煤礦井下智能化高效掘進(jìn)控制體系的研究

王 超

（晉能控股集團(tuán)寺河煤礦）

目前在綜掘面主要分布有掘錨一體機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、輸送機(jī)等多種類型的設(shè)備，但由于缺乏統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，導(dǎo)致各設(shè)備在人工的控制下獨(dú)立作業(yè)，經(jīng)常出現(xiàn)因步調(diào)不一致而導(dǎo)致的綜掘面部分設(shè)備停工待機(jī)問題［1］，不僅嚴(yán)重影響了煤礦井下綜掘作業(yè)的正常運(yùn)行，而且極大地降低了綜掘效率。

結(jié)合目前綜掘面的實(shí)際情況，多個(gè)煤炭生產(chǎn)企業(yè)開始進(jìn)行井下自動(dòng)化、智能化的綜合掘進(jìn)控制系統(tǒng)開發(fā)，先后發(fā)展出大采高綜采面智能化人機(jī)協(xié)同控制綜采、中厚煤層智能化無人綜采等智能化控制系統(tǒng)，但以上控制系統(tǒng)均為局部、小范圍的綜采協(xié)同控制體系，難以實(shí)現(xiàn)對整個(gè)綜采作業(yè)流程的“一個(gè)流”控制。因此，在對各設(shè)備協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)工藝流程進(jìn)行充分分析的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目提出了一種新的井下綜掘面智能控制系統(tǒng)，通過遠(yuǎn)程集控技術(shù)將各設(shè)備的綜掘運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行統(tǒng)一的匯總和分析，制定協(xié)同運(yùn)行方案，通過人—機(jī)—環(huán)協(xié)同控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)各設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行，滿足井下智能化控制的需求。

1 掘、運(yùn)、支一體化智能控制系統(tǒng)

結(jié)合煤礦井下綜掘面的實(shí)際需求，本項(xiàng)目所提出的掘、運(yùn)、支一體化控制系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對井下地質(zhì)狀態(tài)的智能感知、對掘運(yùn)支設(shè)備的智能控制、對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)巡檢和故障報(bào)警，該智能控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示［2］。

由圖1 可知，邊緣感知層是該智能控制系統(tǒng)的“眼睛”，主要是對掘進(jìn)面的掘進(jìn)環(huán)境進(jìn)行快速監(jiān)測，構(gòu)建井下地質(zhì)狀態(tài)分布模型，為掘進(jìn)機(jī)的正常掘進(jìn)作業(yè)提供技術(shù)支持。平臺決策層是該智能控制系統(tǒng)的“大腦”，主要通過對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和判斷，對掘進(jìn)機(jī)的智能掘進(jìn)、設(shè)備的自動(dòng)支護(hù)等提供決策信息，保證井下掘進(jìn)面設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。設(shè)備執(zhí)行層是該智能控制系統(tǒng)的“四肢”，主要用于接受決策層的決策信息，并控制掘進(jìn)面的設(shè)備執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)多設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行作業(yè)，提高井下巷道掘進(jìn)效率和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)運(yùn)維層是該控制系統(tǒng)的“保姆”，主要通過大數(shù)據(jù)分析的方式對各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，提供設(shè)備全壽命周期的分析報(bào)告，確保設(shè)備的運(yùn)行安全性和使用壽命。

在工作過程中，該智能控制系統(tǒng)中首先由邊緣感知層對掘進(jìn)區(qū)域的地質(zhì)情況進(jìn)行分析匯總，將地質(zhì)狀態(tài)信息傳輸?shù)經(jīng)Q策層，同時(shí)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)感知系統(tǒng)也將各綜掘設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)信息傳遞到平臺決策層內(nèi)，系統(tǒng)通過決策邏輯方法對系統(tǒng)的整體運(yùn)行情況進(jìn)行決斷，然后將決策結(jié)果發(fā)送到設(shè)備執(zhí)行層，控制綜掘面的相應(yīng)設(shè)備完成智能截割、智能支護(hù)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了遠(yuǎn)程運(yùn)維層，主要是對系統(tǒng)的整體運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測，當(dāng)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)出現(xiàn)異常后及時(shí)進(jìn)行報(bào)警及故障定位，便于監(jiān)測人員能夠第一時(shí)間進(jìn)行處理，減少設(shè)備停機(jī)維護(hù)對綜掘面綜掘的影響，提升設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性和井下的綜掘效率。

