基于智能化綜采工作面采煤機的慣導系統的設計與研究

石成虎，付良廷

(西安重裝智慧礦山工程技術有限公司，陜西 西安 710032)

0 引言

近年來，在國家大數據戰略、互聯網+、物聯網和煤炭智能化開采等一系列重大戰略和行動的引導下，陜煤集團加大智能化工作面應用推廣力度，智能化工作面建設取得了可喜的成績。目前，黃陵一號煤礦和二號煤礦高智能化綜采工作面集成有供液、三機監測及遠程集中控制系統，可在地面分控中心及井下順槽監控中心實現對工作面采煤機、刮板機、液壓支架、泵站、順槽皮帶等單機設備的遠程控制和一鍵啟停，真正做到了“無人值守、有人巡視”[1]，走在了煤炭智能開采技術的前沿。山西塔山煤礦、四川廣能公司龍灘煤礦等也相繼進行了深入研究，并實現了應用和投產，這一系列的大事件標志著遠程控制智能化采煤已然成為必然趨勢，我國已進入智能化開采時代。

1 國內外研究狀況

目前，慣導系統的研究和開發主要用于航天、軍事領域，民用類很少，還沒有專用于采煤機慣導系統的生產廠家。慣導系統的發展已有幾十年的發展歷史，積累了相當多的研究基礎和豐富的研究經驗，但用于煤炭企業采煤機精準定位的慣導系統屈指可數，且效果欠佳，而國外，LASC技術得到了較好的應用和推廣，因此，相對而言，我國的技術力量相對薄弱，要研究和開發一套真正用于煤炭企業采煤機精準定位和矯直的慣導系統，困難顯而易見，只有不斷地磨練自己，不斷優化，砥礪前進，克服種種困難，才能守得云開見月明，追趕超越競爭對手。

1.1 國內研究狀況

在國內，航天九院13所和中國航空工業集團公司西安飛行自動控制研究所(618所)的慣導系統在采煤機上已有推廣，但效果不理想。

2015年，北京天地科技與CSIRO昆士蘭技術中心展開了LASC技術合作，并開始在兗煤集團轉龍灣礦進行了LASC技術的井下應用，進入市場也比較晚，由于礦井的復雜多樣性，其效果相對比較好，還有待于進一步的持續發展，并且價格昂貴，性價比不高。

目前，我國已建成超過220個“有人巡視，無人值守”智能化開采工作面，產量超過5.6億t，工作面減少人數50%以上。

因此，我國煤炭的智能化開采，尚處于初級階段，存在許多不足，對礦井智能化綜采工作面的安全高效開采提出了更高的技術要求和精度要求，而綜采工作面智能化開采的核心問題就是工作面采煤機的精確定位和自動取直，慣性導航技術是實現和解決這一問題的有效方法和途徑之一。研究和開發用于采煤機定位、姿態精準檢測的慣導系統，成為我國煤炭企業實現遠程控制智能化開采的必然選擇。

1.2 國外研究狀況

20世紀90年代以來，美國、德國、澳大利亞等國開始著手研究自動化綜采關鍵技術，并取得了顯著性成果。澳大利亞綜采長壁工作面自動控制委員會(Longwall Automation Steering Committee，LASC)開展的煤礦綜采自動高精度光纖陀螺儀和定制的定位導航算法獲得了3項主要成果，即采煤機位置三維精確定位(誤差±10 cm)、工作面矯直系統(誤差±50 cm)和工作面水平控制，完成了工作面自動化系統原型，并首次在澳大利亞的Beltana礦試驗成功，于2008年對LASC系統進行了優化，實現了采煤機自動控制、煤流負荷平衡、巷道集中監控等，之后便同久益、艾可夫等采煤機供應商簽署了協議，將這項技術集成到對應的采煤機上，實現快速商用[2]。目前，在澳大利亞超過20個長壁工作面采用了LASC技術，2014年，在美國首次應用于伊利諾斯州，久益集團White Oak 煤礦。如今，LASC技術在我國進行了應用推廣，但價格昂貴，性價比不高。

智能開采服務中心(Intelligent Mining Service Certer，IMSC)是美國JOY公司推出的一種適用于長壁工作面的遠程智能增值產品/服務系統，可實時監控煤礦設備運行，在澳大利亞布里斯班的Anglo礦業公司總部設置總高度室，對所管轄礦井進行實時監控，目前只有莫蘭巴北礦上線[2]。

