湯現(xiàn)寶

（江蘇省礦業(yè)工程集團(tuán)公司，江蘇 徐州 221002）

我國(guó)煤炭開采工作大多在井下進(jìn)行，露天開采相對(duì)較少。通過提高井下作業(yè)效率，能夠增加煤炭開采總體產(chǎn)量，這不僅是煤炭企業(yè)提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)力的有效措施，也是煤炭市場(chǎng)未來發(fā)展的必然需求。然而，由于我國(guó)煤炭資源所處條件復(fù)雜多樣，導(dǎo)致井下作業(yè)在質(zhì)量和效率方面均受到一定影響。在這一現(xiàn)實(shí)情況下，想要提高煤炭開采效率，就要充分利用現(xiàn)代化技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn)掘進(jìn)設(shè)備[1]。尤其近年來，科學(xué)技術(shù)更新?lián)Q代速度越來越快，已經(jīng)有大量技術(shù)應(yīng)用到煤礦開采設(shè)備中，促進(jìn)掘進(jìn)設(shè)備向智能化、無人化趨勢(shì)發(fā)展，這些設(shè)備不僅減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度，還有效提高了煤礦開采效率和產(chǎn)量。然而，煤礦企業(yè)不能只滿足于現(xiàn)狀，還要進(jìn)一步提高掘進(jìn)設(shè)備研發(fā)積極性和熱情。以下本文將對(duì)智能化技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行分析，并對(duì)其未來發(fā)展做出初步展望，旨在為提高煤礦企業(yè)工作效率和經(jīng)濟(jì)效益提供保障。

1 智能化掘進(jìn)機(jī)技術(shù)構(gòu)架

掘進(jìn)機(jī)是煤礦開采作業(yè)中必不可缺的設(shè)備之一，在作業(yè)過程中涉及到前行、糾偏、掃底、定位、收煤等多個(gè)環(huán)節(jié)。將智能化技術(shù)應(yīng)用到掘進(jìn)機(jī)中，主要目的在于提高掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中的感知能力和適應(yīng)能力，使其在作業(yè)過程中能夠保持精準(zhǔn)度[2]。其技術(shù)構(gòu)架包括三個(gè)方面，分別為掘進(jìn)機(jī)位姿檢測(cè)和糾偏技術(shù)、斷面自動(dòng)成形與自適應(yīng)截割技術(shù)、安全運(yùn)行保障技術(shù)。智能感知和自適應(yīng)作業(yè)是智能化掘進(jìn)機(jī)的兩大優(yōu)勢(shì)，其中智能感知又可以分為位置姿勢(shì)感知、狀態(tài)感知以及成形感知。自適應(yīng)分為自適應(yīng)截割、自適應(yīng)診斷以及自適應(yīng)糾偏。

位姿感知作為智能化掘進(jìn)機(jī)中的關(guān)鍵內(nèi)容，不僅能夠感知機(jī)體位姿全參數(shù)，還能夠在機(jī)體運(yùn)動(dòng)過程中結(jié)合位姿規(guī)律進(jìn)行糾偏。具體來說，在掘進(jìn)機(jī)位姿全參數(shù)感知過程中，主要是利用組合定位計(jì)算方式，算出機(jī)體位姿誤差和測(cè)量誤差，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行調(diào)整和補(bǔ)償，從而準(zhǔn)確感知掘進(jìn)機(jī)位姿參數(shù)。在掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程感知方面，則是通過建立模型，對(duì)掘進(jìn)機(jī)擺臂、荷載以及巷道實(shí)際情況進(jìn)行分析，從而對(duì)掘進(jìn)機(jī)位姿進(jìn)行糾偏和控制。

