煤礦掘進(jìn)工作面智能化改造方案探討

　　要: 為了解決煤礦掘進(jìn)工作面自動化改造過程中存在的諸多難點，全面闡述掘進(jìn)工作面設(shè)備的自動化改造方向及技術(shù)手段。煤礦掘進(jìn)工作面設(shè)備的移動特性較高，巷道掘進(jìn)過程中前方地質(zhì)條件復(fù)雜且無法全部探明，生產(chǎn)過程中粉塵濃度高可見度低，致使在掘進(jìn)設(shè)備控制的遠(yuǎn)程化與無人化改進(jìn)方面存在較大困難。移動設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳，連續(xù)掘進(jìn)機的行走導(dǎo)航，低可見度下運行設(shè)備的視頻監(jiān)控，運煤車輛( 梭車) 的自動駕駛等問題都是制約掘進(jìn)工作面無人化改造的技術(shù)難點。針對當(dāng)前煤礦掘進(jìn)工作面使用的設(shè)備和生產(chǎn)工藝，利用現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)，探索將掘進(jìn)工作面設(shè)備進(jìn)行自動化控制功能改造的方法，以實現(xiàn)煤礦掘進(jìn)工作面的少人化，為未來智慧礦山模式下的無人化生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

　　王飛; 謝進(jìn); 羅偉; 王立強， 陜西煤炭 發(fā)表時間：2021-08-06

　　關(guān)鍵詞: 巷道掘進(jìn); 無人化; 地質(zhì)條件; 智能化改造

　　0 引言

　　掘進(jìn)工作面的生產(chǎn)是由連續(xù)掘進(jìn)機和錨桿鉆機交替進(jìn)行掘進(jìn)和支護(hù)作業(yè)。作業(yè)循環(huán)進(jìn)度根據(jù)井下現(xiàn)場地質(zhì)條件確定，一般不大于 11 m( 連掘機機身長度) 。連續(xù)掘進(jìn)機割煤，運煤車( 梭車) 接煤后運往給料破碎機，給料破碎機將煤塊破碎均勻轉(zhuǎn)運至膠帶輸送機，膠帶輸送機將煤送往地面煤倉，洗選加工中心將煤倉的煤洗選加工使其煤質(zhì)達(dá)到預(yù)期指標(biāo)，然后裝車運出銷售。

　　連續(xù)掘進(jìn)機掘進(jìn)過程分為“切槽”和“采垛”2 個工序，連掘機司機按照地質(zhì)測繪指向與施工要求，確定連續(xù)掘進(jìn)機的進(jìn)刀位置，先在巷道的一側(cè)掘進(jìn)，按照巷道設(shè)計尺寸截割煤層，當(dāng)長度達(dá)到循環(huán)進(jìn)度后退機，這一工序稱“切槽”工序[1-3]。然后連續(xù)掘進(jìn)機退出，調(diào)整到巷道的另一側(cè)，再切割剩余的煤壁，使巷道掘至所要求的寬度和循環(huán)進(jìn)度，這一工序稱為“采垛”工序。連續(xù)掘進(jìn)機一次“切槽”和“采垛”工序完成則為一個掘進(jìn)循環(huán)，之后連續(xù)掘進(jìn)機退出，由錨桿鉆機進(jìn)入空頂區(qū)域支護(hù)。

　　1 掘進(jìn)工作面自動化發(fā)展現(xiàn)狀與改進(jìn)方向

　　1. 1 掘進(jìn)工作面自動化發(fā)展現(xiàn)狀

　　目前，全國大部分礦井都在提高礦井自動化水平，但是掘進(jìn)工作面自動化水平仍然比較低下。其主要原因是掘進(jìn)工作面涉及的點多面廣，搬家倒面比較頻繁，設(shè)備布置較為分散，實現(xiàn)自動化控制比較困難。

　　隨著掘進(jìn)工作面向前推進(jìn)，膠帶輸送機數(shù)量逐步增加，必須給每部膠帶機配備膠帶機司機，負(fù)責(zé)膠帶機的啟停和巡視; 當(dāng)掘進(jìn)工作面推進(jìn)至 1 km 以上時，局部通風(fēng)機及配電硐室與工作面距離越來越遠(yuǎn)，就必須配備專人看守局部通風(fēng)機和配電硐室，負(fù)責(zé)對局部通風(fēng)機監(jiān)控與切換，對配電設(shè)備日常檢修與試驗。所以，當(dāng)前多數(shù)煤礦企業(yè)通過對膠帶輸送機、局部通風(fēng)機以及配電設(shè)備進(jìn)行自動化改造，實現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控，以此來達(dá)到減員增效的目的[4-6]。

