EBZ160型掘進機智能化改造技術(shù)實踐研究

＊高鵬翔

（晉能控股集團同忻礦 山西 037000）

引言

在當前國家能源緊張的大環(huán)境下，為確保我國能源安全，發(fā)揮煤礦行業(yè)在國家發(fā)展中的重要作用，是當前亟須考慮的現(xiàn)實問題。煤礦智能化建設(shè)在提升煤礦生產(chǎn)安全和生產(chǎn)效率方面有顯著的效果，是我國當前煤炭發(fā)展的重要方向。為此，構(gòu)建安全、高效、環(huán)保、智慧的煤礦，是我國煤礦工業(yè)實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。結(jié)合礦井的生產(chǎn)實際，廣泛的引進更先進、可靠性更高的生產(chǎn)設(shè)備，同時整合工作面現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)備，提升系統(tǒng)運行的效率，最大限度的確保工作面生產(chǎn)的安全性[1]。

掘進機是實現(xiàn)煤礦智能化開采的重要裝備。提升掘進機的機動性能、自動化及智能化水平，是煤巷掘進與采煤技術(shù)持續(xù)革新的關(guān)鍵。掘進機運動軌跡分析是巷道智能化建設(shè)的迫切需要。對此國內(nèi)的很多學者這方面進行了大量的研究，如馮君玲等[2]應用仿真軟件進行了縱軸式掘進機截割頭載荷情況影響因素的仿真分析；邢健[3]以CAN總線為基礎(chǔ)設(shè)計了掘進機實時監(jiān)控系統(tǒng)并分析了其應用；岳亞軍[4]研究了以云端技術(shù)為基礎(chǔ)的頂管掘進機監(jiān)控系統(tǒng)，并試著研究，怎樣建立應用數(shù)據(jù)庫；張亞林等[5]研究了以慣性導航系統(tǒng)為基礎(chǔ)的掘進機遠程監(jiān)控系統(tǒng)；王祝[6]研究了以機器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)的懸臂掘進機進行自主定位的主要技術(shù)；徐嘯[7]探討了礦井巷道掘進作業(yè)中智能化技術(shù)在掘進機中的應用；劉志強等[8]研究了復雜工況下的建井智能化技術(shù)；錢敏等[9]研究了礦井掘進工作面存在的主要不安全行為與具體防控措施；于洋[10]研究了以智能化技術(shù)為基礎(chǔ)的掘進工作面安全生產(chǎn)預警監(jiān)測技術(shù)；郝正強[11]研究了掘進機自動截割的主要成形控制方法，并進行了應用分析。而目前已有的機器人步態(tài)研究主要集中在步態(tài)控制方面，缺乏對機器人的避障、路徑規(guī)劃等方面的研究。文章就EBZ160型隧道掘進機的技術(shù)改造作了較為詳盡的闡述，并在此基礎(chǔ)上進行了現(xiàn)場使用實驗。通過對EBZ160掘進機進行智能化改造，使隧道的安全性能得到了顯著的改善、施工效率得到了顯著的提高、施工與支護技術(shù)得到了優(yōu)化[12]。采用多機器協(xié)作的方式，實現(xiàn)了掘進巷道錨桿運輸安全智能操作的連續(xù)、快速和穩(wěn)定。

本系統(tǒng)在充分考慮工作面實際情況的條件下，對當前工程建設(shè)的實際情況，工程設(shè)備的配置情況，當前的智能化水平進行了深入的分析，并結(jié)合最新的標準，完成智能掘進工作面的建設(shè)，該系統(tǒng)具有可視化工程，可以在遠程實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)備控制，實現(xiàn)高危崗位無人化操作，大幅度提升工作面的生產(chǎn)效率和安全性，以高度的智能化水平推進礦井的高質(zhì)量發(fā)展。

1.EBZ160型掘進機組成結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

EBZ160型掘進機作為工作面作業(yè)最重要的設(shè)備，其主要的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可知，該系統(tǒng)主要有13個關(guān)鍵的部件，包括液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、行走機構(gòu)、裝載機構(gòu)等。掘進機的參數(shù)如表1所示。

圖1 EBZ160型掘進機組成示意圖

表1 EBZ160型掘進機參數(shù)

2.EBZ160型掘進機技術(shù)改造

本文主要從以下4個系統(tǒng)完成對工作面的智能化改造：掘進機機載子系統(tǒng)、網(wǎng)絡通信子系統(tǒng)、掘進工作面集控系統(tǒng)及智能轉(zhuǎn)運系統(tǒng)。

(1)掘進機機載子系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要組成為傳感器單元，主要用來采集距離、視頻等信息；姿態(tài)檢測單元，主要用來檢測掘進機的姿態(tài)；同時包括遠程網(wǎng)絡控制模塊和對應的執(zhí)行單元等。

