掘進裝備與自移機尾協同控制的研究與應用

摘 要：掘進工作面智能化建設要求實現掘進裝備與自移機尾的聯動，鑒于此，研究了一種掘進設備與自移機尾協同控制的方法。從硬件組成、原理介紹、協同方式、軟件設計、實現方法多個方面，通過掘進設備與自移機尾的控制方法介紹，多角度闡述了成套設備協同控制的實用性及可靠性，結合煤礦現場配套設備的成功應用，為煤礦掘進智能化多設備綜合協同控制提供了技術支撐。

關鍵詞：掘進裝備；自移機尾；協同控制；聯動

中圖分類號：TD421" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0057-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.014

0" " 引言

煤礦智能化是適應現代工業技術革命趨勢、保障國家能源安全、實現煤炭工業高質量發展的核心技術支撐[1]。采掘裝備在煤炭工業的發展中發揮了基礎性作用，目前已基本實現機械化、信息化、自動化，正在邁入智能化開采新階段[2]。智能化綜采發展迅速，與其相比，煤礦掘進智能化受井下復雜地質條件、環境因素、施工工藝等制約發展相對緩慢，目前主要是對以遠程可視化控制+自動割煤+一鍵啟停為特征的初級智能掘進技術進行示范性應用[3]。

隨著我國煤礦企業的不斷整合，煤礦數量越來越少，但煤炭依然是目前工業發展需要的主要一次能源，對煤炭產量的需求還在不斷提升，因此煤礦開采需求加大[4]，加之煤礦采掘裝備快速發展，智能化開采初見成效，開采效率大幅提高，每年消耗的掘進巷道越來越多，“采快掘慢，采掘失衡”問題愈發突出。近年來，國家對于煤礦的智能化發展越來越重視，發展落后的掘進智能化要提升推進速度，為煤礦智能化發展添磚加瓦，需要科研院所、企業單位共同攻堅克難，解決“卡脖子”問題，突破技術壁壘，填補行業空白。

本文通過對掘進裝備與自移機尾之間的協同控制進行深入研究，從驅動方式、傳感監測、速度匹配等方面進行分析，解決自移機尾自動跟隨掘進裝備問題，實現同進同退、協同動作，減少工作面崗位數量，提升掘進智能化程度。

1" " 掘進裝備與自移機尾作業流程介紹

目前，煤礦巷道掘進使用設備配套方式多樣，但大多仍采用懸臂式掘進機（掘錨護一體機）+橋式轉載機+自移機尾+順槽運輸皮帶成套設備進行掘進作業。本文以此配套方式為例，簡要介紹掘進裝備與自移機尾的作業方式及工藝流程。詳細設備組成配套方式如圖1所示。

懸臂式掘進機進行截割、臨時支護作業，橋式轉載機將物料轉運至帶式輸送機然后輸送到主運皮帶，帶式輸送機自移機尾通過自身動力拖動皮帶進行前移，與橋式轉載機配合完成連續運輸工序，保障生產班連續掘進任務。井下遠程控制室和地面集控平臺實現掘進及運輸設備的遠程集中監控、視頻監控、自主定位導航、一鍵啟停等功能。

2" " 自移機尾及配套設備應用

目前，煤礦巷道掘進所應用的自移機尾以邁步式自移機尾為主，另外還有液壓驅動履帶式自移機尾及電驅動履帶自移機尾。傳統巷道掘進主要應用邁步式自移機尾，搭配橋式轉載機來實現物料轉運及順槽帶式輸送機拖動，此方式多用于地質條件復雜、日進尺較低的掘進巷道，橋式轉載機和自移機尾的有效搭接長度大于日進尺，圓班生產不需要考慮延伸皮帶，能減少停機時間。巷道條件較好，掘進配套設備先進，智能化程度高，對于進尺要求高的掘進巷道，可以應用履帶式自移機尾，直接拖動順槽帶式輸送機，無須配套橋式轉載機，即可將掘進裝備輸送的物料直接運至膠帶運輸機上。此種方式多用于陜北、內蒙等礦，適用于配套快速掘進裝備，連續掘進、支護、運輸作業，不需要單獨停機進行皮帶延伸，可以在運輸過程中完成皮帶延伸。履帶式自移機尾根據動力源可以分為電驅動和液壓驅動，調速方式有所區別，其他基本相同。邁步式自移機尾、履帶式自移機尾分別如圖2、圖3所示。

