安鵬飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)安全生產(chǎn)指揮中心，山西 大同 037000）

礦井內(nèi)采用連續(xù)掘進(jìn)機(jī)以及錨桿鉆機(jī)交替進(jìn)行掘進(jìn)配合支護(hù)作業(yè)的方式進(jìn)行掘進(jìn)工作面生產(chǎn)。循環(huán)進(jìn)度依照礦井實(shí)際地質(zhì)情況進(jìn)行調(diào)整，通常為11m 以內(nèi)。工作流程為連續(xù)掘進(jìn)機(jī)割煤，通過運(yùn)煤車運(yùn)送至給料破碎機(jī)，給料破碎機(jī)負(fù)責(zé)將切割的煤塊破碎均勻由運(yùn)煤車運(yùn)送至膠帶輸送機(jī)，膠帶輸送機(jī)同地面煤倉相連接實(shí)現(xiàn)煤塊的傳遞，洗選加工中心負(fù)責(zé)煤塊的洗選，保證煤質(zhì)滿足相關(guān)要求后裝車銷售。連續(xù)掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)過程能夠被分成“切槽”和“采垛”兩道工序，“切槽”工序指的是連續(xù)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)根據(jù)施工圖紙要求以及地質(zhì)測繪情況，在開采面調(diào)整連續(xù)掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)刀位置，從巷道的一側(cè)進(jìn)行掘進(jìn)，切割煤層至長度滿足循環(huán)進(jìn)度，之后連續(xù)掘進(jìn)機(jī)退出巷道?！安啥狻惫ば蛑傅氖沁B續(xù)掘進(jìn)機(jī)從巷道的另一側(cè)開始切割剩余煤壁，直到巷道的寬度以及循環(huán)進(jìn)度達(dá)到要求進(jìn)而停止連續(xù)掘進(jìn)作業(yè)，調(diào)轉(zhuǎn)方向?qū)ο锏赖牧硪粋?cè)進(jìn)行煤壁截割，直到截割的寬度以及循環(huán)次數(shù)滿足相關(guān)需求。

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

現(xiàn)如今，大多數(shù)煤礦都引進(jìn)了多種自動化設(shè)備輔助開采作業(yè)，礦井整體自動化水平顯著提升，但是掘進(jìn)工作面并未有實(shí)質(zhì)上的改變，自動化程度較低。主要是因?yàn)榫蜻M(jìn)工作面對于長度寬度和循環(huán)進(jìn)度都有嚴(yán)格要求，使得工作設(shè)備排布分散、間距較大，并且需要根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)度不斷進(jìn)行位置的搬移，難以通過從根本上實(shí)現(xiàn)自動化控制。

隨著掘進(jìn)工作的開展，掘進(jìn)工作面不斷深入，工作中所需的膠帶輸送機(jī)數(shù)量也在不斷增加，每部膠帶輸送機(jī)都需要有司機(jī)操控，保證膠帶輸送機(jī)的模式切換以及設(shè)備周邊環(huán)境的監(jiān)測;一旦發(fā)現(xiàn)掘進(jìn)工作面的深度達(dá)到1km，則說明局部通風(fēng)機(jī)以及配電硐室和工作面三者間的距離超過要求，為了保證工作安全，需要安排專人巡視局部通風(fēng)機(jī)以及配電硐室，保證局部通風(fēng)機(jī)的實(shí)時監(jiān)測以及模式切換，保證配電設(shè)備的維護(hù)修理。因此，現(xiàn)如今多數(shù)企業(yè)都采取遠(yuǎn)程監(jiān)控的形式進(jìn)行設(shè)備的監(jiān)測，把膠帶輸送機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)和配電設(shè)備放置在同一監(jiān)控系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，提升監(jiān)控效率。

掘進(jìn)工作面的生產(chǎn)過程是由連續(xù)掘進(jìn)機(jī)在巷道內(nèi)掘進(jìn)，切割的煤塊由梭車運(yùn)送至給料破碎機(jī)，給料破碎機(jī)將煤塊破碎至指定大小后傳輸至膠帶輸送機(jī)處，由膠帶輸送機(jī)帶動煤塊到達(dá)指定煤倉中。當(dāng)前煤礦企業(yè)的自動化難點(diǎn)主要集中在：連續(xù)掘進(jìn)機(jī)難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、無人駕駛梭車技術(shù)為完全落實(shí)給料破碎機(jī)和梭車二者間難以形成有效的聯(lián)動配合，上述操作大都通過人工的方式進(jìn)行。

