張偉峰

（霍州煤電集團李雅莊煤礦，山西 霍州 031400）

0 引言

巷道掘進是煤炭開采主要工序，巷道掘進效率會直接影響煤炭生產[1-2]。從上世紀70年代開始，煤炭企業(yè)不斷引進先進的巷道掘進設備及掘進技術，巷道掘進方式也有由人工掘進、炮掘向機械化、自動化掘進方向發(fā)展[3-5]?，F階段礦井普遍采用綜掘方式，操作人員始終處在掘進迎頭，掘進過程中粉塵、噪音等會給影響作業(yè)人員身體健康；同時掘進期間伴隨有瓦斯異常涌出、頂板垮落、沖擊地壓、涌水等風險，給掘進人員生命安全帶來較大威脅。通過智能化建設可達到提高巷道掘進效率、減少現場作業(yè)人員數量并提升礦井安全管理水平目的，對實現礦井安全高效生產具有顯著促進意義[6-8]。若直接摒棄礦井已有掘進機并重新引進先進的、智能化掘進設備，雖然可直接實現巷道掘進智能化，但是也面臨投入過高、經濟性差、資源浪費等問題，依據現有的掘進設備通過添加智能化控制模塊、設備及控制軟件實現掘進機智能化改造，不僅可降低智能化改造成本而且可達到提升掘進效率及安全保障能力目的[9-10]。為此，以李雅莊礦使用的EBZ260綜掘機為例，提出增加掘進機遠程控制系統(tǒng)，實現掘進機遠程智能化控制，并對智能化改造過程及現場應用效果進行分析，以期為其他礦井類似掘進機智能化改造工作開展提供經驗借鑒。

1 綜掘機智能化控制分析

掘進機遠程操控系統(tǒng)由設備端系統(tǒng)、遠程端系統(tǒng)、通信小車系統(tǒng)三部分組成，具體網絡拓撲結構見圖1。可實現本地操作、視距遙控、遠程操作、地面操作4種操作模式。設備端系統(tǒng)包括掘進機電控系統(tǒng)、車載高清攝像儀、語音對講設備、安全防護傳感器、遙控收發(fā)裝置等；遠程端系統(tǒng)包括井下遠端操作室、隔爆兼本安型計算機、隔爆兼本安型計算機、礦用本質安全型顯示器等；通信小車包括無線收發(fā)基站、定向MIMO天線等組成。井下遠程操控室通過光纖端口接入井下環(huán)網傳輸至地面，通過地面也可實現遠程監(jiān)控。4種操作模式相互鎖定，模式切換具備不同等級優(yōu)先級，保證各種操作模式的施工安全性。

掘進機配備自動化控制系統(tǒng)，具有自動控制開機、停機和啟停自動割煤功能。根據授權，實現在井下就地操作、視距內遙控操作、集控中心遠程操作和地面集控中心遠程操作掘進設備作業(yè)。

圖1 智能遠程控制系統(tǒng)拓撲圖

掘進機遠程無線遙控能夠控制掘進機各種動作功能：如油泵電機啟停、截割電機啟停，液壓部分工作（截割升降、截割回轉、鏟板升降、行走、后支撐升降、機載支護工作等）一運啟停、二運轉載皮帶啟停、機載除塵設備啟停等，遙控器應包含掘進機所有操作功能，遙控器有手柄，遙控器操作按鈕布局必須方便司機操作，且具有斷電和通訊中斷保護功能。

控制模式應區(qū)分優(yōu)先權限，人工手動操作優(yōu)先于自動截割模式，即操作人員可在自動截割模式下進行人工干預。

2 綜掘機智能化控制系統(tǒng)

2.1 掘進自動控制

智能化掘進設備改造應增加智能掘進自動控制系統(tǒng)一套，實現自主導航、精準定位、坡度追蹤、自動截割和截割軌跡記憶功能等功能要求；具備齊全的配套裝置，包括傳感器、轉換器、控制器、執(zhí)行器、系統(tǒng)分析處理等。

遠程平臺具備三維地質模型構建畫面，能夠顯示地質信息，物探鉆探情況、地質揭露實際信息。此項功能要求預留網絡接口，可與智能化物探鉆探設備連接并接受數據顯示到三維畫面中，并且要求預留手動輸入功能，便于輸入物探鉆探成果、修改數據和輸入實際揭露地質情況。掘進機三維仿真系統(tǒng)，真實顯示和還原掘進機工作場景。采用三維動畫設計，遠程可視功能、數據上傳功能、地面集中控制及井下遠程操作站控制。具體智能化改造及新增設備見表1。

