煤矿智能化掘进工作面装备技术研究与应用

煤矿智能化掘进工作面装备技术研究与应用摘要：煤炭占我国一次能源消费的65%，未来我国煤炭开采深度与难度越来越大，采掘作业是其最重要、最危险的生产环节，70%煤矿事故发生在采掘区。掘进工作面的瓦斯爆炸及岩层垮塌、突水等地质灾害发生率高、偶然性强，对掘进矿工生命安全威胁极大。现场作业安全性差和工人劳动强度高是综掘巷道掘进作业存在的主要问题之一。目前大多数综掘巷道都采用掘锚分离作业进行施工，在掘、支、锚、运一体化或成套化装备未能大面积推广之前，研究智能化掘进工作面控制系统对提升掘进工作面作业水平和降低工人劳动强度具有重要的现实意义。关键词：智能化掘进；装备技术；应用引言我国在“机械化换人、自动化减人”生产理念引导下，煤矿智能化发展步伐强健有力，煤矿机器人应用推进迅速。国内研究者针对掘进智能化进行了深入研究，煤炭学报、煤炭科学技术等期刊通过策划煤矿快速智能掘进理论与技术、煤矿快速掘进技术与装备等专题，系统总结和分析了采掘工作面智能化建设面临的机遇与挑战，王国法、王虹、吴淼、马宏伟等研究者为掘进发展摹画出发展技术路线，有力促进了国内在采掘智能化方面的协同攻关，有效缓解了“采掘失衡”，为智能矿山的建设提供强有力的支撑。1技术分析针对悬臂相对机身的姿态检测方法，目前常用的是内置或外置传感器，采用在悬臂升降和回转油缸内置磁致伸缩位移传感器测量悬臂的俯仰角和偏航角，存在传感器在高温油中老化严重、可靠性较差和维护成本高等问题。采用悬臂外置静态倾角传感器测量悬臂俯仰角和偏航角，存在振动环境下精度差和易受煤灰、水、泥等影响使用的问题。采用惯性导航装置测量悬臂俯仰角和偏航角，存在抗振性差、使用不便和成本高昂等问题。掘进工作面信息远程可视化仅实现了设备位姿的上位机显示，从未实现井下巷道三维信息远程可视技术。针对机身自主定位问题，国内相关厂家先后在井下进行了基于光电导航和惯性导航的相关试验，但未形成经济、可靠的相关产品。2装备智能化之数据分析系统关键技术煤矿装备在使用过程中产生了大量的数据，如何能够充分利用这些数据，发掘数据之间的联系和差异，是煤矿区数据挖掘需解决的问题。目前，煤矿数据挖掘技术还处于起步阶段，裴秋艳采用数据挖掘方法应用于矿井通风安全领域，采用灰度预测及MGM优化模型，对矿井生产过程中的通风数据进行挖掘和处理，并以此为基础，能够对未来风量变化趋势进行预测。煤科集团沈阳研究院有限公司研制的KY400煤矿电机故障诊断系统能实时监测电机的温度、振动、电流等信号，具有运行状态评价，寿命评估、故障诊断及维修决策等功能，最大限度地减少电机非计划停机对煤矿井下安全生产的影响。KY400煤矿电机故障诊断系统内置专家库，通过将实时数据与专家库进行比对，可以进行故障识别与诊断：专家库会根据实际电机运行状态不断进行升级和修正，使得系统的灵敏度适应实际需要。3煤矿智能化掘进工作面装备技术的应用3.1智能掘进工艺与装备以悬臂式掘进机为龙头的成套装备:适应复杂地质条件、顶板稳定性差、需要及时支护、空顶距小适用于半煤岩、岩巷，同时也适用于煤巷具有多种配套形式;以掘锚一体机为龙头的成套装备:掘支运一体化智能掘进系统由掘锚一体机、锚杆锚索支护装备、后配套装备和协同控制系统组成;以连采机为龙头的成套装备:采用连续采煤机和锚杆钻车交叉换位作业，间歇式作业，长距离巷道掘进能够减少综采工作面搬家倒面的次数，提高设备开机率，适用于地质条件简单、低瓦斯矿井，其中连续采煤机采用切槽+采垛两次进刀式，锚杆钻车支护，与连续采煤机交叉平行作业，运输路径为连续采煤机－梭车－给料破碎机－顺槽皮带，以铲车清浮煤、运送物料作为辅助;全断面掘进机为成套装备:由盾构机或全断面掘进机、锚杆支护系统、运输系统、除尘系统等组成，适应煤巷、半煤岩巷及全岩巷道的全断面快速掘进，可实现断面一次性成形，具备高效截割装载一体化，掘进与支护平行作业，封闭式掘进，安全性较好，智能化程度高，掘进效率高等特点。