　　掘進(jìn)工作面在生產(chǎn)時，連續(xù)掘進(jìn)機開拓巷道，掘出的煤通過梭車運輸至給料破碎機，給料破碎機破碎加工后卸料至膠帶輸送機，膠帶輸送機將煤運到地面。目前，煤礦企業(yè)在連續(xù)掘進(jìn)機的遠(yuǎn)程化控制，梭車的無人自動駕駛，給料破碎機與梭車的聯(lián)動啟停方面尚沒有突破性進(jìn)展，仍采用傳統(tǒng)的人工操作。

　　1. 2 掘進(jìn)工作面自動化改進(jìn)方向

　　現(xiàn)代化礦井在保障安全、提高效率、降低成本方面主要依靠減員增效的手段，掘進(jìn)工作面的自動化改進(jìn)方向也主要集中于此[7-9]。首先，將掘進(jìn)工作面的輸送膠帶機、局部通風(fēng)機、配電設(shè)備乃至排水設(shè)備等全部實現(xiàn)集中監(jiān)控，將此類低技能型崗位工全部由計算機、攝像頭、傳感器等感知設(shè)備代替，從而達(dá)到減員增效的目的。其次，通過對給料破碎機與梭車進(jìn)行自動化改造，使給料破碎機與梭車之間、梭車與連續(xù)掘進(jìn)機之間實現(xiàn)聯(lián)動，使梭車實現(xiàn)無人駕駛，從而達(dá)到減員節(jié)能的目的。最后，對連續(xù)掘進(jìn)機進(jìn)行自動化改造，使連掘機具備自主導(dǎo)航、自動掘進(jìn)的能力，通過連掘機司機的遠(yuǎn)程干預(yù)，使連掘機可以在復(fù)雜的地質(zhì)條件下完成巷道開拓，從而使連掘機司機遠(yuǎn)離惡劣的工作環(huán)境，提升安全生產(chǎn)能力[10]。

　　2 掘進(jìn)工作面自動化改造方案

　　2. 1 連續(xù)掘進(jìn)機自動化改造

　　2. 1. 1 連掘機導(dǎo)航

　　激光駕束制導(dǎo)是將激光接收器置于被導(dǎo)航設(shè)備上，激光對準(zhǔn)目標(biāo)照射，設(shè)備在激光波束內(nèi)行走。由于激光束方向性好散角小，制導(dǎo)精度極高，所以連掘機使用激光制導(dǎo)產(chǎn)生的誤差很小，滿足連掘機生產(chǎn)截割工程質(zhì)量的要求。在連掘機“切槽”和“采垛” 進(jìn)刀位置分別安裝激光發(fā)射器，在連掘機上安裝激光導(dǎo)航裝置，連掘機司機使用手動控制模式將連掘機調(diào)至“切槽”或“采垛”進(jìn)刀位置，然后連掘機在導(dǎo)航自動模式下開始記憶割煤。當(dāng)前煤礦連掘機普遍采用變頻器驅(qū)動行走牽引電機，所以將激光制導(dǎo)監(jiān)測到的連掘機偏移量轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)頻信號，采用 PID 控制技術(shù)可以很好地完成機身糾偏調(diào)整。在連掘機機身安裝雙軸水平傾角傳感器，監(jiān)測連掘機機身前后與左右 2 個方向的水平傾斜角度，連掘機控制計算機實時比對機身水平傾斜量以及激光導(dǎo)航偏移量，當(dāng)傾斜量或偏移量超過限定值則認(rèn)定連掘機超偏，控制計算機立即停止連掘機移動，等待連掘機司機人工干預(yù)排查。

