李 鵬

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)有限公司技師學(xué)院，山西 大同 037003）

0 引言

煤層通常是夾在巖層之間、高度不等的連續(xù)楔形煤。煤炭開采過程的目標(biāo)是以一種高效和安全的方式提取盡可能多的這種煤層，同時(shí)對(duì)周圍環(huán)境的影響最小。在長壁煤礦中，兩條被稱為“閘道”的長期水平巷道被切割進(jìn)煤層中，形成被稱為“長壁板”的大型矩形煤塊的主要邊界。道路采礦設(shè)備的主要部分是安裝在后面的面板。隨著開采的進(jìn)行、地質(zhì)和設(shè)備的相互作用造成長壁工作面壓力的變化，導(dǎo)致工作面設(shè)備向閘板巷道的側(cè)向滑動(dòng)逐漸增加，稱為長壁蠕變。如果不進(jìn)行檢查，可能導(dǎo)致長壁設(shè)備最終撞到大門路肋，有效地使臉陷入停頓。后退和蠕變對(duì)應(yīng)了長壁閘門巷道采礦設(shè)備的沿軌和跨軌位置。由于該設(shè)備與整個(gè)長壁工作面機(jī)械連接，因此閘門道路機(jī)械的準(zhǔn)確定位能夠改善長壁工藝的管理。相對(duì)定位（即對(duì)周圍礦山基礎(chǔ)設(shè)施如隧道壁的測量）和在整個(gè)礦區(qū)內(nèi)的絕對(duì)定位都是至關(guān)重要的[1-3]。

針對(duì)這一應(yīng)用開發(fā)的特定雷達(dá)系統(tǒng)改編自FMR 250 工業(yè)雷達(dá)液位傳感器。本文選擇這種傳感器的首要考慮因素是它能在爆炸性環(huán)境中使用，這是煤礦井下富甲烷環(huán)境中電氣設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵要求。

1 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

1.1 雷達(dá)系統(tǒng)初始測試

雷達(dá)裝置安裝在裝滿煤的盒子上方的可移動(dòng)龍門上，以便在采煤坑的各個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測量。測試包括對(duì)煤表面的基本測距，以及基于煤表面上通常會(huì)在礦井環(huán)境中遇到的各種目標(biāo)的雷達(dá)響應(yīng)變化的詳細(xì)分。肋壁表面沒有任何雜亂，這為初始概念驗(yàn)證測試提供了理想的條件。為了在現(xiàn)實(shí)條件下對(duì)傳感器進(jìn)行完整的現(xiàn)場試驗(yàn)，需要在更現(xiàn)實(shí)的條件下，包括在典型煤礦中發(fā)現(xiàn)的管道、標(biāo)志和其他金屬結(jié)構(gòu)的存在下，對(duì)采煤巷道進(jìn)行一段重要的試驗(yàn)。

1.2 傳感器平臺(tái)系統(tǒng)

井下試驗(yàn)采用了一套完整的傳感器硬件，安裝在一個(gè)試驗(yàn)平臺(tái)上，該平臺(tái)設(shè)計(jì)將儀器設(shè)置在與閘門路礦井機(jī)械相同的高度。本文開發(fā)了一系列定制的應(yīng)用軟件，以獲取和同步不同的傳感儀器的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)使用的傳感器有主雷達(dá)單元，基于26 GHz Endress Hauser 儀器；三個(gè)SICK LMS 200 激光掃描儀，兩個(gè)安裝在航行方向的側(cè)面，掃描隧道壁（以驗(yàn)證蠕變測量），第三個(gè)在航行方向（以提供與系統(tǒng)撤退估計(jì)比較的基礎(chǔ)）；用于地下的低照度攝像機(jī)；數(shù)據(jù)采集PC 機(jī)（標(biāo)準(zhǔn)便攜式計(jì)算機(jī)）。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)來自雷達(dá)和激光掃描儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間同步，允許快速后處理、比較分析和數(shù)據(jù)融合。試驗(yàn)后的數(shù)據(jù)處理是在Matlab 中進(jìn)行的，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和檢索協(xié)議是為了最終集成到現(xiàn)有的實(shí)時(shí)長壁自動(dòng)化軟件系統(tǒng)。

1.3 系統(tǒng)測試描述

在距離肋墻不同偏移距離處，沿著確定的門路段進(jìn)行了一系列測量。目標(biāo)被定位在測試航向的每一端為雷達(dá)數(shù)據(jù)提供一個(gè)可靠的沿航跡參考從前看激光掃描儀。在2 d 的測試期間，總共獲得了26 個(gè)數(shù)據(jù)集。在大多數(shù)測試中，雷達(dá)傳感器被放置在測試臺(tái)車沿軌道前進(jìn)方向的90 處，傳感器直接指向肋壁，以提供對(duì)蠕變距離的直接測量。金屬網(wǎng)格為雷達(dá)傳感器提供了一個(gè)額外的雜波源，因此還對(duì)試驗(yàn)巷道的整個(gè)試驗(yàn)長度進(jìn)行了額外的掃描，以確保能夠生成一個(gè)真正具有代表性的數(shù)據(jù)集，其中包含了絕大多數(shù)地下煤礦中遇到的最常見的頂板和肋板條件。

