井下作業面綜采設備高精度激光跟蹤定位系統的應用

楊道華

（山西煤炭運銷集團錦瑞煤業有限公司，山西 呂梁 033000）

錦瑞煤業井下綜采面煤層平均厚度為6.2 m，煤層的平均傾斜角為4.1°，所使用的采煤方法為長壁綜合機械化一次采全高工藝，采煤機為MG900/2210-WD 型，液壓支架為ZY12000/28/63D型、SGZ1250/3000 型。在綜采面上已經基本實現了“以綜采面自動控制為主、監控中心遠程干預為輔”的井下作業面自動化作業模式。目前“三機”之間的位置關系主要是通過編碼器或者紅外定位裝置確定，定位精度較低。根據統計，優化前“三機”之間的定位精度僅±0.14 m，因定位不準而導致的“三機”運行平均異常數量達到了2.2 次/d，給綜采面的正常作業帶來了嚴重影響。

項目組提出了一種以激光定位為核心的自動化跟蹤定位系統，將發射/接收裝置固定在“三機”上，實現了快速精確定位。錦瑞煤業在項目開展過程中重點解決了不同設備位置坐標統一問題、激光定位系統在“三機”上布局方式等。根據實際應用分析，該定位系統能夠實現對設備運行過程中的動態定位，解決了傳統定位模式精度低、可靠性差的問題。

1 激光跟蹤定位系統架構

基于采煤機、液壓支架、刮板輸送機的聯動運行模式，錦瑞煤業所提出的井下高精度激光跟蹤定位系統的整體結構如圖1[1]。

該高精度激光跟蹤定位系統主要包括了三個部分：第一部分是絕對坐標系的建立，用于統一地面、井下巷道和作業面處的坐標信息，保證不同設備在不同位置處坐標信息的統一性。該部分是保證系統定位精度的基礎。第二部分是激光跟蹤定位系統，該部分主要是激光定位、數據信息傳遞部分，用于對采煤機、液壓支架、刮板輸送機的位置進行監測和判斷，為系統的調整提供數據。第三部分是系統應用，主要是獲取監測信息后對采煤機、液壓支架、刮板輸送機的相對位姿進行判斷并發出調控指令。

2 井下定位系統絕對坐標系建立

煤礦井下巷道埋深較大，難以使用衛星導航定位，導致井下坐標系難以確定。而且作業面上各設備的位置是隨著綜采作業的進行不斷變動，缺乏相對固定的定位基準，難以進行精確定位[2]。因此必須建立統一的絕對定位坐標系，保證在井下動態作業過程中位置坐標的統一性。

為了保證位置坐標的精確性，將作業面的絕對坐標傳遞分為三個過程：把作業面尾部回撤巷道端部預設一個固定點，作為系統的絕對坐標系，以該處為起始點，在上下順槽位置對預設的頂板控制點進行加密；然后系統通過激光跟蹤模式自動搜索靠近作業面位置的頂板控制點并將坐標傳遞到作業面上；最后當激光跟蹤系統隨著支架發生位置變動后，系統自動完成基準重構。

綜采面上激光跟蹤實時定位系統絕對坐標傳遞過程如圖2。圖中P 點表示錦瑞煤業的地理坐標基準點，M 表示礦區的近井點，O 表示作業面的絕對坐標系，Z 軸朝向天頂方向，Y 軸和作業面的推進方向平行。

圖2 作業面絕對坐標傳遞示意圖

為了保證系統應用的精確性，地質測繪組先根據P 點位置的坐標和方位來確定M 點的坐標及方位，然后通過AB 段進行地面和井下的測量連續，將地面上的位置坐標傳遞到井下，最后再經過B-O點來進行井下巷道支導線的測量。將激光實時跟蹤定位系統設置在回撤通道的O 點，將其作為工作面的絕對坐標系，然后計算出該位置的笛卡爾坐標值和方位角，作為系統的坐標基準。