　　2. 1. 2 連掘機記憶割煤

　　記憶割煤是目前煤礦自動化生產(chǎn)改進(jìn)過程常用的一種方式。由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，傳感器靈敏度無法滿足設(shè)備完全自動化生產(chǎn)的條件，所以人工干預(yù)下的記憶割煤成為減員增效的一種特殊手段。如圖 1 所示，根據(jù)連掘機生產(chǎn)工藝將自動化記憶割煤模式下的巷道掘進(jìn)分為 5 個工步。第 1 步，根據(jù)巷道設(shè)計高度設(shè)定連掘機起截割頭參數(shù)，截割頭升至設(shè)定高度; 第 2 步，根據(jù)地質(zhì)條件設(shè)定進(jìn)刀距離參數(shù)，連掘機進(jìn)刀; 第 3 步，設(shè)定連掘機截割頭下降高度參數(shù)，連掘機降截割頭割煤; 第 4 步，設(shè)定連掘機進(jìn)刀拉底距離參數(shù)( 一般為工步 2 進(jìn)刀參數(shù)的 1 /2) ，連掘機進(jìn)刀拉底; 第 5 步，退機，退機距離為工步 4 的參數(shù)。從工步 1 至工步 5 連續(xù)循環(huán)掘進(jìn)，巷道開拓的地質(zhì)條件決定連掘機的最遠(yuǎn)無支護(hù)掘進(jìn)距離，該距離除以工步 2 的參數(shù)為一次記憶割煤循環(huán)數(shù)，當(dāng)連掘機掘進(jìn)循環(huán)數(shù)達(dá)到該設(shè)定值，則連掘機自動停機，等待人工干預(yù)。

　　連掘機在與梭車聯(lián)動的記憶割煤模式下，各工步會受梭車的運煤過程影響而出現(xiàn)停止現(xiàn)象，所以程序設(shè)定在此種模式下連掘機會持續(xù)依次執(zhí)行各工步，不受梭車運煤過程的開停機干擾，以此來保證連掘機記憶割煤的連續(xù)運行。

　　2. 2 梭車無人駕駛改造

　　2. 2. 1 梭車自動行駛

　　基于預(yù)設(shè)磁軌跡的磁導(dǎo)航技術(shù)是自主導(dǎo)航領(lǐng)域中較為成熟的一種技術(shù)，也是短距離無軌設(shè)備導(dǎo)航運用較多的一種技術(shù)，可以完成自主導(dǎo)航設(shè)備的預(yù)定運行路線導(dǎo)航及定位，相對于光電導(dǎo)航與視覺色條導(dǎo)航，磁導(dǎo)航可靠性高，受限條件少，較激光導(dǎo)航系統(tǒng)簡單、成本低廉。完整的磁導(dǎo)航感知系統(tǒng)由地標(biāo)傳感器、多點位磁導(dǎo)航傳感器以及磁條( 或通電纜線) 組成，所以，在梭車運行路線的頂板架設(shè)磁條軌道與磁釘( 架設(shè)方法類似單軌吊) ，梭車機身上方安裝多點位磁導(dǎo)航傳感器，通過感知不同點位捕獲到的磁場強度判斷梭車車身位置與磁軌道預(yù)設(shè)位置的偏移量，將偏移量轉(zhuǎn)換為電信號，作為梭車轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)的輸入量; 通過磁導(dǎo)航傳感器感知到的磁釘極性 ( N 極或 S 極) 作為梭車保持直行或進(jìn)入彎道等策略決定行進(jìn)方向標(biāo)志，使梭車按照預(yù)定路線行走。

　　定量閥是一種可以定時、定量注油的新型閥體，自動化程度高、性能穩(wěn)定。將當(dāng)前梭車的轉(zhuǎn)向閥更換為定量閥，定量閥的導(dǎo)通改為電磁控制，將梭車轉(zhuǎn)向的液壓控制轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎饪刂啤．?dāng)梭車磁導(dǎo)航傳感器監(jiān)測到車體偏移預(yù)定磁條軌道，則由梭車控制主機計算出偏移量與糾偏量，并控制導(dǎo)通對應(yīng)的定量閥，實現(xiàn)定量糾偏，使梭車回歸預(yù)定行走軌跡。在進(jìn)入彎道處則優(yōu)先執(zhí)行策略決定行進(jìn)動作。