2 井下超前探測方案

邊緣感知層的核心是實(shí)現(xiàn)對井下圍巖地質(zhì)情況的快速探測和分析，一方面能夠快速獲取掘進(jìn)工作面前方是否有隱蔽的異常地質(zhì)情況，解決在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)經(jīng)常面臨的小斷層、煤巖厚度變化、陷落柱等地質(zhì)狀態(tài)突變而導(dǎo)致的掘進(jìn)事故，另一方面能夠?qū)聡鷰r的硬度、分布情況進(jìn)行快速分析，為掘進(jìn)機(jī)的連續(xù)、智能截割提供數(shù)據(jù)支撐，也能夠?yàn)橹ёo(hù)設(shè)備的實(shí)時(shí)調(diào)整、提高支護(hù)穩(wěn)定性提供依據(jù)，保證支護(hù)的可靠性。

目前常用的圍巖實(shí)時(shí)感知技術(shù)主要包括了鉆探和物探。鉆探方案主要是通過鉆頭鉆探的方式獲取圍巖樣品，通過對樣品的測試來確定圍巖的物理性能，該方案具有探測準(zhǔn)確性高的優(yōu)點(diǎn)，但測試速度慢，難以滿足井下快速鉆進(jìn)時(shí)的需求。物探方案主要是利用瞬變電磁法、直流電法等，能夠快速地對圍巖狀態(tài)進(jìn)行探測，但探測精度存在一定缺陷，難以滿足掘進(jìn)安全性的需求。因此，本項(xiàng)目提出了將物探和鉆探相結(jié)合的技術(shù)方案，在掘進(jìn)過程中先利用物探進(jìn)行大范圍的勘探，對可疑區(qū)域再進(jìn)行短距離快速鉆進(jìn)勘探，保證探測快速性和可靠性的統(tǒng)一，滿足掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中快速感知圍巖狀態(tài)的需求［3］。

3 自動(dòng)掘進(jìn)控制系統(tǒng)

寺河煤礦智能化掘進(jìn)工作面現(xiàn)使用山西天地公司生產(chǎn)EBZ220 掘進(jìn)機(jī)通過北京易聯(lián)創(chuàng)安對其進(jìn)行智能化改造升級，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。智能化功能目前已初步實(shí)現(xiàn)，已實(shí)現(xiàn)視距遙控和遠(yuǎn)程遙控雙模式控制，能夠自主決策、智能控制的懸臂式掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，具備位姿測量、位姿補(bǔ)償、多參數(shù)感知、狀態(tài)監(jiān)測與故障報(bào)警、遠(yuǎn)程遙控干預(yù)等功能，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)高精度定向、位姿調(diào)整、自適應(yīng)截割及掘進(jìn)環(huán)境可視化，該控制系統(tǒng)的應(yīng)用界面如圖2所示。

