智能化矿山巷道掘进设备导向系统的研究

李砚耕

（中国地质大学，湖北 武汉 430074）

1 智能化矿山巷道掘进导向系统简介

传统采矿法存在资源消耗多、生产效率低、安全保障性差、污染严重等问题，与采矿行业发展速度不匹配，成为限制行业发展的瓶颈。进入21世纪，现代高新技术和信息科技为世界矿业带来了前所未有的发展机遇，传统矿业正迈入一个信息化、自动化、智能化的崭新而充满活力的科技发展领域。在此情况下，智能掘进设备成为世界采矿业的未来发展方向和追求目标之一。

矿山巷道掘进导向系统智能化是采用通信、传感器、人工智能、虚拟现实等信息技术、计算机技术及矿山自动化设备，整个巷道开采过程中，操作人员只需要在巷道外操作计算机，通过计算机发出的无线电信号来控制钻车在井下工作 （见图1）。其工作过程主要分为以下几个阶段。

1.1 准备工作

通过专门为巷道掘进系统开发的软件，在三向坐标上建立巷道轴线与激光束之间的关系，然后把爆破孔精确地布置在巷道断面图上，并标出每个钻孔相对于巷道轴线的角度和孔深 （见图2和图3）。

1.2 钻孔作业

图1 智能化矿山巷道掘进导向系统构成图

图2 巷道轴线与激光束之间的关系图

图3 在软件中把爆破孔精确地布置在巷道断面图上

做完准备工作，操作人员只需要按下确认按钮，钻车就会在巷道内开始钻孔作业。钻车通过安装在钻车上的校准激光定位孔的位置，通过计算机控制钻车各个关节位置的传感器，在爆破面上钻凿出预先在计算机里面设定的爆破孔（见图4）。

2 智能化矿山巷道掘进导向系统的详细方向控制过程

图4 计算机控制钻车实现爆破面岩孔的智能化钻凿

导向系统对钻车的方向控制包括角度控制和孔深控制。是通过对钻车钻臂、推进器的角度和推进长度进行控制而实现的。这就要求对钻臂、推进器的角度，以及钻孔的深度进行实时测量，并在软件中通过显示屏显示出来。操作人员通过指令完成对钻车的智能化控制，使钻车达到最终的作业要求。

智能导向系统的角度指示包括测量和显示推进器的方向。系统会测算出与参数方向的偏差，偏差会显示在控制屏上。为了使系统显示正确的值，操作人员需规定一个参考方向。

智能导向系统的孔深控制过程是：钻车配备了测孔深的设备，系统会在钻孔时显示即时深度。为了使系统能控制钻车的钻孔深度达到工程要求，操作人员需给出一个全长度的孔。

2.1 显示界面

系统的显示屏界面如图5所示。

图5 智能导向系统的显示屏界面

F1,F2,F3,F4——直接选择按钮。这些按钮只在特定的菜单中起作用，并与菜单中的符号相对应。ESC退出键。后退一步，取消一个输入的数值。

←左移键。向左移动光标。

↑上移键。向上移动光标，增大一个数值。

↓下移键。向下移动光标，减小一个数值。→右移健。向右移动光标。

回车键为输入键。确认选项或有变动的数值，激活数值变动的字段。

2.2 菜单功能简述

在钻孔作业中，这些光标也可以用来小范围移动推进器（见图6）。

图6 钻孔作业操作菜单

系统启动后即显示图6所示的主菜单 （树形分支）。从这里可以直接进入钻孔菜单。

菜单分支1：

包括钻孔工作菜单。工作菜单显示推进的方向和规定的全孔深度 （也可以在这里定义一个新的参考方向）。如果配有孔深度测量仪，则可以显示当前的孔深，而且可以在钻完孔后重新定义孔深。

