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煤礦井下智能化高效掘進控制體系的研究

2022-09-14 15:27
現(xiàn)代礦業(yè) 2022年8期
關(guān)鍵詞:掘進機巷道遠程

王 超

(晉能控股集團寺河煤礦)

目前在綜掘面主要分布有掘錨一體機、轉(zhuǎn)載機、輸送機等多種類型的設(shè)備,但由于缺乏統(tǒng)一的控制系統(tǒng),導(dǎo)致各設(shè)備在人工的控制下獨立作業(yè),經(jīng)常出現(xiàn)因步調(diào)不一致而導(dǎo)致的綜掘面部分設(shè)備停工待機問題[1],不僅嚴重影響了煤礦井下綜掘作業(yè)的正常運行,而且極大地降低了綜掘效率。

結(jié)合目前綜掘面的實際情況,多個煤炭生產(chǎn)企業(yè)開始進行井下自動化、智能化的綜合掘進控制系統(tǒng)開發(fā),先后發(fā)展出大采高綜采面智能化人機協(xié)同控制綜采、中厚煤層智能化無人綜采等智能化控制系統(tǒng),但以上控制系統(tǒng)均為局部、小范圍的綜采協(xié)同控制體系,難以實現(xiàn)對整個綜采作業(yè)流程的“一個流”控制。因此,在對各設(shè)備協(xié)同運轉(zhuǎn)工藝流程進行充分分析的基礎(chǔ)上,本項目提出了一種新的井下綜掘面智能控制系統(tǒng),通過遠程集控技術(shù)將各設(shè)備的綜掘運行狀態(tài)信息進行統(tǒng)一的匯總和分析,制定協(xié)同運行方案,通過人—機—環(huán)協(xié)同控制技術(shù)實現(xiàn)各設(shè)備的協(xié)同運行,滿足井下智能化控制的需求。

1 掘、運、支一體化智能控制系統(tǒng)

結(jié)合煤礦井下綜掘面的實際需求,本項目所提出的掘、運、支一體化控制系統(tǒng)要實現(xiàn)對井下地質(zhì)狀態(tài)的智能感知、對掘運支設(shè)備的智能控制、對系統(tǒng)運行狀態(tài)的自動巡檢和故障報警,該智能控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

由圖1 可知,邊緣感知層是該智能控制系統(tǒng)的“眼睛”,主要是對掘進面的掘進環(huán)境進行快速監(jiān)測,構(gòu)建井下地質(zhì)狀態(tài)分布模型,為掘進機的正常掘進作業(yè)提供技術(shù)支持。平臺決策層是該智能控制系統(tǒng)的“大腦”,主要通過對各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析和判斷,對掘進機的智能掘進、設(shè)備的自動支護等提供決策信息,保證井下掘進面設(shè)備的穩(wěn)定運行。設(shè)備執(zhí)行層是該智能控制系統(tǒng)的“四肢”,主要用于接受決策層的決策信息,并控制掘進面的設(shè)備執(zhí)行,實現(xiàn)多設(shè)備的協(xié)同運行作業(yè),提高井下巷道掘進效率和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)運維層是該控制系統(tǒng)的“保姆”,主要通過大數(shù)據(jù)分析的方式對各設(shè)備的運行狀態(tài)進行判斷,提供設(shè)備全壽命周期的分析報告,確保設(shè)備的運行安全性和使用壽命。

在工作過程中,該智能控制系統(tǒng)中首先由邊緣感知層對掘進區(qū)域的地質(zhì)情況進行分析匯總,將地質(zhì)狀態(tài)信息傳輸?shù)經(jīng)Q策層,同時設(shè)備運行狀態(tài)感知系統(tǒng)也將各綜掘設(shè)備的運行參數(shù)信息傳遞到平臺決策層內(nèi),系統(tǒng)通過決策邏輯方法對系統(tǒng)的整體運行情況進行決斷,然后將決策結(jié)果發(fā)送到設(shè)備執(zhí)行層,控制綜掘面的相應(yīng)設(shè)備完成智能截割、智能支護、遠程監(jiān)控等。同時系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置了遠程運維層,主要是對系統(tǒng)的整體運行狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)測,當設(shè)備的運行參數(shù)出現(xiàn)異常后及時進行報警及故障定位,便于監(jiān)測人員能夠第一時間進行處理,減少設(shè)備停機維護對綜掘面綜掘的影響,提升設(shè)備的運行穩(wěn)定性和井下的綜掘效率。

2 井下超前探測方案

邊緣感知層的核心是實現(xiàn)對井下圍巖地質(zhì)情況的快速探測和分析,一方面能夠快速獲取掘進工作面前方是否有隱蔽的異常地質(zhì)情況,解決在掘進作業(yè)時經(jīng)常面臨的小斷層、煤巖厚度變化、陷落柱等地質(zhì)狀態(tài)突變而導(dǎo)致的掘進事故,另一方面能夠?qū)聡鷰r的硬度、分布情況進行快速分析,為掘進機的連續(xù)、智能截割提供數(shù)據(jù)支撐,也能夠為支護設(shè)備的實時調(diào)整、提高支護穩(wěn)定性提供依據(jù),保證支護的可靠性。

