煤礦掘進工作面智能化改造方案探討

　　要: 為了解決煤礦掘進工作面自動化改造過程中存在的諸多難點，全面闡述掘進工作面設備的自動化改造方向及技術手段。煤礦掘進工作面設備的移動特性較高，巷道掘進過程中前方地質條件復雜且無法全部探明，生產過程中粉塵濃度高可見度低，致使在掘進設備控制的遠程化與無人化改進方面存在較大困難。移動設備的數據上傳，連續掘進機的行走導航，低可見度下運行設備的視頻監控，運煤車輛( 梭車) 的自動駕駛等問題都是制約掘進工作面無人化改造的技術難點。針對當前煤礦掘進工作面使用的設備和生產工藝，利用現有科學技術，探索將掘進工作面設備進行自動化控制功能改造的方法，以實現煤礦掘進工作面的少人化，為未來智慧礦山模式下的無人化生產奠定基礎。

　　王飛; 謝進; 羅偉; 王立強， 陜西煤炭 發表時間：2021-08-06

　　關鍵詞: 巷道掘進; 無人化; 地質條件; 智能化改造

　　0 引言

　　掘進工作面的生產是由連續掘進機和錨桿鉆機交替進行掘進和支護作業。作業循環進度根據井下現場地質條件確定，一般不大于 11 m( 連掘機機身長度) 。連續掘進機割煤，運煤車( 梭車) 接煤后運往給料破碎機，給料破碎機將煤塊破碎均勻轉運至膠帶輸送機，膠帶輸送機將煤送往地面煤倉，洗選加工中心將煤倉的煤洗選加工使其煤質達到預期指標，然后裝車運出銷售。

　　連續掘進機掘進過程分為“切槽”和“采垛”2 個工序，連掘機司機按照地質測繪指向與施工要求，確定連續掘進機的進刀位置，先在巷道的一側掘進，按照巷道設計尺寸截割煤層，當長度達到循環進度后退機，這一工序稱“切槽”工序[1-3]。然后連續掘進機退出，調整到巷道的另一側，再切割剩余的煤壁，使巷道掘至所要求的寬度和循環進度，這一工序稱為“采垛”工序。連續掘進機一次“切槽”和“采垛”工序完成則為一個掘進循環，之后連續掘進機退出，由錨桿鉆機進入空頂區域支護。

　　1 掘進工作面自動化發展現狀與改進方向

　　1. 1 掘進工作面自動化發展現狀

　　目前，全國大部分礦井都在提高礦井自動化水平，但是掘進工作面自動化水平仍然比較低下。其主要原因是掘進工作面涉及的點多面廣，搬家倒面比較頻繁，設備布置較為分散，實現自動化控制比較困難。

　　隨著掘進工作面向前推進，膠帶輸送機數量逐步增加，必須給每部膠帶機配備膠帶機司機，負責膠帶機的啟停和巡視; 當掘進工作面推進至 1 km 以上時，局部通風機及配電硐室與工作面距離越來越遠，就必須配備專人看守局部通風機和配電硐室，負責對局部通風機監控與切換，對配電設備日常檢修與試驗。所以，當前多數煤礦企業通過對膠帶輸送機、局部通風機以及配電設備進行自動化改造，實現遠程集中監控，以此來達到減員增效的目的[4-6]。

　　掘進工作面在生產時，連續掘進機開拓巷道，掘出的煤通過梭車運輸至給料破碎機，給料破碎機破碎加工后卸料至膠帶輸送機，膠帶輸送機將煤運到地面。目前，煤礦企業在連續掘進機的遠程化控制，梭車的無人自動駕駛，給料破碎機與梭車的聯動啟停方面尚沒有突破性進展，仍采用傳統的人工操作。