　　2. 2. 2 梭車自動接煤

　　在梭車前端安裝限位磁鐵，在連掘機的刮板運輸機末端安裝磁信號接收器，當(dāng)梭車行走至連掘機后部，連掘機捕獲到磁信號，此時開啟連掘機的刮板運輸機開始給梭車裝煤; 在梭車料斗上部安裝料位傳感器，當(dāng)煤堆積觸發(fā)傳感器后則開啟梭車的刮板運輸機，待煤位下降后則停止梭車刮板運輸機; 在梭車刮板運輸機卸料部安裝料位傳感器，當(dāng)煤堆積觸發(fā)該處傳感器后，禁止刮板運輸機啟動，梭車啟動行走開始退機; 連掘機無法捕獲到梭車前端磁信號后則關(guān)閉連掘機的刮板運輸機，停止裝煤。

　　2. 2. 3 梭車自動卸煤

　　在給料破碎機料斗內(nèi)安裝限位磁鐵，在梭車刮板運輸機尾部安裝磁信號接收器，在梭車刮板運輸機控制回路安裝時間繼電器，當(dāng)梭車尾部進(jìn)入破碎機料斗內(nèi)捕獲到磁信號后，梭車停止退機動作，啟動刮板運輸機，開始卸煤，根據(jù)梭車刮板運輸機轉(zhuǎn)速計算出卸煤時間，使時間繼電器按照卸煤時間延時動作，停止刮板運輸機并啟動梭車，梭車前進(jìn)。

　　2. 3 人工干預(yù)

　　當(dāng)前國內(nèi)的自動化采掘工作面由于煤礦井下工作環(huán)境的特殊性仍然普遍采用人工干預(yù)，以此規(guī)避設(shè)備自動運行過程中存在的異常事件與緊急狀況。在連掘機機身與梭車機身前后方向分別加裝點陣紅外線熱成像攝像頭和可見光攝像頭，由于掘進(jìn)工作面生產(chǎn)期間粉塵濃度較大，所以使用紅外線熱成像攝像頭可以極大提高視頻監(jiān)控效果。連掘機司機處于掘進(jìn)工作面生產(chǎn)區(qū)域以外，并配備手持式移動監(jiān)控終端，該移動終端通過無線基站接收連掘機與梭車的數(shù)據(jù)。連掘機手動控制模式與導(dǎo)航自動模式的切換，可設(shè)定記憶割煤各工步參數(shù)、運行視頻畫面的監(jiān)控，以及連掘機運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)控; 具備梭車自動駕駛模式與人工駕駛模式的切換，梭車運行視頻畫面的監(jiān)控及運行參數(shù)、運行狀態(tài)數(shù)據(jù)的設(shè)定等功能，可實現(xiàn)設(shè)備運行異常報警功能和緊急停車。

　　2. 4 給料破碎機自動化改造

　　掘進(jìn)工作面梭車運煤產(chǎn)生的煤流為非連續(xù)性煤流，且梭車運煤卸煤周期無法固定，如果給料破碎機的刮板運輸機持續(xù)運行會導(dǎo)致電能的浪費和設(shè)備的磨損。將給料破碎機刮板驅(qū)動控制閥更換為電磁閥，使液壓控制轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎饪刂疲诮o料破碎機料斗前部安裝超聲波探測器，當(dāng)梭車與給料破碎機距離小于 1 m 時，接通電磁閥電路使其動作，開啟給料破碎機的刮板運輸機，當(dāng)梭車遠(yuǎn)離給料破碎機 1 m 以上后，使電磁閥電路延時 3 min 切斷，停止給料破碎機的刮板運輸機，完成卸料破碎，最終使梭車與給料破碎機形成聯(lián)動。

　　2. 5 膠帶輸送機與供電系統(tǒng)集控改造

　　掘進(jìn)工作面一部膠帶機供電系統(tǒng)一般包括膠帶機移變、饋電開關(guān)、磁力啟動器、照明綜保、膠帶機通信控制保護(hù)器; 掘進(jìn)工作面生產(chǎn)供電系統(tǒng)一般包括生產(chǎn)移變( 連掘機、梭車、錨 桿 機、給 料 破 碎 機 供電) 、排水移變( 工作面排水系統(tǒng)供電) 、主風(fēng)機移變 ( 局部主通風(fēng)機供電) 、備風(fēng)機移變( 局部備用通風(fēng)機供電) 、饋電開關(guān)、局部通風(fēng)機雙回路組合開關(guān)等。當(dāng)前煤礦井下供配電設(shè)備普遍采用 MODBUS / RS-485 通信協(xié)議，用以實現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)控制功能，理論最高傳輸速率可達(dá) 10 Mbps，最大的通信距離約為 1 219 m，傳輸速率與傳輸距離成反比，傳輸速率越低，傳輸距離越長，RS-485 接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。

