612723199410045615,陕西 宝鸡 721599
摘要:掘进作业是煤炭开采工作中最重要也是最危险的前线工作之一,随着煤炭需求量的增加,煤炭产业的开采深度的增加,导致掘进工作面出现的冒顶、突水、瓦斯爆炸等事故越来越严重。另外,由于掘进工作面处于高温、高湿、高噪音、高尘埃等恶劣环境,对井下作业人员的身心健康造成了很大影响。目前,我国的掘进机自动化和智能化水平不高,容易造成采掘比例失衡,严重影响了我国煤炭的开采效率。所以,为了加速解决当前掘进工作面工作的现状,对掘进工作面智能化进行研究是十分重要的,这也是我国煤炭工业规划目标中的重点。基于此,本文对掘进工作面智能化掘进机关键技术与应用进行探讨。
关键词:掘进工作面;智能化;掘进机;关键技术
引言
在煤矿开采过程中,掘进工作面面临着更加严峻的威胁,工作人员长期处于高尘、高湿、高温的环境中,他们的身体健康更容易受到威胁,掘进工作面突水、顶板冒落和瓦斯爆炸严重威胁着矿工的生命安全。根据我国煤巷掘进的特点,一定要实现掘进技术和装备的创新,提高掘进的智能化、成套化、柔性化水平,确保掘进的稳定性和适应性。目前,大部分掘进工作面都采用了分离作业的形式进行施工,在成套的掘进、输送、支护设备还没有大规模推广的情况下,对智能化掘进机技术进行分析,对于减轻工人的工作负荷,提高掘进工作面的作业能力具有十分重要的现实意义。
1 掘进工作面智能化掘进机关键技术框架
掘进机在实际应用中,主要应用于掘进和切割,覆盖了煤矿的定位、清底和纠偏等作业环节。要实现智能化,通常是以智能感知技术和自适应技术为基础,对掘进工作面进行自动处理[1]。其中,智能传感主要用于状态和位姿的测量,而自适应则主要用于校正和诊断。
首先,位姿感知是掘进机智能化转型的关键,如动态加载条件下的位姿修正、参数感知等。在掘进机的位姿参数感应处理中,以组合定位算法为基础,通过对计算和测量的位姿误差进行对比,完成对其进行补正调整,进而确保位姿状态的正确性。
其次,在动态位姿感知方面,以动力学模型为基础,确定截割臂摆角、截割力等形态变化情况及规律等。在实际位姿纠偏时,需要根据所选掘进机的实际型式及当前位姿条件,确定其俯仰位姿及移动位姿,并有针对性地进行纠偏[2]。
最后,成型感知。在掘进机智能化应用中处于核心地位,主要用于解决掘进工作面断面成型、截割头自适应及作业轨迹等问题。对于剖面成型误差,主要是采用数字角度测量、激光距离测量等现代技术方法,对误差进行判断与校正。在实际应用中,根据收集到的剖面特征数据,建立相应的误差模型,从而为后续的判断分析提供支撑。在掘进机截割头使用过程中,以空间模型为支撑,分析得到相应的控制方案,并通过对工艺参数的控制完成了适应性规划。对于截割头运行轨迹和动态化跟进处理,可以通过煤岩识别技术,按照先软后硬的顺序进行截割处理,并提前规划动作路径,使断面能够自动成型。
2 掘进工作面智能化掘进机关键技术的应用
2.1 定位技术
掘进机作业空间有限,需要在室内安装导航定位系统。从采集信号来看,主要有机械视觉、超声、无线电、激光标靶、惯性导航等技术,每一种都有其优缺点。第一,是机械视觉的定位方法。在定位准确率上有很高的优势,并且能覆盖很大的范围,可以长期使用;第二,超声定位。该系统具有结构简单、检测速度快等优点。不过超声波定位的成本很高,而且对使用者的技术要求也很高;第三,是无线电定位系统。该技术支持网络连接,可实现数据在任何时候传输,便于集成。但是和有线相比,无线信号不够稳定,很难确保掘进工作面中的定位精度;第四,激光标靶了。操作系统比较简单,在断面比较光滑的条件下,能够确保定位效果。但是激光靶标探测速度慢,易受掘进工作面内噪声的影响,对断面的平整度要求高;第五,惯性导航系统。该方法具有操作环境适应性强、检测速度快等优点。但是考虑到掘进工作面内的空间太小,如果没有配套的校准参考,很容易因为定位的积累而产生误差[3]。
