石成虎，付良廷

(西安重裝智慧礦山工程技術有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

近年來，在國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略、互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)和煤炭智能化開采等一系列重大戰(zhàn)略和行動的引導下，陜煤集團加大智能化工作面應用推廣力度，智能化工作面建設取得了可喜的成績。目前，黃陵一號煤礦和二號煤礦高智能化綜采工作面集成有供液、三機監(jiān)測及遠程集中控制系統(tǒng)，可在地面分控中心及井下順槽監(jiān)控中心實現(xiàn)對工作面采煤機、刮板機、液壓支架、泵站、順槽皮帶等單機設備的遠程控制和一鍵啟停，真正做到了“無人值守、有人巡視”[1]，走在了煤炭智能開采技術的前沿。山西塔山煤礦、四川廣能公司龍灘煤礦等也相繼進行了深入研究，并實現(xiàn)了應用和投產(chǎn)，這一系列的大事件標志著遠程控制智能化采煤已然成為必然趨勢，我國已進入智能化開采時代。

1 國內(nèi)外研究狀況

目前，慣導系統(tǒng)的研究和開發(fā)主要用于航天、軍事領域，民用類很少，還沒有專用于采煤機慣導系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家。慣導系統(tǒng)的發(fā)展已有幾十年的發(fā)展歷史，積累了相當多的研究基礎和豐富的研究經(jīng)驗，但用于煤炭企業(yè)采煤機精準定位的慣導系統(tǒng)屈指可數(shù)，且效果欠佳，而國外，LASC技術得到了較好的應用和推廣，因此，相對而言，我國的技術力量相對薄弱，要研究和開發(fā)一套真正用于煤炭企業(yè)采煤機精準定位和矯直的慣導系統(tǒng)，困難顯而易見，只有不斷地磨練自己，不斷優(yōu)化，砥礪前進，克服種種困難，才能守得云開見月明，追趕超越競爭對手。

1.1 國內(nèi)研究狀況

在國內(nèi)，航天九院13所和中國航空工業(yè)集團公司西安飛行自動控制研究所(618所)的慣導系統(tǒng)在采煤機上已有推廣，但效果不理想。

2015年，北京天地科技與CSIRO昆士蘭技術中心展開了LASC技術合作，并開始在兗煤集團轉(zhuǎn)龍灣礦進行了LASC技術的井下應用，進入市場也比較晚，由于礦井的復雜多樣性，其效果相對比較好，還有待于進一步的持續(xù)發(fā)展，并且價格昂貴，性價比不高。

目前，我國已建成超過220個“有人巡視，無人值守”智能化開采工作面，產(chǎn)量超過5.6億t，工作面減少人數(shù)50%以上。

因此，我國煤炭的智能化開采，尚處于初級階段，存在許多不足，對礦井智能化綜采工作面的安全高效開采提出了更高的技術要求和精度要求，而綜采工作面智能化開采的核心問題就是工作面采煤機的精確定位和自動取直，慣性導航技術是實現(xiàn)和解決這一問題的有效方法和途徑之一。研究和開發(fā)用于采煤機定位、姿態(tài)精準檢測的慣導系統(tǒng)，成為我國煤炭企業(yè)實現(xiàn)遠程控制智能化開采的必然選擇。

1.2 國外研究狀況

20世紀90年代以來，美國、德國、澳大利亞等國開始著手研究自動化綜采關鍵技術，并取得了顯著性成果。澳大利亞綜采長壁工作面自動控制委員會(Longwall Automation Steering Committee，LASC)開展的煤礦綜采自動高精度光纖陀螺儀和定制的定位導航算法獲得了3項主要成果，即采煤機位置三維精確定位(誤差±10 cm)、工作面矯直系統(tǒng)(誤差±50 cm)和工作面水平控制，完成了工作面自動化系統(tǒng)原型，并首次在澳大利亞的Beltana礦試驗成功，于2008年對LASC系統(tǒng)進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了采煤機自動控制、煤流負荷平衡、巷道集中監(jiān)控等，之后便同久益、艾可夫等采煤機供應商簽署了協(xié)議，將這項技術集成到對應的采煤機上，實現(xiàn)快速商用[2]。目前，在澳大利亞超過20個長壁工作面采用了LASC技術，2014年，在美國首次應用于伊利諾斯州，久益集團White Oak 煤礦。如今，LASC技術在我國進行了應用推廣，但價格昂貴，性價比不高。

智能開采服務中心(Intelligent Mining Service Certer，IMSC)是美國JOY公司推出的一種適用于長壁工作面的遠程智能增值產(chǎn)品/服務系統(tǒng)，可實時監(jiān)控煤礦設備運行，在澳大利亞布里斯班的Anglo礦業(yè)公司總部設置總高度室，對所管轄礦井進行實時監(jiān)控，目前只有莫蘭巴北礦上線[2]。

2 慣導系統(tǒng)設計與研究

目前業(yè)內(nèi)認可度比較高的智能化無人開采技術其裝備總體路線如圖1所示，圖中粗線框出部分是裝備定位及姿態(tài)感知在整個體系中的所處位置，采煤機行進軌跡測量是裝備定位與姿態(tài)感知的重要組成部分。

