煤礦智能化掘進工作面裝備技術研究與應用

煤礦智能化掘進工作面裝備技術研究與應用摘要：煤炭占我國一次能源消費的65%，未來我國煤炭開采深度與難度越來越大，采掘作業(yè)是其最重要、最危險的生產環(huán)節(jié)，70%煤礦事故發(fā)生在采掘區(qū)。掘進工作面的瓦斯爆炸及巖層垮塌、突水等地質災害發(fā)生率高、偶然性強，對掘進礦工生命安全威脅極大?，F場作業(yè)安全性差和工人勞動強度高是綜掘巷道掘進作業(yè)存在的主要問題之一。目前大多數綜掘巷道都采用掘錨分離作業(yè)進行施工，在掘、支、錨、運一體化或成套化裝備未能大面積推廣之前，研究智能化掘進工作面控制系統(tǒng)對提升掘進工作面作業(yè)水平和降低工人勞動強度具有重要的現實意義。關鍵詞：智能化掘進；裝備技術；應用引言我國在“機械化換人、自動化減人”生產理念引導下，煤礦智能化發(fā)展步伐強健有力，煤礦機器人應用推進迅速。國內研究者針對掘進智能化進行了深入研究，煤炭學報、煤炭科學技術等期刊通過策劃煤礦快速智能掘進理論與技術、煤礦快速掘進技術與裝備等專題，系統(tǒng)總結和分析了采掘工作面智能化建設面臨的機遇與挑戰(zhàn)，王國法、王虹、吳淼、馬宏偉等研究者為掘進發(fā)展摹畫出發(fā)展技術路線，有力促進了國內在采掘智能化方面的協(xié)同攻關，有效緩解了“采掘失衡”，為智能礦山的建設提供強有力的支撐。1技術分析針對懸臂相對機身的姿態(tài)檢測方法，目前常用的是內置或外置傳感器，采用在懸臂升降和回轉油缸內置磁致伸縮位移傳感器測量懸臂的俯仰角和偏航角，存在傳感器在高溫油中老化嚴重、可靠性較差和維護成本高等問題。采用懸臂外置靜態(tài)傾角傳感器測量懸臂俯仰角和偏航角，存在振動環(huán)境下精度差和易受煤灰、水、泥等影響使用的問題。采用慣性導航裝置測量懸臂俯仰角和偏航角，存在抗振性差、使用不便和成本高昂等問題。掘進工作面信息遠程可視化僅實現了設備位姿的上位機顯示，從未實現井下巷道三維信息遠程可視技術。針對機身自主定位問題，國內相關廠家先后在井下進行了基于光電導航和慣性導航的相關試驗，但未形成經濟、可靠的相關產品。2裝備智能化之數據分析系統(tǒng)關鍵技術煤礦裝備在使用過程中產生了大量的數據，如何能夠充分利用這些數據，發(fā)掘數據之間的聯系和差異，是煤礦區(qū)數據挖掘需解決的問題。目前，煤礦數據挖掘技術還處于起步階段，裴秋艷采用數據挖掘方法應用于礦井通風安全領域，采用灰度預測及MGM優(yōu)化模型，對礦井生產過程中的通風數據進行挖掘和處理，并以此為基礎，能夠對未來風量變化趨勢進行預測。煤科集團沈陽研究院有限公司研制的KY400煤礦電機故障診斷系統(tǒng)能實時監(jiān)測電機的溫度、振動、電流等信號，具有運行狀態(tài)評價，壽命評估、故障診斷及維修決策等功能，最大限度地減少電機非計劃停機對煤礦井下安全生產的影響。KY400煤礦電機故障診斷系統(tǒng)內置專家?guī)欤ㄟ^將實時數據與專家?guī)爝M行比對，可以進行故障識別與診斷：專家?guī)鞎鶕嶋H電機運行狀態(tài)不斷進行升級和修正，使得系統(tǒng)的靈敏度適應實際需要。3煤礦智能化掘進工作面裝備技術的應用3.1智能掘進工藝與裝備以懸臂式掘進機為龍頭的成套裝備:適應復雜地質條件、頂板穩(wěn)定性差、需要及時支護、空頂距小適用于半煤巖、巖巷，同時也適用于煤巷具有多種配套形式;以掘錨一體機為龍頭的成套裝備:掘支運一體化智能掘進系統(tǒng)由掘錨一體機、錨桿錨索支護裝備、后配套裝備和協(xié)同控制系統(tǒng)組成;以連采機為龍頭的成套裝備:采用連續(xù)采煤機和錨桿鉆車交叉換位作業(yè)，間歇式作業(yè)，長距離巷道掘進能夠減少綜采工作面搬家倒面的次數，提高設備開機率，適用于地質條件簡單、低瓦斯礦井，其