林軍杰

摘要：本文介紹了一種基于慣導(dǎo)+數(shù)字式全站儀實(shí)現(xiàn)精確定位的煤礦智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括橫軸式掘進(jìn)機(jī)器人、臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人、電液控平臺(tái)、通風(fēng)除塵系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)，解決了復(fù)雜地質(zhì)條件下智能掘進(jìn)的難題，提高了掘進(jìn)效率，保障了安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：掘進(jìn)，錨網(wǎng)，支護(hù)

1.項(xiàng)目背景：

我國(guó)雖然煤炭資源蘊(yùn)藏豐富，但適用于露天開(kāi)采的煤田極少，比美國(guó)、加拿大、俄羅斯的煤田復(fù)雜的多，地下井工開(kāi)采是煤礦開(kāi)采的主要方式。復(fù)雜地質(zhì)條件下的快速智能掘進(jìn)始終是個(gè)難題，同時(shí)，掘進(jìn)裝備的自動(dòng)化智能程度已成為制約煤礦提高生產(chǎn)能力的主要因素。面臨這種獨(dú)特的開(kāi)采條件，集中力量研制一種全新的智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)，就顯得尤為迫切。

2.設(shè)備介紹：

該智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)基于慣導(dǎo)+數(shù)字式全站儀實(shí)現(xiàn)精確定位，包括依次布置于煤礦巷道內(nèi)的橫軸式掘進(jìn)機(jī)器人、臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人、鉆錨機(jī)器人、錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人、電液控平臺(tái)、通風(fēng)除塵系統(tǒng)及運(yùn)輸系統(tǒng)。橫軸式掘進(jìn)機(jī)器人位于臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人的框架內(nèi)，位于整個(gè)系統(tǒng)的最前方，利用臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人一推一拉向前移動(dòng);鉆錨機(jī)器人、錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人和電液控平臺(tái)通過(guò)鉸接與臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人串聯(lián)在一起，通過(guò)前方牽引前后移動(dòng)，通過(guò)鉸接兩側(cè)的液壓缸微調(diào)左右位置;鉆錨機(jī)器人用于完成錨網(wǎng)永久支護(hù)的鉆錨任務(wù)，鉆錨機(jī)器人上安裝兩排鉆機(jī)，可以一次性完成永久支護(hù)，所有鉆機(jī)均可選裝90°，前后微調(diào)，實(shí)現(xiàn)所有頂部和側(cè)幫的支護(hù)，利用鉆錨機(jī)器人上搭載的傳感器和液壓伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)人工輔助的自動(dòng)打鉆及自動(dòng)上錨網(wǎng);錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人通過(guò)機(jī)械手機(jī)構(gòu)、傳感器及液壓伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給鉆錨機(jī)器人上網(wǎng)和給第一錨網(wǎng)庫(kù)補(bǔ)網(wǎng);臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人包括臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅰ和臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅱ，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖的及時(shí)支護(hù)和對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的自動(dòng)拖動(dòng)，具有超前鉆探、修幫、自動(dòng)糾偏功能;運(yùn)輸系統(tǒng)包括刮板運(yùn)輸機(jī)、落地皮帶式轉(zhuǎn)載機(jī)、主運(yùn)皮帶，掘進(jìn)機(jī)器人開(kāi)采的煤通過(guò)刮板運(yùn)輸機(jī)傳輸?shù)铰涞厥睫D(zhuǎn)載機(jī)上，落地式轉(zhuǎn)載機(jī)再將煤轉(zhuǎn)載到主運(yùn)皮帶上，將煤運(yùn)出;臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅰ與刮板運(yùn)輸機(jī)鉸接并帶動(dòng)其向前移動(dòng)，臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅱ與落地式轉(zhuǎn)載機(jī)鉸接并帶動(dòng)其向前移動(dòng);通風(fēng)除塵系統(tǒng)通過(guò)外部管道將新鮮空氣送到前端，直達(dá)臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人內(nèi)部，右側(cè)定制的矩形管道為送新風(fēng)管道，為工作人員提供新鮮空氣，右側(cè)方形管道為除塵口，通過(guò)負(fù)壓將煤塵帶走;運(yùn)輸系統(tǒng)通過(guò)邁步式自移機(jī)尾拖動(dòng)帶式輸送機(jī)向前移動(dòng)，與煤巖運(yùn)輸系統(tǒng)保持同步。如下圖。

1.橫軸掘進(jìn)機(jī)器人2.臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人3.鉆錨機(jī)器人4.錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人5.電液控平臺(tái)6.除塵系統(tǒng)7.運(yùn)輸系統(tǒng)

