梁云峰，關(guān) 偉，朱 超，劉 慧，張旭輝

1中煤西北能源有限公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017200

2西安東達(dá)馬科智能控制系統(tǒng)有限公司 陜西西安 710075

3烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017399

4西安科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 陜西西安 710054

5陜西省礦山機(jī)電裝備智能監(jiān)測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710054

中煤集團(tuán)所屬蒙陜地區(qū)各礦井是煤礦資源重點(diǎn)開發(fā)和戰(zhàn)略儲(chǔ)備基地，中煤集團(tuán)重點(diǎn)圍繞蒙陜等資源富集省區(qū)推進(jìn)大型礦井群建設(shè)，在產(chǎn)在建煤炭產(chǎn)能達(dá)到 6 760 萬 t/a。在實(shí)際開采過程中發(fā)現(xiàn)，蒙陜地區(qū)礦井受到突水、堅(jiān)硬巖石頂板、采空煤柱集中應(yīng)力、長-大工作面高強(qiáng)度開采擾動(dòng)等復(fù)雜因素影響，加之厚煤層一次采全高，含多層夾矸等復(fù)雜結(jié)構(gòu)分布廣泛，具有高地壓、強(qiáng)擾動(dòng)、復(fù)合型厚煤層等特征，巷道頂板下沉、底鼓、片幫嚴(yán)重，發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)性較高。因此，開展超大規(guī)模無人智能化工作面研究與應(yīng)用是綜采工作面安全、高效開采的需要，可全面提升綜采工作面自動(dòng)化與智能化水平，實(shí)現(xiàn)煤礦安全、高效生產(chǎn)，促進(jìn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[1-3]。

為全面加快智能化工作面建設(shè)步伐，推動(dòng)高產(chǎn)、高效煤炭開采，根據(jù)烏審旗蒙大礦業(yè)有限責(zé)任公司納林河二號(hào)煤礦 3-1 上 102 工作面實(shí)際情況，對(duì)中厚煤層綜采工作面智能化技術(shù)進(jìn)行研究，建設(shè)了智能化綜采工作面。

1 工作面情況

該礦井相對(duì)瓦斯涌出量＜10 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量＜40 m3/min，屬于低瓦斯礦井，煤層具煤塵爆炸危險(xiǎn)性，屬Ⅰ類易自燃發(fā)火煤層?；夭蛇^程中主要充水水源為延安組 2-1 煤頂板以上砂巖裂隙含水層、直羅組下部含水層，充水通道主要為煤層采后覆巖冒落產(chǎn)生的導(dǎo)水裂隙，正常涌水量為 267 m3/h，最大涌水量為 401 m3/h。

該工作面為納林河二號(hào)煤礦計(jì)劃布置在納林河二號(hào)煤礦Ⅰ盤區(qū)，東西走向，傾向?qū)?299.05 m，走向長3 674 m，煤層厚度為 1.6～ 2.6 m，平均厚度為 2.0 m，傾角為 1°～ 3°，褶皺、斷層少量發(fā)育，但局部有微弱的波狀起伏，屬構(gòu)造簡(jiǎn)單型。在掘進(jìn)過程中共揭露斷層 8 條，回采工作面會(huì)揭露斷層 4 條。

2 綜采工作面智能化關(guān)鍵技術(shù)

針對(duì)蒙大納林河礦中厚煤層綜采工作面實(shí)際情況，重點(diǎn)研究了基于 RFID+慣導(dǎo)技術(shù)的采煤機(jī)精確定位技術(shù)、工作面自動(dòng)找直技術(shù)、綜采工作面遠(yuǎn)程控制技術(shù)及數(shù)字化工作面技術(shù)。

2.1 基于 RFID+慣導(dǎo)技術(shù)的采煤機(jī)精確定位技術(shù)

射頻識(shí)別技術(shù) (RFID) 是一種通過無線射頻方式來獲取物體相關(guān)數(shù)據(jù)的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)，利用射頻進(jìn)行空間耦合進(jìn)而實(shí)現(xiàn)非接觸自動(dòng)識(shí)別。RFID 技術(shù)可進(jìn)行非接觸式遠(yuǎn)距離識(shí)別，可同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)，RFID 閱讀器具有掃描識(shí)別速度快、形狀多樣化、體積小、可適應(yīng)惡劣環(huán)境、可重復(fù)讀寫、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)，且每枚 RFID 電子標(biāo)簽具有唯一性。因此 RFID技術(shù)在煤礦設(shè)備管理、人員井下定位與路徑跟蹤，以及礦難救援方面具有較好的應(yīng)用效果[4-5]。

