井下无人采矿技术装备导航与控制关键技术的分析

2018-03-02潘承武

中国设备工程 2018年4期

潘承武

（中信大锰矿业有限责任公司大新锰矿分公司，广西大新 532300）

开采井下深部矿藏资源，可使矿产资源生产与发展需求得到满足，有利于缓解资源紧张形势，但需要注意，深部矿藏资源开采过程中，应合理的采用相应的技术手段，促进采矿量及采矿效率的提升，并保证生产的安全性，而科技人员与矿山企业的发展方向为无人矿山，使人们越来越重视无人采矿技术。无人采矿技术的诞生颠覆了传统采矿工艺，可促进采矿流程自动化，使采矿效率得到提升，解决深部采矿的安全性问题。深部开采中应用无人采矿技术后，其关键在于装备导航及控制，因而要科学的选择装备导航及控制技术，以有效的实现无人采矿。

1 深井下采矿应用无人采矿技术的必要性

矿山开采为解决资源供需矛盾的有效手段之一，但在井下采矿环节中，由于作业环境十分恶劣，再加上空气稀疏、通透性差，易发生安全事故，尤其是未能良好防范安全问题情况下，使安全气事故发生率进一步提高，如坍塌、瓦斯爆炸等，严重影响井下采矿工作及工作人员安全。为使安全事故发生率降低，除将安全意识提升外，还应积极应用无人采矿技术，既避免人为因素引起安全事故，也可保证工作人员安全，促进井下采矿特别是深井下采矿的发展。

2 井下无人采矿技术装备导航与控制的关键技术

2.1 采掘规划技术

采掘规划主要是指规划资源配置方式，通过资源的最优化配置，促进采掘效率的提升。传统情况下，该项技术转化工作空间的初始状态时，采用的为可行办法及简单动作，使其变为目标状态，但此种传统方法缺乏充足的智能程度及自动化程度，导致无人采矿技术的要求无法有效满足。因此，还需要将采掘规划技术的智能程度及自动化程度积极提升，实现全自动化微机控制挖掘机路径及轨迹规划，使无人采矿的采掘规划要求被充分满足。

2.2 装备定位与导航控制技术

井下无人采矿中，基础性的设备为自动化设备，只有这些装备具备定位及导航功能时，作业过程中装备才能实现自动导航控制，达到无人采矿的目的。近年来，移动机器人领域中越来越广泛的应用激光雷达，并以此为基础，将位置信息集成在其他算法中，标定过程不存在情况下，依然可以有效的检测、跟踪井下障碍物，促进井下采矿装备系统提高精度及可靠性。井下采矿具有复杂的作业环境（见图1），环境中存在较多的矿质粉尘，空气稀少，可见度及通透性均比较差，使得井下采矿装备不适合利用GPS系统、视觉系统定位及导航控制。自研制出电磁引导控制方式后，该问题得到有效解决，低频引导下，电磁场由电缆形成，借助电磁传感器装置，实现移动井下采矿设备，再与视觉信标导航系统相结合，达到自动定位及导航控制井下装备的目的。另外，井下装备的定位及导航控制还可以采用超声波传感器，超声波传感器能够测定井下移动装备距离巷道的信息，再经分析获取的信息，对移动装备的位置做出良好的控制，促进定位及导航控制的精确度提高。

2.3 井下技术设备自动控制技术

图1 井下采矿环境

井下采矿发展过程中，作业环境的恶劣及复杂程度不断提升，要想使无人采矿有效的实现，先要将井下技术设备的自动化控制实现。20世纪70年代时，我国开始研究铲运机视距遥控技术，通过该项技术，操作人员控制铲运机过程中，可在作业危险区域范围外以遥控方式实现，不仅能够获得良好控制效果，且井下采矿作业安全性得到保证。出现自动控制技术及智能化技术后，研究人员越来越关注技术设备的自动化控制。目前，井下无人采矿技术主要向着技术设备自动控制水平提升的方向发展。井下无人采矿卡车由日本小松公司研发，该技术设备有机的结合了全球卫星定位系统、耦合脉冲激光校准制导系统，井下采矿作业时，卡车行驶路线若偏离标准行驶路线，告警信息会自动发送到控制终端，将相应的控制指令发出，保证卡车行驶路线回归正常，促进井下采矿的自动化水平有效提升。另外，井下技术设备自动控制技术研究中也比较关注通讯技术的应用，融入通讯技术后，可向地表控制工作室传输设备控制及操作数据，实现自动化控制井下铲运机的运行与装卸，而且可对铲运机运行情况做出远程监测及诊断，提升无人采矿的安全性及稳定性。

2.4 目标跟踪技术

井下移动装备为能移动到指定工作地点，必须要跟踪导航系统规划的路线，而应用目标跟踪技术后，可以有效地转化规划的路径目标点，变为移动设备要制定的动作，再由运动控制系统转化这些动作，变为执行器控制信号，达到跟踪移动设备参考轨迹的目的。假设存在参考路径情况下，研究采矿设备的运动学及位姿控制问题之后，将误差方程建立起来，该方程中，相对参考路径的角度误差、位置误差位姿控制器均包含。无线射频跟踪技术通过射频方式，实现非接触双向通信，从而识别、数据交换及跟踪不同状态下的各类设备。该项技术优点众多，包含操作方便、具有较强的信号穿透力、工作距离长等。芬兰Sandvik公司研制出的地下铲运机应用了TORO 0010C技术，该铲运机能够自主操作运输、卸料，并可以半自动控制铲装过程；日本三菱公司将矿石采掘轨迹自动控制系统研制出来后，铲斗大角度路径的自由挖掘作业能够实现。

2.5 地形感知技术

井下采矿作业中，采掘对象复杂多样，既包含无规则性的岩石碎块，还包含细砂粒、大颗粒砂，土层也千变万化，即使采掘地点相同，铲斗也可能会碰倒多种土壤性质类型。为能全自动化的采掘，地形成像能力是采掘机必须要具备的。现阶段，超声波技术、激光测距仪等均为可采用的地形感知技术。

2.6 运动控制技术

路径规划好之后，工作装置需据此自动执行动作，而实现这一目的的技术手段为运动控制技术。实际上，可将采矿设备看成执行器，其中包含的移动部件有数个，通过力的方式相互作用于周围环境，完成相应的动作。利用该项技术，美国卡耐基梅隆大学研制出一种挖掘机，此挖掘机可将装车任务自动完成，同时，两个激光扫描测距仪安装在挖掘机上，对卡车位置做出有效的识别与确定，并能进行土壤面形状的测量、障碍物的探测。通过挖掘机运动控制系统，可对挖掘土壤位置做出确定，并明确卡车卸载的位置，而且在挖掘点与卸载点之间，挖掘机还能自动选择最快速的运动方式，提升作业效率。

2.7 远程通讯技术

操作者操作井下装备时，利用通讯系统，可获得传感器信息及现场环境信息，之后操作者向机器执行器传递相应的指令，实现远程操控的目的。另外，通信技术作用下，操作者可实时监测井下装备状态，必要时，经人机接口操作井下设备。在无线传感器网络基础上，中国科学院计算技术研究所研制出井下定位系统，并进行了实验装置的设计及相关技术方法的提出，矿井安全监测技术问题为井下定位系统主要研究，具体包含移动节点结合网关的精确定位方法、射频信号强度基础上移动节点相对位置定位方法等，利用井下定位系统，可精确定位井下移动设备，便于日常调度、灾害救援等工作的良好开展。