菜单分支2：

包含了与钻臂传感器相关的菜单。选项（2）进入菜单（2.1）可看到角度传感器。进入菜单（2.2）可对角度传感器进行校准。

菜单2.1角度传感器：显示钻臂的摆动角度，推进器的摆动角度和推进器的俯仰角度。

菜单2.2传感器校准：这个信息可用来检查这个传感器是否按照设定程序工作。用于在更换了传感器或处理模块之后，对传感器的校准。该菜单有密码保护。

菜单分支3：设定菜单。

进入3.1菜单设定孔深；

进入3.2校准深度传感器 （只适用于配备了孔深测量仪的设备）。

菜单分支4：屏幕亮度设置菜单：

该菜单调整屏幕的亮度，设定值为1-9。

菜单分支5：发现和故障诊断菜单。

进入菜单，可查看传感器和处理模块的状态。菜单分支6：设置密码的菜单。

该菜单可以设置特定菜单的保护密码。其目的是操作者想要进入受保护的菜单时，需要输入密码解锁菜单才能进入。这个菜单就是输入密码的。

2.3 工作菜单

进入工作菜单后，屏幕出现图7所示的界面。

图7 工作菜单界面

（1）将孔深测量仪的数据清零。

（2）查看操作者定义的参考方向。

（3）参考方向的模式选择。

（4）设定的孔深。

（5）推进器俯仰角。

（6）推进方向。

（7）当前孔深。

推进方向用箭靶表示，靶心表示参考方向。当推进方向与参考方向有偏差时，则以一条黑线来表示实际孔底与参考方向所钻的孔底的距离。如6，如果完全按照参考方向推进，则黑线缩短为一个点并与靶心重合。

例如显示上面的图像，则表示孔所钻的底孔与按参考方向的底孔有7cm的偏差。

角度的显示也与孔的最大深度有关，角度偏差也会显示在控制屏上。

参考方向的模式也必须选择，选项（3），如果选择了‘台车'符号，系统就会使用预设的参考方向，也就是以台车的纵轴为参考方向。如果选择了‘巷道'符号。可自由定义一个新的参考方向。

如果台车配有孔深测量设备，则（7）会显示实时的孔深，（1）也可以清零。

2.4 计算机文档

隧道掘进导向系统由大量的硬件和软件构成。这些硬件、软件都是专门为了钻孔作业台车及其系统所设计的。硬件主要由安装在各钻臂关节点上的角度传感器外伸和推进器回缩的线性传感器以及测量凿孔速度的传感器组成。还包括测量钻车切斜度的倾斜仪。各传感器的信号被传输至计算机，通过计算机，这些数据被转换为可读数据，并在显示屏上显示，同时以电子文档的形式保存在计算机内。

2.5 单臂钻车配置的系统配置

以下是重庆格德瑞重工有限公司部分单臂钻车，巷道掘进导向系统的配置情况、能实现的功能，以及能达到的效果。图8为重庆格德瑞重工有限公司生产的CTJY12.1型轮胎式全液压凿岩钻车。该钻车的技术参数见表1。

图8 格德瑞公司CTJY12.1型轮胎式全液压凿岩钻车

表1 CTJY12.1型钻车技术参数

系统关于单臂凿岩钻车的硬件配置、系统功能，介绍如下：

配套设备：

（1）三个传感器：一个用于水平角度，两个用于垂直角度。

（2）一台显示器。

系统功能：

（1）在显示器上实时显示推进梁相对于洞轴线的方向。

（2）通过显示器的界面操作，操作人员可以把推进器调整到准确的方向上。

达到的效果：

（1）保证周边孔钻孔的准确性。

（2）使孔与孔之间的平行度更加精准。

2.6 三臂钻车配置的系统配置

以下是重庆格德瑞重工有限公司部分三臂钻车，巷道掘进导向系统的配置情况、能实现的功能，以及能达到的效果。图9为重庆格德瑞重工有限公司生产的CTJY12.3型轮胎式全液压凿岩钻车。该钻车的技术参数见表2。

