快速掘进成套装备智能化控制系统研究

2018-05-11焦晓峰

采矿与岩层控制工程学报 2018年2期

焦晓峰

(中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西太原 030006)

随着煤矿井下综采工作面装备自动化、智能化以及无人化技术的快速发展，综采工作面的开采强度也随之增加，使煤矿井下巷道掘进的工作量也随之增加，从而使巷道掘进成为制约煤矿安全高效生产的主要问题。巷道掘进作为煤矿生产的重要环节，掘进工作面机械装备的技术水平直接关系到煤矿生产能力的提高，高效快速掘进工作面机械化、自动化以及智能化的成套装备是保证煤矿生产实现安全高效的必要条件，也是我国巷道掘进技术的发展方向[1]。因此，提高煤矿快速掘进成套装备的技术水平已成为煤矿实现可持续健康发展、安全高效集约化生产的重要保障。

由于目前煤矿井下巷道掘进工作面的环境比较恶劣，安全性能差，煤机装备的自动化程度低于综采工作面，而且掘进工作面煤机装备的系统比较复杂，需要控制的动作较多，并且对各部分动作的逻辑性、准确性、响应速度等要求比较高。目前煤矿井下掘进工作面装备多为单机人工操作，不能与工作面的其他装备实现协同控制，无法充分发挥采掘装备的性能和提高掘进工作面的掘进效率[2-3]。因此，需组建一套具有掘、支、运等功能的快速掘进成套装备智能化控制系统，所有装备协同控制，提高整个掘进工作面的掘进效率[4]。

针对以上情况，中国煤炭科工集团太原研究院有限公司与神东煤炭集团合作开发了高效快速掘进系统，该套装备主要由掘锚机组、破碎转载机、十臂锚杆钻机、可弯曲胶带转载机、迈步式自移机尾组成，包含了采掘、支护和运输以及通风供水等主要工序，实现了多台设备之间协同控制。该套系统于2014年7月在神东煤炭集团大柳塔煤矿进行工业性试验，日最高进尺158m，月最高进尺3088m[5]。第3套快速掘进系统于2017年3月开始在阳煤集团进行工业性试验。随着煤矿井下电气技术的快速发展和快速掘进系统的日渐成熟，智能控制技术的成功应用也将大幅度地降低井下工作人员的劳动强度，为掘进工作面无人化奠定了基础[6-7]。针对目前的快速掘进成套装备的使用情况，研究其单机智能控制技术、多机协同控制技术、智能截割技术、无线数据网络通信系统、集中控制技术等一系列关键技术，使快速掘进工作面逐步实现自动化、少人化、无人化的智能化掘进技术。

1 快速掘进成套装备组成

中国煤炭科工集团太原研究院有限公司与神华集团神东公司合作开发的煤巷快速掘进系统主要由掘锚机、破碎机、十臂锚杆机、迈步式自移机尾、可弯曲带式输送机组成，如图1所示。通过设备间的相互协同控制实现采掘、破碎、支护、运输等工序和通风、除尘、供水和供电等辅助工序，涵盖了掘进系统工艺需求的全部环节，实现了掘、支、运生产工艺的平行作业，截割断面一次成巷，实现了快速掘进的目的[8]。中国煤炭科工集团太原研究院有限公司与阳煤集团合作开发的快速掘进成套装备，主要由掘锚机组、五臂运锚机、可弯曲带式转载机、迈步式自移机尾组成，该套装备根据现场实际工况在以往的设计经验上进行了很大的改进，功能更加完善，自动化、信息化程度进一步提高，目前已在阳煤集团进行工业性试验，并且该套系统根据巷道掘进工作面实际情况发展了几种不同的系列，快速掘进成套装备系统已逐渐成熟，相信在不久的将来会得到大规模的应用。

图1 系统总体结构

2 成套装备智能化控制系统

快速掘进成套装备智能化控制系统应具有适应不断变化的巷道环境，能有效地预测和处理随机出现的各种工况，并实时地将整个系统的运行状况传送至工作面集控中心和地面监控中心，能以安全可靠的方式按照生产计划执行相应的生产工序，从而达到预定的生产目标。将快速掘进工作面的设备作为整体进行设计，可以从快速掘进工作面的地质条件、整个系统的工作性能、生产能力等方面综合考虑，主要包括单机智能控制技术、多机协同控制技术、智能截割技术、无线数据网络通信系统、集中控制技术等一系列技术[9-10]，如图2所示。