　　在每部膠帶機機頭區(qū)域安設(shè)數(shù)據(jù)采集箱，數(shù)據(jù)采集箱具備串行服務(wù)器與以太網(wǎng)交換機，可以接入 MODBUS 通信協(xié)議設(shè)備與 TCP /IP 通信協(xié)議設(shè)備，采集膠帶機供電設(shè)備數(shù)據(jù)后接入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)。在每部膠帶機卸載部區(qū)域安裝攝像頭，攝像頭通過以太網(wǎng)接入工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，使操作人員可以實時監(jiān)控膠帶機運行情況。在配電硐室內(nèi)安裝數(shù)據(jù)采集箱，數(shù)據(jù)采集箱具備串行服務(wù)器與以太網(wǎng)交換機，可接入 MODBUS 通信協(xié)議設(shè)備，用以采集生產(chǎn)移變、排水移變、主風(fēng)機移變、備風(fēng)機移變、饋電開關(guān)、風(fēng)機組合開關(guān)等設(shè)備數(shù)據(jù)。在掘進(jìn)工作面生產(chǎn)區(qū)域給料破碎機處安裝集中控制計算機，將膠帶機供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)與配電硐室內(nèi)供電系統(tǒng)數(shù)據(jù)通過交換機傳至集中控制計算機，開發(fā)上位機集中控制組態(tài)畫面與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)膠帶運輸機與供電系統(tǒng)的集中控制。

　　2. 6 掘進(jìn)工作面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

　　膠帶機設(shè)備與配電硐室設(shè)備通過不同的通信協(xié)議接入數(shù)據(jù)采集箱，數(shù)據(jù)采集箱使用以太網(wǎng)( 光纜或網(wǎng)線) 接入交換機，連掘機與梭車的數(shù)據(jù)以無線網(wǎng)絡(luò)( WIFI 或 AP) 的方式接入交換機，集控計算機通過交換機與各臺設(shè)備之間通信，整個掘進(jìn)工作面形成局域網(wǎng); 交換機接入井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)從而將掘進(jìn)工作面數(shù)據(jù)傳送至地面，供數(shù)據(jù)庫儲存和調(diào)度指揮中心監(jiān)控，如圖 2 所示。

　　3 結(jié)語

　　煤礦行業(yè)一直背負(fù)著“高危”“艱苦”“落后”等沉重的包袱，將礦井工作人員從艱苦危險的工作環(huán)境中解放出來，掘進(jìn)工作面的自動化改造為這一理想提供了技術(shù)支持。未來連掘機司機可以身處地面調(diào)度指揮中心，通過 VR 視頻監(jiān)控技術(shù)身臨其境地對井下掘進(jìn)設(shè)備運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控和遠(yuǎn)程遙控干預(yù)，調(diào)度指揮人員實時與連掘機司機面對面溝通，縮短生產(chǎn)指揮與生產(chǎn)執(zhí)行之間的命令傳達(dá)跨度，人工智能的不斷深入應(yīng)用最終會使煤礦井下實現(xiàn)無人化生產(chǎn)，從根本上實現(xiàn)零傷亡和零傷害。掘進(jìn)工作面的自動化改造可以有效減少井下崗位操作人員，使采煤機司機、梭車司機等操作崗位工遠(yuǎn)離惡劣危險的生產(chǎn)環(huán)境，極大減少礦井生產(chǎn)中“人的不安全因素”。掘進(jìn)工作面的集中控制運行，減少了巡視人員的長距離行走工作量，提升了工作效率。設(shè)備的聯(lián)動運行，為礦井生產(chǎn)中的設(shè)備節(jié)能提供了技術(shù)支持，降低了設(shè)備損耗所產(chǎn)生的成本。未來煤礦企業(yè)必將在智慧礦山模式下運營生產(chǎn)，少人化乃至無人化的礦山生產(chǎn)模式會成為主流，掘進(jìn)工作面的自動化改造將為此奠定基礎(chǔ)，掘進(jìn)工作面的自動化生產(chǎn)模式與管理機制可以為智慧礦山的運維保障培養(yǎng)儲備專業(yè)技術(shù)人才，為智慧礦山的運營管理提供經(jīng)驗參考。