成形感知是智能化掘進(jìn)機(jī)中的核心部分，能夠分析和修正巷道截面成形存在的誤差，跟蹤控制截割頭軌跡以及自適應(yīng)截割。具體來說，在分析和修正巷道截面成形誤差方面，主要利用智能化測(cè)距技術(shù)和側(cè)角技術(shù)，對(duì)巷道截面特征點(diǎn)位置進(jìn)行定位，構(gòu)建巷道截面真實(shí)模型和標(biāo)準(zhǔn)模型，從而對(duì)巷道截面進(jìn)行科學(xué)檢測(cè)。從自適應(yīng)截割方面進(jìn)行分析，主要是通過構(gòu)建模型，結(jié)合實(shí)際情況制定相應(yīng)的控制策略，并調(diào)整截割運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)[3]。從跟蹤控制截割頭軌跡方面進(jìn)行分析，主要是通過識(shí)別煤巖，確定軟煤巖和硬煤巖，并確定煤巖切割路徑，調(diào)整掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行軌跡和控制策略，保證巷道截面自動(dòng)成形。

狀態(tài)感知在智能化掘進(jìn)機(jī)中發(fā)揮的作用是保證設(shè)備安全運(yùn)行。通過狀態(tài)感知能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)全過程檢測(cè)和診斷掘進(jìn)機(jī)故障情況。具體來說，是通過收集信息建立模型，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)各系統(tǒng)監(jiān)測(cè)目標(biāo)，為保證掘進(jìn)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。

2 智能化技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)中的具體應(yīng)用

當(dāng)前，我國(guó)已經(jīng)研發(fā)出效率高、智能化、全遙控的掘進(jìn)機(jī)設(shè)備，結(jié)合其實(shí)際應(yīng)用效果來看，不僅有效改善了傳統(tǒng)掘進(jìn)作業(yè)的方式和方法，還提高了掘進(jìn)作業(yè)質(zhì)量和效率。結(jié)合智能化掘進(jìn)機(jī)構(gòu)造情況來看，具有強(qiáng)度高、配置好、緊湊性強(qiáng)等多種優(yōu)勢(shì)。并且實(shí)現(xiàn)了無人化操作需求，工作人員只需在30m 范圍內(nèi)進(jìn)行遙控即可[4]。與此同時(shí)，該智能化掘進(jìn)機(jī)還具備較強(qiáng)的自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)蜻M(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和故障情況進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)。具體可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 智能化控制技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用

智能化控制技術(shù)應(yīng)用到掘進(jìn)機(jī)中，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

第一，掘進(jìn)機(jī)遙控操作系統(tǒng)，該技術(shù)的使用實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程操控需求，工作人員在30m 范圍內(nèi)能夠有序展開相關(guān)作業(yè)。并且該遙控系統(tǒng)具有抗干擾、信號(hào)強(qiáng)、穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于傳統(tǒng)操作方式而言，不僅能夠拓展操作視野，還能夠提高操作靈活性，并且掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行過程中可以適當(dāng)調(diào)整速度。

第二，掘進(jìn)機(jī)數(shù)控截割系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠真實(shí)記錄掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作過程中的油缸行程，并收集截割壁運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的所有參數(shù)，將相關(guān)數(shù)據(jù)和信息傳送到工控機(jī)后，能夠自動(dòng)形成截割軌跡圖，有利于工作人員通過顯示器了解掘進(jìn)機(jī)工作狀況，并結(jié)合實(shí)際情況控制和管理截割作業(yè)。

第三，掘進(jìn)機(jī)人機(jī)交互系統(tǒng)。在掘進(jìn)機(jī)中應(yīng)用智能化技術(shù)，需要配備相應(yīng)的硬件設(shè)施，包括工控機(jī)、顯示器等。通過硬件設(shè)施，能夠?qū)崟r(shí)掌握掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)。同時(shí)，將數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)融合使用，還能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)運(yùn)行中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)和參數(shù)進(jìn)行儲(chǔ)存，有利于為數(shù)據(jù)查詢提供保障。當(dāng)掘進(jìn)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，工作人員只需查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，即可判斷故障類型、故障位置以及故障范圍，有利于及時(shí)采取針對(duì)性措施解決故障，有效降低掘進(jìn)機(jī)維修時(shí)間，提高其工作效率。