　　1. 2 掘進工作面自動化改進方向

　　現代化礦井在保障安全、提高效率、降低成本方面主要依靠減員增效的手段，掘進工作面的自動化改進方向也主要集中于此[7-9]。首先，將掘進工作面的輸送膠帶機、局部通風機、配電設備乃至排水設備等全部實現集中監控，將此類低技能型崗位工全部由計算機、攝像頭、傳感器等感知設備代替，從而達到減員增效的目的。其次，通過對給料破碎機與梭車進行自動化改造，使給料破碎機與梭車之間、梭車與連續掘進機之間實現聯動，使梭車實現無人駕駛，從而達到減員節能的目的。最后，對連續掘進機進行自動化改造，使連掘機具備自主導航、自動掘進的能力，通過連掘機司機的遠程干預，使連掘機可以在復雜的地質條件下完成巷道開拓，從而使連掘機司機遠離惡劣的工作環境，提升安全生產能力[10]。

　　2 掘進工作面自動化改造方案

　　2. 1 連續掘進機自動化改造

　　2. 1. 1 連掘機導航

　　激光駕束制導是將激光接收器置于被導航設備上，激光對準目標照射，設備在激光波束內行走。由于激光束方向性好散角小，制導精度極高，所以連掘機使用激光制導產生的誤差很小，滿足連掘機生產截割工程質量的要求。在連掘機“切槽”和“采垛” 進刀位置分別安裝激光發射器，在連掘機上安裝激光導航裝置，連掘機司機使用手動控制模式將連掘機調至“切槽”或“采垛”進刀位置，然后連掘機在導航自動模式下開始記憶割煤。當前煤礦連掘機普遍采用變頻器驅動行走牽引電機，所以將激光制導監測到的連掘機偏移量轉變為調頻信號，采用 PID 控制技術可以很好地完成機身糾偏調整。在連掘機機身安裝雙軸水平傾角傳感器，監測連掘機機身前后與左右 2 個方向的水平傾斜角度，連掘機控制計算機實時比對機身水平傾斜量以及激光導航偏移量，當傾斜量或偏移量超過限定值則認定連掘機超偏，控制計算機立即停止連掘機移動，等待連掘機司機人工干預排查。

　　2. 1. 2 連掘機記憶割煤

　　記憶割煤是目前煤礦自動化生產改進過程常用的一種方式。由于煤礦井下地質條件復雜，傳感器靈敏度無法滿足設備完全自動化生產的條件，所以人工干預下的記憶割煤成為減員增效的一種特殊手段。如圖 1 所示，根據連掘機生產工藝將自動化記憶割煤模式下的巷道掘進分為 5 個工步。第 1 步，根據巷道設計高度設定連掘機起截割頭參數，截割頭升至設定高度; 第 2 步，根據地質條件設定進刀距離參數，連掘機進刀; 第 3 步，設定連掘機截割頭下降高度參數，連掘機降截割頭割煤; 第 4 步，設定連掘機進刀拉底距離參數( 一般為工步 2 進刀參數的 1 /2) ，連掘機進刀拉底; 第 5 步，退機，退機距離為工步 4 的參數。從工步 1 至工步 5 連續循環掘進，巷道開拓的地質條件決定連掘機的最遠無支護掘進距離，該距離除以工步 2 的參數為一次記憶割煤循環數，當連掘機掘進循環數達到該設定值，則連掘機自動停機，等待人工干預。

　　連掘機在與梭車聯動的記憶割煤模式下，各工步會受梭車的運煤過程影響而出現停止現象，所以程序設定在此種模式下連掘機會持續依次執行各工步，不受梭車運煤過程的開停機干擾，以此來保證連掘機記憶割煤的連續運行。

