煤矿井下综合机械化掘进系统智能化建设

煤矿井下综合机械化掘进系统智能化建设

马朝权

云南源能矿山建设有限公司 云南省曲靖市655000

摘要：目前，煤炭企业正朝着技术密集型方向发展。煤炭智能开采有助于提高劳动生产率和控制井下作业人员数量。基于此，本文重点分析了煤矿井下综合机械化掘进系统智能化建设。

关键词：煤矿井下；综合机械化掘进系统；智能化建设

煤矿智能化建设不仅是煤炭行业的重要发展方向，也是煤炭行业转型升级的必然要求。在煤矿智能化建设中，掘进系统是煤矿生产系统的重要组成部分。在掘进系统中，感知、执行元器件被增加到掘进机机身上，通过移动网络及大数据分析，将无源导航及有源监控相结合，实现掘进机的远程可视化控制、遥控操作、防撞、智能定位、故障预警、行走速度调整、故障告警等，实现掘进工作面远距离、智能化、无人值守，远程监控和安全快速掘进。

一、采掘系统发展历程

我国煤炭开采历史较西方发达国家较晚，在20世纪中期仍在采用人工打眼、支护等方式进行煤矿开采，挖掘效率低。铲斗后卸式装岩机在20世纪60年代后开始投入使用，虽然运输效率未得到提高，支护技术手段也落后，但大机械替代了部分人力劳作，减少了煤炭行业对人力的需求。20世纪70年代后期，煤炭行业真正走入了大机械时代，许多国际先进的挖掘设备引入我国，简化了煤炭采掘流程，有效提高了煤炭采掘效率及质量。

二、岩巷施工现状

在煤炭开采作业中，钻爆法是一种重要的开采方法，它以传统技术工艺为基础，涉及施工支护、爆破、打眼和混凝土喷射。施工中使用的机械设备简单，可靠性强，便于检修维护，成本投资相对较低。然而，在系统运行中，涉及到许多复杂的流程，高度依赖人工，从而延长了施工时间。采用岩石平巷综掘机可提高施工机械化水平，具有显著的综合性能和诸多优势。但需注意的是，这种技术方法也存在着投资成本高、切割效率不理想、挖掘机械体型大、局限性强等缺点。

三、掘进智能化系统

1、系统介绍。优化掘进机机身设计，增加执行元器件和感知元器件，实现远程可视化控制、故障预警、智能定位、遥控操作，合理调整行走速度，实现故障报警。在系统优化方面，对掘进机手动液控系统进行改造，主要是电液控系统，并在掘进机机身上增加了执行元器件和感知元器件，以确保风机和故障告警联动闭锁控制。

2、系统组成。在改造系统结构时，应注意优化模块化设计。根据现场设备的实际要求，优化配置各智能单元，包括：①主控单元：在掘进机遥控系统中，主控单元是核心部件，注重逻辑控制和指挥调度，合理安排掘进工艺，已成为掘进机系统的重要组成部分。②感知单元：负责采集、传输和显示掘进工艺、环境、实时视频监控等数据。③定位单元：准确定位掘进机的位置和切割头，比较预设的掘进机巷道参数，优化调节掘进机。④防撞单元：负责地理信息数据采集，为掘进机提供智能化防撞功能。⑤遥控单元：包括手持式遥控器和可视化控制，以优化远程掘进作业。⑥预警保护单元：将感知单元的实时数据与系统预设值进行比较，注意故障告警停机、故障预警迁停等。⑦通信单元：涉及系统低频通信、远程数据传输和内部通信。⑧集控单元：对于掘进机设备，对回传数据进行深入分析，并与局扇风机、皮带机和掘进工艺联动闭锁。掘进机司机可在集控室进行视频监控和掘进工况数据，实现远程可视化掘进。

3、远程遥控系统。远程遥控能实现数据通信链路的畅通和掘进机动作的可控性，实现自动切割，能提高掘进机位置检测的可靠性和控制精度。

4、多系统耦合系统。系统的作用机制复杂，不能充分发挥整机的工作性能，这对装备子系统和人物智能协调规划提出了严峻的挑战。为实现掘进机的智能化操作和无人值守，在掘进作业过程中，应分析不确定性干扰和未建模状态，建立系统间的耦合模型。联合机器自学习算法，根据多目标优化决策模块，协调控制最优掘进参数和最优支护方案，构建安全掘进协调控制与优化决策专家系统。