綜采工作面的液壓支架是一排整齊的單獨(dú)個(gè)體，在采煤機(jī)經(jīng)過時(shí)均處于靜止?fàn)顟B(tài)，而采煤機(jī)位置信號(hào)實(shí)際上就是每個(gè)液壓支架的標(biāo)識(shí)編號(hào)，因此每個(gè)標(biāo)簽內(nèi)部可以儲(chǔ)存一個(gè)代表液壓支架的編號(hào)，通過設(shè)置閱讀器的發(fā)射功率來設(shè)定閱讀器的讀寫距離，使讀寫器掃描附近的標(biāo)簽，這樣當(dāng)讀寫器讀取標(biāo)簽編碼并將此編碼傳送給上位機(jī)時(shí)，上位機(jī)便可確定閱讀器在哪個(gè)標(biāo)簽附近。通過將閱讀器安裝于采煤機(jī)機(jī)身上，便可確定采煤機(jī)的實(shí)際位置，如圖 1 所示。

慣性導(dǎo)航技術(shù)涉及多個(gè)坐標(biāo)系，其中包括采煤機(jī)與捷聯(lián)慣導(dǎo)固連的載體坐標(biāo)系、地心坐標(biāo)系、地球坐標(biāo)系、東—北—天坐標(biāo)系和導(dǎo)航坐標(biāo)系。綜采工作面采煤機(jī)在截割時(shí)，通過機(jī)身安裝的慣性測(cè)量單元進(jìn)行測(cè)量后，對(duì)采煤機(jī)的位置和姿態(tài)進(jìn)行解算，可直接輸出x、y、z3 個(gè)方向的加速度及角速度。

該工作面采用 RFID 射頻以及輔助慣性導(dǎo)航技術(shù)修正的工作面精確定位技術(shù)，如圖 2 所示。采用RFID 技術(shù)確定采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置，由采煤機(jī)位置通過編碼器校準(zhǔn)工控平臺(tái)，推導(dǎo)出刮板輸送機(jī)位置曲線。鑒于 RFID 技術(shù)和編碼器系統(tǒng)誤差，工控平臺(tái)采用圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)所推導(dǎo)出來的刮板輸送機(jī)位置曲線進(jìn)行校準(zhǔn)。采用巷道中地理坐標(biāo)點(diǎn)對(duì)刮板輸送機(jī)位置曲線再次進(jìn)行校準(zhǔn)，并由校準(zhǔn)后的刮板輸送機(jī)位置曲線在工作面形成二維位置坐標(biāo)圖。在工作面二維坐標(biāo)圖中，輔助以慣導(dǎo)技術(shù)對(duì)工作面刮板輸送機(jī)位置曲線校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)工作面精確定位功能。

圖2 RFID+慣導(dǎo)技術(shù)的采煤機(jī)精確定位示意Fig.2 Sketch of precise positioning of shearer with RFID and inertial navigation technology

2.2 綜采工作面自動(dòng)找直技術(shù)

筆者采用了以慣性導(dǎo)航技術(shù)與行程傳感器的直線度檢測(cè)與調(diào)直技術(shù)為主，視頻找直為輔的工作面找直線技術(shù)[6-7]。

根據(jù)采煤機(jī)利用行走輪橫跨在刮板輸送機(jī)上往復(fù)割煤的關(guān)系，通過采煤機(jī)的位姿信息求得刮板輸送機(jī)的中心線軌跡，是刮板輸送機(jī)直線度檢測(cè)的有效方法。由慣導(dǎo)系統(tǒng)可得出采煤機(jī)位姿，根據(jù)位姿信息獲取其運(yùn)動(dòng)軌跡即可實(shí)現(xiàn)工作面直線度的檢測(cè)。電液控系統(tǒng)控制液壓缸供液量，從而調(diào)整刮板輸送機(jī)中部槽位置，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)機(jī)身自動(dòng)調(diào)直。工作面自動(dòng)調(diào)直原理如圖 3 所示。

圖3 工作面自動(dòng)調(diào)直原理Fig.3 Principle of automatic alignment of mining face

視頻輔助找直是通過工作面攝像云臺(tái)實(shí)時(shí)對(duì)工作面進(jìn)行圖像采集，由電腦主機(jī)進(jìn)行圖像處理，提取圖像特征，進(jìn)行直線擬合，得到工作面直線度，并將數(shù)據(jù)上傳到控制中心，與規(guī)劃路徑進(jìn)行比較，得到工作面直線度偏差，隨后控制中心發(fā)送指令給電液控平臺(tái)，對(duì)工作面進(jìn)行校準(zhǔn)。視頻輔助直線度監(jiān)測(cè)界面如圖 4 所示。

圖4 視頻輔助直線度監(jiān)測(cè)界面Fig.4 Video-assisted straightness monitoring interface

2.3 綜采工作面遠(yuǎn)程控制技術(shù)