3" " 協同控制所需裝置

掘進機與自移機尾的協同控制邏輯比較復雜，涉及傳感器較多，為確保數據運算快速、可靠，需要單獨采用控制器來完成邏輯處理?？刂葡到y采用單獨集成方式，防爆電控箱內部包括控制器、數據采集模塊、急停單元、按鈕組件、電源模塊、指示燈、通信模塊等；在掘進設備與自移機尾上安裝壓力傳感器、流量傳感器、激光雷達、比例電磁閥等，實時檢測掘進設備和自移機尾行走狀態。具體連接拓撲如圖4所示。

4" " 控制邏輯

如前面所述，自移機尾常見的驅動形式有液壓驅動和電驅動，驅動形式不同，檢測控制方式會有所區別，但控制邏輯基本一致。主要控制邏輯可以理解為：

V_j×T_m-V_z×T_n=M（M_o≤M≤M_z）

式中：V_j為掘進裝備行走速度；V_z為自移機尾行走速度；T_m為掘進裝備行走時間；T_n為自移機尾行走時間；M為兩者之間的安全距離，在確定范圍內，即M_o和M_z在設備已知情況下為給定值[5-6]。

下面主要對兩種常見驅動形式進行詳細介紹。

4.1" " 液壓驅動

掘進機通過油泵電機、液壓泵站、比例閥、液壓馬達驅動履帶裝置進行動作。如圖5所示，掘進機左右行走部各有一臺液壓馬達，每臺馬達都有兩根液壓管路連接，分別為液壓油流入和流出馬達的管路。馬達的正轉或反轉取決于液壓油的流向，當液壓油從1、2號管路流入時，液壓馬達正轉；當液壓油從3、4號管路流入時，馬達反轉。掘進機通過控制馬達的正反轉來實現前進和后退動作，當需要轉彎時，則是利用左右兩個液壓馬達的轉速差來實現。在1、2、3、4號管路上分別安裝壓力傳感器，1、2號管路上安裝流量傳感器，當掘進機行走時，壓力傳感器可以檢測相應管路壓力，流量傳感器可以檢測馬達進出的液壓油流量。壓力和流量傳感器原始信號接入數據采集模塊，經過信號變換處理發送給控制器，控制器進行信號分析運算，融合掘進機前進、后退正常回路壓力和流量實際值，進行比對處理，可以判斷出掘進機動作狀態，前進或者后退，結合掘進機行走機構設計參數可以計算出當前運行速度。調節行走比例閥開度，可以控制相應回路液壓油流量及對應的壓力，繼而改變掘進機行進速度，因此可以通過回路壓力和流量數值等效計算出速度值，便于速度精確調節[7]。

液壓驅動履帶式自移機尾行走機構與掘進機相似，行走控制和調速邏輯與上述方法相同。通過實時檢測掘進機的行進方向和行走速度，控制器對信號分析處理后驅動自移機尾電磁比例閥動作，從而控制自移機尾動作。在自移機尾前端安裝激光雷達進行測距，實時測量自移機尾距離掘進機后端的相對距離，避免速度不匹配導致相對距離過大或過小。通過雷達測距數值可以動態調整行走液壓閥開度，實時調節設備行走速度，確保設備相對距離M基本恒定。