1.2 掘進(jìn)工作面自動化改進(jìn)方向

要提升礦井的智能化現(xiàn)代化程度，需要從以下方面進(jìn)行工作：安全水平的提升、工作效率的提升以及經(jīng)濟(jì)成本的控制等，達(dá)到減員增效的目標(biāo)，掘進(jìn)工作面自動化程度的提升也需要上述方面開展工作。第一，充分使用計(jì)算機(jī)、攝像頭以及傳感器等監(jiān)測反饋設(shè)備代替當(dāng)前低技能的人工崗位，實(shí)現(xiàn)輸送膠帶機(jī)、局部通風(fēng)機(jī)以及配電設(shè)備的集中監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)減員增效的要求。第二，提升給料破碎機(jī)以及梭車的自動化程度，通過無人駕駛?cè)ニ筌噷?shí)現(xiàn)給料破碎機(jī)、梭車和連續(xù)掘進(jìn)機(jī)三者間的聯(lián)動作業(yè)，實(shí)現(xiàn)減員節(jié)能的要求。第三，加強(qiáng)連續(xù)掘進(jìn)機(jī)的智能化水平，對現(xiàn)有功能進(jìn)行完善，集成自主導(dǎo)航以及掘進(jìn)控制等相關(guān)功能，連續(xù)掘進(jìn)機(jī)司機(jī)可以通過遠(yuǎn)程操控的方式調(diào)整機(jī)器在巷道中的工作狀態(tài)，使得連續(xù)掘進(jìn)機(jī)能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，司機(jī)也無需在惡劣的環(huán)境中工作，保證了司機(jī)的工作安全[1]。

2 掘進(jìn)工作面自動化改造方案

2.1 連續(xù)掘進(jìn)機(jī)自動化改造

2.1.1 連掘機(jī)導(dǎo)航

激光駕束制導(dǎo)也就是通過導(dǎo)航設(shè)備中集成的激光接收器，持續(xù)不斷地向前方發(fā)射激光，設(shè)備根據(jù)激光的反射結(jié)果進(jìn)行運(yùn)行方向的調(diào)整。由于激光本身具有方向誤差小、散角小以及制導(dǎo)性能優(yōu)良等特點(diǎn)，激光制導(dǎo)能夠有效降低制導(dǎo)誤差，提升煤層的截割質(zhì)量。在連續(xù)掘進(jìn)機(jī)的“切槽”以及“采垛”兩道工序的進(jìn)刀位置都配備激光發(fā)射器，連續(xù)掘進(jìn)機(jī)自身配備激光導(dǎo)航裝置，司機(jī)通過模式的切換根據(jù)需要進(jìn)行“切槽”或“采垛”進(jìn)刀位置的調(diào)整，連續(xù)掘進(jìn)機(jī)調(diào)用該模式下存儲的記憶進(jìn)行自動割煤。目前連續(xù)掘進(jìn)機(jī)的動力大都由變頻器驅(qū)動行走牽引電機(jī)提供，設(shè)備相互之間的信號轉(zhuǎn)換存在一定難度，需要先將連續(xù)掘進(jìn)機(jī)的偏移量轉(zhuǎn)化成調(diào)頻信號，在經(jīng)由PID 控制技術(shù)反饋給操作系統(tǒng)從而達(dá)到糾正偏移的目的。加設(shè)雙軸水平傾角傳感器，能夠?qū)B續(xù)掘進(jìn)機(jī)的各個方位進(jìn)行全面的水平傾斜角度實(shí)時監(jiān)測，配備的控制計(jì)算機(jī)對機(jī)身水平傾斜量和激光導(dǎo)航偏移量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，如果在工作過程中連續(xù)掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)超偏的情況，控制設(shè)備能夠及時向連續(xù)掘進(jìn)機(jī)發(fā)出超偏信號，連續(xù)掘進(jìn)機(jī)收到信號后在一定時間內(nèi)自動停止工作，相關(guān)人員進(jìn)入現(xiàn)場進(jìn)行故障處理。

