煤礦井下自動掘進技術的應用研究

李 凱

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司生產技術部掘進五隊， 山西 壽陽 045400）

引言

煤礦井下掘進機是一種用于巷道掘進的大型機械化設備，在工作時通過控制人工控制搖臂的升降，按照一定的路徑對巷道進行截割作業，滿足井下綜采作業的需求。但由于煤礦井下地質環境復雜、能見度低，人工控制掘進機的截割作業存在截割效率低、巷道成型質量差、掘進機使用壽命短等問題，嚴重制約了井下巷道掘進效率[1]，目前巷道掘進速度過低已經成為制約井下綜采作業效率進一步提高的關鍵。隨著煤礦井下無人化綜采作業的不斷發展，一種新型井下自動掘進技術方案被提出并得到實踐應用。該方案將掘進機的自主截割控制系統和可視化監測控制系統相結合，實現井下自主掘進作業和遠程人工控制掘進作業的有機統一。自主截割控制系統以記憶截割控制為核心[1-2]，根據煤礦井下的實際情況在人工控制下先進行一次巷道截割作業，后續即可通過一鍵控制的方法，實現掘進機在井下的自主截割。同時該控制系統還將可視化遠程控制技術應用在掘進機截割控制中，完成對掘進機人工截割控制和過程調整控制的遠程操作，實現了真正意義上的無人化掘進作業，對提升井下綜采作業的效率和巷道成型質量具有十分重要的意義。

1 掘進機自主截割控制系統結構

根據煤礦井下自主截割控制要求，本文所提出的掘進機自主截割控制系統的整體結構包括了上位機控制系統和下位機控制系統。下位機控制系統主要包括了以各類傳感器設備為核心的檢測單元以及以截割機構為核心的執行單元，該自主截割控制系統的整體結構如圖1所示[3]。

圖1 掘進機自主截割控制系統結構示意圖

在該自主截割控制系統中，上位機控制單元是該系統的核心。當掘進機執行自主截割控制時，首先由人工控制掘進機的截割機構根據井下實際地質環境和巷道截割成型要求，規劃最佳截割路徑，而后由記憶截割控制程序對截割作業過程中的掘進機截割機構的位置坐標、截割速度、進給速度等進行實時監測和記錄，形成連續的截割控制邏輯。當啟動自主截割控制時，該系統根據傳感器設備監測到的截割機構的實際截割空間位置，實時顯示對應的截割速度、進給速度等，同時對實際運行情況進行負反饋監測，不斷對實際截割狀態進行調整，最終實現精確自主截割控制，確保了巷道成型質量和掘進效率的同步提高。

2 自主截割控制路徑的智能優化

在掘進機自主截割控制的過程中，理論上每一點的截割狀態都需要和人工截割作業時的截割狀態相對應，但若對每一點都進行數據分析、調運和計算，則將會極大影響截割作業效率和精確性，導致掘進機截割機構出現抖動、截割偏位。因此需要對人工截割控制路徑進行優化：以后續截割點和起始點的垂直距離差值大于最小截割步距為優化依據[4]，只保留滿足條件的截割點位，進而實現對整個截割作業路徑的優化，自主截割控制的路徑優化如下頁圖2所示，圖中T1—T5表示截割作業過程中的數據采集點。

由圖2可知，以上所有點為正常人工截割控制情況下的采樣點，在E到F、K到G之間存在著大量的轉折點，如果對每個點都進行計算調整，將導致截割機構在運行時出現極大振動，因此必須對路徑進行優化。以截割起始點A為起點，首先判斷位置B和位置A之間的坐標差值是否大于截割時的最小步距值，若小于最小步距，則繼續對位置C和位置A之間的坐標差值是否大于截割時的最小步距值進行判斷；若大于最小步距則保留B點，然后再以B點為起始點，以上述標準判斷B點與C點之間的位置關系并判斷是否保留C點。以此類推，最終形成了優化后的截割路徑：A—B—C—D—E—F—G—H—I—J—K，確保了較高截割作業效率，提高了截割作業的穩定性。

圖2 自主截割路徑優化結構示意圖

3 可視化監測控制系統結構

基于虛擬仿真技術的掘進機可視化遠程監測控制系統主要包括虛擬仿真平臺、數據網絡通信系統及井下掘進機運行狀態監測系統，該系統的整體結構如圖3所示[5]。

圖3 可視化監測控制系統結構示意圖

如圖3所示，在該可視化控制系統中，首先利用由三維虛擬建模軟件建立掘進機虛擬三維模型對其控制狀態進行定義，利用安置在掘進機上的掘進姿態傳感器設備對掘進機的運行狀態進行監測，將監測數據傳輸到掘進虛擬模型中，虛擬模型運行狀態控制器控制三維模型表現出和井下掘進機一致的運行姿態，從而實現對井下掘進狀態的監控。該控制系統還能夠通過調整虛擬掘進機的運行情況對井下掘進機的實際運行狀態進行調整。為確保數據傳輸的準確性，在控制系統中采用了RS485數據傳輸總線結構，不僅能夠滿足煤礦井下抗干擾的要求，且具有數據傳輸速度快、精度高、穩定性好的優點。

根據分析，當采用自主截割控制系統和可視化監測控制系統相結合的掘進機自動截割控制方案的情況下，能夠將掘進機截割作業的運行效率提升17%以上，巷道成型的不良率降低44%，且能夠實現真正意義上的無人化掘進作業，極大提升了巷道掘進的效率和經濟性，具有十分重要的意義。

4 結論

本文分析的新型井下自動掘進技術方案，將掘進機的自主截割控制系統和可視化監測控制系統相結合，實現了井下自主掘進作業和遠程人工控制掘進作業的有機統一，根據分析表明：

1）自主截割控制系統以記憶截割控制作業為核心，能夠根據記憶截割路徑和掘進機截割狀態，實現自主截割控制，滿足較好地質條件下的自動截割控制需求；

2）截割路徑優化系統以后續截割點和起始點的垂直距離差值大于最小截割步距為優化依據，只保留滿足條件的截割點位，進而實現對整個截割作業路徑的優化控制，確保了較高的截割作業效率和截割作業的穩定性。

3）新型井下自動掘進控制技術能夠將掘進機截割作業的運行效率提升17%以上，巷道成型的不良率降低44%，極大地提升了巷道掘進的效率和經濟性。