目前常用的圍巖實時感知技術(shù)主要包括了鉆探和物探。鉆探方案主要是通過鉆頭鉆探的方式獲取圍巖樣品,通過對樣品的測試來確定圍巖的物理性能,該方案具有探測準確性高的優(yōu)點,但測試速度慢,難以滿足井下快速鉆進時的需求。物探方案主要是利用瞬變電磁法、直流電法等,能夠快速地對圍巖狀態(tài)進行探測,但探測精度存在一定缺陷,難以滿足掘進安全性的需求。因此,本項目提出了將物探和鉆探相結(jié)合的技術(shù)方案,在掘進過程中先利用物探進行大范圍的勘探,對可疑區(qū)域再進行短距離快速鉆進勘探,保證探測快速性和可靠性的統(tǒng)一,滿足掘進機在掘進過程中快速感知圍巖狀態(tài)的需求[3]。

3 自動掘進控制系統(tǒng)

寺河煤礦智能化掘進工作面現(xiàn)使用山西天地公司生產(chǎn)EBZ220 掘進機通過北京易聯(lián)創(chuàng)安對其進行智能化改造升級,巷道掘進過程實現(xiàn)全機械化作業(yè),掘進速度滿足礦井采掘接替要求。智能化功能目前已初步實現(xiàn),已實現(xiàn)視距遙控和遠程遙控雙模式控制,能夠自主決策、智能控制的懸臂式掘進機自動控制系統(tǒng),具備位姿測量、位姿補償、多參數(shù)感知、狀態(tài)監(jiān)測與故障報警、遠程遙控干預(yù)等功能,實現(xiàn)掘進機高精度定向、位姿調(diào)整、自適應(yīng)截割及掘進環(huán)境可視化,該控制系統(tǒng)的應(yīng)用界面如圖2所示。

為了確保位姿測量、位姿補償?shù)臏蚀_性,該系統(tǒng)采用激光掃描儀結(jié)合機身多傳感器數(shù)據(jù)融合的掘進機位姿檢測方法。在掘進機機身安裝激光掃描儀,用于獲取當前巷道輪廓的點云位置數(shù)據(jù),巷道輪廓的點云位置數(shù)據(jù)經(jīng)過坐標換算和特征提取,得到巷道輪廓點云坐標數(shù)據(jù),然后直線擬合求出巷道兩幫數(shù)據(jù)[4]?;谒鶖M合出的巷道兩幫數(shù)據(jù),可計算定位出巷道斷面的中心線,在隨后的掘進機自動控制中,基于激光掃描儀采集的數(shù)據(jù)以及本設(shè)計數(shù)學(xué)模型算法,得到機身水平角、俯仰角、翻滾角,并獲得機身航向角偏移和巷道中心線偏移。在機身后方放置參考基準點,可求出機身與后方基準點的距離,從而計算截割頭斷面鉆進距離及累計總掘進距離,最終實時獲得掘進機水平角、俯仰角、翻滾角、水平距離和垂直距離5個掘進機位姿參數(shù)的自動測量,從而實現(xiàn)掘進機的自動巷道斷面截割,其控制界面如圖3所示。

為了保證自動截割控制的準確性,通過數(shù)學(xué)模型結(jié)合多種傳感器的使用,由計算機對掘進機截割臂的回轉(zhuǎn)與升降液壓缸進行控制,自動截割出規(guī)整斷面。對常見的矩形巷道斷面,可根據(jù)遠程遙控中心上位機輸入的斷面寬、高,計算機控制系統(tǒng)自動計算特征點,從而可以控制截割頭作業(yè)運動曲線;而對于梯形或者半圓拱形等不規(guī)則巷道斷面,可輸入斷面曲線模型[5],建立特征值點,確定截割頭作業(yè)軌跡。

掘進機可通過自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)擺速自適應(yīng)控制。通過分析截割頭的總阻力,依據(jù)截割頭力矩與功率的關(guān)系可得截割頭外部載荷所需的截割功率,從而可以獲得截割臂擺速、截割電動機電流與煤巖硬度之間的關(guān)系,保證自動截割作業(yè)的準確性,其調(diào)控精度可以達到30 mm以內(nèi)。

4 遠程集控方案

煤礦井下綜掘環(huán)境惡劣、空間狹小、電磁干擾嚴重,因此如何確保綜掘智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信安全,保證數(shù)據(jù)通信的快速性、準確性,實現(xiàn)對各設(shè)備運轉(zhuǎn)情況的遠程監(jiān)測和控制是該系統(tǒng)的核心[6]。該控制系統(tǒng)采用了遠程集控模式[7],其核心主要包括了多機協(xié)同控制、供配電及通信、設(shè)備狀態(tài)自動監(jiān)測及故障診斷以及主動安全防護4個部分。

