礦用掘進機自適應智能控制掘進工藝的應用研究

祁世龍

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

掘進機是煤礦井下巷道掘進作業的核心，其工作的穩定性和效率直接決定了井下巷道掘進作業的可靠性和經濟性，由于井下地質條件復雜，因此掘進機在井下的定位精度差，掘進作業時需要根據井下實際情況人工進行不間斷控制巷道掘進，嚴重依賴于人工經驗和操控熟練程度，傳統的記憶截割控制方案僅能適應井下較為簡單的地質環境下的掘進作業，嚴重限制了井下巷道掘進效率。

結合井下巷道掘進工藝流程和實際需求，本文提出了一種新的礦用掘進機自適應智能掘進控制方案，從提高掘進機井下定位精度和智能截割效果出發，通過采用慣性導航+液壓推移式組合定位方案，對掘進機在井下截割作業過程中自動進行定位和修正。通過采用智能定向截割+自適應截割的控制方案實現了掘進機在不同地形條件下的智能掘進控制，其截割精度達到了±20 mm，井下定位精度提高到了±15 mm，極大地提升了井下巷道掘進效率和精度，具有極大的應用推廣價值。

1 組合式智能定向技術應用

煤礦井下地質條件復雜，信息傳遞將會受到較大的限制，目前應用較多的主要是利用慣性導航定位方案，定位方式比較單一，定位精度約為±100 mm，難以滿足精確定位的需求。通過對井下巷道掘進、掘進機運行精度的分析，若要滿足掘進機自動截割時的安全性需求，其定位精度不能大于±50 mm。因此在經過對多種定位方案的精確分析后，最終確定了一種新的組合式的智能定向技術，該技術主要包括了慣導+全站儀+行程傳感器綜合定位技術以及液壓推移式智能定位技術，具有定位精度高、可靠性好的優點。

1.1 慣導+全站儀+行程傳感器綜合定位技術

慣導+全站儀+行程傳感器綜合定位技術是將捷聯慣性導航技術[1]、執行油缸行程控制及數字全站儀綜合起來，對掘進機運行時的井下位置、截割角度信息進行綜合收集，將其傳輸到數字解算平臺內進行分析，輸出分析結果，然后將其與全站儀獲取的井下行程數據進行融合分析，從而快速確定掘進機井下位置的一種方案，具有數據分析精度高的優點，但數據分析速度相對較慢，該綜合定位原理如圖1所示。

圖1 井下綜合定位原理示意圖

1.2 液壓推移式智能定位技術

液壓推移式智能定位技術是將光纖導航、數字全站儀監測、執行油缸傳感器信息融合集于一體的井下高精度定位技術[2]，在工作的過程中首先通過光纖導航對掘進機運行時的速度和角速度變化情況進行分析，然后通過油缸的行程傳感器獲取執行油缸的推移量，然后利用數學分析迭代的方法對掘進機運行時的位置進行確認。

1.3 組合式智能定向技術

在實際使用時，掘進機的油缸行程傳感器和慣性導航在使用過程中會產生較大的累積誤差，而在使用時采用數字傳感器能夠精確地確定掘進機的位置，因此采用數字傳感器來對油缸行程和慣性導航進行不間斷的位置誤差調整，從而實現對掘進機井下工作位置的精確定位，液壓推移式智能定位原理如圖2 所示。

圖2 液壓推移式智能定位原理

采用將兩種定位技術相互結合的方式，能夠實現對掘進機在井下運行過程中的雙重定位分析，從而有效提升掘進機在各種環境下的定位可靠性，根據實際應用，采用組合式智能定向技術后，能夠將掘進機運行時的定位精度提升到±15 mm，完全滿足其自動截割的控制需求。

2 智能截割控制方案

為了解決煤礦井下地質條件復雜，人工截割控制效率低下的難題，本文提出了一種新的智能定向截割+自適應截割的控制方案，通過組合式智能截割控制，實現掘進機在煤礦井下的“無人化”截割作業，提高巷道成型效率和成型質量。

2.1 智能定向截割方案

智能定向截割控制系統主要包括截割機構位置測量模塊、控制器模塊等，通過對掘進過程中截割機構位置和截割角度的判斷，確定截割結構和巷道截面的相對位置，然后將實際位置和理論截割位置相對比，獲取偏差量，然后將偏差實時反饋給掘進機的掘進控制系統，通過模糊PID 控制的方案實現對掘進機行走機構、截割機構的精確控制，掘進機的智能定向截割控制系統結構如圖3 所示[3]。

圖3 智能定向截割機構示意圖

2.2 自適應截割方案

當掘進巷道處在夾雜著煤矸石、半煤巖的地質環境下時，定向截割控制存在著反應速度慢、截割靈活性差的不足，因此在該類復雜環境下，提出了自適應截割控制方案，以掘進機的截割臂擺動速度為控制量，通過利用數字遺傳優化算法來實現對掘進過程中電機輸出功率的靈活控制，在不同的硬度地層條件下，靈活調整截割轉速和截割速度，自適應截割控制如圖4 所示[4]。

圖4 自適應截割控制原理示意圖

2.3 組合式智能截割控制方案

在組合式精確定位和智能截割控制的情況下，通過對掘進機在井下的實際截割監測，其對巷道的截割精度達到了±20 mm，遠高于“無人化”自動截割控制所需的±50 mm，由于減少了截割作業過程中的停機、返修等，因此實際截割作業時的速度由最初的5.1 m/d，提高到了目前的5.79 m/d，效率提升了13.5%，對提升井下巷道掘進經濟性和安全性具有較為重大的意義。

3 結論

針對礦用掘進機在井下作業過程中導航精度差、無法進行自動截割的狀況，提出了一種新的礦用掘進機自適應智能控制掘進工藝，對組合式精確定位原理、智能組合式截割方案進行了分析，根據實際應用表明：

1）新的組合式的智能定向技術主要包括了慣導+全站儀+行程傳感器綜合定位技術以及液壓推移式智能定位技術，能夠將掘進機運行時的定位精度提升到±15 mm；

2）智能定向截割+自適應截割的控制方案，通過組合式智能截割控制，其對巷道的截割精度達到了±20 mm；

3）新的智能截割方案能夠將井下巷道掘進效率提升13.5%，極大提升了井下巷道掘進效率和精度，具有較大的應用推廣價值。