2 慣導系統設計與研究

目前業內認可度比較高的智能化無人開采技術其裝備總體路線如圖1所示，圖中粗線框出部分是裝備定位及姿態感知在整個體系中的所處位置，采煤機行進軌跡測量是裝備定位與姿態感知的重要組成部分。

圖1 智能化無人開采技術與裝備總體路線

基于采煤機的慣導系統設計與研究具體分為2個研究內容，即慣導本體結構設計和航跡生成算法，如圖2所示。

圖2 基于采煤機的慣導系統

慣導是生成采煤機航跡數據的傳感器部件，也是慣導系統的本體結構。根據對綜采工作面的平整度要求，分析系統指標需求并進行詳細分解。依據分解后的系統指標，針對采煤機工況條件設計慣導系統的抗震動沖擊信號處理算法以及機械抗震動沖擊結構，最后，根據系統指標要求以及慣導輸出的姿態角度指標，設計系統航跡生成算法，包括有組合導航算法、噪聲干擾濾波處理算法、安裝誤差校準算法等，最終完成系統設計。

2.1 本體結構設計

在自動化綜采工作面上，慣導準確獲取采煤機定位軌跡，以確保采煤機按照規劃好的工作面模型進行作業。

分析指標：通過詳細分析系統指標，并建立理論模型。如果綜采面工作長度300 m，采煤機一刀煤用時最長1 h，一刀煤期間，采煤機應連續作業，不允許停車修正，采煤機三維定位誤差±10 cm，如圖3所示。

圖3 理論模型

由圖可知，0.1/300=tanΔθ，

而Δθ=arctan(0.1/300)≈0.000 333 3(弧度)，故0.000 333 3×180/3.14=0.019(度)，可得導系統航向保持精度應≤0.019度/h。

航向角是慣導系統精度最難保證的一項關鍵指標，在同一慣導系統中姿態角(橫滾、俯仰)的指標一般優于航向角。

井下工況信號處理：井下信號傳輸和通訊主要是CAN總線和RS-485總線信號，設計CAN總線和RS-485總線通訊模塊，建立數據傳輸通道，以完成數據采樣和通訊功能。

機械抗震動沖擊設計：為了增強采煤機慣導系統的穩定運行，機載慣性導航的機械抗震動沖擊設計采用了防震、抗沖擊加固理念，設計了隔振、緩沖模塊，增強了設備及元器件的耐振動、沖擊能力。

2.2 航跡生成算法

采煤機慣導系統的算法設計與實現分為以下3個步驟實現。

組合導航算法設計：采用慣導與里程計組合導航的方式完成采煤機航跡生成算法。

噪聲干擾濾波算法設計：本研究擬采用卡爾曼濾波對采煤機震動沖擊引入的噪聲干擾進行濾除，其算法原理如下。

系統狀態方程：xk=Akxk-1+wk-1，白噪聲為激勵，策動噪聲

系統量測方程：yk=ckxk+vk

式中,yk—觀測信號矢量;vk—觀測噪聲序列；ck—觀測矩陣(m×n)

若不考慮噪聲，忽略wk-1,vk的影響時，即令wk-1=0,vk=0，由系統的狀態方程和量測方程得到

(9)

(2)=E[(I-HkCk)Qk-1(I-HkCk)T]，

最小均方誤差陣

=Pk′-HkCkPk′

=(I-HkCk)Pk′

故有Kalman一步遞推公式

以上是Kalman遞推過程。

統計特性：Ak,CK,RkQ，

以觀測數據作估計：

取u0≈E[y(n)]

Var[x0]≈VarE[y(n)]

遞推：

安裝誤差校準算法設計：設計誤差校準算法和誤差校準通訊模塊，當采煤機長時間進行割煤時，慣導形成一個時間累積誤差，致使慣導與采煤機的實際運行軌跡形成了累積誤差[9-13]，因此，慣導系統需要配備誤差校準通訊模塊，進行誤差修正和糾偏，以實現對采煤機實際運行軌跡和狀態的精準測量。

3 結語

將高精度慣導系統應用于煤炭智能化綜采工作面的煤炭開采中，進行采煤機位置、姿態的精確監測和取直，通過對每個液壓支架推移行程單獨閉環控制來達成直線度控制目標，以保證綜采工作面連續生產過程中不需要人工調架[3-8]，達到提高生產效率和安全性的目的，從而進一步推動礦井遠程控制智能化采煤的進程，加快智慧化礦山的建設步伐，具有非常重要的現實意義。