第四，掘進(jìn)機(jī)紅外線安全檢測(cè)系統(tǒng)。將紅外線技術(shù)應(yīng)用到掘進(jìn)機(jī)中，能夠在一定范圍內(nèi)檢測(cè)到人體，使掘進(jìn)機(jī)在運(yùn)行過程中，始終與工作人員保持安全距離。也就是掘進(jìn)機(jī)在作業(yè)狀態(tài)下，如果有工作人員靠近，會(huì)及時(shí)發(fā)出聲音信號(hào)或光源信號(hào)，并自動(dòng)停止作業(yè)，避免掘進(jìn)機(jī)與工作人員碰撞引發(fā)安全事故，從而為工作人員人身安全提供保障[5]。

第五，掘進(jìn)機(jī)安全運(yùn)行保障系統(tǒng)。掘進(jìn)機(jī)安全運(yùn)行保障系統(tǒng)包括兩個(gè)方面，分別為遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和故障診斷。從遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)方面進(jìn)行分析，智能化掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)定向、定位、頂形的可視化控制目標(biāo)，工作人員能夠通過顯示器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)參數(shù)，并且該系統(tǒng)具備自動(dòng)報(bào)警功能，能夠在出現(xiàn)異常情況時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。而這系統(tǒng)故障診斷方面，也融合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法、故障樹法等多種針對(duì)方式，能夠通過多元化故障診斷方法對(duì)掘進(jìn)機(jī)單一部件故障進(jìn)行科學(xué)診斷，有利于能夠確定故障對(duì)象、故障原因和故障范圍。使維修人員及時(shí)采取措施解決故障，但該系統(tǒng)也存在一定弊端，即無法有效針對(duì)掘進(jìn)機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如果在運(yùn)行過程中，掘進(jìn)機(jī)部件與部件之間因互相影響產(chǎn)生故障，則無法用精確模型對(duì)故障類型、故障范圍進(jìn)行科學(xué)描述，從而增加了故障診斷難度和維修時(shí)間。

2.2 智能化掘進(jìn)機(jī)實(shí)際使用效果

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們?cè)谏詈蜕a(chǎn)中對(duì)煤炭資源需求量逐漸上升，在為煤礦企業(yè)帶來廣闊發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也增加了煤礦市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)壓力。為了提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)力，越來越多的企業(yè)使用智能化掘進(jìn)機(jī)。山西某煤礦企業(yè)在煤礦開采作業(yè)中應(yīng)用智能化掘進(jìn)機(jī)效果進(jìn)行分析。該工程在前期試驗(yàn)過程中，9 月～10 月期間，智能化掘進(jìn)機(jī)共運(yùn)行25 天，掘進(jìn)尺寸為180m，井下作業(yè)條件為半煤巖，即上部為煤，下部為巖石。11 月28 日～11 月30 日之間，智能化掘進(jìn)機(jī)共運(yùn)行2 天，掘進(jìn)尺寸為30m，井下作業(yè)條件變?yōu)槿合锏?。該煤礦企業(yè)結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和調(diào)整，并將智能化掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用到實(shí)際工程中，共掘進(jìn)巷道3500m，平均每月達(dá)到了500m。結(jié)合該企業(yè)運(yùn)用智能化掘進(jìn)機(jī)效果反饋進(jìn)行分析，總結(jié)出以下優(yōu)勢(shì)：

第一，智能化掘進(jìn)機(jī)操作簡(jiǎn)便，遙控技術(shù)靈活，視野開闊，有效降低了人力勞動(dòng)工作量，減少了企業(yè)人力成本支出，有效提高了企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

第二，掘進(jìn)機(jī)智能化水平高，巷道斷面成形具有及時(shí)性和準(zhǔn)確性，不僅能夠提高工作效率和工作質(zhì)量，還能夠充分保證工作人員人身安全[6]。