3 激光跟蹤定位系統應用

3.1 激光跟蹤定位系統布置方案

激光跟蹤定位系統在作業面上的實時定位跟蹤方案如圖3。

圖3 作業面激光跟蹤實時定位系統

在作業面上共布置了5 個激光跟蹤器，激光跟蹤器的型號為Leica AT901-B 型[3]，每個激光跟蹤器之間的間隔為200 m。在順槽頂板的位置設置BK7 型角錐棱鏡，設置位置位于上順槽和下順槽的頂板控制點處。當系統開始工作時，位于巷道兩端的激光跟蹤器開始搜索和測量已知坐標的頂板控制點，并通過三角法來確定自身測量基準位置的絕對坐標，然后激光跟蹤器旋轉一定的角度搜索和他鄰近的激光跟蹤器信號并進行絕對坐標的傳遞，從而完成由順槽頂板控制點到作業面上各設備絕對坐標點的精確傳遞。

3.2 激光跟蹤定位工作流程

井下綜采設備激光跟蹤定位系統采用了非接觸式動態激光定位方法，其整體結構如圖4[4]。

圖4 激光跟蹤定位系統監測裝置布置圖

整個激光跟蹤定位系統的運行都是以絕對坐標系為基礎，各個激光定位器的布置結構如圖4，采煤機在運行到不同區間時由不同區間內的激光定位器跟蹤定位。位移作業面端部的激光定位器先對準頂板控制點上的角棱鏡，獲取到綜采面端部激光定位器的絕對位置坐標，依次遞推獲取到采煤機、液壓支架、刮板輸送機在系統中的絕對坐標位置。

在工作過程中采煤機按照一定的速度進給，此時由距離采煤機最近的激光跟蹤器向著采煤機上的激光反射器發射激光束，對采煤機進行動態跟蹤定位并獲取采煤機的絕對位置坐標。該布置方案的優點在于當任何一個激光跟蹤器因為移架而導致位置改變后，能夠快速地搜索到相鄰區域的激光跟蹤器，獲取到新的絕對位置坐標，保證了在動態調整過程中位置監測的準確性。

3.3 激光跟蹤器設置

整個激光定位系統正常工作的基礎在于各激光跟蹤器能否正常地接收激光位置信號。為了滿足在整個截割作業過程中動態定位的需求，對系統中激光跟蹤器的設置位置和數量進行了嚴格的分析和論證，最終確定了系統中各激光跟蹤器的安裝位置，結果如圖5[5]。

圖5 激光跟蹤器安裝位置示意圖

由圖5 可知，將綜采面激光跟蹤器設置在液壓支架頂梁的下側，通過一個連接座保持激光器的水平狀態，在采煤機的上側設置一個角錐棱鏡，激光跟蹤器向角錐棱鏡發出光束[6]，經過反射后再進入到綜采面上的激光跟蹤器，通過對目標光斑位置的監測即可實現目標的連續跟蹤定位。

當采煤機在工作過程中，隨著綜采作業的進行，在對應位置區段內由該區段內的激光跟蹤器進行連續跟蹤定位，實現動態跟蹤，當進入到下一個區間后，由下一個激光跟蹤器接替跟蹤，從而實現對綜采面上各設備運行過程位置的精確監測。

4 應用分析

1）激光穿透力好，能夠更好地適應井下高塵、高濕的作業環境。自應用以來，未出現過因井下作業環境惡劣而導致的定位系統故障現象。

2）該定位系統能夠自動進行井下位置坐標修正和定位，無需人工干預，實現了定位坐標快速修正和定位基準的快速調整。

3）該定位系統能夠將設備間的定位精度由±0.14 m 降低到目前的±0.03 m，定位誤差量降低了78.6%。因設備定位誤差原因導致的故障數量由2.2 次/d 降低到了目前的0.3 次/d，故障數量降低了86.4%。該定位系統完全能夠滿足井下設備間聯合運行控制的需求，為實現井下無人化綜采控制奠定了基礎。

5 結語

錦瑞煤業首次采用激光跟蹤技術，搭建了井下激光跟蹤定位坐標系體系和跟蹤定位系統，提高了采煤機、液壓支架、刮板輸送機在運動過程中的定位精度和可靠性，減少了運行過程中的故障，有效地提升了井下作業面自動化綜采作業的效率和安全性，對其他采用聯動綜采技術的同類型煤礦具有較大的參考價值。