4.2" " 電驅動

當設備采用變頻驅動時，變頻器運行參數實時傳輸至控制器，通過總線進行通信，響應速度更快。變頻參數可以直觀反映出掘進裝備的行進方向和行走速度，將信號傳輸給自移機尾控制端，控制自移機尾行走方向和速度。同樣，需要在自移機尾前端安裝激光雷達，測量兩臺設備的相對距離，以便動態調節速度。

以上兩種驅動方式的調速控制都需要進行詳細的邏輯運算處理，對檢測精度、運算時延、控制精度要求都較高，需要嚴格控制每個環節。

5" " 實現方法

5.1" " 初始狀態檢測

設備聯動控制之前，需要先進行狀態檢測，確保設備能夠正常工作，避免出現意外。如圖6所示，指示燈紅色表示拍下急停按鈕或者安全距離不夠，此時無法進行兩設備協同控制；當指示燈顯示綠色則表示解除急停，并且測距傳感器檢測設備相對距離符合要求，具備協同控制條件，可以開始設備協同。

5.2" " 設備協同設置

在設備已知的情況下，確定其驅動方式，需要選擇設置程序內部處理方法。具體設置操作如圖7所示，撥動按鈕2或3表示設備已進入聯動狀態，指示燈2和3分別表示聯動狀態，綠色表示聯動中，紅色表示不聯動。

5.3" " 動作判斷

協同控制的核心是精確檢測各設備的動作狀態，包括方向和速度，檢測出掘進裝備的速度，經過邏輯指令快速響應，自移機尾進行聯動。如圖8所示，A、B、C、D為1、2、3、4號管路上的壓力傳感器檢測值，通過液壓馬達進出口油路壓力值大小，判斷設備前進還是后退；基于1、3號管路上的流量傳感器數據，經過主控器計算后得出設備行進速度，從而驅動自移機尾行走機構動作。

5.4" " 整體流程設計

經過初始狀態檢測、協同參數設置、動作判斷、速度動態調節、外圍因素干預等多項子程序設計，實現掘進裝備與自移機尾的協同控制。具體設計流程如圖9所示。

6" " 結束語

掘進裝備與自移機尾的協同控制可以有效提高掘進系統自動控制水平，減少設備遠控過程中的人為干預，降低掘進工作面操作人員數量，對于掘進系統智能化建設有實質性作用，并且對在用的掘進系統進行技術改造有指導意義。設備協同控制的穩定性是掘進系統智能化建設的關鍵，要確保掘、支、錨、運、移工序協同聯動，每個環節都必須穩定可靠，才能實現高質量的掘進智能化。

[參考文獻]

[1] 王國法，劉峰，龐義輝，等.煤礦智能化——煤炭工業高質量發展的核心技術支撐[J].煤炭學報，2019，44（2）：349-357.[2] 王國法，王虹，任懷偉，等.智慧煤礦2025情景目標和發展路徑[J].煤炭學報，2018，43（2）：295-305.

[3] 王劍，劉備戰，雷亞軍，等.曹家灘煤礦智能快速掘錨成套裝備應用[J].陜西煤炭，2021，40（1）：1-3.

[4] 李剛.煤礦巷道快速掘進工藝及設備配套現狀與應用[J].煤炭技術，2022，41（4）：32-34.

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[2023-03-15].https：//kns.cnki.net/kcms2/article/abstract？v=3uoqIhG8C45S0n9fL2suRadTyEVl2pW9UrhTD-CdPD646zzV4d8n2rjcDeSrniKVWzM16N38JEe9Qb31aj78CT-Bvb7gLT56ZIamp;uniplatform=NZKPT.

[6] 馮博.礦井掘進機行走驅動自動跟蹤控制策略的設計[J].機械管理開發，2020，35（8）：217-219.

[7] 譚明.掘進機智能行走控制系統的設計與實現[D].武漢：武漢理工大學，2012.

收稿日期：2023-03-20

作者簡介：田江偉（1990—），男，陜西興平人，工程師，主要從事采掘設備電氣及智能化系統設計工作。