井下無人采礦技術裝備導航與控制關鍵技術的分析

潘承武

（中信大錳礦業有限責任公司大新錳礦分公司，廣西 大新 532300）

開采井下深部礦藏資源，可使礦產資源生產與發展需求得到滿足，有利于緩解資源緊張形勢，但需要注意，深部礦藏資源開采過程中，應合理的采用相應的技術手段，促進采礦量及采礦效率的提升，并保證生產的安全性，而科技人員與礦山企業的發展方向為無人礦山，使人們越來越重視無人采礦技術。無人采礦技術的誕生顛覆了傳統采礦工藝，可促進采礦流程自動化，使采礦效率得到提升，解決深部采礦的安全性問題。深部開采中應用無人采礦技術后，其關鍵在于裝備導航及控制，因而要科學的選擇裝備導航及控制技術，以有效的實現無人采礦。

1 深井下采礦應用無人采礦技術的必要性

礦山開采為解決資源供需矛盾的有效手段之一，但在井下采礦環節中，由于作業環境十分惡劣，再加上空氣稀疏、通透性差，易發生安全事故，尤其是未能良好防范安全問題情況下，使安全氣事故發生率進一步提高，如坍塌、瓦斯爆炸等，嚴重影響井下采礦工作及工作人員安全。為使安全事故發生率降低，除將安全意識提升外，還應積極應用無人采礦技術，既避免人為因素引起安全事故，也可保證工作人員安全，促進井下采礦特別是深井下采礦的發展。

2 井下無人采礦技術裝備導航與控制的關鍵技術

2.1 采掘規劃技術

采掘規劃主要是指規劃資源配置方式，通過資源的最優化配置，促進采掘效率的提升。傳統情況下，該項技術轉化工作空間的初始狀態時，采用的為可行辦法及簡單動作，使其變為目標狀態，但此種傳統方法缺乏充足的智能程度及自動化程度，導致無人采礦技術的要求無法有效滿足。因此，還需要將采掘規劃技術的智能程度及自動化程度積極提升，實現全自動化微機控制挖掘機路徑及軌跡規劃，使無人采礦的采掘規劃要求被充分滿足。

2.2 裝備定位與導航控制技術

井下無人采礦中，基礎性的設備為自動化設備，只有這些裝備具備定位及導航功能時，作業過程中裝備才能實現自動導航控制，達到無人采礦的目的。近年來，移動機器人領域中越來越廣泛的應用激光雷達，并以此為基礎，將位置信息集成在其他算法中，標定過程不存在情況下，依然可以有效的檢測、跟蹤井下障礙物，促進井下采礦裝備系統提高精度及可靠性。井下采礦具有復雜的作業環境（見圖1），環境中存在較多的礦質粉塵，空氣稀少，可見度及通透性均比較差，使得井下采礦裝備不適合利用GPS系統、視覺系統定位及導航控制。自研制出電磁引導控制方式后，該問題得到有效解決，低頻引導下，電磁場由電纜形成，借助電磁傳感器裝置，實現移動井下采礦設備，再與視覺信標導航系統相結合，達到自動定位及導航控制井下裝備的目的。另外，井下裝備的定位及導航控制還可以采用超聲波傳感器，超聲波傳感器能夠測定井下移動裝備距離巷道的信息，再經分析獲取的信息，對移動裝備的位置做出良好的控制，促進定位及導航控制的精確度提高。

2.3 井下技術設備自動控制技術

圖1 井下采礦環境

井下采礦發展過程中，作業環境的惡劣及復雜程度不斷提升，要想使無人采礦有效的實現，先要將井下技術設備的自動化控制實現。20世紀70年代時，我國開始研究鏟運機視距遙控技術，通過該項技術，操作人員控制鏟運機過程中，可在作業危險區域范圍外以遙控方式實現，不僅能夠獲得良好控制效果，且井下采礦作業安全性得到保證。出現自動控制技術及智能化技術后，研究人員越來越關注技術設備的自動化控制。目前，井下無人采礦技術主要向著技術設備自動控制水平提升的方向發展。井下無人采礦卡車由日本小松公司研發，該技術設備有機的結合了全球衛星定位系統、耦合脈沖激光校準制導系統，井下采礦作業時，卡車行駛路線若偏離標準行駛路線，告警信息會自動發送到控制終端，將相應的控制指令發出，保證卡車行駛路線回歸正常，促進井下采礦的自動化水平有效提升。另外，井下技術設備自動控制技術研究中也比較關注通訊技術的應用，融入通訊技術后，可向地表控制工作室傳輸設備控制及操作數據，實現自動化控制井下鏟運機的運行與裝卸，而且可對鏟運機運行情況做出遠程監測及診斷，提升無人采礦的安全性及穩定性。