图2 快速掘进成套装备智能化控制系统

在整个快速掘进工作面的单机设备之间建立一个无线局域网络，将各单机系统的数据接入无线局域网，利用无线网络通信技术将工作面上的多台设备联系起来，实现设备之间的信息互通，从而达到快速掘进成套装备间的协同控制，并且在系统中建立快速掘进工作面监控中心，实现对工作面设备的实时监控和统一协调控制工作。

2.1 单机智能控制技术

单机智能控制系统是由掘锚机组智能控制系统、多臂锚杆机智能控制系统、可弯曲带式转载机智能控制系统和迈步式自移机尾智能控制系统组成。各设备的电控系统主要由电气控制箱、数据采集系统、无线通信系统、人机交互系统、无线遥控系统、电液比例控制系统、交流变频调速系统等组成[11-13]，如图3所示。各快速掘进设备的电控系统实现对设备上电机的复合逻辑控制和保护、电磁阀控制和比例调节、传感器数据采集、远程遥控控制、无线数据通信等功能。各设备电控系统通过无线通信装置进行数据通信，实现高效快速掘进系统的协同控制。

图3 单机智能控制系统组成

所有设备的智能控制系统的核心是机载控制计算机，其需要长期工作在振动、粉尘、潮湿的环境下，并且要与大量的传感器、执行器等器件连接，具有向操作人员提供丰富的图形化人机交互界面的能力，而且具有扩展能力强、可靠性高、模块化、通讯接口丰富、易维护等特点。

数据采集系统用来感知煤机设备自身与周围的环境数据，它通过采集摄像头、智能终端、传感器(瓦斯、液位、压力、温度、倾角等)等机身设备的数据来实现对人员、设备、环境的监测。电气控制箱中的控制器将采集到的数据经过相应的控制算法使设备做出最佳的运行状态，维持设备正常持续的运行。

人机交互系统使操作人员可以方便地查询系统感知到的实时数据、整机的运行状态参数以及实时故障和历史故障查询功能，使操作人员安全有效地进行井下作业。

无线通信系统作为单机设备与工作面无线局域网的接口，其负责将单机系统的数据传输到无线局域网中，并且能够接收其他单机设备系统数据的功能，用来实现工作面成套设备的协同控制。

掘锚机组的作业方式是截割煤壁和锚护同步进行，待锚护作业完成后才能将整机通过行走机构向前移动。随着掘锚机组掘进功率的不断增加，巷道支护成为制约掘进效率的主要因素，甚至巷道支护的速度决定着整个快速掘进工作面的掘进速度。第3套快速掘进系统中掘锚机组上含有6部机载锚杆机，五臂运锚机含有5部机载锚杆机，其中3部为全自动锚索钻机。全自动锚索钻机通过钻架上多个传感器可以感知整个自动化过程的实时工作数据，维持自动锚索钻架的顺利工作。全自动锚索钻机可以实现锚索的自动打孔，减少锚护工作操作人员的工作强度，提高巷道锚索支护的效率，从而提高整个系统的掘进效率。

2.2 多机协同控制技术

快速掘进成套装备智能化控制系统的多机协同控制技术主要分为运输系统协同控制、可弯曲带式输送机和迈步自移机尾协同控制。掘锚机与五臂运锚机协同控制、五臂运锚机与可弯曲带式输送机协同控制等，通过设备间的协同控制技术实现成套智能装备的连续掘进和协调控制[14]。

运输系统协同控制系统由掘锚机运输系统、五臂运锚机运输系统、可弯曲带式输送机和迈步自移机尾组成。通过该系统可以实现逆煤流启动、顺煤流停车和设备间的联动闭锁等功能。

可弯曲带式输送机和迈步自移机尾协同控制是指当迈步自移机尾接收到前进信号时，可弯曲带式输送机则会向后行走，其向后行走的牵引力将会减少迈步自移机尾的前进阻力，促进迈步自移机尾的移动。

掘锚机与五臂运锚机协同控制功能。通过测距传感器可以精确地感知两设备间的距离，使掘锚机上运输的煤块可以落到五臂锚杆机的运输槽中，并且使两设备保持同步移动，增加成套设备前进的速度。

五臂运锚机与可弯曲带式输送机协同控制建立在两设备之间的无线通信网络基础之上，通过相互之间的信息传输，可以得知对方的移动方向，当其中的任一设备向前或者向后移动时，另外一台设备也将随着一起向前或者向后移动，从而增加设备移动的牵引力，实现整套设备的快速移动，提高巷道的掘进速度。

2.3 智能截割技术

掘锚机组的智能截割技术主要由自动定位技术、智能截割技术和自动截割技术组成。通过装在机身上的惯性导航系统可以实时监控设备的机身姿态和掘进方位，从而提高掘进速度并且保证定位的准确性。