中連續(xù)采煤機采用切槽+采垛兩次進刀式，錨桿鉆車支護，與連續(xù)采煤機交叉平行作業(yè)，運輸路徑為連續(xù)采煤機－梭車－給料破碎機－順槽皮帶，以鏟車清浮煤、運送物料作為輔助;全斷面掘進機為成套裝備:由盾構機或全斷面掘進機、錨桿支護系統(tǒng)、運輸系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)等組成，適應煤巷、半煤巖巷及全巖巷道的全斷面快速掘進，可實現斷面一次性成形，具備高效截割裝載一體化，掘進與支護平行作業(yè)，封閉式掘進，安全性較好，智能化程度高，掘進效率高等特點。3.2“視覺+”組合定位提出“視覺+”位姿測量方法，基于激光點-線特征標靶的懸臂式掘進機機身及截割頭位姿單目視覺測量方案，以巷道設計走向數據為基準，建立巷道坐標系實現掘進裝備機體的全位姿檢測，為進一步實現智能截割、糾偏控制、定向掘進提供基礎數據，該方案包括機身全局定位和截割頭局部定位兩個子系統(tǒng)，前者獲得機身在巷道坐標系下的空間位姿，后者獲得截割頭在掘進機身坐標系下的空間位姿?？紤]了視覺測量可能存在的遮擋、丟幀等問題，實際測試時該系統(tǒng)采用了低成本慣導，以多傳感器融合保證動態(tài)測量的穩(wěn)定性。3.3自動頂進系統(tǒng)自動頂進系統(tǒng)的控制開啟自動頂進系統(tǒng)之后，系統(tǒng)對按鍵狀態(tài)進行檢測，確認急停、手動頂進等和自動頂進功能互鎖的按鍵狀態(tài)是否符合；之后，為了保證機頭內部渣石的排渣通暢，先流出延時5s的頂進延時時間，延時結束之后，先后進行主頂伸出、中繼1伸出的自動頂進操作，在中繼1伸出的過程中，需要監(jiān)測機頭的切削電流，如果機頭切削電流過大，需要調整頂進速度，保證機頭的切削電流在合理的范圍內，當中繼1的頂進行程到位之后，完成了自動頂進流程。3.4斷面自動成形控制技術斷面成形控制指在一個循環(huán)截割內斷面輪廓自動成形控制，可在實現掘進機智能控制的基礎上完成斷面截割自動成形控制。利用懸臂相對機身的實時位姿信息，實現斷面在一定范圍內可人工干預的自動截割成形控制。在截割循環(huán)開始時，按照巷道斷面輪廓的工藝要求以及截割頭外形和初始運動參數，確立截割的初始軌跡。截割過程中根據工作面環(huán)境信息、煤巖情況以及整機工況參數調整截割參數和截割路徑，以保證最終按工藝要求完成斷面截割。記憶截割指掘進機操作司機根據自己的截割習慣進行示教，控制器對操作人員操作懸臂運動軌跡進行記錄、存儲，同時上位機同步顯示司機示教時懸臂的運行軌跡。在進行下一循環(huán)截割時，操作人員直接調用已存儲的示教軌跡即可實現懸臂按照人員示教軌跡自動運行。懸臂擺動速度會根據截割反饋電流自動進行懸臂高速、中速、低速三擋速度調整，使懸臂擺動速度與巖石硬度變化處于最佳匹配。結束語目前，煤機裝備智能化技術還處于起步階段，雖然有部分煤機裝備采用了智能化技術，但還未形成產業(yè)規(guī)模，多數煤機裝備還停留在機械化、自動化的階段。探討煤礦開采數據挖掘技術等煤礦區(qū)裝各智能化的關鍵技術，確定這些技術在煤礦區(qū)裝備的應用范圍，得出煤礦區(qū)裝備智能化的技術路線，對提升煤礦區(qū)裝備智能化水平具有重要意義。參考文獻[1]李巖.煤礦掘進機智能控制機構的研究[J].機電工程技術,2020,49(10):165-166.[2]馬宏偉,王鵬,張旭輝,曹現剛,毛清華,王川偉,薛旭升,劉鵬,夏晶,董明,田海波.煤礦巷道智能掘進機器人系統(tǒng)關鍵技術研究[J].西安科技大學學報,2020,40(05):751-759.[3]張超,張旭輝,毛清華,馬宏偉,杜昱陽,陳曉晶,夏晶,謝兵,王川偉,薛旭升,曹現剛,田海波,劉鵬.煤礦智能掘進機器人數字孿生系統(tǒng)研究及應用[J].西安科技大學學