2.4 目標跟蹤技術

井下移動裝備為能移動到指定工作地點，必須要跟蹤導航系統規劃的路線，而應用目標跟蹤技術后，可以有效地轉化規劃的路徑目標點，變為移動設備要制定的動作，再由運動控制系統轉化這些動作，變為執行器控制信號，達到跟蹤移動設備參考軌跡的目的。假設存在參考路徑情況下，研究采礦設備的運動學及位姿控制問題之后，將誤差方程建立起來，該方程中，相對參考路徑的角度誤差、位置誤差位姿控制器均包含。無線射頻跟蹤技術通過射頻方式，實現非接觸雙向通信，從而識別、數據交換及跟蹤不同狀態下的各類設備。該項技術優點眾多，包含操作方便、具有較強的信號穿透力、工作距離長等。芬蘭Sandvik公司研制出的地下鏟運機應用了TORO 0010C技術，該鏟運機能夠自主操作運輸、卸料，并可以半自動控制鏟裝過程；日本三菱公司將礦石采掘軌跡自動控制系統研制出來后，鏟斗大角度路徑的自由挖掘作業能夠實現。

2.5 地形感知技術

井下采礦作業中，采掘對象復雜多樣，既包含無規則性的巖石碎塊，還包含細砂粒、大顆粒砂，土層也千變萬化，即使采掘地點相同，鏟斗也可能會碰倒多種土壤性質類型。為能全自動化的采掘，地形成像能力是采掘機必須要具備的。現階段，超聲波技術、激光測距儀等均為可采用的地形感知技術。

2.6 運動控制技術

路徑規劃好之后，工作裝置需據此自動執行動作，而實現這一目的的技術手段為運動控制技術。實際上，可將采礦設備看成執行器，其中包含的移動部件有數個，通過力的方式相互作用于周圍環境，完成相應的動作。利用該項技術，美國卡耐基梅隆大學研制出一種挖掘機，此挖掘機可將裝車任務自動完成，同時，兩個激光掃描測距儀安裝在挖掘機上，對卡車位置做出有效的識別與確定，并能進行土壤面形狀的測量、障礙物的探測。通過挖掘機運動控制系統，可對挖掘土壤位置做出確定，并明確卡車卸載的位置，而且在挖掘點與卸載點之間，挖掘機還能自動選擇最快速的運動方式，提升作業效率。

2.7 遠程通訊技術

操作者操作井下裝備時，利用通訊系統，可獲得傳感器信息及現場環境信息，之后操作者向機器執行器傳遞相應的指令，實現遠程操控的目的。另外，通信技術作用下，操作者可實時監測井下裝備狀態，必要時，經人機接口操作井下設備。在無線傳感器網絡基礎上，中國科學院計算技術研究所研制出井下定位系統，并進行了實驗裝置的設計及相關技術方法的提出，礦井安全監測技術問題為井下定位系統主要研究，具體包含移動節點結合網關的精確定位方法、射頻信號強度基礎上移動節點相對位置定位方法等，利用井下定位系統，可精確定位井下移動設備，便于日常調度、災害救援等工作的良好開展。

3 結語

井下開采中應用無人采礦技術后，還需要科學的選擇裝備導航及控制技術，以能實現井下裝備的自動化、智能化移動及動作，真正的實現無人采礦，促進采礦效率及質量的提升，并提高井下采礦的安全性及穩定性。

[1]吳濤,張云鵬,楊曉偉等.固體礦產資源智能采礦關鍵技術研究[J].地質與勘探,2017,53(03):558-564.

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