掘进装备智能远程控制系统改造技术研究

赵东生

（冀中能源邯矿集团山西金地煤焦有限公司赤峪煤矿， 山西 文水 032100）

1 赤峪煤矿概况

冀中能源邯矿集团山西金地煤焦有限公司赤峪煤矿位于山西省吕梁市文水县土堂村西，井田面积为31.7 km2，设计生产能力为年产量300 万t。按照山西省能源局晋能源发〔2020〕247 号文件要求，结合吕梁市能源局要求，赤峪煤矿需在2021 年底前建设一个智能化掘进工作面，经多次调研厂家技术方案，对C1201 掘进工作面按智能化掘进中级标准建设，进行掘进装备智能远程控制系统改造技术研究。主要改造内容为：将北一采区北五底抽巷石家庄煤矿机械厂生产的EBZ-200A 掘进机上井改造，承揽改造单位对掘进机进行大修及智能化改造，增加与掘进机配套的临时支护装置、自移机尾装置、张力自动控制装置和锚护装置等系统，使掘进机具备智能远程控制功能。

2 掘进工作面配套设备及方案分析

2.1 改造方案分析

1）通过在普通掘进机上进行整机改造，并基于EBZ-200A 机型悬臂式掘进机设计，布置有两部液压锚杆钻机，分别布置于掘进机本体架两侧行走部上方。掘进时，钻锚系统位于回转台后方，不影响正常掘进作业。支护时，钻锚系统通过两级纵移机构行进至截割头前方进行锚护作业。

2）增加机载临时支护装置，采用新型单主臂结构，支撑强度高，额定支撑力可达30 kN，支护顶架采用双回转缸结构进行顶架调平，保证顶架接顶效果。此方案适用于矩形、拱形和梯形巷道。

3）增加掘进机电液控制装置、网络通信系统、视频采集系统、音频广播采集系统以及位姿监测系统等，配合井下集控中心、井上集控中心可以实现自动定位与导向、自适应截割、工况在线监测及故障诊断等自动化功能，并具有本机操作、近地遥控及超视距操控功能。

4）配置自移机尾，可以实现一键自移。自移动力站含液压泵站、主电控箱及变频控制箱等设备，随带式转载机同步、同向移动配置皮带自动纠偏装置，配置位移传感器、倾角传感器、流量传感器、温度传感器、瓦斯传感器以及粉尘传感器，配合上位机组态软件可以实现工况在线监测、故障诊断功能，并具备监测环境数据智能分析。

5）配置音频采集广播系统，可实现采集工作面音频信息，指导人工远程干预操作。配置高清视频采集系统，可实现采集工作面视频信息，指导人工远程干预操作、自动识别工作面的设备和人员，主动对视频信息进行智能分析，对设备位置、工作状态、人员违规作业、风险预警等及时发出报警信息。

6）配置井下集控平台搭载的视频监控器、矿用操作箱配合电液控制系统，可以实现对巷道掘进设备远程操控的功能，监测设备供电、工作面视频、工作面设备运行状态等信息，实现所有设备“一键启停”、设备状态监控、视频检测和无线数据网络管理等。通过操作台进行移机、控制相关设备起停等。

7）配置人员接近保护装置，可以实现危险区域人员接近识别与报警功能。配置机器视觉与激光标靶建立的掘进机位姿监测系统，可以监测掘进机的俯仰角、横滚角和航向角，并通过集控平台的上位机组姿态软件实时显示当前掘进机的姿态。

8）配置三维激光雷达及三维监控软件，可以根据采集的相关信息进行掘进工作面真实场景再现。

2.2 智能掘进主要设备组成

2.2.1 掘锚机

采用EBZ-200A 掘进机改造成掘锚机，通过在原掘进机基础上增加机载锚杆钻机、临时支护等部件，实现掘进、临时支护、钻锚机械化作业，并具备掘进、钻锚遥控功能。掘锚机截割部以及机身安装的基于“机器视觉”截割部坐标监测装置通过算法计算后，可以在上位机组态软件中显示截割部实时坐标。掘锚机机身安装的“单目相机”可以实时采集安装在巷道的激光指向仪“红外射线”，结合安装在掘锚机上的惯导系统，通过算法计算后可以获得掘锚机机身相对于巷道的实时三维坐标，与电液控制箱控制建立通信后，可以实现掘锚机自主导航功能。

2.2.2 自移机尾

自移机尾安装在运输皮带机尾，型号为DWZY1000/900，设备宽度2 m 左右，质量18 t，具有跑偏调整、推移方向校正、一键自动前移、自动卷缆和张力自动控制等功能，调整方便，并可实现视距遥控和手动控制两种控制方式，操作安全[1]。还具备放置卷缆功能，避免移动过程中经常搭接电缆。

2.2.3 机载锚杆钻机

采用倍数钻机结构设计，钻机缩回长度为1.2 m，行程1.4 m。钻机顶部设置有夹钎器，便于拆卸钎杆，满足锚杆、锚索施工要求，前部钻机通过两级回转油缸与固定座连接，固定座与悬臂内臂铰接并通过油缸进行角度调节，可实现悬臂上摆40°、下摆30°时平台处于水平。

前部钻机可进行顶部、帮部、迎头方向钻孔作业，适用于锚杆、锚索孔、探水、瓦斯排放孔以及泄压孔施工，最大可施工孔径133 mm。

2.2.4 机载临时支护装置

新增临时支护装置，采用全新的结构设计，具有前伸、侧伸、前后翻转和左右翻转等功能，满足多方位、不同断面巷道条件。为满足支护安装要求，需在截割部前端焊接支护固定座。

2.2.5 KXB127 矿用隔爆型电液控制箱

KXB127 矿用隔爆型电液控制箱采用隔爆型设计，供电电压为AC127 V，可选装隔爆型快插接头。具备电液比例阀控制、模拟量采集、继电器输出、开关量采集、以太网通信和CAN 通信等功能[2]。搭载FYS20J接收器可进行遥控操作，电液控制箱已关联位移、倾角、压力及流量等传感器。

