浅谈智能化技术在掘进机中的应用及发展趋势

汤现宝

（江苏省矿业工程集团公司，江苏 徐州 221002）

我国煤炭开采工作大多在井下进行，露天开采相对较少。通过提高井下作业效率，能够增加煤炭开采总体产量，这不仅是煤炭企业提高自身核心竞争力的有效措施，也是煤炭市场未来发展的必然需求。然而，由于我国煤炭资源所处条件复杂多样，导致井下作业在质量和效率方面均受到一定影响。在这一现实情况下，想要提高煤炭开采效率，就要充分利用现代化技术优化和改进掘进设备[1]。尤其近年来，科学技术更新换代速度越来越快，已经有大量技术应用到煤矿开采设备中，促进掘进设备向智能化、无人化趋势发展，这些设备不仅减轻了劳动强度，还有效提高了煤矿开采效率和产量。然而，煤矿企业不能只满足于现状，还要进一步提高掘进设备研发积极性和热情。以下本文将对智能化技术在掘进机中的应用进行分析，并对其未来发展做出初步展望，旨在为提高煤矿企业工作效率和经济效益提供保障。

1 智能化掘进机技术构架

掘进机是煤矿开采作业中必不可缺的设备之一，在作业过程中涉及到前行、纠偏、扫底、定位、收煤等多个环节。将智能化技术应用到掘进机中，主要目的在于提高掘进机运行过程中的感知能力和适应能力，使其在作业过程中能够保持精准度[2]。其技术构架包括三个方面，分别为掘进机位姿检测和纠偏技术、断面自动成形与自适应截割技术、安全运行保障技术。智能感知和自适应作业是智能化掘进机的两大优势，其中智能感知又可以分为位置姿势感知、状态感知以及成形感知。自适应分为自适应截割、自适应诊断以及自适应纠偏。

位姿感知作为智能化掘进机中的关键内容，不仅能够感知机体位姿全参数，还能够在机体运动过程中结合位姿规律进行纠偏。具体来说，在掘进机位姿全参数感知过程中，主要是利用组合定位计算方式，算出机体位姿误差和测量误差，并结合标准值进行调整和补偿，从而准确感知掘进机位姿参数。在掘进机运行过程感知方面，则是通过建立模型，对掘进机摆臂、荷载以及巷道实际情况进行分析，从而对掘进机位姿进行纠偏和控制。

成形感知是智能化掘进机中的核心部分，能够分析和修正巷道截面成形存在的误差，跟踪控制截割头轨迹以及自适应截割。具体来说，在分析和修正巷道截面成形误差方面，主要利用智能化测距技术和侧角技术，对巷道截面特征点位置进行定位，构建巷道截面真实模型和标准模型，从而对巷道截面进行科学检测。从自适应截割方面进行分析，主要是通过构建模型，结合实际情况制定相应的控制策略，并调整截割运动数据[3]。从跟踪控制截割头轨迹方面进行分析，主要是通过识别煤岩，确定软煤岩和硬煤岩，并确定煤岩切割路径，调整掘进机运行轨迹和控制策略，保证巷道截面自动成形。

状态感知在智能化掘进机中发挥的作用是保证设备安全运行。通过状态感知能够实时检测掘进机运行状态，同时全过程检测和诊断掘进机故障情况。具体来说，是通过收集信息建立模型，实现掘进机各系统监测目标，为保证掘进机稳定运行奠定良好基础。

2 智能化技术在掘进机中的具体应用

当前，我国已经研发出效率高、智能化、全遥控的掘进机设备，结合其实际应用效果来看，不仅有效改善了传统掘进作业的方式和方法，还提高了掘进作业质量和效率。结合智能化掘进机构造情况来看，具有强度高、配置好、紧凑性强等多种优势。并且实现了无人化操作需求，工作人员只需在30m 范围内进行遥控即可[4]。与此同时，该智能化掘进机还具备较强的自动化检测系统，能够对掘进机运行状态和故障情况进行及时检测。具体可以从以下几个方面进行分析。

2.1 智能化控制技术在掘进机中的应用

智能化控制技术应用到掘进机中，具体体现在以下几个方面：

第一，掘进机遥控操作系统，该技术的使用实现了掘进机远程操控需求，工作人员在30m 范围内能够有序展开相关作业。并且该遥控系统具有抗干扰、信号强、稳定性高等诸多优势。相对于传统操作方式而言，不仅能够拓展操作视野，还能够提高操作灵活性，并且掘进机在运行过程中可以适当调整速度。

第二，掘进机数控截割系统。该系统能够真实记录掘进机动作过程中的油缸行程，并收集截割壁运动过程中产生的所有参数，将相关数据和信息传送到工控机后，能够自动形成截割轨迹图，有利于工作人员通过显示器了解掘进机工作状况，并结合实际情况控制和管理截割作业。

第三，掘进机人机交互系统。在掘进机中应用智能化技术，需要配备相应的硬件设施，包括工控机、显示器等。通过硬件设施，能够实时掌握掘进机运行状态和相关参数。同时，将数据库技术融合使用，还能够将掘进机运行中产生的所有数据和参数进行储存，有利于为数据查询提供保障。当掘进设备发生故障时，工作人员只需查询相关数据，即可判断故障类型、故障位置以及故障范围，有利于及时采取针对性措施解决故障，有效降低掘进机维修时间，提高其工作效率。