采煤機(jī)多參數(shù)決策的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)構(gòu)架如圖 5 所示，采用了基于多參數(shù)決策的采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制策略，即通過遠(yuǎn)程技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)和采煤機(jī)機(jī)身傳感器信息等多種參數(shù)綜合判斷采煤機(jī)工況，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制。

圖5 采煤機(jī)多參數(shù)決策的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)構(gòu)架Fig.5 Architecture of multi-parameter decision-making shearer remote control system

通過 PLC 采集采煤機(jī)實(shí)時(shí)位姿參數(shù)和電流等信息，將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，用于采煤機(jī)工作狀態(tài)顯示、截割軌跡預(yù)測(cè)和采煤機(jī)自動(dòng)控制；采煤機(jī)機(jī)載控制器實(shí)時(shí)從數(shù)據(jù)庫中讀取截割軌跡預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，并結(jié)合自動(dòng)調(diào)高控制方法控制采煤機(jī)自動(dòng)割煤。當(dāng)截割電流異常時(shí)，結(jié)合視頻圖像信息進(jìn)行遠(yuǎn)程人工干預(yù)控制。

2.4 數(shù)字化綜采工作面技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)中厚煤層綜采設(shè)備機(jī)電液一體化的數(shù)字化工作面技術(shù)，構(gòu)建了數(shù)字化綜采工作面[8-10]，包括數(shù)字化三維模型構(gòu)建和基于數(shù)字化底板的路徑規(guī)劃。

數(shù)字化模型構(gòu)建是通過運(yùn)輸巷和通風(fēng)巷數(shù)據(jù)、工作面頂?shù)装鍞?shù)據(jù)，結(jié)合已有地理信息數(shù)據(jù)，生成初始工作面三維模型，如圖 6 所示。利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、脈沖編碼器、搖臂高度傳感器來精確計(jì)算采煤機(jī)滾筒截割的上下軌跡信息，解算出采煤機(jī)的實(shí)時(shí)三維位置，最后再結(jié)合搖臂高度傳感器確定采煤機(jī)滾筒的截割上下軌跡信息。

圖6 工作面數(shù)字化三維模型Fig.6 3D digital model of mining face

基于數(shù)字化底板的路徑規(guī)劃功能是通過實(shí)時(shí)測(cè)量頂?shù)装澹瑥亩共擅簷C(jī)后滾筒造成的誤差最小化、可控化。因此該項(xiàng)技術(shù)的重點(diǎn)在于頂?shù)装宓目刂?，即基于?duì)已割頂?shù)装宓臏y(cè)量，將采煤機(jī)后滾筒割煤導(dǎo)致的底板變化量降低到帶式輸送機(jī)可以承受的范圍內(nèi)。

3 應(yīng)用效果

3-1 上 102 智能化綜采工作面建設(shè)工作于 2019年 8 月 10 日開始在地面調(diào)試，2019 年 8 月 30 日完成地面調(diào)試。2019 年 9 月 3 日開始井下安裝，2019 年 9月 25 日完成安裝并開始井下空載調(diào)試，2019 年 10 月8 日工作面開始正式生產(chǎn)。

整個(gè)工業(yè)性試驗(yàn)分為地面調(diào)試和井下調(diào)試兩部分。在地面調(diào)試過程中，對(duì)程序中的中部、三角煤以及掃煤部分進(jìn)行了測(cè)試。程序割煤工序，在三角煤區(qū)域掃煤和中部割煤時(shí)，不會(huì)重復(fù)跟機(jī)拉架，達(dá)到預(yù)期效果。在井下調(diào)試過程中，分別進(jìn)行了跟機(jī)自動(dòng)化程序調(diào)試、采煤機(jī)頂?shù)椎稊?shù)據(jù)跟隨、切割規(guī)劃軟件向采煤機(jī)下發(fā)割煤程序數(shù)據(jù)和井下回采聯(lián)合調(diào)試、切割規(guī)劃程序聯(lián)合調(diào)試，測(cè)試了跟機(jī)拉架程序、自動(dòng)找直程序等功能。隨著程序及工藝的進(jìn)一步測(cè)試優(yōu)化，從開始時(shí) 3 h 40 min 割 2 刀煤，到最終 3.5 h 割 3 刀煤，單班最高割 7 刀煤，最高產(chǎn)量達(dá)到 12 000 t。

4 結(jié)語

3-1 上 102 智能化綜采工作面的建成實(shí)現(xiàn)了工作面自動(dòng)調(diào)直和采煤機(jī)精確定位、綜采工作面設(shè)備集中控制與管理、工作面的遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)了工作面無操作人員，兩順槽監(jiān)控人員精簡(jiǎn)到 5 人，極大地減少了工作面人員數(shù)量、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和提高了安全性，為解決蒙陜地區(qū)煤層具有強(qiáng)沖擊傾向性礦井的安全高效開采問題提供了新思路。