3.2“视觉+”组合定位提出“视觉+”位姿测量方法，基于激光点-线特征标靶的悬臂式掘进机机身及截割头位姿单目视觉测量方案，以巷道设计走向数据为基准，建立巷道坐标系实现掘进装备机体的全位姿检测，为进一步实现智能截割、纠偏控制、定向掘进提供基础数据，该方案包括机身全局定位和截割头局部定位两个子系统，前者获得机身在巷道坐标系下的空间位姿，后者获得截割头在掘进机身坐标系下的空间位姿。考虑了视觉测量可能存在的遮挡、丢帧等问题，实际测试时该系统采用了低成本惯导，以多传感器融合保证动态测量的稳定性。3.3自动顶进系统自动顶进系统的控制开启自动顶进系统之后，系统对按键状态进行检测，确认急停、手动顶进等和自动顶进功能互锁的按键状态是否符合；之后，为了保证机头内部渣石的排渣通畅，先流出延时5s的顶进延时时间，延时结束之后，先后进行主顶伸出、中继1伸出的自动顶进操作，在中继1伸出的过程中，需要监测机头的切削电流，如果机头切削电流过大，需要调整顶进速度，保证机头的切削电流在合理的范围内，当中继1的顶进行程到位之后，完成了自动顶进流程。3.4断面自动成形控制技术断面成形控制指在一个循环截割内断面轮廓自动成形控制，可在实现掘进机智能控制的基础上完成断面截割自动成形控制。利用悬臂相对机身的实时位姿信息，实现断面在一定范围内可人工干预的自动截割成形控制。在截割循环开始时，按照巷道断面轮廓的工艺要求以及截割头外形和初始运动参数，确立截割的初始轨迹。截割过程中根据工作面环境信息、煤岩情况以及整机工况参数调整截割参数和截割路径，以保证最终按工艺要求完成断面截割。记忆截割指掘进机操作司机根据自己的截割习惯进行示教，控制器对操作人员操作悬臂运动轨迹进行记录、存储，同时上位机同步显示司机示教时悬臂的运行轨迹。在进行下一循环截割时，操作人员直接调用已存储的示教轨迹即可实现悬臂按照人员示教轨迹自动运行。悬臂摆动速度会根据截割反馈电流自动进行悬臂高速、中速、低速三挡速度调整，使悬臂摆动速度与岩石硬度变化处于最佳匹配。结束语目前，煤机装备智能化技术还处于起步阶段，虽然有部分煤机装备采用了智能化技术，但还未形成产业规模，多数煤机装备还停留在机械化、自动化的阶段。探讨煤矿开采数据挖掘技术等煤矿区装各智能化的关键技术，确定这些技术在煤矿区装备的应用范围，得出煤矿区装备智能化的技术路线，对提升煤矿区装备智能化水平具有重要意义。参考文献[1]李岩.煤矿掘进机智能控制机构的研究[J].机电工程技术,2020,49(10):165-166.[2]马宏伟,王鹏,张旭辉,曹现刚,毛清华,王川伟,薛旭升,刘鹏,夏晶,董明,田海波.煤矿巷道智能掘进机器人系统关键技术研究[J].西安科技大学学报,2020,40(05):751-759.[3]张超,张旭辉,毛清华,马宏伟,杜昱阳,陈晓晶,夏晶,谢兵,王川伟,薛旭升,曹现刚,田海波,刘鹏.煤矿智能掘进机器人数字孪生系统研究及应用[J].西安科技大学学