掘进工作面智能化掘进机关键技术与应用

掘进工作面智能化掘进机关键技术与应用

侯飞

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.