煤礦綜采工作面遠程可視化控制技術系統的研究

李志旺

（西山煤電馬蘭礦， 山西 古交 030200）

引言

綜采面周圍環境粉塵高、濕度大、噪聲大，嚴重影響作業人員的職業健康。同時，綜采面事故頻發，如礦頂垮塌、瓦斯爆炸、礦井洪水等嚴重威脅人員的生命安全，但是綜采面又涉及開挖、支撐、運輸、勘探和通信等各種重要作業，不能減少人力數量和工作強度，因此采礦面成為煤礦災害的高發地區[1]。為了解決這些困擾綜采面安全高效生產的問題，普遍的共識是依靠自動化和智能技術來解決。為此，對煤礦綜采面進行了更多的探索，相關的成功經驗值得綜合參考[2]。基于當前綜合采礦面的各種研究成果，結合目前的客觀技術要求以及玉溪煤礦現狀，本研究提出了新的可行的技術途徑，即煤礦綜采工作面遠程可視化控制技術系統。

1 遠程視覺控制系統

隨著煤炭工業的復蘇，無論是對持續開采的需求，還是對安全高效生產的需求，提高全機械化開采的自動化和智能化水平都勢在必行。包括進一步提高傳動設備單機自動化水平，提高配套機械化，開展原煤運輸、材料運輸、道路通風、航向面除塵等自動與智能系統的集成研究。基于煤礦綜采面的成功經驗，提出了一種滿足當前技術水平、滿足煤礦地下作業需求的“遠程視覺控制”技術體系。從可視化遠程干預型智能化采煤關鍵控制技術的關鍵邏輯示意圖（見圖1）可以看到，控制系統涉及許多專業領域和類別。

圖1 可視化遠程干預型智能化采煤關鍵控制技術的邏輯示意圖

綜采面的“遠程可視化控制”是多種技術的集成，必須建立一個完整的遠程監控系統。這意味著視覺、狀態數據、控制命令等的實時交互。需要在遠程（地面或地下監測中心）與航向面周圍的每個設備之間進行操作。綜采面上的每個獨立設備都要有一定的自動化和智能基礎，以確保現場作業的自動協調和保護[3]，主要包括成套設備的協調控制、智能切割等關鍵技術。

2 對關鍵技術問題的探討

2.1 綜采面WLAN 協同控制技術

對于機械化綜采面，設備具有較大的移動范圍和強機動性。通過無線接入地下環網是一種相對可行、比較方便的方式。通過“設備現場總線網+WLAN+礦山工業以太網”的方法，實現了全機械化綜采面的數據交換和上傳。綜采面的WLAN 優先選擇工業4G專用網技術，以滿足高帶寬、移動接入穩定性、網絡調度和可擴展性的需求。

全機械化綜采面的自動化控制對象不僅是單臺機器，而且是將整個面作為整體來協調控制。例如，在快速傳動系統中，它已經能夠實現對聯動、阻塞、行走、牽引和姿勢等的協同控制。根據開挖、支護和運輸工藝的要求，實現成套設備控制，解決了重負荷啟動、隧道開采運輸效率等具體問題[4]。

在雙車道隧道作業中，需要經常調度穿梭車、車頂螺栓、叉車和饋線斷路器等設備，切割支撐和運輸作業依靠人工監控。操作人員不能交換設備的狀態信息和周圍的工作條件，因此他們無法根據其他設備的運行狀態及時預測和調整機器的運行情況。例如，無法根據有無煤流對啟動和停止設備的負荷大小進行控制。圖2 為礦用WLAN 網絡拓撲結構。

圖2 礦用WLAN 網絡拓撲結構圖

目前，玉溪煤礦對連接綜采面的設備進行了許多有益的嘗試。例如，穿梭車和斷路器的操作實現了卸煤聯動操作，饋線斷路器可根據穿梭車的位置自動啟動和停止，避免怠速空轉。在快速傳動系統中，還嘗試了成套設備的自動連接操作、鎖定和調度等。

2.2 防撞技術

移動設備之間的碰撞、前后重疊圈設備相對移動時的碰撞和阻力，以及工作人員與設備之間的危險接近，都可能導致生產事故。到目前為止，已經測試了各種防碰撞技術，如基于光學的紅外探測、基于無線信號的雷達技術、基于圖像的人體識別技術和基于無線測距的超寬帶定位技術，防撞模塊工作流程如圖3 所示。

圖3 防撞模塊工作流程

這些技術都有一定的局限性。例如，紅外和雷達技術只能識別障礙物，不能區分人或物。基于圖像的人體識別具有實時性能，不能應用于快速移動的設備。無線定位技術要求受保護人員攜帶身份證，否則無法識別，身份證和個人位置識別卡不能共同使用。如何突破對人體的快速識別，實現對移動設備的主動保護是下一步的研究重點。

2.3 定位技術

定位技術通過各種方法建立隧道機與道路的相對坐標空間角，實時調整隧道設備的水平偏角、水平偏移、偏仰角和滾仰角等姿態參數，并結合隧道設計參數，為整機行走控制提供直接控制參數，使驅動設備始終處于隧道設計所要求的理想位置。

隧道設備的定位是智能切割控制的基礎。目前使用的主要技術有全站儀、陀螺儀、電子羅盤、激光引導和視覺測量等。目前的主要問題是如何克服地下惡劣的工作條件，包括機器振動、粉塵和高溫、高濕等惡劣的工作環境，并將其他領域的自主導航技術成功應用于煤礦設備。目前，慣性導航系統（陀螺儀+加速度計）在機械化方面的應用取得了進展。為了適應全機械化掘進面的工作條件，還需要克服低速和漂移的困難。

2.4 自適應切割

根據隧道技術的要求，可獨立完成橫截面的圓形切削，其中主要包括切面成型控制和切削頭的自動速度控制，以提高切割效率和切割質量。采煤切割示意圖如圖4 所示，可以看出，在準確定位的基礎上，根據道路橫斷面剖面的技術要求，通過定量指標自動調整切割周期路徑，可避免過度開挖和欠開挖。主要的實現方法包括內存切割和設置邊界參數。

圖4 采煤切割示意圖

根據巖石硬度自動調整切割頭速度和切割臂擺動速度。對煤層和軟巖，適合采用切削頭轉速高、切割臂擺動速度高的方法，提高工作效率。對硬巖，可采用降低切削速度、增加切削力矩的方法，提高巖石破碎能力，減少工具磨損。傳動作業的主要任務是切割滿足設計要求的路段，并根據切割負荷調整切割策略。切割水頭動態負載的實時識別技術仍處于理論探索階段，以實際測量和反演計算的模式來表示。利用神經網絡識別切割電流、切割振動和氣缸壓力等的信息融合處理。通過對切割頭振動響應的反向推導，推導出了動態負載的計算表達式。

3 結語

通過綜合開挖面的無線網絡對成套設備進行協調控制，實現了綜合開挖面上各類數據和信息的有效關聯和上傳。它可以實現工作面的協調、聯合控制和大數據的沉淀。客觀地說，對于勘探和錨定生產操作的自動化和智能化，還缺乏一套完整的解決方案。對隧道掘進過程的智能控制進行了大量的研究，并取得了有效的進展。隧道錨固自動化和智能化、環境安全監控和輔助操作缺乏完善的解決方案，需要根據當地情況進行工藝創新，通過新設備和新工藝逐步應用智能信息技術，實現降低人工、提高效率的目標。從長遠來看，要真正實現“透明的綜合隧道面”，必須對基于數據的3DVR 數字平臺進行研究。這也是提高綜合隧道工作面安全、持續、高效生產的技術途徑之一。