井下無人采礦技術裝備導航與控制關鍵技術分析

楊建飛

（濟寧礦業集團霄云煤礦，山東 濟寧 272000）

隨著科技水平的不斷提升與人們安全觀念的逐步增強，井下無人采礦被重視，因此無人采礦技術得以進步和發展。井下無人采礦技術是指通過計算機技術控制和操作井下生產，從而使無人化的作業完成。當今，國內在井下無人采礦技術裝備導航與控制上累積了很多的數據、經驗，然而綜合技術能力不高，還需要持續地探究和發展。

1 井下采礦存在的問題

（1）煤礦災害事故經常發生。井下采礦的顯著特點是環境復雜、通透性不好、空氣缺少等，因此非常容易出現安全事故，特別是在缺少安全防范措施的條件下，井下采礦會出現火災、漏水、坍塌、瓦斯爆炸等一些災害，實踐證實，井下采礦這種比較頻繁的工作會導致很多災害事故的出現，而人為因素和自然因素是導致災害的原因所在。井下采礦存在的一個顯著問題是災害事故。為此，想要降低災害事故的出現率，務必增強安全生產觀念，搞好安全防范對策，而井下無人采礦技術是處理這一問題的一種理想方式。

（2）存在嚴重浪費煤炭資源的現象。煤炭資源存在嚴重的浪費情況。盡管國內煤炭資源儲存豐富，應用領域廣，每一年的市場需求量和開采量都非常大，可是開采技術能力不高，因為開采者與使用者的不重視，導致浪費了很多的煤炭資源，即煤炭資源的應用率比較低，這也是井下采掘要求解決的一個現實問題。

（3）采礦的整體技術能力較低。井下采礦的難度較大，盡管當前的采礦技術不斷進步和發展，可是因為國內地質結構和地形的復雜化，以及采礦逐步發展為深部采礦，這造成固有的井下采礦技術的整體能力比較低，依舊具備非常大的發展空間。除此之外，井下采礦技術的發展還受到一系列要素的影響，像是缺少技術研究能力、缺乏優秀的人才、缺少創新能力等，相比較于外國的井下采礦技術而言，國內的采礦技術依舊較為滯后，無論是裝備導航技術，還是采掘規劃技術和地形感知技術等，都不具備較高的水平。

2 井下無人采礦技術裝備導航與控制的一些關鍵技術

（1）采掘規劃技術。采掘規劃重點是指規劃和配置資源一種方式，也就是結合最為理想的配置資源的方式實現采掘效率的提升。傳統的采掘規劃技術是結合簡單的動作與可行手段使初始狀態的工作空間轉化為目標狀態的工作空間，如此的采掘規劃技術缺少智能化與自動化水平，較難實現無人采礦的需要。為此，應實現采掘規劃自動化與智能化水平的提升，從而能夠全自動化地應用微機有效地控制挖掘機的軌跡，這樣可以最終實現無人采礦的采掘規劃需要。

（2）裝備自動控制技術。基于不斷發展的自動控制技術與智能技術，研究者愈加重視技術設備的自動控制，新形勢下井下無人采礦技術的主導發展趨勢是實現井下技術設備自動化控制能力的提升。其中，日本研制的一種井下無人采礦卡車統一了耦合脈沖激光校準制導系統以及GPS系統，在井下作業的過程中，如果卡車的行駛路線偏離了標準的路線，那么警告信息會由控制終端自動地進行接收，進而將控制指令發出，從而確保采礦卡車的正常運行，這樣一來，實現了采礦自動化能力的大大提升。除此之外，井下采礦通訊技術也受到廣泛的重視，結合通訊技術能夠向地表控制室傳輸設備操作以及控制的數據信息，以使自動化控制的井下鏟運機工作和裝卸實現，以及可以實現鏟運機遠程診斷與監測，確保井下生產的安全性與穩定性。

