進機工作面人員安全管控系統、狹窄受限空間下遠程數據傳輸及地面上傳技術、不同操作空間下控制技術等。將不同技術和裝備進行合理搭配，最大程度地提升視頻、機身位姿和三維掃面等多信息的準確性、實時性和融合度，實現真正意義上的機器自主決策為主的自主行走、自動截割和斷面自動成形控制，最終實現遠程實景重現的智能2901工作面上順槽。工作面智能化系統結構如圖1所示。

該項目的研究方法為理論與實踐相結合，充分利用現有的成熟技術以及通過一些新技術或新產品，通過現場應用，根據暴露出的實際問題，提出切合現場應用的方案，以解決遇到的實際問題。

3.1 掘進工作面人員安全管控系統

UWB無線定位系統主要由礦用澆封兼本安讀卡器、標識卡、礦用本安型聲光報警器組成，該系統可實現人與設備、設備與設備之間防碰撞報警，以解決井下采掘設備對人員擠壓碰撞的實際問題［3］。該系統可同時設置報警區與停機區，在不同的區域報警器發出不同的聲光報警信號，人員佩戴的標識卡通過震動和聲音發出報警提示信息，同時輸出對應的開關觸點信號，控制設備停止行走或停機。人員安全防入侵系統主要由熱紅外傳感器組成，可實現在一定范圍建立電子圍欄，檢測是否有人闖入。

UWB無線定位系統需人員佩戴相應標識卡才能實時定位人員位置，人員安全防入侵系統無法檢測闖入人員具體的信息?？紤]井下現場作業的復雜性，人員可能忘記佩戴標識卡而誤入工作面的情況，結合人員安全防入侵系統的特點，取2個系統的優點，建立一套完備的人員安全管控系統［4］。對未帶標識卡的人員闖入到設定報警區域進行語音警示，闖入到停機區域進行設備停機、設備鎖機等動作。對佩戴標識卡的人員，比如掘進司機、安檢人員，進入到設定的停機區域進行語音警示。通過以上2種檢測人員系統的融合，只需要對標識卡進行有效管理，即可實現2901工作面上順槽的人員安全管控。

對于2901工作面上順槽，UWB定位系統安裝在掘進機機身中央，人員闖入系統安裝在智能組合開關和自移機尾末端，2種系統各司其職，但又相互融合，實現2901工作面上順槽的人員安全管控。人員安全管控示意圖如圖2所示。

3.2 狹窄受限空間下遠程數據傳輸及地面上傳技術

掘進巷道空間狹窄受限且掘進作業過程中需要頻繁調動機身，為保證通訊的可靠性，擬采用無線+有線的組合通訊方式實現與遠程操作臺進行數據交互，可為操作人員在遠程離機操作時仍然能真實感知到現場的實時工況，提供數據支撐和決策依據［5］。利用多種通訊方式融合技術、跨網段地址映射技術將機載集成數據采集分站采集的各種系統信息實時地傳輸到遠程可視化作業操作臺。通過在機身上布置工業路由器和巷道懸掛4G基站、定向天線、配套電源、光纖電纜，實現掘進機與遠程操作臺之間的遠程數據傳輸。

2901工作面上順槽設備的控制數據、關鍵參數和工作面音視頻信息采用以太網、4G網絡、光纖的組合方式實現數據的遠程和地面傳輸。井下遠程控制臺作為井下數據終端，實現數據的就地顯示、存儲，也作為井下數據上傳的管理平臺。遠程控制臺含有光纖接口，可以直接通過光纖接入礦上環網系統，實現數據上傳功能。井下傳輸鏈路主要包括工業路由器、4G基站、基站電源箱、礦上環網交換機，各個傳輸鏈路的使用充分考慮現場的應用條件，保證整個傳輸鏈路可靠、穩定。遠程及地面數據傳輸鏈路如圖3所示。

3.3 不同操作空間下控制技術

（1）不同操作空間下設備控制模式。井下設備操作人員在不同地質條件、環境及安全因數下，需對設備進行不同空間的操作，以滿足安全掘進的需求。根據空間位置變換，目前井下設備的操作方式包括井下離機視距、井下離機任意距離超視距和地面控制3種。3種操作空間下，在單獨發射器實現視距和超視距控制無縫切換的基礎上，同時保證不同優先級的控制方式可以有序接入、自動識別、自動組網和實時控制。根據不同的工況需求，通過上位機可選擇人工操作、定位截割、記憶截割和自動截割模式，即實現機器決策為主、人工干預為輔的遠程可視化斷面成形控制。

（2）斷面自動成形控制技術。斷面成形控制指在一個循環截割內斷面輪廓自動成形控制，可在實現掘進機智能控制的基礎上完成斷面截割自動成形控制。利用懸臂相對機身的實時位姿信息，實現斷面在一定范圍內可人工干預的自動截割成形控制。在截割循環開始時，按照巷道斷面輪廓的工藝要求以及截割頭外形和初始運動參數，確立截割的初始軌跡。截割過程中根據工作面環境信息、煤巖情況以及整機工況參數調整截割參數和截割路徑，以保證最終按工藝要求完成斷面截割［6］。記憶截割指掘進機操作司機根據自己的截割習慣進行示教，控制器對操作人員操作懸臂運動軌跡進行記錄、存儲，同時上位機同步顯示司機示教時懸臂的運行軌跡。在進行下一循環截割時，操作人員直接調用已存儲的示教軌跡即可實現懸臂按照人員示教軌跡自動運行。懸臂擺動速度會根據截割反饋電流自動進行懸臂高速、中速、低速三擋速度調整，使懸臂擺動速度與巖石硬度變化處于最佳匹配。

（3）自移機尾自動跟隨控制技術。自移機尾處于掘進機后方，是掘進機與礦上運輸系統聯絡的重要環節［7］。通過對2901工作面上順槽設備行走順序、設備推進工藝研究，結合自移機尾特殊的行走方式，考慮自移機尾設備較長、關節較多等特殊情況，深入研究自移機尾隨動原理。2個以上設備自主移動時應考慮設備與設備位置關系、設備與巷道位置關系，防止設備發生碰撞危險。

4 實際應用效果

在陳四樓煤礦綜掘工作面掘進、錨護、運輸、通風、除塵、供電、供水等成熟工藝的基礎上，結合多年來對掘進工作面智能化建設的實踐探索，提出掘進工作面智能化建設的總體思路，符合開展“掘進工作面智能化建設”的指示精神［8］。項目實施后可實現掘進工作面智能化作業，可大幅提高工作面施工安全性、施工效率和施工質量，同時可向類似地質條件礦井進行推廣示范，產生長遠的社會效益。

該項目的研究成果能應用于市場上掘進機、連采機、掘錨機等所有類型機械的掘進工作面，不僅能提高掘進行業的整體技術水平，搶占掘進裝備領域的未來發展制高點，培養一批具有新思維、新理念的技術人才，而且為將來掘進工作面實現少人化、無人化提供技術儲備［9］。對該項目的各個系統進行裁剪、組合后，能滿足不同地質條件和場景的多種應用需求，同時將其與其他智能化系統進行集成，進而實現技術推廣和產生更大的經濟效益。

5 結 語

通過對智能化掘進工作面控制系統關鍵技術的研究與應用，總結形成了一套適用于陳四樓煤礦的掘進工作面智能化控制系統工藝技術體系，有效促進了煤礦生產，提高了作業效率，其創收效益非?？捎^。