通过梳理各项技术的优劣势可以发现,单独选择某个定位方法,都不能完全确保定位精准性,更别提自动化、智能化。针对这一问题,目前已有较好的解决方法,也就是组合定位检测,这种方法不仅可以避免长时间定位带来的误差,还比较适用于受限的掘进工作面空间,确保了定位效果。这种定位系统由多个基站和固定基站组成,并配备了捷联惯性导航系统。系统模拟掘进工作面空间,建立三维坐标系,用激光测距仪快速确定机头的坐标,并据此确定机头的位姿。而机体位姿偏差直接影响断面成形质量,假设截割处理出现偏差,则应立即停止掘进进行纠偏。在煤巷掘进机的位姿校正中,通常针对截割力作用下的两种位姿,即定向行走和俯仰位姿。前者由履带液压马达控制,后者由前铲板和后部支撑油缸控制。
2.2 机械化支护技术
由于煤岩掘进工作面支护机械需要定期更换锚杆、钻杆等,因此很难完全实现机械化。目前,掘进机支护仍以人工为主,辅以机械化支护为主。在国内少数矿区,采用相应配套机械,可实现机械化支护效果,但其使用条件有限,要求空顶距离大于10m。因此,可从掘进机入手,试着与锚杆机联合使用,以提高支护速度。假设掘进工作面空间条件允许时,在掘进机与锚杆机一体化的基础上,增设运锚装置,提高支护作业的连续性
[4]。在掘进工作面支护施工过程中,掘进机与锚杆机、运锚设备的搭配,方便了下一周期的截割和支护处理,进一步缩短了支护环节消耗的掘进时间。
2.3 断面自动成形及自适应截割技术
在煤矿掘进工作面中,掘进工作面的断面形状并非固定不变,主要有半拱形和梯形等。在实际生产中,为了确保截形尺寸满足基本要求,并达到最优的工作效率,通常采用“S”型的截割头轨迹[5]。根据掘进机在仿真坐标系中检测出的相对位姿,利用云图判断误差,规划截割路径和整机运动轨迹,实现不需要人工干预就能直接成型。掘进工作面断面截割作业涉及多个作业环节,其中“扫底”是为了便于截割作业,减少因底板煤岩层积聚而造成的误差。“刷帮”是指对加工断面进行修正,使成型效果达到最佳。而类似于“S”型的路径,则设定了高、宽两个参数,使误差不会超过允许范围。在断面自动化成型技术的应用中,无论是刷帮,还是截割,都是一种较为先进的工艺方法。自适应截割方面,为了确保负载平衡以及技术参数合理,以人工神经网络为基础,对截割头进行系统性自动化控制,也可以借助PID神经元进行调控。
3 结束语
综上所述,智能化技术合理地应用于掘进机,可以有效地改善掘进过程中存在的种种弊端。但是,煤矿掘进工作面的环境条件比较复杂,随着掘进作业的进行,将会面临越来越多的不确定性因素。因此,无人化掘进工作面掘进是智能掘进技术发展的必由之路。在掘进系统中引入远程视频监控系统,可以进一步提高掘进机的智能水平,充分体现智能化的优势。
参考文献:
[1]王杜娟,贺飞,王勇,等.煤矿岩巷全断面掘进机(TBM)及智能化关键技术[J].煤炭学报,2020,45(6):2031-2044.
[2]胡兴涛,朱涛,苏继敏,等.煤矿巷道智能化掘进感知关键技术[J].煤炭学报,2021,46(7):2123-2135.
[3]田伟琴,田原,贾曲,等.悬臂式掘进机导航技术研究现状及发展趋势[J].煤炭科学技术,2022,50(3):267-274.
[4]武传伟.煤矿巷道智能化掘进关键技术研究[J].能源与节能,2022(2):107-108,112.
[5]王昆明.智能化技术在煤矿巷道掘进机中的应用及发展趋势[J].电脑校园,2020(6):302-304.