（3）裝備定位以及導航控制技術。可以說，井下無人采礦的基礎保障是自動化設施，這就要求確保井下采礦設施有導航與定位的功能，結合自動導航實現裝備的生產，進而使無人采礦實現。近年來，移動機器人行業中日益普遍地應用激光雷達，基于激光雷達，能夠在其它算法當中實現位置信息的集成，在勿需過程標定的前提條件下可以跟蹤與檢測井下障礙物，這有助于井下采礦裝備穩定性與精確性顯著提升。在可見度小、空氣較少、粉塵較多、缺少通透性的礦井下，視覺系統與GPS系統難以有效地進行控制與定位。應用電磁引導控制可以很好地處理此問題，能夠結合低頻引導電纜，以使電磁場形成，進而結合電磁傳感器對移動的采礦設備進行正確與有效地引導，以及通過視覺信標導航系統進行裝備的導航控制與自動定位。除此之外，還能夠結合超聲波傳感器進行裝備的導航控制與定位，可以結合超聲波傳感器測定井下巷道以及移動裝備間的距離信息，進而結合分析的信息有效地控制移動裝備的位置，這樣一來，在路面上就可以實現裝備的導航與定位，從而大大地提升了導航與定位的準確度。

（4）跟蹤目標技術。想要確保井下無人采礦的理想化效果實現，應確保井下裝備到相應的生產工作區域，這就務必準確地跟蹤導航規劃的線路，跟蹤目標技術可以轉換導航規劃路徑目標點為井下采礦裝備的運行動作，然后再結合運動控制系統轉換執行動作為控制信號，進而合理地控制裝備。針對當今而言，基于無線射頻的跟蹤目標技術越來越備受重視，該技術結合射頻手段使非接觸的雙向通信順利實現，工作者可以對各種井下情況移動采礦裝備的靜止、跟蹤移動等進行識別，且可以跟設備交換數據，如此的跟蹤目標技術便于操作，具備較強的抗干擾性能與信號穿透性能，并且傳輸數據量小，不但可以實現定位跟蹤的準確性，而且可以確保及時地通信。日本研制的井下礦石采掘軌跡自動跟蹤控制系統，基于該系統的引導下，井下鏟斗可以進行大角度路徑的挖掘生產。而作為控制中心結合通訊模塊而言，可以跟蹤井下車的位置與運行情況，基于運籌理論，對井下車的優先級進行設置，且以此作為前提條件對其避讓或者是運行情況進行自動化控制，確保了井下無人鏟運的標準化與有序化開展。

（5）運動控制技術。運動控制的關鍵作用在于確保井下采礦裝備根據設計的路徑自主執行有關動作。縱觀運動控制技術的本質而言，其屬于執行器，其組成部分是若干移動部件，結合運動控制技術，可以確保周圍環境跟一系列部件相符合的動作。在井下挖掘機中安裝激光掃描測距儀，從而對卡車的位置進行自動地識別，且對土壤面的形狀以及障礙物進行探測，從而根據運動控制系統對土壤的挖掘位置進行準確地確定，以自動化地控制挖掘機，最終保障挖掘機在卸載點與挖掘點間迅速、高效地生產作業。

（6）地形感知技術。井下生產環境惡劣，地形規則不一，往往會碰到各種特性的土層、砂巖等，盡管開采區域是連續的，可是鏟斗也會碰到特性不一的土壤，想要使全自動化的采礦實現，務必注重地形感知技術的應用，基于推進采掘的影響下，其會對改變的地形環境進行感知，且生成圖像，從而以此為根據實現開采的自動化控制。針對當今而言，地形感知技術一般包括視覺感知技術、激光測距儀、超聲波技術等。

3 結語

綜上所述，礦山開采中，井下采礦為關鍵性的一個環境，直接對開采結果產生影響。近年來，隨著對煤炭等資源需求量的增加，深部開采作為主要手段受到人們的廣泛關注，而深部開采的實現需要依賴無人采礦技術，因此，本文分析了井下無人采礦技術裝備導航與控制的關鍵技術。在當前形勢下，國內煤礦企業持續發展為深部開采，采礦的危險性增加、難度提高，而對于井下無人采礦技術裝備導航與控制技術的研發、應用顯得非常關鍵。盡管當前無人采礦技術的研發水平還比較低，像是裝備導航控制技術和地形感知技術都比較稚嫩，可是基于持續研發的影響下，無人采礦技術能力會愈加提升，堅信在不久的將來，井下無人采礦技術裝備導航與控制技術獲得非常大的進步和發展，并且被普遍地應用于井下采礦工程中。