2.1.2 連掘機(jī)記憶割煤

記憶割煤是當(dāng)前絕大多數(shù)煤礦為了提升礦井開采自動化程度常用的一種手段。煤礦礦井自身的地質(zhì)條件通常較為復(fù)雜，僅僅依靠傳感器無法實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，采用人工干預(yù)下輔助傳感器的方式能夠達(dá)到記憶割煤的目的，完成減員增效的既定目標(biāo)。如圖1所示，依照連掘機(jī)生產(chǎn)工藝將記憶割煤的流程歸為以下5個工步。第1步，根據(jù)巷道高度計(jì)算出連續(xù)掘進(jìn)機(jī)的起截割頭參數(shù)，操控截割頭提升至選定高度；第2步，根據(jù)煤礦實(shí)際地質(zhì)情況確定適當(dāng)?shù)倪M(jìn)刀距離，由連續(xù)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行進(jìn)刀；第3步，選取連續(xù)掘進(jìn)機(jī)截割頭下降高度參數(shù)，連續(xù)掘進(jìn)機(jī)降截割頭割煤；第4步，選取進(jìn)刀拉底距離參數(shù)，連續(xù)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)刀拉底；第5步，退機(jī)，退機(jī)距離同第4 步拉底距離保持一致。上述5 個工步為循環(huán)掘進(jìn)的一個流程，連續(xù)掘進(jìn)機(jī)的最遠(yuǎn)無支護(hù)掘進(jìn)距離能夠根據(jù)巷道的實(shí)際長度所確定，用這一距離和工步2的參數(shù)相除即可得到單次記憶割煤的循環(huán)次數(shù)，連續(xù)掘進(jìn)機(jī)的循環(huán)數(shù)達(dá)到該值后停止作業(yè)，等待人工干預(yù)。

圖1 連掘機(jī)自動割煤工步

連掘機(jī)在記憶割煤模式下工作需要同梭車聯(lián)動，因此上述工步在梭車運(yùn)煤過程中需要停止避免發(fā)生干涉，在程序編寫過程中需要將上述因素考慮在內(nèi)，通過程序設(shè)定實(shí)現(xiàn)連掘機(jī)記憶割煤的連續(xù)運(yùn)行。

2.2 梭車無人駕駛改造

2.2.1 梭車自動行駛

自主導(dǎo)航領(lǐng)域中常見技術(shù)為基于預(yù)設(shè)磁軌跡的磁導(dǎo)航技術(shù)，這種技術(shù)通常用于短距離無軌設(shè)備導(dǎo)航，能夠?qū)崿F(xiàn)自主導(dǎo)航設(shè)備的預(yù)定運(yùn)行路線導(dǎo)航和定位。磁導(dǎo)航的優(yōu)勢在于抗干擾能力較強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、成本較低以及適用場合廣泛。磁導(dǎo)航感知系統(tǒng)主要組成部分包括：地標(biāo)傳感器、多點(diǎn)位磁導(dǎo)航傳感器和磁條，所以，為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)行過程中的傳感器感應(yīng)，需要在指定位置布置磁條軌道以及磁釘，同時在梭車機(jī)身指定位置布置磁導(dǎo)航傳感器，梭車運(yùn)行過程中不間斷地獲取磁場的相關(guān)參數(shù)和同磁軌道預(yù)設(shè)位置的偏移量，通過信號轉(zhuǎn)換的方式將偏移量轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)偏移量進(jìn)行梭車轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)；磁導(dǎo)航傳感器感知磁釘極性使得梭車能夠依照既定的路線行進(jìn)[2]。

定量閥屬于新型閥體的一種，其特點(diǎn)為能夠?qū)崿F(xiàn)定時、定量注油、抗干擾能力強(qiáng)以及自動化程度高等。在梭車上配備定量閥，使用電磁控制的方式控制定量閥的啟停。在梭車運(yùn)行過程中，如果發(fā)生偏移量超出等現(xiàn)象，即刻向定量閥發(fā)送指令達(dá)到糾正偏移的目的，保證梭車依照預(yù)定路線運(yùn)行。

2.2.2 梭車自動接煤

梭車前端安裝限位磁鐵，連掘機(jī)的刮板運(yùn)輸機(jī)末端安裝磁信號接收器，梭車同連掘機(jī)間距到達(dá)一定范圍內(nèi)，連掘機(jī)接受到磁信號，啟動刮板運(yùn)輸機(jī)準(zhǔn)備裝煤;梭車料斗上部安裝料位傳感器，煤堆到達(dá)指定高度后啟動梭車的刮板運(yùn)輸機(jī)，煤堆高度下降后停止；梭車刮板運(yùn)輸機(jī)卸料部安裝料位傳感器，煤堆觸發(fā)傳感器后刮板運(yùn)輸機(jī)停止工作，梭車開始退機(jī);連掘機(jī)無法收到梭車信號進(jìn)而停止裝煤工作。