表1 智能化改造及新增設備

2.2 工況監(jiān)測及故障診斷預警

增加設備狀態(tài)遠程監(jiān)測及推送、超欠挖預警，實現多設備之間的信號交互和聯鎖控制。設備狀態(tài)遠程監(jiān)測及推送包括工況狀態(tài)下電壓、電流、流量、油壓、油溫、油位、粉塵、瓦斯、水等數據在線監(jiān)測故障診斷預警，在原有基礎上增加油溫傳感器、油位傳感器、粉塵傳感器、濕度傳感器等的檢測傳感器及相關配套零部件。

智能化掘進機具備粉塵、瓦斯、水等智監(jiān)測功能，所有數據結果要求在顯示畫面準確顯示，并且按照國家標準設定超限報警數值和警戒停機數值。根據瓦斯?jié)舛日{節(jié)截割牽引速度，根據粉塵濃度調節(jié)除塵裝置噴霧量。掘進設備具備工況在線監(jiān)測、故障診斷和報警功能，實現對工況狀態(tài)下電壓、電流、流量、油壓、油溫、油位等數據在線監(jiān)測。

設備狀態(tài)監(jiān)測：可實現對鏟板星輪、第一運輸機、第二運輸機、截割電機、油泵電機工作狀態(tài)的遠程監(jiān)控，以及掘進機電氣故障自診和定期維修保養(yǎng)提示及信息遠程推送功能。

工作面安全預警：包括超欠挖預警，預警值可設置，預警信息實時顯示。通過截割頭相對于機身和機身相對于巷道的位姿信息，在上位機上實時顯示超欠挖預警信息，懸臂與鏟板防碰撞以及掘進機機身與側幫接近預警。

2.3 遠程控制平臺智改造

增加地面遠程控制平臺、工作面遠程控制平臺及配套系統(tǒng)軟件，集控平臺包含掘、錨、支、運、探的監(jiān)控數據接入功能，具備一鍵啟停、智能操控、智能聯動、閉鎖控制等功能。具備高性能計算機、嵌入式操作面板、語音通話設備、交換機、高清顯示器等配套設施及安裝附件。

通過遠程集控平臺實現掘、錨、支、運、探的遠程可視化操作（系統(tǒng)預留錨、鉆探設備及滑移式液壓支架的監(jiān)控數據接入等功能，滿足智能化遠程可視化操作要求）。平臺具有運輸設備系統(tǒng)接入功能，能夠實現多部帶式輸送機集中控制。具備與掘進設備的雙向通信，與掘進設備智能聯動和閉鎖功能；具備煤流檢測功能，宜實現載荷聯動。帶式輸送機與采區(qū)皮帶搭接時，實現閉鎖功能。

遠程集控系統(tǒng)應配備可視化監(jiān)控主機，滿足視頻信號同時傳輸需要；選用具有高清透塵功能的攝像儀，實現對包括轉載點、井下遠程集控平臺等在內的工作面環(huán)境全方位實時視頻監(jiān)控。采集的視頻信息應滿足安全生產需要。同時應具有抓圖、錄像、回放、存儲和拷貝等功能。

建立設備運行數據庫，如建立故障類型數據庫、故障知識數據庫、故障規(guī)則數據庫、設備運行參數數據庫等,通過采集、分析、對比智能掘進裝備的運行數據，實現設備運行狀態(tài)的自評估。

掘進機操作臺和后方操作臺、地面操作中心具有語音通話功能。

2.4 設備通訊改造

增加通訊設備一套，包含機載無線收發(fā)器、無線基站、備用電源、礦用光纜、數據轉換器等，要求兼容5G和wifi6，遠控指令及數據傳輸時延不大于150ms。配光纖熔接機1臺。

掘進設備應采用有線傳輸和無線傳輸相結合的方式，實時上傳掘進設備運行數據。數據傳輸應采用“無線+有線”的組合方式實現數據的遠程傳輸。通訊速率應滿足地面遠程控制掘進工作面作業(yè)的帶寬要求,一般不低于150 Mbps/s；有線傳輸應采用千兆或萬兆光纖網絡。