該系統(tǒng)利用三維36度全景激光雷達及參考定位標志牌實現(xiàn)了對掘進機的位置、姿態(tài)的實時監(jiān)控。本項目提出一種基于激光掃描與車身多傳感信息融合的懸臂機器人姿態(tài)探測新技術(shù)，在保證機器人姿態(tài)精度的前提下，充分發(fā)揮機器人多傳感信息的協(xié)同作用，有效地克服了傳統(tǒng)機器人不能清楚地觀測到機器人姿態(tài)精確定位不足的問題如圖2所示。

圖2 激光掃描儀示意圖

在該掘進機上，裝有5套煤礦專用的本式粉塵攝像裝置，可對整個工作面進行監(jiān)控，見圖3。該攝像機具有自動清潔的能力，實際安裝位視實際環(huán)境而定。通過礦井自動化網(wǎng)絡將視頻上傳到地面，技術(shù)人員通過控制中心的平臺頁面可以對任意一個攝像頭進行訪問，實現(xiàn)了在地面的實時監(jiān)測、顯示和存儲，存儲的存儲期限不少于30天。在掘進機的機體上裝有防撞傳感器，通過探測機體與煤面的距離來達到防撞的目的[4]。

圖3 攝像儀安裝位置示意圖

(2)網(wǎng)絡通信子系統(tǒng)

在掘進機上分別安裝了信號傳輸基站與本安交換機，通過通信網(wǎng)絡實現(xiàn)與控制系統(tǒng)之間的信息傳輸。圖4為數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖疽鈭D，數(shù)據(jù)采集端以無線數(shù)傳網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至控制臺。

圖4 無線傳輸示意圖

(3)掘進工作面集控系統(tǒng)

EC601-MJJ-SU-01煤礦本安遠程發(fā)送機，可對各開關(guān)、把手的狀況進行實時的檢測，并將其控制命令經(jīng)無線網(wǎng)傳送到EC601-MJJ-MU-01煤礦本安全車內(nèi)的無線電接收機。遠程遙控平臺上配備兩臺顯示器，分別用來顯示系統(tǒng)控制軟件運行的參數(shù)信息和工作面視頻采集單元傳送過來的監(jiān)控畫面，圖5為遠程監(jiān)控平臺。

圖5 遠程遙控平臺

(4)智能轉(zhuǎn)運系統(tǒng)

DWZY1000/2000緩沖床式皮帶機用自移機尾，該設(shè)備適用于各種皮帶運輸機，在掘進面施工時，可以在支架上設(shè)置一體化的防塵裝置，防塵裝置可獨立移動，也可以和機架同步移動[5]。該液壓系統(tǒng)的動力源為掘進面高壓乳化液如圖6所示。

圖6 智能轉(zhuǎn)運系統(tǒng)示意圖

3.應用效果

由于煤礦地質(zhì)構(gòu)造和工作環(huán)境的特殊性，導致掘進機在掘進過程中經(jīng)常會遇到不水平的情況。另外，因隧道開挖時巷道圍巖發(fā)生滲水，造成了隧道底板潮濕、淤泥的現(xiàn)象[13]。30102回風順槽的主要成分為煤，該工作面的基本參數(shù)為寬×高，為5.6m×3.5m，采用多重聯(lián)合支護的形式，在對工作面完成智能化改造以后，得到了如下效果。

(1)作業(yè)工序影響時間對比

使用EBZ160型掘進機，在掘進過程中需要多次的往返作業(yè)，降低了生產(chǎn)效率，單次掘進機的進退循環(huán)時間高達18min經(jīng)過智能化改造后，每一次掘進周期僅需1次回撤，時間約為2min。施工過程縮短16min，顯著降低施工過程持續(xù)時間[6]。

(2)掘進進尺對比

采用EBZ160型掘進機每天的掘進距離為5m，在完成了智能化改造后，掘進距離達到了8m，掘進效率提升了60%。

(3)減少了工人數(shù)量

工作面的智能化改造對現(xiàn)場作業(yè)效率的提升起到了良好的效果，有效促進了巷道掘進與支護的協(xié)同，降低現(xiàn)場作業(yè)的施工人數(shù)。經(jīng)過改造前后的對比，改造后，工作面掘進司機的人數(shù)比之前減少3人、皮帶工的人數(shù)比之前減少3人，最大限度的降低人工作業(yè)的風險，同時智能化改造后顯著的提升了生產(chǎn)效率，確保了采掘工作、掘—支—錨工作的一體化進行[7]。該工作面的工作模式以自動控制為主，并配備少量的技術(shù)人員進行遠程的監(jiān)控與控制，從而確保在實現(xiàn)工作面人少的情況下仍能夠保持較高的掘進效率。

4.結(jié)束語

通過對EBZ160型掘進機進行智能改造，減少了工人人數(shù)，降低了勞動強度，保證了施工效率，增加了經(jīng)濟效益，降低了管理的工作負擔，提升了巷道施工效率，保證了施工的安全性。通過對設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測，能夠?qū)崟r掌握設(shè)備運行狀態(tài)，并可以根據(jù)監(jiān)測指標進行有針對性的維修保養(yǎng)，防止突發(fā)故障造成的經(jīng)濟損失，從而實現(xiàn)了為類似礦井進行智能建設(shè)提供指導的目標。