4.1 多機協(xié)同控制

多機協(xié)同控制主要是對井下掘進面從掘進到物料運輸進行集中協(xié)調(diào),保證井下掘進的連續(xù)性。在對井下巷道掘進工藝流程進行全面梳理的基礎(chǔ)上,本項目在對井下巷道掘進工藝進行梳理和優(yōu)化的基礎(chǔ)上,提出了超限處理、區(qū)間報警等綜合控制技術(shù),在掘錨一體機上設(shè)置自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)和測距裝置,確保掘錨一體機在巷道內(nèi)作業(yè)的精度,對轉(zhuǎn)載機和掘進機進行掘進—轉(zhuǎn)載匹配,實現(xiàn)隨掘隨轉(zhuǎn),避免了因物料堆積而影響掘進效率。

4.2 供配電及通信系統(tǒng)

供配電及通信主要是采用了多回路組合開關(guān),實現(xiàn)對整個系統(tǒng)供電的集約化管控,避免單一供電模塊出現(xiàn)異常而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓,實現(xiàn)對設(shè)備運行情集中的控制管理。同時針對進行掘進過程中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)交互多的問題,采用了5G高速數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò),利用中繼器和信號增強裝置解決了信號傳遞衰減快、干擾大、傳遞效率低的不足。在整個系統(tǒng)構(gòu)建的過程中,需要充分考慮不同區(qū)域的實際情況,采用不同的數(shù)據(jù)通信方式,滿足數(shù)據(jù)通信安全、經(jīng)濟的需求。最終該系統(tǒng)采用了“現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)+綜掘面無線局域網(wǎng)絡(luò)+工業(yè)以太網(wǎng)”的遠程數(shù)據(jù)通信集控系統(tǒng),實現(xiàn)對綜掘智能控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)的一鍵調(diào)取和集中控制,具有擴展靈活性好、穩(wěn)定性高的優(yōu)點。

4.3 設(shè)備狀態(tài)自動監(jiān)測及故障診斷

設(shè)備狀態(tài)自動監(jiān)測及故障診斷的主要目的是對各掘進設(shè)備的運行情況進行集中監(jiān)控,提前感知設(shè)備的運行異常并快速進行故障定位和處理,避免因設(shè)備故障導(dǎo)致的停機事故。系統(tǒng)采用了分布式的數(shù)據(jù)處理模塊,對設(shè)備的核心運行參數(shù)進行實時監(jiān)測對比,及時對故障異常進行報警,同時自動生成設(shè)備的體檢報告,為設(shè)備的維護保養(yǎng)提供技術(shù)支持,解決了傳統(tǒng)保養(yǎng)無針對性,保養(yǎng)周期長、成本高的不足。

4.4 動安全防護

主動安全防護主要是將井下巷道掘進區(qū)域進行了安全等級劃分,采用了紅外熱成像和井下主動定位技術(shù),對區(qū)域內(nèi)活動人員的情況進行實時監(jiān)控,當人員出現(xiàn)在危險區(qū)域后系統(tǒng)自動進行聲光告警,提醒相關(guān)人員遠離危險區(qū)域,當人員違規(guī)進入到設(shè)備運行危險區(qū)后,系統(tǒng)將自動停止設(shè)備的運行,避免發(fā)生人員安全事故,實現(xiàn)對人員的主動安全防護,提高井下巷道掘進的安全性。

5 應(yīng)用情況分析

晉能控股集團寺河煤礦采用一次采全高采煤工藝,煤層平均厚度為6.4 m,煤層的平均傾斜角為4.2°,在改造之前主要采用了非連續(xù)式“孤島”型綜采作業(yè)模式,井下綜采人員數(shù)量多,綜采效率低下,巷道掘進效率僅為4.7 m/d,巷道綜采面同時作業(yè)人員數(shù)量達到了18人。在采用井下智能掘進控制系統(tǒng)后,通過綜合運用遠程集控技術(shù)、人—機—環(huán)協(xié)同控制技術(shù)等實現(xiàn)了綜掘面多機協(xié)同運行控制,優(yōu)化后的綜采作業(yè)效率提升到了5.9 m/d,井下綜掘面作業(yè)人員數(shù)量降低到了目前的12 人,作業(yè)人員數(shù)量降低33.3%,顯著提升了煤礦井下的綜掘效率和安全性,具有極大的應(yīng)用推廣價值。

6 結(jié) 論

(1)新的掘、運、支一體化控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對井下地質(zhì)狀態(tài)的智能感知、對掘運支設(shè)備的智能控制、對系統(tǒng)運行狀態(tài)的自動巡檢和故障報警。

(2)以掘進主機控制系統(tǒng)為核心,能夠?qū)⒅悄芙馗羁刂葡到y(tǒng)的調(diào)整精度控制在30 mm以內(nèi),滿足井下智能截割的控制需求。

(3)該控制系統(tǒng)能夠?qū)⒕孪锏谰C掘效率提升25.5%,將綜掘面作業(yè)人員數(shù)量降低33.3%,對提升煤礦井下巷道掘進效率、提升綜掘安全具有十分重要的意義。

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