圖1 智能化無人開采技術與裝備總體路線

基于采煤機的慣導系統(tǒng)設計與研究具體分為2個研究內(nèi)容，即慣導本體結(jié)構(gòu)設計和航跡生成算法，如圖2所示。

圖2 基于采煤機的慣導系統(tǒng)

慣導是生成采煤機航跡數(shù)據(jù)的傳感器部件，也是慣導系統(tǒng)的本體結(jié)構(gòu)。根據(jù)對綜采工作面的平整度要求，分析系統(tǒng)指標需求并進行詳細分解。依據(jù)分解后的系統(tǒng)指標，針對采煤機工況條件設計慣導系統(tǒng)的抗震動沖擊信號處理算法以及機械抗震動沖擊結(jié)構(gòu)，最后，根據(jù)系統(tǒng)指標要求以及慣導輸出的姿態(tài)角度指標，設計系統(tǒng)航跡生成算法，包括有組合導航算法、噪聲干擾濾波處理算法、安裝誤差校準算法等，最終完成系統(tǒng)設計。

2.1 本體結(jié)構(gòu)設計

在自動化綜采工作面上，慣導準確獲取采煤機定位軌跡，以確保采煤機按照規(guī)劃好的工作面模型進行作業(yè)。

分析指標：通過詳細分析系統(tǒng)指標，并建立理論模型。如果綜采面工作長度300 m，采煤機一刀煤用時最長1 h，一刀煤期間，采煤機應連續(xù)作業(yè)，不允許停車修正，采煤機三維定位誤差±10 cm，如圖3所示。

圖3 理論模型

由圖可知，0.1/300=tanΔθ，

而Δθ=arctan(0.1/300)≈0.000 333 3(弧度)，故0.000 333 3×180/3.14=0.019(度)，可得導系統(tǒng)航向保持精度應≤0.019度/h。

航向角是慣導系統(tǒng)精度最難保證的一項關鍵指標，在同一慣導系統(tǒng)中姿態(tài)角(橫滾、俯仰)的指標一般優(yōu)于航向角。

井下工況信號處理：井下信號傳輸和通訊主要是CAN總線和RS-485總線信號，設計CAN總線和RS-485總線通訊模塊，建立數(shù)據(jù)傳輸通道，以完成數(shù)據(jù)采樣和通訊功能。

機械抗震動沖擊設計：為了增強采煤機慣導系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，機載慣性導航的機械抗震動沖擊設計采用了防震、抗沖擊加固理念，設計了隔振、緩沖模塊，增強了設備及元器件的耐振動、沖擊能力。

2.2 航跡生成算法

采煤機慣導系統(tǒng)的算法設計與實現(xiàn)分為以下3個步驟實現(xiàn)。

組合導航算法設計：采用慣導與里程計組合導航的方式完成采煤機航跡生成算法。

噪聲干擾濾波算法設計：本研究擬采用卡爾曼濾波對采煤機震動沖擊引入的噪聲干擾進行濾除，其算法原理如下。

系統(tǒng)狀態(tài)方程：xk=Akxk-1+wk-1，白噪聲為激勵，策動噪聲

系統(tǒng)量測方程：yk=ckxk+vk

式中,yk—觀測信號矢量;vk—觀測噪聲序列；ck—觀測矩陣(m×n)

若不考慮噪聲，忽略wk-1,vk的影響時，即令wk-1=0,vk=0，由系統(tǒng)的狀態(tài)方程和量測方程得到

(9)

(2)=E[(I-HkCk)Qk-1(I-HkCk)T]，

最小均方誤差陣

=Pk′-HkCkPk′

=(I-HkCk)Pk′

故有Kalman一步遞推公式

以上是Kalman遞推過程。

統(tǒng)計特性：Ak,CK,RkQ，

以觀測數(shù)據(jù)作估計：

取u0≈E[y(n)]

Var[x0]≈VarE[y(n)]

遞推：

安裝誤差校準算法設計：設計誤差校準算法和誤差校準通訊模塊，當采煤機長時間進行割煤時，慣導形成一個時間累積誤差，致使慣導與采煤機的實際運行軌跡形成了累積誤差[9-13]，因此，慣導系統(tǒng)需要配備誤差校準通訊模塊，進行誤差修正和糾偏，以實現(xiàn)對采煤機實際運行軌跡和狀態(tài)的精準測量。

3 結(jié)語

將高精度慣導系統(tǒng)應用于煤炭智能化綜采工作面的煤炭開采中，進行采煤機位置、姿態(tài)的精確監(jiān)測和取直，通過對每個液壓支架推移行程單獨閉環(huán)控制來達成直線度控制目標，以保證綜采工作面連續(xù)生產(chǎn)過程中不需要人工調(diào)架[3-8]，達到提高生產(chǎn)效率和安全性的目的，從而進一步推動礦井遠程控制智能化采煤的進程，加快智慧化礦山的建設步伐，具有非常重要的現(xiàn)實意義。