第四，掘进机红外线安全检测系统。将红外线技术应用到掘进机中，能够在一定范围内检测到人体，使掘进机在运行过程中，始终与工作人员保持安全距离。也就是掘进机在作业状态下，如果有工作人员靠近，会及时发出声音信号或光源信号，并自动停止作业，避免掘进机与工作人员碰撞引发安全事故，从而为工作人员人身安全提供保障[5]。

第五，掘进机安全运行保障系统。掘进机安全运行保障系统包括两个方面，分别为远程监测和故障诊断。从远程检测系统方面进行分析，智能化掘进机系统实现了掘进机定向、定位、顶形的可视化控制目标，工作人员能够通过显示器实时监测掘进机运行状态和相关参数，并且该系统具备自动报警功能，能够在出现异常情况时发出报警信号。而这系统故障诊断方面，也融合了神经网络分析法、故障树法等多种针对方式，能够通过多元化故障诊断方法对掘进机单一部件故障进行科学诊断，有利于能够确定故障对象、故障原因和故障范围。使维修人员及时采取措施解决故障，但该系统也存在一定弊端，即无法有效针对掘进机复杂结构，如果在运行过程中，掘进机部件与部件之间因互相影响产生故障，则无法用精确模型对故障类型、故障范围进行科学描述，从而增加了故障诊断难度和维修时间。

2.2 智能化掘进机实际使用效果

随着社会经济飞速发展，人们在生活和生产中对煤炭资源需求量逐渐上升，在为煤矿企业带来广阔发展机遇的同时，也增加了煤矿市场的竞争压力。为了提高自身核心竞争力，越来越多的企业使用智能化掘进机。山西某煤矿企业在煤矿开采作业中应用智能化掘进机效果进行分析。该工程在前期试验过程中，9 月～10 月期间，智能化掘进机共运行25 天，掘进尺寸为180m，井下作业条件为半煤岩，即上部为煤，下部为岩石。11 月28 日～11 月30 日之间，智能化掘进机共运行2 天，掘进尺寸为30m，井下作业条件变为全煤巷道。该煤矿企业结合试验结果进行分析和调整，并将智能化掘进机应用到实际工程中，共掘进巷道3500m，平均每月达到了500m。结合该企业运用智能化掘进机效果反馈进行分析，总结出以下优势：

第一，智能化掘进机操作简便，遥控技术灵活，视野开阔，有效降低了人力劳动工作量，减少了企业人力成本支出，有效提高了企业经济效益。

第二，掘进机智能化水平高，巷道断面成形具有及时性和准确性，不仅能够提高工作效率和工作质量，还能够充分保证工作人员人身安全[6]。

3 智能化技术在掘进机应用方面的发展方向

3.1 提高检测精度和抗干扰能力

由上文分析可以看出，当前，将智能化技术应用到掘进机中，已经基本实现了机体位姿参数感知和自动策略需求。但是结合应用效果来看，由于井下作业情况复杂，部分掘进机在导航定位、激光标靶以及视野范围等方面，受粉尘、环境等影响，容易导致精度降低，无法充分发挥智能化掘进机的作用和功能。因此，在未来发展过程中，专家和学者需要重点对智能化掘进机检测精度以及抗干扰能力进行研究，有效提高智能化掘进机的环境适应能力，这也是其智能化发展的重要研究方向。

3.2 重点对掘进机截割过程纠偏进行研究

现阶段，智能化掘进机自身具备的导航定位系统，能够准确对机体位姿进行定位和纠偏。但纠偏工作大多体现在掘进机初始状态。针对截割过程中位姿误差情况仍然需要进一步研究和分析。因此，在未来发展过程中，专家和学者需要给予这一内容高度重视，通过截割机构对智能化掘进机运行过程中产生的位姿偏差进行自动化检测和补偿。

3.3 重点研究掘进机作业过程感知系统

当前，智能化掘进机在截割以及断面成形在理论研究方面，已经基本实现了截割臂摆动速度调整、截割头转速调整以及截割路径合理规划等目标，但是在理论转换成实践过程中受到一定阻碍。其原因是煤岩性质存在较大差异性，导致煤岩与截割参数之间在建立关系过程中存在一定难度。并且在智能化掘进机运行过程中，还没能完全实现煤岩特性智能感知需求。因此，在未来发展过程中，专家和学者需要重点研究掘进机掘进作业感知能力，构建准确、完善的煤岩特性和最佳截割参数模型。

3.4 及时切换智能化系统冗余软硬件

在煤矿开采过程中，掘进机截割过程涉及到的数据信息相对较多，软件设施和硬件设备作为智能化掘进机的重要支撑，一旦出现故障，将会导致掘进机智能化系统无法发挥感知功能和自适应功能，获取的信息也将失去准确性和科学性，不仅降低了掘进作业效率和质量，甚至会为工作人员带来安全隐患[7]。因此，在未来发展过程中，煤矿企业需要及时切花智能化系统冗余软硬件，全过程监督和控制智能化掘进机运行状态，从而为其安全、稳定运行奠定良好基础。

4 结语

综上所述，随着社会经济飞速发展，人们生活和工作中对煤炭的需求量日益提升，在为煤矿企业带来发展机遇的同时，也增加了煤矿市场的竞争压力。为了提高自身核心竞争力，煤矿企业需要提高工作效率和工作质量，增加煤矿开采量。掘进机作为煤矿开采的必要设备，在这一背景下面临升级和改造需求。因此，本文对智能化技术在掘进机中的应用进行深入研究，并对未来发展趋势做出展望，旨在为突破煤矿企业开采作业中存在的困难奠定基础。