　　2. 2 梭車無人駕駛改造

　　2. 2. 1 梭車自動行駛

　　基于預設磁軌跡的磁導航技術是自主導航領域中較為成熟的一種技術，也是短距離無軌設備導航運用較多的一種技術，可以完成自主導航設備的預定運行路線導航及定位，相對于光電導航與視覺色條導航，磁導航可靠性高，受限條件少，較激光導航系統簡單、成本低廉。完整的磁導航感知系統由地標傳感器、多點位磁導航傳感器以及磁條( 或通電纜線) 組成，所以，在梭車運行路線的頂板架設磁條軌道與磁釘( 架設方法類似單軌吊) ，梭車機身上方安裝多點位磁導航傳感器，通過感知不同點位捕獲到的磁場強度判斷梭車車身位置與磁軌道預設位置的偏移量，將偏移量轉換為電信號，作為梭車轉向調節的輸入量; 通過磁導航傳感器感知到的磁釘極性 ( N 極或 S 極) 作為梭車保持直行或進入彎道等策略決定行進方向標志，使梭車按照預定路線行走。

　　定量閥是一種可以定時、定量注油的新型閥體，自動化程度高、性能穩定。將當前梭車的轉向閥更換為定量閥，定量閥的導通改為電磁控制，將梭車轉向的液壓控制轉變為電氣控制。當梭車磁導航傳感器監測到車體偏移預定磁條軌道，則由梭車控制主機計算出偏移量與糾偏量，并控制導通對應的定量閥，實現定量糾偏，使梭車回歸預定行走軌跡。在進入彎道處則優先執行策略決定行進動作。

　　2. 2. 2 梭車自動接煤

　　在梭車前端安裝限位磁鐵，在連掘機的刮板運輸機末端安裝磁信號接收器，當梭車行走至連掘機后部，連掘機捕獲到磁信號，此時開啟連掘機的刮板運輸機開始給梭車裝煤; 在梭車料斗上部安裝料位傳感器，當煤堆積觸發傳感器后則開啟梭車的刮板運輸機，待煤位下降后則停止梭車刮板運輸機; 在梭車刮板運輸機卸料部安裝料位傳感器，當煤堆積觸發該處傳感器后，禁止刮板運輸機啟動，梭車啟動行走開始退機; 連掘機無法捕獲到梭車前端磁信號后則關閉連掘機的刮板運輸機，停止裝煤。

　　2. 2. 3 梭車自動卸煤

　　在給料破碎機料斗內安裝限位磁鐵，在梭車刮板運輸機尾部安裝磁信號接收器，在梭車刮板運輸機控制回路安裝時間繼電器，當梭車尾部進入破碎機料斗內捕獲到磁信號后，梭車停止退機動作，啟動刮板運輸機，開始卸煤，根據梭車刮板運輸機轉速計算出卸煤時間，使時間繼電器按照卸煤時間延時動作，停止刮板運輸機并啟動梭車，梭車前進。

　　2. 3 人工干預

　　當前國內的自動化采掘工作面由于煤礦井下工作環境的特殊性仍然普遍采用人工干預，以此規避設備自動運行過程中存在的異常事件與緊急狀況。在連掘機機身與梭車機身前后方向分別加裝點陣紅外線熱成像攝像頭和可見光攝像頭，由于掘進工作面生產期間粉塵濃度較大，所以使用紅外線熱成像攝像頭可以極大提高視頻監控效果。連掘機司機處于掘進工作面生產區域以外，并配備手持式移動監控終端，該移動終端通過無線基站接收連掘機與梭車的數據。連掘機手動控制模式與導航自動模式的切換，可設定記憶割煤各工步參數、運行視頻畫面的監控，以及連掘機運行狀態數據的監控; 具備梭車自動駕駛模式與人工駕駛模式的切換，梭車運行視頻畫面的監控及運行參數、運行狀態數據的設定等功能，可實現設備運行異常報警功能和緊急停車。

　　2. 4 給料破碎機自動化改造

　　掘進工作面梭車運煤產生的煤流為非連續性煤流，且梭車運煤卸煤周期無法固定，如果給料破碎機的刮板運輸機持續運行會導致電能的浪費和設備的磨損。將給料破碎機刮板驅動控制閥更換為電磁閥，使液壓控制轉變為電氣控制，在給料破碎機料斗前部安裝超聲波探測器，當梭車與給料破碎機距離小于 1 m 時，接通電磁閥電路使其動作，開啟給料破碎機的刮板運輸機，當梭車遠離給料破碎機 1 m 以上后，使電磁閥電路延時 3 min 切斷，停止給料破碎機的刮板運輸機，完成卸料破碎，最終使梭車與給料破碎機形成聯動。

