薄煤層綜采工作面自動(dòng)化智能化巡檢系統(tǒng)研究

＊呂沁軍

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)蓋州煤業(yè)有限公司 山西 048400）

引言

長期以來，雖然綜采工作面的采煤技術(shù)很純熟了，但是單位產(chǎn)量與開采高度一直被全高開采的大采高工作面突破紀(jì)錄。雖然厚煤層、超厚煤層的產(chǎn)量都很不錯(cuò)，但是仍有部分煤層的厚度不高，導(dǎo)致在規(guī)定的時(shí)間里面產(chǎn)量還是很低。由于分布在較矮位置的薄煤層，造成在作業(yè)時(shí)，綜采工作面人員基本上不能直立。他們?cè)诓僮鬟^程中基本上采取半蹲或全蹲式姿勢(shì)。長期的煤礦開采使一線工人非常容易疲勞和易患職業(yè)病，例如腰椎。站在利用資源以及節(jié)省資源浪費(fèi)的立場(chǎng)出發(fā)，薄煤層對(duì)于煤炭的生產(chǎn)能夠很好的降低煤炭資源被浪費(fèi)，同時(shí)讓煤炭資源的綜合利用率得到有力的提升。這對(duì)一個(gè)擁有百年創(chuàng)建歷程的煤礦企業(yè)賦于相當(dāng)重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。首先，開采薄煤層具有重要意義。其次，薄煤層中綜合開采的作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，患職業(yè)病風(fēng)險(xiǎn)高。怎樣在薄煤層生產(chǎn)中減少一線人員的勞動(dòng)強(qiáng)度并安全有效的生產(chǎn)是全行業(yè)應(yīng)該努力消除的問題。

1.綜采工作面自動(dòng)化生產(chǎn)存在的問題

目前綜采工作面自動(dòng)生產(chǎn)有許多方面還能夠進(jìn)行繼續(xù)改進(jìn)：

(1)工作面的視頻監(jiān)控中會(huì)有盲區(qū)

當(dāng)前情況下，用紅外攝像機(jī)或高清攝像機(jī)來取代人工檢查絕大部分綜采工作面。不管是紅外攝像機(jī)還是HD攝像機(jī)拍下的畫面都屬于2D平面圖像，但是人們可以通過肉眼直接查看和觀察環(huán)境，所反映出來的屬于3D圖像，然后能夠感知距離并且看到現(xiàn)象。除此之外，因?yàn)楣潭ㄅ臄z會(huì)造成觀測(cè)的范圍受到局限，定點(diǎn)視頻的觀看角度限制了觀察范圍，所以固定拍攝跟機(jī)不能夠全面覆蓋在采煤機(jī)工作期間需要觀看的點(diǎn)。它需要一個(gè)可移動(dòng)的跟機(jī)裝置來完全跟蹤采煤機(jī)的生產(chǎn)操作，便于更全面的掌握采煤機(jī)運(yùn)作期間的各種緊急情況。

(2)結(jié)果需要人工手動(dòng)校正的液壓支架自動(dòng)跟機(jī)推刮板輸送機(jī)

液壓連桿與推缸讓刮板輸送機(jī)與液壓支撐相互連接，因此液壓支撐利用液壓連桿讓刮板輸送機(jī)往前移動(dòng)。目前一般情況下，自動(dòng)化系統(tǒng)利用行程傳感器來測(cè)試推壓缸的運(yùn)行軌跡，然而機(jī)械化差異導(dǎo)致刮板輸送機(jī)的曲率結(jié)果無法準(zhǔn)確獲取。在運(yùn)作當(dāng)中，需要依靠作業(yè)工人的工作閱歷進(jìn)行觀察并人工糾正。