5、智能导航系统

①结合无源、有源导航：在掘进工作面，导航方式主要是激光指引装置，指引装置发出激光，能代表巷道前进方向。巷道持续延伸，指引装置也持续前进。掘进机司机能凭借丰富经验，将掘进面的激光点放置在切割面上，切割时将切割头放置在外周边界上。此导航模式无法自动切割掘进机。有源监控是通过摄像头对掘进工作面进行监控，使地面控制人员能了解工作面情况，第一时间发现潜在问题，并采取有效措施处理。

②自立识别系统运行状态，维护系统运行效益。掘进机测量系统有多种技术方法，因此要定期自检，以判断测量精度，传递诊断结果，提出科学的检修维护信息，这样能规范化导航系统的精度输出，合理控制偏差，避免掘进面超差现象。

③接受多传感器信号，做好科学分析和使用。掘进智能导航系统以无源导航系统为方案，为解决配置复杂问题，提高灵活性和可靠性，有必要测量滚筒高度和切割壁空间。智能导航系统有助于融合多传感器信息，实现综合应用，全面测量掘进机位置，提高掘进作业的灵活性。

④在多系统掘进作业中，实现协同控制和智能规划。井下掘进设备涉及多个子系统，协调程度高，任务繁多，其中，运输、支撑和推进子系统要求技术人员按标准化操作顺序进行技术操作，能体现掘进施工的特点，尤其是人机交错特点。机械安装、运输和支出易造成运输伤害、机械伤害和顶板冒落伤人事件。在维护掘进装备运行安全稳定的同时，实现智能操作和无人值守，对掘进设备的自主识别系统和任务智能规划提出了严峻挑战。煤矿井下掘进作业的重点是提高掘进效率，消除地质适应性问题，实现掘进设备快速安全掘进，引导掘进装备技术跨越，增强装备自主创新能力，实现长期稳定发展。

⑤在人工智能技术引导下，注重岩巷掘进参数理论的分析与处理。在井下掘进作业中，根据不同地质条件增加荷载参数，作为中间桥梁。根据掘进深度和数据挖掘，设立岩巷掘进机状态与掘进主控参量映射关系。重视机械参数辨识的理论研究，结合掘进参数约束条件和代价函数计算方法，在线优化匹配控制参数，实现基于决策参数的多目标动态规划，处理好井下掘进机的不良问题，降低安全事故发生率。

⑥系统技术优势：本系统采用智能导航系统，聚焦联合惯性导航系统方案，有效检测切割头的空间位置，结合掘进机远程控制系统，实现对掘进机的精确数字化控制。企业根据掘进工作面实际情况，对相关参数进行优化调整，实现切割方式的优化，这样能满足开采安全性要求，又能提高开采效率。

四、掘进系统智能化的应用与展望

掘进系统的智能化应能实现快速高效掘进的效果，并有效地作用于煤巷快速掘进装备中。系统可分为支护、运输、掘进等工序步骤，并结合新技术处理掘进、运输、支护等相关问题，提高设备运行的集成度和高效性。

掘进机具有定位切割和远程监控等功能，能对掘进机进行远程监控，优化锚杆机工作参数，但需在工作面预留一些检查员。掘进机的发展趋势集中在掘进机器人领域，为实现这一发展目标，要实现远程控制、自动切割、远程监控等功能。远程监控取决于掘进机动作的可控性和数据通信链路的畅通性。自动切割可显示掘进机位置检测的可靠性和控制精度的符合性。智能切割能提高自动切割操作的可靠性，扩大开采效率，提升空间。优化提高掘进工艺适应性，根据地质环境调节掘进机器人的掘进速度和作业安全性。在正常工作条件下，无需人工干预。

掘进工作面远程控制包括胶带转载机、破碎转载机、锚杆钻车和井下掘锚机，并配备通风除尘系统、控制通讯设备、供电设备等，形成快速高效的掘进系统，实现掘进、支护、运输一体化。新试验系统机组能充分发挥核心单机设备的功能，实现远程控制、自动运行、协同动作等，提高信息化、数字化、自动化水平。

参考文献：

[1]张剑.煤矿井下综合机械化采掘设备升级改造及智能化建设[J].智能制造与设计，2021(10).