玉溪煤礦工作面掘進(jìn)機(jī)中智能化掘進(jìn)集控系統(tǒng)應(yīng)用研究

王 凱

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 沁水 048000)

隨著煤礦資源的大量開采，采用更加先進(jìn)的開采設(shè)備及系統(tǒng)提高煤礦開采量已成為當(dāng)前煤礦領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。礦用掘進(jìn)機(jī)是煤礦開采中的重要設(shè)備，與采煤機(jī)、帶式輸送機(jī)等設(shè)備共同完成煤礦的開采任務(wù)[1]。當(dāng)前市場(chǎng)上通用的掘進(jìn)機(jī)設(shè)備智能化程度較低、所需作業(yè)人員較多，設(shè)計(jì)智能化集控系統(tǒng)已成為當(dāng)前煤礦設(shè)備智能化升級(jí)發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。為此，以玉溪煤礦工作面掘進(jìn)機(jī)為例，開展了礦用掘進(jìn)機(jī)中智能化掘進(jìn)集控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵分系統(tǒng)研究，完成了該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用及評(píng)價(jià)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，提高了掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率及煤礦開采量，達(dá)到了預(yù)期效果，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較大。

1 集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性

以玉溪煤礦工作面掘進(jìn)機(jī)為例。該煤礦采用四六制生產(chǎn)制度，檢修班不允許生產(chǎn)，而當(dāng)前掘進(jìn)工作面在檢修班進(jìn)行檢修、防突檢測(cè)以及前移膠帶機(jī)尾等工作。但在實(shí)際掘進(jìn)過程中存在以下問題：

1) 當(dāng)前掘錨一體機(jī)機(jī)載鉆錨裝置無法滿足防突檢測(cè)鉆孔要求，新購一臺(tái)成本較高；

2) 增加帶式輸送機(jī)自移機(jī)尾無法實(shí)現(xiàn)減人增效；

3) 掘進(jìn)斷面較大，支護(hù)作業(yè)規(guī)程要求一掘一錨，目前使用手持氣動(dòng)錨桿鉆機(jī)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)，掘進(jìn)機(jī)工作一個(gè)循環(huán)需要分為上下兩部分完成，工作效率低且現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員安全系數(shù)較低。

因此，同時(shí)考慮先用于煤巷掘進(jìn)，后期也可在巖巷掘進(jìn)中使用，計(jì)劃采購1臺(tái)智能化EBZ200型懸臂式巖巷掘進(jìn)機(jī)，配套原有的供電、運(yùn)輸、通風(fēng)及排水等設(shè)備，在1303工作面回風(fēng)巷中設(shè)計(jì)一套集成于掘進(jìn)機(jī)設(shè)備中的智能化掘進(jìn)集控系統(tǒng),以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的少人化，達(dá)到生產(chǎn)安全管理控制的目的。

2 集控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

集控系統(tǒng)是整個(gè)EBZ200型煤礦掘進(jìn)機(jī)中重要的組成部分，包括井下遠(yuǎn)程集控中心和地面遠(yuǎn)程集控中心。地面遠(yuǎn)程集控中心得到井下遠(yuǎn)程集控中心的授權(quán)后，在地面可以實(shí)現(xiàn)在井下的全部操作功能。井下遠(yuǎn)程集控中心在緊急情況下可以隨時(shí)把操控權(quán)限切換到井下遠(yuǎn)程集控中心。在掘進(jìn)機(jī)本體中配備了傾角傳感器、慣性導(dǎo)航儀、三維掃描儀、紅外攝像儀、人員接近傳感器、油溫油位傳感器、語音對(duì)講設(shè)備和控制箱等智能化監(jiān)測(cè)監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的工況參數(shù)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備精準(zhǔn)定位、自主導(dǎo)航、智能截割、環(huán)境監(jiān)測(cè)等功能[3]。

