14506 綜掘工作面智能化改造技術(shù)研究

谷 瑞

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)浙能麻家梁煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000）

1 概況

麻家梁煤業(yè)14506 巷道設(shè)計(jì)長度1300 m，布置在4 號煤層中，煤層厚度平均6.3 m，煤層厚度變化較小，煤層中一般含3～5 層夾矸，其單層夾矸厚度0.20～0.65 m，平均0.35 m，夾矸總厚度平均小于1.40 m。煤層傾角最大11°，平均6°，賦存較穩(wěn)定。

14506 綜掘工作面采用三一公司生產(chǎn)的EBZ200掘進(jìn)機(jī)組，在礦用5G 無線通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上，對掘進(jìn)機(jī)智能改造[1-3]，具備自主導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位、坡度追蹤、自動(dòng)截割、智能控制、工況監(jiān)測、故障診斷、環(huán)境監(jiān)測、危險(xiǎn)區(qū)域人員識別、一鍵啟停等功能，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下的巖巷及半煤巖巷自動(dòng)化掘進(jìn)，從而在少人、甚至無人操作下，完成高效、安全的井下掘進(jìn)作業(yè)，最終實(shí)現(xiàn)煤礦井下掘進(jìn)工作的全智能化、無人化目標(biāo)。

2 綜掘工作面智能化改造

2.1 工作模式

（1）便攜式視距遙控

掘進(jìn)機(jī)操作司機(jī)攜帶輕便的掘進(jìn)機(jī)遙控器，在掘進(jìn)機(jī)附近利用人眼觀察截割頭位置和進(jìn)尺，控制掘進(jìn)機(jī)的各種操作功能[4]。本模式功能主要用于掘進(jìn)機(jī)司機(jī)臨時(shí)需要觀察現(xiàn)場情況和緊急情況下的工作處理。

（2）基于視頻圖像的無線遠(yuǎn)程遙控

在此功能模式下，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)基于掘進(jìn)面和掘進(jìn)機(jī)機(jī)身安裝的視頻攝像頭畫面，獲得截割頭在截割剖面的位置，遠(yuǎn)程操作掘進(jìn)機(jī)，控制截割頭位置和進(jìn)尺，進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。

（3）基于激光定位的無線遠(yuǎn)程遙控

在此功能模式下，視頻監(jiān)控畫面只是作為輔助參考位置，掘進(jìn)機(jī)司機(jī)主要利于激光定位系統(tǒng)以及在遠(yuǎn)程遙控控制臺上模擬顯示的截割頭相對截割面位置（如圖1），遠(yuǎn)程操作掘進(jìn)機(jī)，控制截割頭位置和進(jìn)尺，進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)。

圖1 基于激光定位的無線遠(yuǎn)程遙控

（4）基于激光定位的自動(dòng)巷道斷面成形

斷面自動(dòng)截割成形系統(tǒng)包括兩個(gè)功能，即自動(dòng)截割成形和自動(dòng)刷幫，前者控制掘進(jìn)機(jī)截割臂按照設(shè)定路徑和步距自動(dòng)完成斷面截割，而后者可進(jìn)一步提高兩幫的截割控制精度以及修整斷面形狀。

在此功能模式下，每個(gè)截割循環(huán)開始時(shí)，掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)進(jìn)行位置校正，在設(shè)定起始位置點(diǎn)開始截割。同時(shí)，在截割過程中，根據(jù)機(jī)身位置偏移，自動(dòng)對截割位置進(jìn)行校正，最終自動(dòng)完成截割成形和自動(dòng)刷幫功能。

2.2 位姿監(jiān)測系統(tǒng)

為了獲取掘進(jìn)機(jī)機(jī)身的絕對位姿參數(shù)，本系統(tǒng)采用激光掃描儀結(jié)合機(jī)身多傳感器數(shù)據(jù)融合的懸臂式掘進(jìn)機(jī)位姿檢測方法。既充分利用激光掃描儀絕對位置校準(zhǔn)，又利用了掘進(jìn)機(jī)機(jī)身安裝的多傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，聯(lián)合工作，解決了高清攝像頭無法清晰觀測截割頭具體位置的缺陷。

（1）掘進(jìn)機(jī)自身姿態(tài)