3 智能化技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)應(yīng)用方面的發(fā)展方向

3.1 提高檢測(cè)精度和抗干擾能力

由上文分析可以看出，當(dāng)前，將智能化技術(shù)應(yīng)用到掘進(jìn)機(jī)中，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)體位姿參數(shù)感知和自動(dòng)策略需求。但是結(jié)合應(yīng)用效果來看，由于井下作業(yè)情況復(fù)雜，部分掘進(jìn)機(jī)在導(dǎo)航定位、激光標(biāo)靶以及視野范圍等方面，受粉塵、環(huán)境等影響，容易導(dǎo)致精度降低，無法充分發(fā)揮智能化掘進(jìn)機(jī)的作用和功能。因此，在未來發(fā)展過程中，專家和學(xué)者需要重點(diǎn)對(duì)智能化掘進(jìn)機(jī)檢測(cè)精度以及抗干擾能力進(jìn)行研究，有效提高智能化掘進(jìn)機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力，這也是其智能化發(fā)展的重要研究方向。

3.2 重點(diǎn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割過程糾偏進(jìn)行研究

現(xiàn)階段，智能化掘進(jìn)機(jī)自身具備的導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確對(duì)機(jī)體位姿進(jìn)行定位和糾偏。但糾偏工作大多體現(xiàn)在掘進(jìn)機(jī)初始狀態(tài)。針對(duì)截割過程中位姿誤差情況仍然需要進(jìn)一步研究和分析。因此，在未來發(fā)展過程中，專家和學(xué)者需要給予這一內(nèi)容高度重視，通過截割機(jī)構(gòu)對(duì)智能化掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中產(chǎn)生的位姿偏差進(jìn)行自動(dòng)化檢測(cè)和補(bǔ)償。

3.3 重點(diǎn)研究掘進(jìn)機(jī)作業(yè)過程感知系統(tǒng)

當(dāng)前，智能化掘進(jìn)機(jī)在截割以及斷面成形在理論研究方面，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了截割臂擺動(dòng)速度調(diào)整、截割頭轉(zhuǎn)速調(diào)整以及截割路徑合理規(guī)劃等目標(biāo)，但是在理論轉(zhuǎn)換成實(shí)踐過程中受到一定阻礙。其原因是煤巖性質(zhì)存在較大差異性，導(dǎo)致煤巖與截割參數(shù)之間在建立關(guān)系過程中存在一定難度。并且在智能化掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行過程中，還沒能完全實(shí)現(xiàn)煤巖特性智能感知需求。因此，在未來發(fā)展過程中，專家和學(xué)者需要重點(diǎn)研究掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)作業(yè)感知能力，構(gòu)建準(zhǔn)確、完善的煤巖特性和最佳截割參數(shù)模型。

3.4 及時(shí)切換智能化系統(tǒng)冗余軟硬件

在煤礦開采過程中，掘進(jìn)機(jī)截割過程涉及到的數(shù)據(jù)信息相對(duì)較多，軟件設(shè)施和硬件設(shè)備作為智能化掘進(jìn)機(jī)的重要支撐，一旦出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)智能化系統(tǒng)無法發(fā)揮感知功能和自適應(yīng)功能，獲取的信息也將失去準(zhǔn)確性和科學(xué)性，不僅降低了掘進(jìn)作業(yè)效率和質(zhì)量，甚至?xí)楣ぷ魅藛T帶來安全隱患[7]。因此，在未來發(fā)展過程中，煤礦企業(yè)需要及時(shí)切花智能化系統(tǒng)冗余軟硬件，全過程監(jiān)督和控制智能化掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，從而為其安全、穩(wěn)定運(yùn)行奠定良好基礎(chǔ)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人們生活和工作中對(duì)煤炭的需求量日益提升，在為煤礦企業(yè)帶來發(fā)展機(jī)遇的同時(shí)，也增加了煤礦市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)壓力。為了提高自身核心競(jìng)爭(zhēng)力，煤礦企業(yè)需要提高工作效率和工作質(zhì)量，增加煤礦開采量。掘進(jìn)機(jī)作為煤礦開采的必要設(shè)備，在這一背景下面臨升級(jí)和改造需求。因此，本文對(duì)智能化技術(shù)在掘進(jìn)機(jī)中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究，并對(duì)未來發(fā)展趨勢(shì)做出展望，旨在為突破煤礦企業(yè)開采作業(yè)中存在的困難奠定基礎(chǔ)。