煤礦掘進機智能控制機構的研究

李 巖

（陽煤集團壽陽開元礦業有限責任公司，山西晉中 045400）

0 引言

在掘進作業過程中，采用人工控制掘進機，掘進路徑規劃、進給量均通過人工目視判斷，受井下高塵、低能見度狀況的影響，在掘進作業過程中經常會出現掘進機掘進路徑偏位、截割機構觸頂等異常，不僅導致巷道掘進質量較差，而且導致掘進機截齒斷裂、截割機構損壞等，嚴重影響煤礦井下的綜采作業效率和作業安全[1]。解決上述問題的關鍵在于對掘進機截割作業過程中的位置狀態進行精確判斷和調整，因此本文提出了以視頻監控為核心的掘進機智能控制機構，采用井下防爆視頻監控設備實現對截割機構截割路徑的跟蹤，利用控制機構對截割軌跡進行修正，滿足精確定位的控制需求。

1 智能掘進控制機構的總體結構

如圖1 所示，煤礦掘進機智能控制機構主要包括設置在掘進機上的視覺測量、捷聯慣導等傳感器設備[2]，實現對掘進機截割作業過程中的姿態和截割路徑的實時監測，然后通過工業以太網和RS485 通訊協議將監測結果傳遞到智能控制中心[3]，實現對掘進機截割路徑準確度的判斷，根據對截割路徑的判定結果實現對截割路徑軌跡的顯示，當出現軌跡超標時系統將自動發出報警提示信號，同時自動計算偏位量，根據偏位量和采煤機的空間姿態，給出掘進機截割機構的修正量信號，實現對掘進機掘進路徑的自動修正，確保掘進截割路徑的精確性。

圖1 掘進機智能控制機構結構示意圖

2 截割控制機構顯示界面

由于該智能掘進控制機構中，在掘進機機身上設置了多組位置傳感器設備，對掘進機運行過程中的姿態進行監控，同一時間段內的監控數據增多。為了提高操作人員的操控便捷性，該掘進控制機構最顯著的一個提升點在于設計了專門的智能化顯示平臺。

該監控界面分為4個區域[4-5]，第1顯示區為掘進機掘進姿態動態顯示區域，在該區域能夠以動態的形式對掘進機的位置姿態進行顯示，同時能夠精確地顯示出掘進機掘進作業過程中掘進機構和前側、兩側煤壁的距離，以及掘進機懸臂的偏角。在第2顯示區域則為當前掘進機截割機構的截割路徑，能夠實時顯現出掘進機構的實時路徑和理論路徑的偏位量，便于直觀地觀察巷道的掘進質量。在第3顯示區域則能夠以圖形化的形式將掘進機掘進作業過程中的掘進姿態角顯示出來，便于觀察掘進機截割結構在垂直方向上的偏位角度情況。在第4顯示區域，主要是對掘進機截割頭是否超挖進行判斷，當出現超挖或者欠挖時，系統自動進行報警，提醒控制人員對掘進機的掘進姿態進行調整。

3 智能掘進控制機構的應用

本文以EBZ180 懸臂式掘進機為驗證對象[6]，對其控制機構進行改造，建立了以智能掘進控制機構為核心的掘進機控制機構，分別對截割機構截割過程中的回轉角變化情況和姿態角變化情況進行檢測，回轉角變化情況如圖2所示。

圖2 截割機構截割過程中的回轉角變化情況

在對截割過程中回轉角變化情況進行監測時，利用防爆相機每隔0.1 s 進行一次姿態位置的監控（也就是每隔0.1 s對回轉角拍一次照片，然后解讀照片上的角度），然后將截割機構保持垂直固定，控制掘進機的截割機構從左側向右側偏移[7]。根據實際驗證結果表明，在掘進控制機構作用下，掘進機的回轉角變化均勻且平穩，其在移動過程中的變化近似一種線性變化曲線，表明該控制機構對截割機構回轉角度控制的穩定性。

掘進機在掘進作業過程中機身的姿態變化曲線如圖3 所示。在進行測試過程中，為了最大限度地模擬井下截割作業過程的實際情況，采用將捷聯慣導直接固定到機身上，對掘進機掘進作業過程中的橫滾角進行監測，通過橫滾角的變化情況來反映出掘進機姿態的變化情況。

由實際監測結果可知，在智能掘進控制機構作用下，掘進機在掘進作業過程中的橫滾角變化在±0.2°以內，遠高于傳統控制方案下的橫滾角變化情況，能夠極大地提升掘進機在截割作業過程中的穩定性[8]。

4 結束語

（1）該智能控制機構主要包括設置在掘進機上的視覺測量、捷聯慣導等傳感器設備，實現對掘進機截割作業過程中的姿態和截割路徑的實時監測，具有結構簡單、可靠性好的優點。

（2）掘進控制機構作用下，掘進機的回轉角變化均勻且平穩，其在移動過程中的變化近似一種線性變化曲線，表明了該控制機構對截割機構回轉角度控制的穩定性。

（3）在智能掘進控制機構作用下，掘進機在掘進作業過程中的橫滾角變化在±0.2°以內，能夠確保升掘進機在截割作業過程中的穩定性。

綜上所述，通過對EBZ180 懸臂式掘進機為研究對象，對其控制機構進行改造，建立了以智能掘進控制機構為核心的掘進機控制機構，分別對截割機構截割過程中的回轉角變化情況和姿態角變化情況進行檢測。利用視頻監控能夠對掘進機截割軌跡進行有限跟蹤、判斷，從而避免作業過程中的過切、觸頂現象。經過現場應用，達到了預期效果。