　　2. 5 膠帶輸送機與供電系統集控改造

　　掘進工作面一部膠帶機供電系統一般包括膠帶機移變、饋電開關、磁力啟動器、照明綜保、膠帶機通信控制保護器; 掘進工作面生產供電系統一般包括生產移變( 連掘機、梭車、錨 桿 機、給 料 破 碎 機 供電) 、排水移變( 工作面排水系統供電) 、主風機移變 ( 局部主通風機供電) 、備風機移變( 局部備用通風機供電) 、饋電開關、局部通風機雙回路組合開關等。當前煤礦井下供配電設備普遍采用 MODBUS / RS-485 通信協議，用以實現設備的聯網控制功能，理論最高傳輸速率可達 10 Mbps，最大的通信距離約為 1 219 m，傳輸速率與傳輸距離成反比，傳輸速率越低，傳輸距離越長，RS-485 接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。

　　在每部膠帶機機頭區域安設數據采集箱，數據采集箱具備串行服務器與以太網交換機，可以接入 MODBUS 通信協議設備與 TCP /IP 通信協議設備，采集膠帶機供電設備數據后接入工業控制網絡。在每部膠帶機卸載部區域安裝攝像頭，攝像頭通過以太網接入工業控制網絡，使操作人員可以實時監控膠帶機運行情況。在配電硐室內安裝數據采集箱，數據采集箱具備串行服務器與以太網交換機，可接入 MODBUS 通信協議設備，用以采集生產移變、排水移變、主風機移變、備風機移變、饋電開關、風機組合開關等設備數據。在掘進工作面生產區域給料破碎機處安裝集中控制計算機，將膠帶機供電系統數據與配電硐室內供電系統數據通過交換機傳至集中控制計算機，開發上位機集中控制組態畫面與視頻監控系統，實現膠帶運輸機與供電系統的集中控制。

　　2. 6 掘進工作面網絡架構

　　膠帶機設備與配電硐室設備通過不同的通信協議接入數據采集箱，數據采集箱使用以太網( 光纜或網線) 接入交換機，連掘機與梭車的數據以無線網絡( WIFI 或 AP) 的方式接入交換機，集控計算機通過交換機與各臺設備之間通信，整個掘進工作面形成局域網; 交換機接入井下工業環網從而將掘進工作面數據傳送至地面，供數據庫儲存和調度指揮中心監控，如圖 2 所示。

　　3 結語

　　煤礦行業一直背負著“高危”“艱苦”“落后”等沉重的包袱，將礦井工作人員從艱苦危險的工作環境中解放出來，掘進工作面的自動化改造為這一理想提供了技術支持。未來連掘機司機可以身處地面調度指揮中心，通過 VR 視頻監控技術身臨其境地對井下掘進設備運行狀態進行實時監控和遠程遙控干預，調度指揮人員實時與連掘機司機面對面溝通，縮短生產指揮與生產執行之間的命令傳達跨度，人工智能的不斷深入應用最終會使煤礦井下實現無人化生產，從根本上實現零傷亡和零傷害。掘進工作面的自動化改造可以有效減少井下崗位操作人員，使采煤機司機、梭車司機等操作崗位工遠離惡劣危險的生產環境，極大減少礦井生產中“人的不安全因素”。掘進工作面的集中控制運行，減少了巡視人員的長距離行走工作量，提升了工作效率。設備的聯動運行，為礦井生產中的設備節能提供了技術支持，降低了設備損耗所產生的成本。未來煤礦企業必將在智慧礦山模式下運營生產，少人化乃至無人化的礦山生產模式會成為主流，掘進工作面的自動化改造將為此奠定基礎，掘進工作面的自動化生產模式與管理機制可以為智慧礦山的運維保障培養儲備專業技術人才，為智慧礦山的運營管理提供經驗參考。