通訊接口一般采用以太網、CAN、RS485等模式,智能掘進設備接入應支持Modbus、DL/667、DL/T860等通訊標準。遙控和井下遠控指令及數據傳輸時延不應大于150 ms。集控中心交換機應與礦上環(huán)網交換機的核心選型保持一致，實現監(jiān)控信號與視頻信號分別傳輸，滿足后期就近接入工業(yè)環(huán)網的不同環(huán)，不得共用同一芯光纖。

預留能將本系統(tǒng)接入到礦井自動化控制系統(tǒng)的接口和協(xié)議，開放數據字典，能夠通過井下數據傳輸系統(tǒng)上傳本系統(tǒng)采集的所有數據，便于礦井自動化集成。

2.5 人員定位區(qū)域報警

系統(tǒng)應具有危險區(qū)域防護、監(jiān)測功能，當危險區(qū)域有人接近時，設備發(fā)出報警信號；當有人進入時，設備自動停機閉鎖，并發(fā)出報警信號。掘進設備應具備危險區(qū)域人員接近識別功能，人員接近危險區(qū)域時，實時報警；人員進入到危險區(qū)域內時，實現掘進機保護停機。停機后，需人工復位方可再次啟動掘進設備。

2.6 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

通過安裝在掘進系統(tǒng)上的礦用本安型低照度攝像頭（掘進機機身前端左右兩側各1個，機身中部1個（360°云臺），機尾1個，二運、三運各1個，檢測機載臨時支護動作姿態(tài)1個高清透塵攝像頭，井下集控室內1個，能夠實現掘進系統(tǒng)工作區(qū)域、危險區(qū)域和掘進機機身的圖像視頻采集全覆蓋。視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠根據選擇需要顯示任意區(qū)間段的視頻畫面、視頻顯示器能夠以多畫面顯示工作面情況、云臺旋轉、紅外補光、彩色成像等功能。視頻圖像存儲不低于1個月,存儲系統(tǒng)自帶冗余功能，保障視頻數據的可靠保存。

3 自動姿態(tài)定位及截割

掘進機自動控制系統(tǒng)配置車輛精確定位導航和位姿監(jiān)測系統(tǒng)，可實時測量車身和工作裝置在巷道空間內的具體位置信息。車載攝像儀、狀態(tài)監(jiān)測傳感器配合遠程信號傳輸系統(tǒng)能實現遠程控制與監(jiān)控以及信號上傳地面監(jiān)控中心。掘進機自動控制系統(tǒng)具備自動截割功能，實現掘進機斷面定義及自動成型。成型過程中具備自主糾偏、負載自適應、防干涉及危險區(qū)域人員預警等功能。

3.1 定姿定位系統(tǒng)

掘進機自主導航定位系統(tǒng)是掘進機智能化的核心關鍵技術，由掘進機車身定位系統(tǒng)和截割頭定位技術組成。掘進機車身定位系統(tǒng)采用三維激光掃描儀與激光陀螺慣性導航融合技術，具體導航定位系統(tǒng)框圖見圖2所示。其中三維激光掃描儀通過內置的激光雷達掃描巷道兩側及掘進機后方放置的激光標靶（三維掃描儀檢測示意圖見圖3所示），將采集的點云數據發(fā)送至GPU圖像處理器進行模型構建及計算。CPU處理器通過高速運算將三維激光掃描儀計算數據與激光陀螺慣性導航儀的航姿信息（航向角、俯仰角、側傾角、加速度等）進行融合處理，得到掘進機車身的姿態(tài)及位置信息。

圖2 導航定位系統(tǒng)框圖

圖3 三維掃描儀檢測示意圖

車載控制器綜合分析車身位置信息結合截割臂升降、回轉、伸縮油缸位移傳感器參數，得到截割頭在巷道內的位置信息。油缸位移測量采用高精度（萬分之二）磁致伸縮傳感器，全封閉設計，堅固耐用。截割頭位置信息是斷面自動截割成型的重要數據信息。車身姿態(tài)和位置信息是進行車身自主糾偏和防碰撞的重要數據信息。數據通過PLC結合構建完畢的掘進機模型可以計算得出截割機構的俯仰角α和回轉角β。具體截割頭位置計算示意圖見圖4所示。