2 試驗(yàn)結(jié)果

原始雷達(dá)數(shù)據(jù)由雷達(dá)信號(hào)的“包絡(luò)曲線”組成。通過掩蔽和背景減法濾波的應(yīng)用，消除了發(fā)射和接收電路之間的增益偏差和串?dāng)_等信號(hào)偽影。單個(gè)雷達(dá)軌跡被疊加，形成雷達(dá)輸出的三維時(shí)變顯示。圖1 顯示了在距肋墻4 m 的雷達(dá)偏移距離下測試的典型結(jié)果。圖1 中兩個(gè)值得注意的特征是：與側(cè)隧道相關(guān)聯(lián)的明顯的缺口對(duì)應(yīng)著一個(gè)直通通道，以及與高反射壁掛式螺栓板相對(duì)應(yīng)的主信號(hào)回波的頻繁峰值。

圖1 一段帶截通的門路雷達(dá)數(shù)據(jù)重建

通過合并來自前向掃描器的數(shù)據(jù)，評(píng)估了門路截面的重建平面視圖，使用激光掃描儀進(jìn)行了幾次測試，以捕獲大門路肋和屋頂?shù)恼麄€(gè)表面（見圖2）。進(jìn)行這些掃描是為了繪制更完整的地雷環(huán)境圖像。屋頂?shù)膾呙枥走_(dá)和激光傳感器也獲得為了測試技術(shù)的功效在存在網(wǎng)狀表面。詳細(xì)的屋頂偵察支持激光掃描儀的數(shù)據(jù)見圖3。在圖2 和圖3 中，變化與激光的范圍相對(duì)應(yīng)。

圖2 一段門路拱肋及頂板激光三維重建

圖3 網(wǎng)格的詳細(xì)屋頂部分的激光重建

3 分析與討論

從KF 獲得的蠕變位置估計(jì)與激光掃描儀的數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，激光掃描儀指向與雷達(dá)傳感器相同的肋壁。激光掃描儀生成了離散點(diǎn)的二維掃描線（而不是雷達(dá)的單點(diǎn)測量），因此使用激光數(shù)據(jù)點(diǎn)的中心的平均值進(jìn)行比較。當(dāng)激光掃描儀隔爆窗口被灰塵或泥漿遮擋時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較大的垂直偏差，導(dǎo)致在窗口清潔之前對(duì)傳感器的估計(jì)不準(zhǔn)確。這一結(jié)果證明了基于雷達(dá)的傳感方法的價(jià)值，因?yàn)槔走_(dá)安裝在靠近激光掃描儀的外殼中，而不受有效蒙蔽激光的相同灰塵條件的影響。

錨桿支護(hù)方式是地下礦山防止巷道塌方的主要支護(hù)手段，是礦山嚴(yán)格控制的。因此，安裝在閘門道路一段的螺栓數(shù)量是一個(gè)已知的環(huán)境采礦參數(shù)，通過跟蹤從前一個(gè)割道開始遇到的螺栓數(shù)量，可以準(zhǔn)確地估計(jì)采煤機(jī)沿軌道的位置。在兩個(gè)過濾后的數(shù)據(jù)集中，與許多經(jīng)過的螺栓相關(guān)的連續(xù)波峰和波谷很容易識(shí)別。

本文采用了一種新的數(shù)據(jù)融合和視覺分析方法，該方法基于將激光掃描儀和雷達(dá)數(shù)據(jù)結(jié)合在一個(gè)三維交互式顯示器中，以方便檢查重要特征。使原始雷達(dá)數(shù)據(jù)可以直接與激光掃描儀數(shù)據(jù)生成的表面進(jìn)行檢查。在試驗(yàn)過程中，激光單元被定向在垂直平面上掃描，以捕獲門路肋條和車頂?shù)恼麄€(gè)表面，并利用激光和雷達(dá)傳感器之間的同步，雷達(dá)回波信息可以覆蓋，與激光數(shù)據(jù)提供的高分辨率點(diǎn)云結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。通過調(diào)整雷達(dá)回波覆蓋在投影肋壁結(jié)構(gòu)上的截面，可以觀察雷達(dá)回波的不同方面的變化，并與激光點(diǎn)云的具體特征相關(guān)聯(lián)。將這種目視檢查數(shù)據(jù)融合方法應(yīng)用于礦場試驗(yàn)的激光和雷達(dá)聯(lián)合數(shù)據(jù)集，使雷達(dá)回波信息投影到激光掃描儀數(shù)據(jù)生成的三維表面上。

4 結(jié)語

本文描述了一種新的基于雷達(dá)的系統(tǒng)，用于地下礦機(jī)定位。該方法通過利用地面采礦環(huán)境中已經(jīng)存在的采礦結(jié)構(gòu)（如螺栓板和切割）來生成特征豐富的雷達(dá)信號(hào)返回，從而避免了安裝額外的參考基礎(chǔ)設(shè)施的需要。探索了不同的概率數(shù)據(jù)處理技術(shù)，以提供設(shè)備沿軌和跨軌位置的估計(jì)。這些估計(jì)后來通過使用激光測距掃描儀進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)非常吻合。這些試驗(yàn)的成功促進(jìn)了一種改進(jìn)系統(tǒng)的開發(fā)，該系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好集成到作業(yè)礦井機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中。