2.2.3 梭車自動卸煤

給料破碎機(jī)料斗內(nèi)設(shè)置有限位磁鐵，同時在梭車刮板運(yùn)輸機(jī)尾部設(shè)置磁信號接收器，梭車刮板運(yùn)輸機(jī)控制回路安裝時間繼電器，磁信號接收器接收到破碎機(jī)料斗的信號后梭車停止退機(jī)，刮板運(yùn)輸機(jī)開始卸煤，通過刮板輸送機(jī)的卸煤速度和梭車的裝載量得出卸煤時間，根據(jù)卸煤時間進(jìn)行繼電器延時設(shè)置，到達(dá)指定時間后刮板輸送機(jī)停止工作，梭車返回。

2.3 給料破碎機(jī)自動化改造

由于梭車的運(yùn)煤過程是無固定周期的，因此掘進(jìn)工作面的煤流屬于非連續(xù)性煤流，如果不對刮板輸送機(jī)的工作頻率進(jìn)行一定的控制，則會造成能源的浪費(fèi)以及經(jīng)濟(jì)成本的提升。因此使用電磁閥進(jìn)行刮板運(yùn)輸機(jī)的控制，通過電氣控制的形式，加設(shè)超聲波探測器對于梭車和給料破碎機(jī)間的間距進(jìn)行監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)二者間的間距小于1m，通過電磁閥控制給料破碎機(jī)工作，一旦二者間的間距超過1m，通過延時控制的方式使得電磁閥電路在3min 后切斷，刮板輸送機(jī)停止工作[3]。

2.4 掘進(jìn)工作面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

膠帶機(jī)設(shè)備以及配電硐室設(shè)備根據(jù)各自的通信協(xié)議接入數(shù)據(jù)采集箱，數(shù)據(jù)采集箱通過以太網(wǎng)和交換機(jī)相連接，連掘機(jī)和梭車的相關(guān)參數(shù)通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入交換機(jī)，集控計(jì)算機(jī)通過交換機(jī)實(shí)現(xiàn)同設(shè)備間的通信，使得整個掘進(jìn)工作面網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架形成；交換機(jī)通過井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面和地面之間數(shù)據(jù)的傳遞，使得遠(yuǎn)程指揮中心能夠?qū)崟r獲取掘進(jìn)面的情況，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 掘進(jìn)工作面網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

3 結(jié)語

長期以來，煤礦行業(yè)都被冠以“高?！薄ⅰ捌D苦”、“落后”等詞匯，因此要使得礦井從業(yè)人員的工作環(huán)境有所改善，掘進(jìn)工作面自動化發(fā)展是必不可少的。未來連掘機(jī)司機(jī)能夠通過地面工作室中的VR 視頻監(jiān)控技術(shù)進(jìn)行設(shè)備的控制，調(diào)度指揮人員同連掘機(jī)司機(jī)距離較近，二者間溝通的實(shí)時性有所保障，命令的執(zhí)行效率顯著提升，加之大數(shù)據(jù)以及人工智能等技術(shù)的應(yīng)用，煤礦最終將會實(shí)現(xiàn)全自動生產(chǎn)，切實(shí)保障礦井工作人員的安全。提升掘進(jìn)工作面的自動化程度，能夠減少礦井內(nèi)部所需的工作人員數(shù)量，使得采煤機(jī)司機(jī)以及梭車司機(jī)等脫離惡劣的工作環(huán)境，保障相關(guān)人員的工作安全。通過設(shè)備聯(lián)動運(yùn)行的方式，減少了設(shè)備不必要的能耗，節(jié)約了礦井的生產(chǎn)升本。未來煤礦企業(yè)將會全面普及智慧礦山的生產(chǎn)模式，全自動無人化的礦山生產(chǎn)將會全面覆蓋，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要以掘進(jìn)工作面的自動化程度提升為前提，掘進(jìn)工作面自動化程度的提升將會給智慧礦山模式的推廣培養(yǎng)相應(yīng)的技術(shù)人才，為智慧礦山的運(yùn)營管理提供經(jīng)驗(yàn)參考。