KXB127 矿用隔爆型电液控制箱放在掘进机上，配合控制室“上位机组态软件”集成自动截割功能的设置界面以及自动截割功能的控制操作台。通过人员操作可以实现掘锚机的自动截割功能，同时可以超视距控制截割电机、油泵电机和二运等电动机启停。控制截割部、行走部、铲板、星轮、后支撑及一运等电液比例阀开闭。

2.2.6 机载无线基站

KT113-F 机载无线基站，采用本安型设计，供电电压为DC12 V，外部接口均为高品质快插接头，安装便捷，故障率低。内部装有“嵌入式交换机”，采用高性能的工业级交换芯片，在接口配置上支持2 个千兆接口+8 个百兆接口，特别适用于大数据流量传输应用场合[3]，并可根据需求扩展RS485、CAN、RS232 和RS422 等通信功能。

2.2.7 井下集控平台

井下集控平台主要由无线网络交换机、矿用显示器（21.5 寸）、矿用硬盘录像机、矿用计算机主机、语音扩播采集装置、矿用本安操作箱、矿用照明灯、矿用电源开关和矿用隔爆接线盒等组成，可实现对远程设备的控制。配置的可视化界面可以实时显示设备健康状态、设备当前运行信息、设备的保护及报警、现场环境监测、语音广播和采集。同时，可具备对掘进机的远程控制，掘进机自动截割轨迹选择，自动截割参数设置。

2.3 控制方式

1）本地控制：司机在掘进机上通过“机载操作箱”操作，这也是最传统的操作方式。赤峪煤矿对掘进设备进行升级改造后，此项操作方式依然会保留且为第一优先级操作顺序。

2）视距遥控：掘进机改造后配备“矿用遥控器”，操作人员使用遥控器可对掘进设备进行视距不小于50 m 范围内的遥控控制。

3）远程遥控：掘进机改造后配备“井下集控平台”，集控平台可以实现超视距远程控制，控制功能与机载操作箱相同。

4）自动控制：系统集成“自动控制程序算法”通过上位机软件选择设置后，可以实现一键启动，对割煤、支护和运输工序实现自动控制[4-5]。

2.4 实现功能

2.4.1 上位机显示与报警

1）截割状态：系统可显示当前截割头坐标、截割头运行路径。

2）控制状态：系统可显示油泵电机、截割电机、二运电机和水泵（风机）电机开关状态，以及截割伸缩、星轮、后支撑、铲板、一运和警铃等开关状态。

3）系统日志：可显示通信状态、控制以及预警的信息、系统运行过程中的提示信息。

4）动画模拟：可实时显示当前掘进机的俯视动态图、侧视动态图和三维动态图。

5）系统数据：可实时监控系统电压、油泵电流、截割电流、水泵电流和二运电流。

6）通信状态：可监控远程控制通信状态、视距控制通信状态。

7）系统信息：包括系统时间、当前功率、工作模式、急停状态、截割急停状态、星轮、一运状态、工作电压状态、瓦斯和油位状态等。

8）位姿显示：包括迎头距离、设备坐标、横滚角、俯仰角和航向角等。

9）故障预警：各部电动机综合保护状态、过载、过流、三相不平衡、漏电、接触器粘连、瓦斯超限、瓦斯断线、人员接近和油位预警等。

2.4.2 预警及保护

1）设备保护：掘锚机主控箱、锚杆钻车电磁起动器、自移机尾电磁起动器和风机电磁起动器均具备基本电动机综合保护功能，且自带瓦斯传感器，具备超限急停、断线急停功能。

2）人员接近保护：人员接近保护可以设置预警距离和保护距离。在保护装置运行中，人员进入预警距离范围，机载声光报警器会预警，人员进入保护距离范围设备会紧急停机。

3）通信中断保护：视距控制中当通信中断时，系统会自动停机。远程控制中当通信中断时，系统会自动停机。

2.4.3 视频采集显示

视频采集系统安装6 台机载本安摄像仪，其中1台摄像仪安装在机身上，用于监控截割部状态；2 台摄像仪安装在左右履带上方，用于监控铲板及堆煤状态；1 台摄像仪安装在掘进机机尾，监控一部运输转载点状态；1 台安装在二运转载点，用于监控二运出煤状态；1 台安装在井下集控室，用于监控人员状态。

2.4.4 系统控制

系统控制功能主要包括对以下开关的控制：油泵电机开关、截割电机开关、水泵电机开关、二运电机开关、风机电机开关、一运电磁阀开关、星轮电磁阀开关、左右履带电磁阀开关、截割部伸缩电磁阀开关、截割部回转电磁阀开关、截割部升降电磁阀开关、铲板升降电磁阀开关、后支撑升降电磁阀开关、警铃开关和照明灯开关及信号照明切换等。

3 实践应用及效果分析

1）掘进工作面的单进水平大幅度提高，从以往的每月掘进120 m 提高到180 m。

2）劳动工效大幅度提高，从以往的每月每人掘进2.4 m 提高到3.6 m。

3）安全效益显著，智能远程控制系统的建设，实现了自动化减人和智能化少人的目标。在改造中，掘进机大修费用120 万元，购置自移机尾装置和张力自动控制装置费用80 万元，掘进机增加顶板临时支护装置及智能化改造280 万元，总费用480 万元，掘进工作面掘进装备智能远程控制系统的成本较低，可以在该矿进行推广应用。