為了確保位姿測量、位姿補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確性，該系統(tǒng)采用激光掃描儀結(jié)合機(jī)身多傳感器數(shù)據(jù)融合的掘進(jìn)機(jī)位姿檢測方法。在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身安裝激光掃描儀，用于獲取當(dāng)前巷道輪廓的點(diǎn)云位置數(shù)據(jù)，巷道輪廓的點(diǎn)云位置數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標(biāo)換算和特征提取，得到巷道輪廓點(diǎn)云坐標(biāo)數(shù)據(jù)，然后直線擬合求出巷道兩幫數(shù)據(jù)［4］?；谒鶖M合出的巷道兩幫數(shù)據(jù)，可計(jì)算定位出巷道斷面的中心線，在隨后的掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)控制中，基于激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)以及本設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型算法，得到機(jī)身水平角、俯仰角、翻滾角，并獲得機(jī)身航向角偏移和巷道中心線偏移。在機(jī)身后方放置參考基準(zhǔn)點(diǎn)，可求出機(jī)身與后方基準(zhǔn)點(diǎn)的距離，從而計(jì)算截割頭斷面鉆進(jìn)距離及累計(jì)總掘進(jìn)距離，最終實(shí)時(shí)獲得掘進(jìn)機(jī)水平角、俯仰角、翻滾角、水平距離和垂直距離5個(gè)掘進(jìn)機(jī)位姿參數(shù)的自動(dòng)測量，從而實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)巷道斷面截割，其控制界面如圖3所示。

為了保證自動(dòng)截割控制的準(zhǔn)確性，通過數(shù)學(xué)模型結(jié)合多種傳感器的使用，由計(jì)算機(jī)對掘進(jìn)機(jī)截割臂的回轉(zhuǎn)與升降液壓缸進(jìn)行控制，自動(dòng)截割出規(guī)整斷面。對常見的矩形巷道斷面，可根據(jù)遠(yuǎn)程遙控中心上位機(jī)輸入的斷面寬、高，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算特征點(diǎn)，從而可以控制截割頭作業(yè)運(yùn)動(dòng)曲線；而對于梯形或者半圓拱形等不規(guī)則巷道斷面，可輸入斷面曲線模型［5］，建立特征值點(diǎn)，確定截割頭作業(yè)軌跡。

掘進(jìn)機(jī)可通過自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)擺速自適應(yīng)控制。通過分析截割頭的總阻力，依據(jù)截割頭力矩與功率的關(guān)系可得截割頭外部載荷所需的截割功率，從而可以獲得截割臂擺速、截割電動(dòng)機(jī)電流與煤巖硬度之間的關(guān)系，保證自動(dòng)截割作業(yè)的準(zhǔn)確性，其調(diào)控精度可以達(dá)到30 mm以內(nèi)。

4 遠(yuǎn)程集控方案

煤礦井下綜掘環(huán)境惡劣、空間狹小、電磁干擾嚴(yán)重，因此如何確保綜掘智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信安全，保證數(shù)據(jù)通信的快速性、準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)對各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)情況的遠(yuǎn)程監(jiān)測和控制是該系統(tǒng)的核心［6］。該控制系統(tǒng)采用了遠(yuǎn)程集控模式［7］，其核心主要包括了多機(jī)協(xié)同控制、供配電及通信、設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測及故障診斷以及主動(dòng)安全防護(hù)4個(gè)部分。

4.1 多機(jī)協(xié)同控制

多機(jī)協(xié)同控制主要是對井下掘進(jìn)面從掘進(jìn)到物料運(yùn)輸進(jìn)行集中協(xié)調(diào)，保證井下掘進(jìn)的連續(xù)性。在對井下巷道掘進(jìn)工藝流程進(jìn)行全面梳理的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)目在對井下巷道掘進(jìn)工藝進(jìn)行梳理和優(yōu)化的基礎(chǔ)上，提出了超限處理、區(qū)間報(bào)警等綜合控制技術(shù)，在掘錨一體機(jī)上設(shè)置自動(dòng)導(dǎo)航控制系統(tǒng)和測距裝置，確保掘錨一體機(jī)在巷道內(nèi)作業(yè)的精度，對轉(zhuǎn)載機(jī)和掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)—轉(zhuǎn)載匹配，實(shí)現(xiàn)隨掘隨轉(zhuǎn)，避免了因物料堆積而影響掘進(jìn)效率。

4.2 供配電及通信系統(tǒng)