在數(shù)據(jù)傳輸和集控方面，主要利用礦方的5G系統(tǒng)，將智能掘進(jìn)機(jī)相關(guān)數(shù)據(jù)接入井下遠(yuǎn)程集控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與監(jiān)控。同時(shí)，集控中心的相關(guān)數(shù)據(jù)通過千兆交換機(jī)接入井下萬兆環(huán)網(wǎng)，接入地面遠(yuǎn)程集控中心。通過智能化控制軟件，在井下遠(yuǎn)程集控中心、地面遠(yuǎn)程集控中心能夠?qū)崟r(shí)顯示掘進(jìn)工作面現(xiàn)場(chǎng)的情況，監(jiān)聽現(xiàn)場(chǎng)聲音；同時(shí)設(shè)備工作狀態(tài)信息可以實(shí)時(shí)顯示在集控中心的顯示界面上；現(xiàn)場(chǎng)開放權(quán)限后，可以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面設(shè)備的井下集控中心或地面集控中心遠(yuǎn)程操作控制，集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)機(jī)中集控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

3 關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 掘進(jìn)機(jī)車身定位系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)車身定位系統(tǒng)采用三維激光掃描儀與激光陀螺慣性導(dǎo)航融合技術(shù)。三維激光掃描儀主要通過內(nèi)置的激光雷達(dá)掃描預(yù)定的相關(guān)標(biāo)靶，將采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)發(fā)送至GPU圖像處理器進(jìn)行模型構(gòu)建及計(jì)算。其中，該定位系統(tǒng)中的CPU處理器通過高速運(yùn)算將三維激光掃描儀計(jì)算數(shù)據(jù)與激光陀螺慣性導(dǎo)航儀的航姿信息(航向角、俯仰角、側(cè)傾角、加速度等)進(jìn)行融合處理，得到掘進(jìn)機(jī)車身的姿態(tài)及位置信息，其原理如圖2所示。另外，車身位置信息結(jié)合截割臂升降、回轉(zhuǎn)、伸縮油缸位移傳感器通過車載控制器進(jìn)行截割頭相對(duì)于巷道的位置信息[4]。截割頭位置信息是斷面自動(dòng)截割成型的重要數(shù)據(jù)信息。車身姿態(tài)和位置信息是進(jìn)行車身自主糾偏和防碰撞的重要數(shù)據(jù)信息。數(shù)據(jù)通過構(gòu)建完畢的掘進(jìn)機(jī)模型可以得出截割機(jī)構(gòu)的俯仰角和回轉(zhuǎn)角。

圖2 慣性導(dǎo)航儀原理圖

3.2 斷面定義及路徑規(guī)劃設(shè)計(jì)

煤礦巷道斷面一般有弧頂、平頂、斜頂式三種，僅在弧線段數(shù)、直線段數(shù)和直線斜率方面有區(qū)別。基于以上特性，利用直線按間距分段和弧線按角度分段相結(jié)合的方法對(duì)斷面的輪廓在PLC內(nèi)進(jìn)行模型搭建。另外，斷面自動(dòng)成形分為逐行掃描階段和邊界掃描階段。逐行掃描完成斷面的初成形，邊界掃描完成斷面的精細(xì)化邊界修幫。控制逐行掃描間距可以對(duì)成形斷面的平整度進(jìn)行調(diào)整。所設(shè)計(jì)的斷面定義及路徑規(guī)劃如圖3所示。

圖3 斷面定義及路徑規(guī)劃

3.3 環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全保護(hù)關(guān)鍵儀器設(shè)備選型設(shè)計(jì)

3.3.1 粉塵監(jiān)測(cè)儀器選型設(shè)計(jì)

粉塵傳感器主要實(shí)現(xiàn)對(duì)煤礦井下呼吸性粉塵的在線監(jiān)測(cè)。傳感器具有呼塵分離效果好算法先進(jìn)準(zhǔn)確度高額定工作電流小傳輸距離更遠(yuǎn)等顯著特點(diǎn)。為此，針對(duì)此工作面，在工作面上安裝了GCG1000(X) 粉塵濃度傳感器，傳感器數(shù)量根據(jù)監(jiān)測(cè)要求確定，粉塵傳感器主要技術(shù)參數(shù)有：①粉塵濃度測(cè)量范圍為0.1～500 mg/m3；②粉塵濃度測(cè)量誤差不大于±15%.