智能截割技术，主要表现在通过采集截割回路的电流值，可以间接得到截割头负载情况，根据设备的实际工作情况自动调节截割臂油缸和掏槽油缸的运行速度，从而达到截割参数的最优匹配，实现低速大扭矩、快速高效截割的目的，同时能够延长电机的使用寿命，保证巷道掘进的连续性。

自动截割技术，通过截割高度传感器和掏槽行程传感器可以精确地感知掘锚机截割滚筒的位置，通过设置掘锚机截割滚筒的最大截割高度、最低截割高度、滚筒起始位置、滚筒终止位置以及掏槽前进距离等参数可以让掘锚机自动完成一个截割循环，同时具有记忆截割功能，减少工作人员的工作强度，提高掘进效率。

2.4 无线数据网络通信技术

随着无线网络技术的飞速发展，煤矿井下的网络监控和调度系统也越来越成熟，但是对掘进工作面的多台设备间的无线数据网络通信技术还不成熟。随着工作面设备智能化程度的提高，设备间的网络通信显得越来越重要，通过工作面的无线通信网络可以实现对网络中设备的智能化管理，从而建立一套技术先进、经济合理、运行可靠和工作效率高的成套控制系统。

工作面无线数据网络通信技术作为快速掘进成套装备智能化控制系统的重要组成部分，如图4所示，可以使系统中的各台设备间可实现相互通信，使多台设备能够协同控制，相互配合，提高掘进效率。工作面的每一台设备除了具有单机智能化工作的同时还要具有丰富的网络接口，各单机设备通过无线节点接入无线局域网，这样工作面的所有设备的运行状态信息就可以通过无线通信网络实现了信息互通，为快速掘进工作面多设备的协同控制搭建了信息通道，从而实现多设备的协同控制，由智能化网络管理系统进行集中控制，为实现系统的本地和远程信息、视频监测等建立条件[15]。

图4 快速掘进工作面自动化系统

工作面无线数据网络将整个掘进工作面的设备作为一个掘进系统，系统内部设备相互配合共同实现掘进工作面的掘进、锚护、运输、破碎等生产过程，实现掘进设备整机在时间、空间、工艺、参数等多技术融合，提高整套设备对生产环境的适应能力。

2.5 集中监控技术

掘进工作面的设备每天都会随着巷道的向前推移而移动，设备的系统比较庞大，控制的动作较多，设备间的协同控制功能较多，因此需要在快速掘进工作面中设计一套集中控制中心，一方面通过控制中心可以监控整个快速掘进工作面设备的工作状态和动作参数，另一方面可以为工作面的所有设备提供配电功能，可以实时监控每台设备的用电情况，它是一个集供配电、设备状态监控、视频监测、无线数据网络管理和数据上传功能于一体的集中控制中心[16-18]。

在快速掘进工作面运输巷道中建立集中控制中心,该中心通过工作面局域网与工作面上的各子系统进行数字化通讯,接入掘锚机组控制系统、五臂运锚机控制系统、迈步式自移机尾控制系统及可弯曲带式输送机控制系统,实时监测设备供电、工作面视频、工作面设备运行状态等信息。由掘进队操作人员就地控制工作面设备的生产过程,也能由监控中心操作人员远程监控、移机和控制相关设备起停等工作。通过集控中心管理平台接入千兆工业以太环网,地面调度指挥中心可以实时监控掘进工作面的工作状态，实现在地面对工作面设备的远程监控，逐渐形成快速掘进工作面控制系统，实现了“以工作面自动控制为主,监控中心远程干预控制为辅”的工作面自动化生产模式[20]。

3 结束语

(1)目前的快速掘进成套装备主要由掘锚机、运锚机、可弯曲带式转载机、迈步式自移机尾等组成。通过设备间的相互协同控制实现采掘、破碎、支护、运输等生产工序，涵盖了掘进系统工艺需求的全部环节，实现了掘进工作面掘、支、运生产工艺的平行作业，截割断面一次成巷，实现了快速掘进的目的。

(2)快速掘进成套装备智能化控制系统的组成。主要包括：单机智能控制技术、多机协同控制技术、智能截割技术、无线数据网络通信系统、集中控制技术等。

(3)煤巷高效快速掘进系统在神东煤炭集团和阳煤集团的掘进工作面得到了应用，并取得了良好的使用效果，但是对成套装备智能化控制系统的研究还不成熟，很多具体问题的实施在实际工矿中还有困难。快速掘进成套装备系统的可靠性和稳定性还需要提升，智能感知系统采集设备的可靠性和准确度还有待提升，设备与设备之间和设备与环境之间的兼容性能还需要优化改进。

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