供配電及通信主要是采用了多回路組合開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)供電的集約化管控，避免單一供電模塊出現(xiàn)異常而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的癱瘓，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行情集中的控制管理。同時(shí)針對進(jìn)行掘進(jìn)過程中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)交互多的問題，采用了5G高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，利用中繼器和信號增強(qiáng)裝置解決了信號傳遞衰減快、干擾大、傳遞效率低的不足。在整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，需要充分考慮不同區(qū)域的實(shí)際情況，采用不同的數(shù)據(jù)通信方式，滿足數(shù)據(jù)通信安全、經(jīng)濟(jì)的需求。最終該系統(tǒng)采用了“現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)+綜掘面無線局域網(wǎng)絡(luò)+工業(yè)以太網(wǎng)”的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信集控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對綜掘智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一鍵調(diào)取和集中控制，具有擴(kuò)展靈活性好、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)。

4.3 設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測及故障診斷

設(shè)備狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測及故障診斷的主要目的是對各掘進(jìn)設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行集中監(jiān)控，提前感知設(shè)備的運(yùn)行異常并快速進(jìn)行故障定位和處理，避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)事故。系統(tǒng)采用了分布式的數(shù)據(jù)處理模塊，對設(shè)備的核心運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測對比，及時(shí)對故障異常進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)自動(dòng)生成設(shè)備的體檢報(bào)告，為設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)提供技術(shù)支持，解決了傳統(tǒng)保養(yǎng)無針對性，保養(yǎng)周期長、成本高的不足。

4.4 動(dòng)安全防護(hù)

主動(dòng)安全防護(hù)主要是將井下巷道掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行了安全等級劃分，采用了紅外熱成像和井下主動(dòng)定位技術(shù)，對區(qū)域內(nèi)活動(dòng)人員的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)人員出現(xiàn)在危險(xiǎn)區(qū)域后系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行聲光告警，提醒相關(guān)人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，當(dāng)人員違規(guī)進(jìn)入到設(shè)備運(yùn)行危險(xiǎn)區(qū)后，系統(tǒng)將自動(dòng)停止設(shè)備的運(yùn)行，避免發(fā)生人員安全事故，實(shí)現(xiàn)對人員的主動(dòng)安全防護(hù)，提高井下巷道掘進(jìn)的安全性。

5 應(yīng)用情況分析

晉能控股集團(tuán)寺河煤礦采用一次采全高采煤工藝，煤層平均厚度為6.4 m，煤層的平均傾斜角為4.2°，在改造之前主要采用了非連續(xù)式“孤島”型綜采作業(yè)模式，井下綜采人員數(shù)量多，綜采效率低下，巷道掘進(jìn)效率僅為4.7 m/d，巷道綜采面同時(shí)作業(yè)人員數(shù)量達(dá)到了18人。在采用井下智能掘進(jìn)控制系統(tǒng)后，通過綜合運(yùn)用遠(yuǎn)程集控技術(shù)、人—機(jī)—環(huán)協(xié)同控制技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了綜掘面多機(jī)協(xié)同運(yùn)行控制，優(yōu)化后的綜采作業(yè)效率提升到了5.9 m/d，井下綜掘面作業(yè)人員數(shù)量降低到了目前的12 人，作業(yè)人員數(shù)量降低33.3%，顯著提升了煤礦井下的綜掘效率和安全性，具有極大的應(yīng)用推廣價(jià)值。

6 結(jié) 論

（1）新的掘、運(yùn)、支一體化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對井下地質(zhì)狀態(tài)的智能感知、對掘運(yùn)支設(shè)備的智能控制、對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)巡檢和故障報(bào)警。

（2）以掘進(jìn)主機(jī)控制系統(tǒng)為核心，能夠?qū)⒅悄芙馗羁刂葡到y(tǒng)的調(diào)整精度控制在30 mm以內(nèi)，滿足井下智能截割的控制需求。

（3）該控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕孪锏谰C掘效率提升25.5%，將綜掘面作業(yè)人員數(shù)量降低33.3%，對提升煤礦井下巷道掘進(jìn)效率、提升綜掘安全具有十分重要的意義。