基于物聯網的煤礦井下智能綜采技術的應用研究

鄭曉峰

（永定莊煤業公司， 山西 大同 037003）

煤礦井下綜采作業屬于勞動密集型產業，由于井下地質條件復雜，在綜采作業期間經常發生瓦斯爆炸、圍巖坍塌、透水等事故，嚴重影響了煤礦井下綜采作業安全和效率。因此實現綜采設備的智能化運行，建立無人化綜采工作面是減少井下安全事故、提升綜采效率的核心。采煤機作為綜采面的關鍵設備，是實現自動化綜采作業的基礎。

結合采煤機井下總作業工藝流程和自動化綜采作業需求，本文提出了一種新的基于物聯網的煤礦井下智能綜采技術，對井下綜采設備組網方案、采煤機智能綜采方案、采煤機遠程可視化控制方案、采煤機姿態定位與自動調整方案等進行了研究，目前該技術方案已在多個煤礦進行了應用，根據實際統計表明，在新的綜采技術方案下，井下綜采作業效率比優化前提升了37.1%，綜采面作業人員數量降低了41.8%，為實現無人化綜采作業奠定了基礎。

1 物聯網組網方案

煤礦井下綜采作業是采煤機、液壓支架、刮板輸送機聯合運行的結果，要實現井下無人化綜采作業，首先需要建立采煤機、液壓支架、刮板輸送機的聯合控制網絡，滿足聯動控制需求。針對傳統CAN 數據總線控制方案在應用中存在的電纜長度大、移動不便等困難，這種新的物聯網組網控制方案，其整體結構如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，該物聯網構架中，在采煤機上設置了一組無線交換機，沿綜采面的液壓支架和刮板輸送機上設置了6 組無線交換機，為了確保信息傳輸的準確性，綜采面上無線交換機的距離不超過200 m。采煤機和液壓支架、刮板輸送機上的無線交換機為并行通信模式，確保了數據通信質量和精確性。各個交換機之間的數據通信采用了無線通信模式，在液壓支架上還設置有隔爆攝像頭，用于對采煤機、液壓支架的相對位置關系進行監測。在巷道端部設置有2 組無線交換機用于實現和地面控制中心的遠程控制和通信。該物聯網控制模式具有設置靈活性高、數據傳輸速度快、穩定性高的優點，有效解決了傳統有線傳輸模式布線困難、受地形影響大的不足。

圖1 物聯網組網構架示意圖

2 采煤機智能綜采控制

為了滿足采煤機在復雜地質條件下的自動截割作業，一種新的自適應記憶截割控制邏輯，在采煤機工作時包含截割路徑記憶、截割路徑規劃及控制、人工干預控制三個部分。在截割路徑記憶階段主要依靠人工控制采煤機進行截割作業，系統自動對截割過程中的關鍵點坐標進行記錄，作為后續路徑規劃的基礎。在截割路徑規劃及控制過程中采煤機根據人工控制截割過程中所記錄的關鍵點坐標及采煤機的進給速度自動進行記憶截割路徑規劃和控制，實現自動截割作業。當井下地質條件突變時，煤層參數和記憶截割坐標參數會有較大的差異性，無法進行自動截割作業，此時系統將自動轉換為遠程人工干預控制，通過遠程視頻控制技術實現對采煤機煤礦井下綜采作業的人工調整和控制。

采煤機在進行記憶路徑規劃時，所記錄的點為關鍵坐標點，各個關鍵點之間是不連續的，因此在進行路徑規劃時需要首先對各個離散點進行截割路徑的擬合和修正，以滿足連續截割的控制需求，采煤機關鍵點擬合曲線如圖2 所示[2]，圖中A、B 分別表示截割作業的最高點，到達該點時需要調整搖臂截割高度，避免出現觸頂損壞。

圖2 采煤機關鍵點擬合曲線示意圖

3 采煤機可視化遠程控制技術

為了便于對采煤機的實際工作狀態進行監測和調整，滿足遠程可視化控制需求，一種基于VR 技術的遠程可視化控制方案。首先利用三維建模軟件建立采煤機的三維模型，在建模時采煤機各運行機構處需要根據實際狀態進行建模，采煤機機身等機構可以采用一體化建模，以提升建模的效率和準確性。建模完成后對采煤機模型進行技術參數的設置，然后將設置參數歸檔到虛擬控制平臺中。

該可視化遠程控制技術在應用過程中通過設置在采煤機上的姿態傳感器對采煤機的姿態進行全面檢測，將監測結果傳輸到控制中心內，控制中心對給姿態參數進行修正后傳輸到VR 控制中心，控制虛擬的采煤機進行相應的姿態調整，使采煤機的實際運行狀態和虛擬運行狀態保持一致，便于操作人員在控制中心內對采煤機的運行狀態進行直觀的監測。采煤機遠程可視化監測控制界面如圖3 所示。

圖3 采煤機可視化控制界面示意圖

4 采煤機姿態定位與自動調整

采煤機的姿態定位與調整是實現采煤機自動綜采作業和遠程智能控制的基礎。由于煤礦井下地質條件較為復雜，因此傳統的僅依靠單一姿態定位的方案無法滿足監測可靠性需求[3]，因此一種新的基于捷聯慣性導航與激光定位相結合的綜合姿態定位技術。以捷聯慣性導航為核心以激光定位為補充，實現對采煤機運行過程中姿態的精確定位，綜合姿態定位原理如圖4 所示[4]。

圖4 綜合姿態定位原理示意圖

由圖4 可知，該定位方案中，主要是通過在采煤機機身和巷道內設置定位基站，根據機身上基站和固定基站的相對坐標偏移量來確定采煤機的姿態情況，然后利用激光掃描儀標定采煤機機身的模塊坐標值，通過姿態估算方程來對采煤機的機身姿態進行補充確認。對采煤機機身姿態的糾偏主要是利用機身理論姿態值和監測姿態值的偏移量來確定調節參數量，通過調整執行油缸、液壓馬達等控制機構來實現對采煤機機身狀態的調整，根據實際監測該方案的姿態定位精度達到了±1 mm，極大的提升了采煤機姿態定位的精確性。

目前該綜采技術方案已經在多個煤礦進行了應用，根據實際監測結果表明，采用新的綜采方案后井下綜采作業效率比優化前提升了37.1%，綜采面作業人員數量降低了41.8%，顯著提升了煤礦井下綜采作業的效率和經濟效益，為推進無人化綜采作業奠定了基礎。

5 結論

1）物聯網控制模式具有設置靈活性高、數據傳輸速度快、穩定性高的優點，有效解決了傳統有線傳輸模式布線困難、受地形影響大的不足。

2）自適應記憶截割控制邏輯及基于VR 技術的遠程可視化控制方案能夠實現采煤機在復雜地形條件下的自適應截割控制和遠程智能控制，靈活性高、適應能力強。

3）采煤機姿態定位與自動調整方案能夠實現±1 mm 的姿態定位精度，為實現采煤機自動綜采作業和遠程智能控制奠定了基礎。

4）新的綜采技術使井下綜采作業效率比優化前提升了37.1%，綜采面作業人員數量降低了41.8%，為推進無人化綜采作業奠定了基礎。