掘進(jìn)機(jī)自身的姿態(tài)通過加裝在掘進(jìn)機(jī)油缸里的磁致位移傳感器，通過升降、回轉(zhuǎn)、鏟板、后支撐油缸的位移變化值，從而讀取出掘進(jìn)機(jī)當(dāng)前的實(shí)時(shí)機(jī)身狀態(tài)，最終可以在上位機(jī)軟件中通過掘進(jìn)機(jī)三維動(dòng)畫，實(shí)時(shí)顯示出掘進(jìn)機(jī)的自身狀態(tài)。

（2）掘進(jìn)機(jī)絕對位置

掘進(jìn)機(jī)機(jī)身絕對位置參數(shù)，如圖2，由三個(gè)角度參數(shù)和兩個(gè)距離參數(shù)構(gòu)成，即“機(jī)身偏向角α”“機(jī)身俯仰角β”“機(jī)身橫滾角γ”“機(jī)身偏向位移A”和“機(jī)身縱向位移B”。

圖2 絕對位置

2.3 可視化系統(tǒng)

視頻監(jiān)控[5]選用機(jī)載高清1080P 攝像儀，具有紅外補(bǔ)光技術(shù)，保證截割工作時(shí)的成像質(zhì)量。綜掘機(jī)機(jī)身安裝6 個(gè)攝像儀，牢固固定并安裝防沖擊防護(hù)罩（避免外物的拐碰及特殊條件下爆破的沖擊）；6 個(gè)攝像儀采取固定設(shè)計(jì)，減少攝像儀的人工挪移，方便纜線的保護(hù)。采用納米玻璃減小摩擦系數(shù)，阻止污染物駐留，澆封設(shè)計(jì)提高抗震性能。掘進(jìn)機(jī)上設(shè)減震裝置，攝像儀采用電子減震技術(shù)，通過圖像補(bǔ)充減小截割過程中攝像儀的振動(dòng)。

2.4 人員防護(hù)系統(tǒng)

通過在掘進(jìn)機(jī)的后方5 m 處（位置可調(diào)）安裝紅外對射傳感器，在掘進(jìn)機(jī)作業(yè)期間，一旦檢測到有人員誤入，立即觸發(fā)急停，避免危險(xiǎn)事故發(fā)生。

2.5 自動(dòng)截割

通過采集多參數(shù)傳感器數(shù)據(jù)以及位姿測量和位姿補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果，通過數(shù)學(xué)建模，自動(dòng)控制截割臂的回轉(zhuǎn)和升降油缸，截割出符合煤礦掘進(jìn)規(guī)程要求的規(guī)整斷面。

2.6 數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)安裝信號轉(zhuǎn)換器與巷道中間基站用無線信號連接，通過光纖連接環(huán)網(wǎng)將視頻和重要參數(shù)信息傳輸至遠(yuǎn)程控制臺和地面控制中心，實(shí)現(xiàn)重要數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

遠(yuǎn)端控制中心對設(shè)備的工作環(huán)境及自身情況進(jìn)行監(jiān)控展示，實(shí)時(shí)采集掘進(jìn)機(jī)的電壓、電流、油溫等關(guān)鍵狀態(tài)信息，當(dāng)數(shù)據(jù)超過門限值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警。

2.7 軟件系統(tǒng)

（1）主界面功能

與機(jī)車車載子系統(tǒng)器建立通信；顯示綜掘機(jī)工作參數(shù)；采集遙控控制狀態(tài)；綜掘機(jī)車位姿檢測和補(bǔ)償；自動(dòng)截割工藝控制；自動(dòng)掃幫工藝控制；車載控制器狀態(tài)指示。

（2）綜掘機(jī)參數(shù)配置

綜掘機(jī)位姿檢測需要預(yù)知車體結(jié)構(gòu)參數(shù)和傳感器安裝位置，從而能夠計(jì)算綜掘機(jī)位姿參數(shù)并在截割過程中由于機(jī)身位姿變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

（3）位姿監(jiān)測

主要功能：多角度顯示綜掘機(jī)姿態(tài)；各油缸位移實(shí)時(shí)顯示；截割頭動(dòng)畫實(shí)時(shí)顯示位置；實(shí)時(shí)顯示截割頭路徑坐標(biāo)；綜掘機(jī)各個(gè)動(dòng)作模擬動(dòng)畫顯示。