图9 格德瑞公司CTJY12.3型三臂轮胎式全液压凿岩钻车

三臂凿岩钻车的硬件配置、系统功能、效果如下：

配套设备：

（1）九个传感器：三个用于水平角度，六个用于垂直角度。

（2）一台显示器。

系统功能：

（1）在显示器上实时显示推进梁相对于洞轴线的方向。

表2 CTJY12.3型钻车技术参数

（2）通过显示器的界面操作，操作人员可以把推进器调整到准确的方向上。

达到的效果：

（1）保证周边孔钻孔的准确性。

（2）使孔与孔之间的平行度更加精准。

2.7 智能化控制的煤矿用切顶切缝钻机

20世纪60年代，矿业科学技术得到快速发展。其中，以钱鸣高院士的“砌体梁”理论和宋振骐院士的“传递岩梁”理论为代表，引领了长壁开采的两次技术变革。但随着煤矿开采深度的增加，深部巷道围岩大变形问题引起的灾害事故愈加严重，尤其是顺槽巷道事故频发。而解决上述问题必须从根本上改变传统采煤方法，早在2008年何满潮院士便率先提出了“切顶短壁梁理论”，标志着煤炭开采科学技术进入新纪元[1]。以李砚耕院士为代表的凿岩设备科研团队，顺应煤矿开采技术的进步，对煤矿用切顶切缝钻机进行智能化控制研究，进一步实现了操作人员可以远离现场遥控钻机作业施工，从而降低了对操作人员的专业技术及施工经验要求，提高了作业质量。智能化控制的切顶切缝钻机已在重庆格德瑞重工有限公司实现量产，其外形如图10所示。对切顶切缝钻机的智能化控制跟上面所述掘进钻车的掘进智能化控制方式类似，此处不再详述。

重庆格德瑞重装院主要研发了以下专用设备。

图10 智能化控制的切顶切缝钻机

（1）煤层切顶卸压沿空自动成巷无煤柱开采的专用切缝钻机，见图11。

（2）中厚煤层切顶切缝的专用钻机，见图12。

（3）可360°旋转的挂网与锚固同步钻机，见图13。

（4）厚煤层挂网与锚固同步钻机，如图14。

（5）回风洞掘进钻机，见图15。

煤矿用切顶切缝钻机用在煤层切顶卸压沿空成巷法开采中，为了定向形成顶板的断裂而不破坏顶板，采用导向钻头实现顶板按预定的方向断裂的切缝工艺。切缝工艺示意图如图16所示，切缝专用钻头外形如图17所示。

图11 薄煤层切顶卸压沿空成巷开采的专用切缝钻机

图12 中厚煤层切顶切缝钻机

图13 可360°旋转的挂网与锚固同步钻机

图14 厚煤层挂网与锚固同步钻机

图15 回风洞掘进钻机

图16 切顶卸压沿空成巷开采技术中的切缝工艺示意图

图17 切顶专用钻头

3 结语

（1）智能化矿山巷道掘进设备导向系统的研究与应用，是落实国家通过高新技术提升传统产业政策的具体体现。智能化是以自动化、信息化以及人工智能等众多高新技术为基础，通过多学科、多技术的交叉融合及综合应用而形成的高端技术，将促进我国采矿业这一传统产业与诸多高新技术的结合，从而大幅度提高我国矿山采矿技术的水平，促使矿山生产维持在最佳状态和最优水平，从而大幅度提高矿山的采矿效率、降低采矿成本、改善经济效益，有效提高矿山企业的竞争能力。

（2）以李砚耕院士为首的重庆格德瑞重工智能装备研究院科研团队，成功地开发了智能化矿山巷道掘进导向系统，并应用到各类矿山巷道掘进和采煤顶板切割设备中，可实现巷道的无人安全操作，减少对操作人员的身体伤害。并可获得较准确的巷道开挖断面，取得良好的经济效益和社会效益。

（3）从我国整个凿岩设备的生产情况来看，智能化的比例比起其他行业还远远算不上先进。希望通过这次将重庆格德瑞重工智能装备研究院研发的智能装备情况向各位同仁做简略的介绍，能为全行业向智能化先进水平迈进起到抛砖引玉的作用，为行业迈向国际产业链的高端尽自己的绵薄之力。