3.3.2 甲烷氣體監(jiān)測(cè)儀器選型設(shè)計(jì)

礦用低濃度甲烷傳感器主要適用于煤礦井下和其它具有爆炸性氣體(甲烷混合物、煤塵)場(chǎng)合，可用于井下大中型采掘設(shè)備和其它機(jī)電設(shè)備上，連續(xù)監(jiān)測(cè)設(shè)備附近風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛龋部捎糜诠潭▓?chǎng)合，當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到或超過報(bào)警點(diǎn)時(shí)，傳感器立即發(fā)出聲、光報(bào)警信號(hào)。故選用了GJC4(B)型礦用甲烷傳感器，該傳感器采用高性能熱催化元件、微電腦數(shù)字技術(shù)和新型電子器件，性能穩(wěn)定，門限準(zhǔn)確，反應(yīng)迅速，精度高。使用方式采用人性化設(shè)計(jì)，軟調(diào)節(jié)技術(shù)，操作簡(jiǎn)單，使用方便。其工作溫度為(0～40)℃，測(cè)量范圍：(0.00%～4.00%)CH4，響應(yīng)時(shí)間≤20 s，傳感器工作電壓(9～24)VDC，傳感器的傳輸距離 ≤2 km.

3.4 危險(xiǎn)區(qū)域人員識(shí)別技術(shù)分析

為提高危險(xiǎn)作業(yè)區(qū)域人員的保護(hù)力度，設(shè)計(jì)了一種危險(xiǎn)區(qū)域人員識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)采用在掘進(jìn)機(jī)車身上加裝熱釋紅外傳感器、精準(zhǔn)定位等模式，對(duì)進(jìn)入探測(cè)范圍內(nèi)的人員進(jìn)行感應(yīng)，對(duì)進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域人員近感探測(cè)，開機(jī)前及運(yùn)行過程中，監(jiān)測(cè)到人員時(shí)，5 m范圍內(nèi)停機(jī)，聲光報(bào)警器報(bào)警；同時(shí)，將誤闖信息傳遞至監(jiān)控平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)信息的實(shí)時(shí)顯示及報(bào)警，危險(xiǎn)區(qū)域人員識(shí)別示意如圖4所示。

圖4 危險(xiǎn)區(qū)域人員識(shí)別示意

4 實(shí)際應(yīng)用評(píng)價(jià)

為進(jìn)一步驗(yàn)證此掘進(jìn)機(jī)中集控系統(tǒng)的綜合性能，按照《全省煤礦智能化建設(shè)基本要求及評(píng)分方法(試行)》要求，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用及評(píng)價(jià)打分驗(yàn)證。該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用過程中，整體運(yùn)行良好，智能化程度較高，系統(tǒng)可靠性及穩(wěn)定性較好；建立了在地面以及井下建立遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一鍵啟動(dòng)及智能操作；同時(shí)，該系統(tǒng)自帶瓦斯傳感器，增加了粉塵傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)井下環(huán)境數(shù)據(jù)智能分析及檢測(cè)；也實(shí)現(xiàn)了整個(gè)掘進(jìn)過程的自主導(dǎo)航、坡度追蹤和自動(dòng)截割等功能；通過與錨桿鉆車的配合使用，實(shí)現(xiàn)全機(jī)械化作業(yè)，掘進(jìn)速度滿足礦井采掘接替要求。經(jīng)玉溪煤礦相關(guān)人員評(píng)價(jià)，該系統(tǒng)的綜合評(píng)分為76.34分，相對(duì)較高，達(dá)到了工作面中掘進(jìn)機(jī)的智能化掘進(jìn)作業(yè)要求。

5 結(jié) 語

以玉溪煤礦工作面掘進(jìn)機(jī)為例，在分析當(dāng)前煤礦工作面掘進(jìn)過程中存在問題的基礎(chǔ)上，開展了掘進(jìn)集控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵分系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用評(píng)價(jià)。該集控系統(tǒng)運(yùn)行良好，智能化程度較高，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)掘進(jìn)過程的多項(xiàng)自動(dòng)控制及操作；整個(gè)掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的掘進(jìn)效率明顯提高，達(dá)到了預(yù)期要求。該系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計(jì)有效支撐并完善了掘進(jìn)機(jī)設(shè)備及整個(gè)工作面的智能化程度，實(shí)際應(yīng)用價(jià)值較大。