李文強(qiáng)

摘要：基于煤礦安全、高效、自動(dòng)化生產(chǎn)的需要，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)化開(kāi)采是煤礦開(kāi)采的最終目標(biāo)。本文分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外掘進(jìn)工作面的自動(dòng)化現(xiàn)狀況和影響因素，對(duì)其中的多種關(guān)鍵核心技術(shù)進(jìn)行了研究，分析了實(shí)現(xiàn)這些關(guān)鍵技術(shù)的難點(diǎn)，提出了關(guān)鍵技術(shù)的信息融合是實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)自動(dòng)化的必由之路，最后展望了未來(lái)幾年對(duì)掘進(jìn)工作面自動(dòng)化有影響函需突破的新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：煤礦掘進(jìn)；自動(dòng)化技術(shù)；應(yīng)用

1.制約煤礦掘進(jìn)工作面自動(dòng)化開(kāi)采的因素

1.1環(huán)境因素

環(huán)境因素是影響煤礦掘進(jìn)工作面自動(dòng)化智能開(kāi)采的關(guān)鍵因素之一，工作面的頂?shù)装鍡l件、礦壓大小、采高、傾角、俯仰角度、瓦斯等都會(huì)對(duì)開(kāi)采影響很大。以目前技術(shù)水平，在復(fù)雜環(huán)境下的確很難實(shí)現(xiàn)工作面的自動(dòng)化掘進(jìn)開(kāi)采，可以先在地質(zhì)條件、安全條件較好的工作面進(jìn)行自動(dòng)化掘進(jìn)的嘗試。但這并不意味著復(fù)雜地質(zhì)條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而是需要在各種不同地質(zhì)條件下不停地摸索中探尋適合各種條件的自動(dòng)化智能開(kāi)采。

1.2設(shè)備因素

對(duì)掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的要求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能開(kāi)采必須完美實(shí)現(xiàn)所有掘進(jìn)機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)全過(guò)程自動(dòng)化，如掘進(jìn)機(jī)的全工作面記憶截割功能、液壓支架電液控制系統(tǒng)的全工作面跟機(jī)自動(dòng)化功能。這對(duì)于產(chǎn)品的質(zhì)量、穩(wěn)定性、智能化程度都有極高的要求。

1.3技術(shù)因素

目前煤礦掘進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)還是基本處于簡(jiǎn)單自動(dòng)化的水平，與工人實(shí)際操作有較大差距。煤巖分界技術(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)煤機(jī)滾筒正在割煤還是割巖的情況，在記憶截割基礎(chǔ)上進(jìn)行自我調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)化控制。煤巖識(shí)別技術(shù)，可以在放頂煤工作面通過(guò)監(jiān)測(cè)放煤過(guò)程中是否含有巖石從而控制放煤時(shí)間，實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)放煤過(guò)程。工作面直線度控制技術(shù)，可以描繪出整個(gè)掘進(jìn)工作面的彎曲情況，并傳輸給電液控制系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)液壓支架的前進(jìn)量進(jìn)行定量，從而使得工作面彎曲度維持在允許范圍內(nèi)而實(shí)現(xiàn)連續(xù)推進(jìn)。

2煤礦掘進(jìn)自動(dòng)化關(guān)鍵控制技術(shù)及難點(diǎn)

2.1關(guān)鍵控制技術(shù)

第一，總體技術(shù)方案。掘進(jìn)工作面自動(dòng)化控制圍繞綜采設(shè)備姿態(tài)定位、掘進(jìn)機(jī)設(shè)備安全感知、工作面直線度控制、視頻圖像處理等多種關(guān)鍵技術(shù)，需要從總體上研究自動(dòng)化智能控制的關(guān)鍵核心技術(shù)。

第二，掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)。掘進(jìn)是煤礦生產(chǎn)的主體，而支護(hù)是煤礦作業(yè)開(kāi)展的基礎(chǔ)，為煤礦工作提供了進(jìn)行的渠道。煤礦掘進(jìn)工作受到外部環(huán)境和氣候等條件的影響，因而要在復(fù)雜的環(huán)境中開(kāi)展掘進(jìn)工作就要借助自動(dòng)化器械。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，煤礦掘進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)也在不斷更新，從前瞻性出發(fā)，在掘進(jìn)中使用自動(dòng)化器械能夠?yàn)槊旱V的挖掘、裝運(yùn)、運(yùn)輸提供途徑。

第三，掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制技術(shù)。工作面視頻系統(tǒng)使得操作者在監(jiān)控中心就能直觀地觀察到工作面運(yùn)行狀況。無(wú)延遲的模擬視頻系統(tǒng)可作為操作者觀察控制命令被執(zhí)行的情況；數(shù)字視頻系統(tǒng)便于存儲(chǔ)、視頻后處理、視頻發(fā)布、視頻控制；三維虛擬現(xiàn)實(shí)軟件提供給操作者身臨其境的感覺(jué)。