（4）自動(dòng)截割

主要功能：根據(jù)截割斷面尺寸和形狀自動(dòng)計(jì)算截割路徑；實(shí)時(shí)顯示本循環(huán)歷史截割軌跡；實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前截割頭位置；顯示截割頭尺寸、截齒尺寸；自動(dòng)掃幫。

（5）激光雷達(dá)圖顯示

主要功能：綜掘機(jī)航向角、俯仰角、橫滾角、左右?guī)途嚯x實(shí)時(shí)顯示；實(shí)時(shí)計(jì)算并擬合顯示綜掘機(jī)在巷道位置以及巷道中線；實(shí)時(shí)顯示截割深度；實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)截割深度；動(dòng)畫實(shí)時(shí)顯示截割頭進(jìn)入煤壁深度；截割深度統(tǒng)計(jì)清零。

孕中期產(chǎn)篩指標(biāo)中，AFP主要由胎兒肝臟分泌，可通過胎盤屏障和胎兒的膜屏障進(jìn)入母體血清，在懷有開放性神經(jīng)管缺陷患兒的孕母血清中AFP水平可比正常妊娠高出80%以上；而在懷有唐氏綜合征患兒時(shí)，孕母血清中的AFP水平則比正常妊娠明顯降低。free-βHCG在妊娠8～10周達(dá)高峰期，于18周左右下降至穩(wěn)定水平，在懷有唐氏綜合征患兒的孕母血清中其含量顯著升高，在孕中期平均為正常妊娠的2倍。uE3是由胎兒腎上腺、肝臟和胎盤合成的一種雌激素，該指標(biāo)水平隨著孕周的增加而增加，可反映胎兒的生長發(fā)育狀態(tài)。唐氏綜合征妊娠時(shí)，uE3水平較正常妊娠低29%，可能與胎兒發(fā)育遲緩有關(guān)。

（6）故障報(bào)警

主要功能：實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前報(bào)警參數(shù)；歷史報(bào)警參數(shù)顯示；報(bào)警查詢；報(bào)警信息提示。

（7）維修提醒

主要功能：設(shè)置維修計(jì)劃；維修計(jì)劃周期提醒；維修信息提醒；剩余時(shí)間提醒。

（8）動(dòng)作提示

主要功能：實(shí)時(shí)提示當(dāng)前綜掘機(jī)正在進(jìn)行的控制動(dòng)作；實(shí)時(shí)提示綜掘機(jī)當(dāng)前狀態(tài)。

主要功能：實(shí)時(shí)顯示左右星輪壓力、一運(yùn)壓力、液壓系統(tǒng)壓力、截割電流等工作參數(shù)。

（10）智能化掘進(jìn)機(jī)配備數(shù)字孿生仿真監(jiān)控系統(tǒng)，并具備越界停機(jī)自動(dòng)檢測系統(tǒng)，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)截割時(shí)，系統(tǒng)可以檢測到掘進(jìn)機(jī)周圍區(qū)域人員情況，一旦檢測到有人誤入掘進(jìn)機(jī)作業(yè)區(qū)域，立即停機(jī)報(bào)警。

（11）地面調(diào)度室配備一套地面集控中心，通過光纜與井下控制臺連通，井下遠(yuǎn)程控制臺和地面集控中心控制臺要求整體化設(shè)計(jì)，要求內(nèi)置系統(tǒng)軟件，可以實(shí)現(xiàn)井下掘進(jìn)機(jī)3D 效果仿真監(jiān)控。

3 應(yīng)用效果

14506 綜掘工作面進(jìn)行智能化改造后，綜掘機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航、坡度追蹤和自動(dòng)截割，掘進(jìn)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)單系統(tǒng)或單設(shè)備的遠(yuǎn)程自動(dòng)控制，同時(shí)具備危險(xiǎn)區(qū)域人員接近識別與報(bào)警功能，集控平臺具備對巷道掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控的功能，能夠?qū)崿F(xiàn)一鍵啟停及智能操控。

巷道掘進(jìn)過程實(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，掘進(jìn)工作面生產(chǎn)班單班作業(yè)人數(shù)減為9 人。