圖4 截割頭位置計算示意圖

由角α和角β結合導航定位系統(tǒng)測量的截割機構回轉中心坐標（x,y,z）和設備的航向角θ可以計算出截割頭在巷道中的絕對位置（x1,y1,z1）。

3.2 斷面成形路徑規(guī)劃

巷道頂板一般為弧頂、平頂、斜頂式3種，復雜程度高的僅在弧線段數、直線段數和直線斜率方面有區(qū)別?；谝陨咸匦?，利用直線按間距分段和弧線按角度分段相結合的方法對斷面的輪廓在PLC內進行模型搭建。斷面自動成形分為逐行掃描階段和邊界掃描階段。逐行掃描完成斷面的初成形，邊界掃描完成斷面的精細化邊界修幫，巷道掘進斷面形成路徑見圖5所示?？刂浦鹦袙呙栝g距可以對成形斷面的平整度進行調整。

圖5 斷面成形路徑

3.3 負載自適應控制技術

井下地質條件復雜多變，巖石硬度和節(jié)理發(fā)育狀況在不同區(qū)間和斷面的不同位置處皆不相同且無規(guī)律可循，截割速度必須根據地層的不同情況實時調整速度，否則速度不匹配會出現效率降低和機器振動過大的現象。截割升降油缸或截割回轉油缸壓力過大或過小、截割電機電流過大、機身航向角變動頻繁這些數據的變化均能體現出速度與工況不匹配，這些參數統(tǒng)一作為負載自適應控制技術的輸入，PLC通過計算比較這些參數之間的關系得到負載匹配率η，根據η合理調整目標方向的截割升降油缸電磁閥和截割回轉電磁閥的控制電流，使設備能夠平穩(wěn)運行，減少機器因超負荷運行帶來的強烈震動，提高截割效率。

圖6 負載自適應關系函數

負載自適應關系函數見圖6，其中P1為截割升降油缸壓力，P2為截割回轉油缸壓力，Power_M為截割電機功率，dθ為機身航向角和加速度的變化率。

3.4 姿態(tài)自調整及防撞技術

掘進機施工過程中，一方面受截割巖石的反作用力影響，機器位置會發(fā)生移動，當偏移量過大時將影響自動截割的作業(yè)范圍，無法完成預設斷面的成形，此情形稱為情形A。另一方面由于機器固定位置截割時成形形狀為球形，為提高整體成形的平整度，必須使機器進行前進和后退方向的調整來保證截割頭擺動過程中進尺深度的一致，此情形稱為情形B?？刂破鲗崟r計算車身4個角的坐標信息，判斷距離巷道側幫的距離信息，當距離低于閾值時觸發(fā)報警，此情形稱為情形C。

3種情形均觸發(fā)掘進機姿態(tài)自調整策略，機器行走方式為履帶式，經過分析履帶式行走的特性，決定在姿態(tài)自調整控制中采用雙側履帶行走速度的絕對值保持相等的方式以保證模型的準確性。

4 現場應用效果分析

李雅莊礦設定產能為240萬t/a，現生產主要集中在1、2號煤層，井下現有6個掘進工作面，均采用EBZ260綜掘機掘進，以往單個掘進工作面需要安排5～6人共同操作，存在工作人員作業(yè)效率低、地面無法及時掌握掘進迎頭情況等問題。因此，李雅莊礦首先對2306運輸巷內使用的EBZ260綜掘機進行智能化改造，綜掘機具備有自主導航、坡度追蹤、自動截割等智能控制功能，綜掘機通過單人操作即可同時地面監(jiān)控中心可遠程掌握掘進機運行參數、掘進迎頭現場情況。對綜掘機進行智能化改造后，具體現場應用情況見圖7所示。

圖7 現場應用情況

2306運輸巷掘進機通過智能化改造后，掘進迎頭30～50 m范圍內無需安排作業(yè)人員值守，操作人員均在相對安全的位置，從而有效降低迎頭粉塵、噪音、頂板冒落等給工作人員身體及健康等帶來威脅。巷道掘進進尺仍可保持每月300 m，可實現安全高效掘進。

5 結束語

智能化是實現礦井安全高效生產的主要途徑之一，實現綜掘機智能化控制，將作業(yè)人員由環(huán)境惡劣、安全風險較高的掘進迎頭解放出來，對提高巷道掘進安全保證能力以及作業(yè)人員身體監(jiān)控等均有顯著促進意義。為此，文中以李雅莊礦井下使用的EBZ260綜掘進為例，對掘進機智能化改造進行分析，并具體探討智能化過程及智能化控制系統(tǒng)功能。智能化改造完成后操作人員在遠離掘進迎頭位置即可實現遠程控制，同時地面監(jiān)控中心可掌握掘進迎頭現場情況，巷道掘進仍可保持每月300 m進尺，改造效果顯著。