第四，運(yùn)輸自動(dòng)化技術(shù)。煤礦掘進(jìn)工作中需要對(duì)產(chǎn)出的廢料和土石進(jìn)行向外運(yùn)輸，保障煤礦暢通，為煤礦的進(jìn)一步挖掘和開(kāi)拓提供條件。同時(shí)，在掘進(jìn)工作中開(kāi)展運(yùn)輸自動(dòng)化也能為煤礦挖掘工作的煤礦運(yùn)輸提供物質(zhì)設(shè)施條件基礎(chǔ)，保證物料運(yùn)出和輸入，提高生產(chǎn)作業(yè)的效率。

第五，視頻監(jiān)控技術(shù)、視頻拼接技術(shù)。為實(shí)現(xiàn)獲得整個(gè)工作面的全景動(dòng)態(tài)畫面，就需要對(duì)場(chǎng)景中所有相機(jī)采集的視頻圖像進(jìn)行智能的拼接，需要對(duì)各相機(jī)的成像有一致的要求，相機(jī)間成像的差異造成拼接圖像時(shí)，匹配重疊區(qū)域特征存在平移、縮放、旋轉(zhuǎn)等多種幾何變形，這將影響圖像配準(zhǔn)的精度。

2.2技術(shù)難點(diǎn)

將綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真、工作面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究、工作面設(shè)備實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)研究、工作面推進(jìn)狀況的預(yù)測(cè)研究等，保證掘進(jìn)工作面連續(xù)推進(jìn)過(guò)程中各個(gè)設(shè)備的姿態(tài)符合目標(biāo)線的要求。核心內(nèi)容包括影響工作面連續(xù)推進(jìn)的因素研究、工作面連續(xù)推進(jìn)方法的研究、工作面直線度控制、調(diào)偽傾斜控制、仰采、俯采控制等關(guān)鍵技術(shù)研究等5個(gè)方面。需要研制自動(dòng)化所需要的測(cè)量推移行程的高精度傳感器、刮板運(yùn)輸機(jī)姿態(tài)的測(cè)量系統(tǒng)和控制系統(tǒng)、支架電液控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制和針對(duì)連接機(jī)構(gòu)間隙與拉架過(guò)程導(dǎo)致的運(yùn)輸機(jī)拉回檢測(cè)機(jī)制等。擬解決的技術(shù)難點(diǎn)：第一，實(shí)時(shí)性技術(shù)，研究如何達(dá)到視頻50ms延時(shí)的要求；第二，視頻清晰技術(shù)，解決煤塵影響和低照度問(wèn)題。

第一，實(shí)時(shí)性技術(shù)。掘進(jìn)工作面自動(dòng)化實(shí)時(shí)性技術(shù)最主要的是視頻實(shí)時(shí)性，出于視頻輔助遠(yuǎn)程控制的需要，工作面視頻系統(tǒng)的延遲時(shí)間要保證小于50ms，否則遠(yuǎn)程控制的安全性無(wú)法保證。采用基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字視頻加上CWDM粗波分復(fù)用的傳輸技術(shù)可以為工作面提供實(shí)時(shí)的高清視頻。利用視頻系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在順槽監(jiān)控中心輔助遠(yuǎn)程控制，操作者在遠(yuǎn)程控制工作面設(shè)備時(shí)可以通過(guò)視頻實(shí)時(shí)觀察操作效果、調(diào)整操作幅度。同時(shí)通過(guò)工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)傳輸數(shù)字視頻，也可以在地面遠(yuǎn)程監(jiān)視工作面運(yùn)行狀況。

第二，視頻清晰技術(shù)。掘進(jìn)工作面需要提供清晰的動(dòng)態(tài)圖像，簡(jiǎn)單的做法是采用高清攝像技術(shù)和加大攝像機(jī)的數(shù)量。此外還有一些因素需要考慮和解決：①粉塵問(wèn)題。掘進(jìn)工作面在采煤機(jī)截割煤層時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的煤塵，粉塵嚴(yán)重時(shí)會(huì)完全遮擋滾筒，不利于通過(guò)視頻觀察掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)行時(shí)況，給遠(yuǎn)程遙控掘進(jìn)機(jī)帶來(lái)困難。②照度問(wèn)題。掘進(jìn)工作面沒(méi)有地面環(huán)境下的自然光線，完全是人工照明，如果只是一味加大人工照明的亮度和數(shù)量，會(huì)帶來(lái)成本、能耗和管理等方面的問(wèn)題。因此需要研究掘進(jìn)工作面低照度條件下的高清成像技術(shù)。

結(jié)束語(yǔ)：

掘進(jìn)工作面連續(xù)推進(jìn)實(shí)時(shí)控制技術(shù)研究的重點(diǎn)是解決掘進(jìn)智能控制另一個(gè)問(wèn)題即高效問(wèn)題，該任務(wù)是確保工作面能夠智能控制和自動(dòng)推進(jìn)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)以上的自動(dòng)關(guān)鍵控制技術(shù)，就能將工作面工人數(shù)量減少，實(shí)現(xiàn)智能控制工作面產(chǎn)量。本文通過(guò)對(duì)于煤礦掘進(jìn)自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)路線進(jìn)行分析，探索如何最終實(shí)現(xiàn)煤礦自動(dòng)化智能開(kāi)采的最終目標(biāo)。

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（作者單位：山西和順天池能源有限責(zé)任公司）