2.1橫軸式掘進(jìn)機(jī)器人

橫軸式掘進(jìn)機(jī)器人包括橫軸截割頭、懸臂、一對(duì)液壓缸和滑臺(tái)底座。橫軸截割頭用于實(shí)現(xiàn)高效率截割，其內(nèi)部液壓馬達(dá)伺服系統(tǒng)能實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)速和液壓壓力;一對(duì)液壓缸用于為懸臂提供上下擺動(dòng)的動(dòng)力，液壓缸上有位移傳感器，實(shí)時(shí)反饋懸臂位置;滑臺(tái)底座與臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅰ底部通過(guò)軌道連接，并且通過(guò)滑臺(tái)底座可以帶動(dòng)整個(gè)橫軸式掘進(jìn)機(jī)器人前后移動(dòng)。見(jiàn)下圖。

臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅰ和臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅱ通過(guò)前拉后推牽引系統(tǒng)前進(jìn)。見(jiàn)下圖。

2.2鉆錨機(jī)器人

鉆錨機(jī)器人包括機(jī)體、展網(wǎng)機(jī)構(gòu)、第一排鉆、第二排鉆、第三排鉆、錨網(wǎng)運(yùn)輸裝置、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、側(cè)幫升降工作平臺(tái)和護(hù)盾，機(jī)體與臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅱ鉸接，通過(guò)兩側(cè)的液壓缸微調(diào)位置;護(hù)盾和展網(wǎng)機(jī)構(gòu)用于將到達(dá)預(yù)定位置的折疊網(wǎng)打開(kāi)，第一排鉆，第二排鉆和第三排鉆上布置的鉆機(jī)能左右和上下移動(dòng)，且可以繞旋轉(zhuǎn)中心90°旋轉(zhuǎn)，所有錨桿鉆機(jī)具有角度微調(diào)功能，范圍為±5°，利用鉆機(jī)上布置的傳感器在人工裝上錨桿后可以實(shí)現(xiàn)一鍵打鉆和一鍵錨固功能，所有錨桿鉆機(jī)

101.截割頭102.懸臂103.液壓缸104.滑臺(tái)底座

橫軸式掘進(jìn)機(jī)器人

21.臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅰ22.臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人Ⅱ

臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人

具有獨(dú)立控制功能，頂部錨桿鉆機(jī)有污水收集功能;錨網(wǎng)運(yùn)輸裝置安裝在機(jī)體頂部，與后面的錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人頂部平行，通過(guò)旋轉(zhuǎn)傳送裝置將錨網(wǎng)從錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人頂部運(yùn)輸至機(jī)體前端預(yù)定位置，移動(dòng)機(jī)構(gòu)前端與臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人鉸接;側(cè)幫升降工作平臺(tái)能根據(jù)作業(yè)人員需要升降。見(jiàn)下圖。

301.機(jī)體302.展網(wǎng)機(jī)構(gòu)303.第一排鉆304.第二排鉆305.第三排鉆306.錨網(wǎng)運(yùn)輸裝置 ?307.移動(dòng)機(jī)構(gòu)308.側(cè)幫升降平臺(tái)309.護(hù)盾

鉆錨機(jī)器人

2.3錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人

錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人包括第一錨網(wǎng)庫(kù)、物料庫(kù)、機(jī)械手機(jī)構(gòu)、主機(jī)架和滑靴移動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅰ，第一錨網(wǎng)庫(kù)用于儲(chǔ)存折疊錨網(wǎng)，物料庫(kù)位于第一錨網(wǎng)庫(kù)下方，左邊用于儲(chǔ)存錨桿，右邊儲(chǔ)存螺絲和蓋板，機(jī)器手機(jī)構(gòu)能上下伸縮和前后移動(dòng)，用于將錨網(wǎng)從電液控平臺(tái)上的第二錨網(wǎng)庫(kù)運(yùn)輸?shù)降谝诲^網(wǎng)庫(kù)，或?qū)㈠^網(wǎng)從第一錨網(wǎng)庫(kù)夾持到鉆錨機(jī)器人頂上的鏈?zhǔn)藉^網(wǎng)運(yùn)輸裝置，滑靴移動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅰ與主架剛性連接，與前方鉆錨機(jī)器人及后方電液控平臺(tái)鉸接，錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人可以根據(jù)搭載的傳感器和計(jì)時(shí)器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)給鉆錨機(jī)器人上錨網(wǎng)，自動(dòng)給第一錨網(wǎng)庫(kù)補(bǔ)充錨網(wǎng)。見(jiàn)下圖。

401.第一錨網(wǎng)庫(kù)402.物料庫(kù)403.機(jī)械手結(jié)構(gòu)404.主機(jī)架405.滑靴移動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅰ

錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人

2.4電液控平臺(tái)

電液控平臺(tái)包括主機(jī)架、第二錨網(wǎng)庫(kù)、液壓泵站和油箱、集成控制室、12回路組成開(kāi)關(guān)及滑靴移動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅱ，第二錨網(wǎng)庫(kù)用于儲(chǔ)存第一錨網(wǎng)庫(kù)儲(chǔ)存不下的錨網(wǎng)，液壓泵站和油箱提供整個(gè)系統(tǒng)的液壓動(dòng)力，集成控制室集成了整個(gè)系統(tǒng)的控制和監(jiān)控單元，監(jiān)控并協(xié)同各個(gè)子系統(tǒng)工作，12回路組成開(kāi)關(guān)負(fù)責(zé)接通系統(tǒng)的電液管路，且有清水進(jìn)水管接口，以備鉆錨機(jī)器人，掘進(jìn)機(jī)器人的用水，滑靴移動(dòng)機(jī)構(gòu)與錨網(wǎng)機(jī)器人鉸接，通過(guò)兩側(cè)的液壓缸微調(diào)相對(duì)位置。見(jiàn)下圖。

501.主機(jī)架502.第二錨網(wǎng)庫(kù)503.液壓泵站和油箱

504.集成控制室505.12回路組成開(kāi)關(guān)506.滑靴移動(dòng)機(jī)構(gòu)Ⅱ

電液控平臺(tái)

3.設(shè)備工作過(guò)程

掘進(jìn)機(jī)器人完成掘進(jìn)后，系統(tǒng)檢測(cè)鉆錨機(jī)器人是否完成了一個(gè)截距的鉆錨作業(yè)，如果完成了，則掘進(jìn)機(jī)器人和鉆錨機(jī)器人復(fù)位，臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人拖動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)前進(jìn)一個(gè)截距，錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人完成自動(dòng)布網(wǎng)作業(yè)后，掘進(jìn)機(jī)器人開(kāi)始截割作業(yè)，同時(shí)鉆錨機(jī)器人對(duì)巷道進(jìn)行頂網(wǎng)和護(hù)幫，完成鉆錨作業(yè)。掘進(jìn)機(jī)器人和鉆錨機(jī)器人為并行作業(yè)方式，運(yùn)輸系統(tǒng)和通風(fēng)除塵系統(tǒng)不間斷運(yùn)行保障運(yùn)輸和空氣環(huán)境質(zhì)量，在實(shí)現(xiàn)快速掘進(jìn)的同時(shí)，保證安全的空頂距，如此循環(huán)往復(fù)完成煤礦巷道掘進(jìn)、永久支護(hù)等一系列工序;如下圖。

在掘進(jìn)機(jī)器人自動(dòng)完成一個(gè)截距的掘進(jìn)任務(wù)后，系統(tǒng)進(jìn)入移動(dòng)狀態(tài)，狀態(tài)燈閃爍，提醒工人進(jìn)入安全位置，臨時(shí)支護(hù)機(jī)器人通過(guò)前拉后推使系統(tǒng)前進(jìn)，掘進(jìn)機(jī)器人開(kāi)始下一截距的掘進(jìn)任務(wù)，鉆錨機(jī)器人開(kāi)始所在位置的錨網(wǎng)支護(hù)，鉆錨進(jìn)行下一個(gè)錨網(wǎng)支護(hù)前，錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人將第一錨網(wǎng)庫(kù)的折疊錨網(wǎng)運(yùn)到鉆錨機(jī)器人的鏈?zhǔn)藉^網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)上，錨網(wǎng)運(yùn)輸機(jī)器人通過(guò)自帶的計(jì)數(shù)器計(jì)算第一錨網(wǎng)庫(kù)內(nèi)存儲(chǔ)的錨網(wǎng)數(shù)量，在錨網(wǎng)數(shù)量為零時(shí)，發(fā)動(dòng)該信號(hào)至機(jī)械手，自動(dòng)從電液控平臺(tái)上的第二錨網(wǎng)庫(kù)上給第一錨網(wǎng)庫(kù)補(bǔ)網(wǎng)，電液控平臺(tái)的集成控制室負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視和各個(gè)子系統(tǒng)的協(xié)同和監(jiān)視，并同步數(shù)據(jù)到井上監(jiān)控室，在換班時(shí)，由下一個(gè)班組的工人和后勤工人通過(guò)礦井運(yùn)輸裝置，補(bǔ)充錨網(wǎng)和其他物料，下班后完成基本檢測(cè)和系統(tǒng)廢料箱更換，在完成固定進(jìn)尺或班次后設(shè)檢修班，進(jìn)行系統(tǒng)檢修，確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

結(jié)語(yǔ)

煤礦智能掘進(jìn)機(jī)器人系統(tǒng)能解決復(fù)雜地質(zhì)條件智能掘進(jìn)難題、提高了掘進(jìn)效率、保障了安全生產(chǎn)，引領(lǐng)掘進(jìn)技術(shù)革命，對(duì)于打造智能煤礦、構(gòu)建智慧礦區(qū)具有里程碑式的重大意義和深遠(yuǎn)影響。

作者簡(jiǎn)介：

（1981.03——，男，漢族，陜西合陽(yáng)人，工程師，大學(xué)本科，煤礦機(jī)電設(shè)備管理研究）