(3)需要人工觀測(cè)才能得出切割的煤壁是否平整的結(jié)論

從理論的角度來看，如果刮板輸送機(jī)被液壓支架送至底部的推動(dòng)缸中，那么刮板輸送機(jī)應(yīng)該能夠抵擋煤壁。想要獲取刮板輸送機(jī)的液壓支撐數(shù)據(jù)，就要將行程傳感器里面的數(shù)據(jù)送至氣缸里面，然后通過核算刮板輸送機(jī)齊平的數(shù)據(jù)，就能夠推算到切割煤壁是否齊平。但是，經(jīng)過采煤機(jī)實(shí)際采煤發(fā)現(xiàn)，液壓支架將刮板輸送機(jī)向前移動(dòng)需要一段期限。在這段時(shí)間中，因?yàn)榈刭|(zhì)與結(jié)構(gòu)的引力作用，煤壁會(huì)發(fā)生脫落的情況。由于刮板輸送機(jī)與煤壁兩者間縫隙里聚集了脫落的煤塊，從而造成了刮板輸送機(jī)的不均勻現(xiàn)象。在這樣的情況之下，不論是在采煤機(jī)上裝置慣性導(dǎo)航來找直煤壁，還是使用液壓支架移動(dòng)油缸中的行程傳感器，煤壁不平整的結(jié)論顯而易見都會(huì)產(chǎn)生偏差。必須采取作業(yè)人員有經(jīng)驗(yàn)的直觀檢測(cè)，從而獲得準(zhǔn)確的結(jié)論。需要開始掃煤運(yùn)行，不要對(duì)煤壁截割的采煤機(jī)進(jìn)行調(diào)整。

2.系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

通常情況下，由三機(jī)子系統(tǒng)、采煤機(jī)子系統(tǒng)、泵站子系統(tǒng)、支架電液控子系統(tǒng)構(gòu)成綜合采煤工作面的系統(tǒng)。經(jīng)常會(huì)利用添加網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)與視頻監(jiān)視子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化需求。薄煤層的運(yùn)行自動(dòng)化系統(tǒng)仍基于六個(gè)子系統(tǒng)，并添加了智能的檢測(cè)子系統(tǒng)。

3.系統(tǒng)的架構(gòu)

如下列圖1所示，它是薄煤層中的一個(gè)全機(jī)械化自動(dòng)開采工作面的系統(tǒng)邏輯圖。作為傳統(tǒng)意義上的全機(jī)械采煤工作面自動(dòng)系統(tǒng)新成員的檢查子系統(tǒng)，可向該自動(dòng)化系統(tǒng)添加三維點(diǎn)云成像算法，軌跡測(cè)繪算法以及圖像識(shí)別算法。系統(tǒng)生成三維點(diǎn)云成像與最后行動(dòng)路線測(cè)繪算法的最終內(nèi)容，利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)把他們發(fā)送至采煤機(jī)子系統(tǒng)以及支架液壓和電氣控制子系統(tǒng)以供執(zhí)行。

圖1 薄煤層綜采自動(dòng)化工作面系統(tǒng)邏輯圖

如下列圖2所示巡檢子系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用圖。巡檢子系統(tǒng)主要由刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)跟機(jī)以及三維測(cè)繪巡檢機(jī)器人設(shè)備組成。

圖2 巡檢子系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)用圖

三個(gè)巡檢機(jī)器人順著穩(wěn)固在刮板輸送機(jī)柔性軌道上作業(yè)。三維測(cè)繪巡檢機(jī)器人利用激光雷達(dá)探測(cè)到煤壁和機(jī)器人兩者間的遠(yuǎn)近程度，同時(shí)畫出煤壁的三維圖形，能夠讓采煤機(jī)切割煤壁由可靠數(shù)據(jù)做支持。刮板輸送機(jī)檢查機(jī)器人順沿刮板輸送機(jī)邊緣利用車載慣性導(dǎo)航設(shè)備移動(dòng)，以測(cè)量和繪制刮板輸送機(jī)的彎曲數(shù)據(jù)。為了監(jiān)控到采煤機(jī)的運(yùn)作過程，采煤機(jī)需要和采煤機(jī)跟機(jī)檢查機(jī)器人同時(shí)運(yùn)作。

4.系統(tǒng)的功能

因綜合開采工作面的自動(dòng)化系統(tǒng)補(bǔ)充而存在的薄煤層綜合開采工作面智能巡檢系統(tǒng)，包含的功能有以下幾項(xiàng)：

(1)采煤機(jī)跟機(jī)圖像和視頻處理的功能

依照采煤機(jī)的工作位置信息和采煤機(jī)的運(yùn)作速度，同時(shí)設(shè)置為采煤機(jī)和跟機(jī)機(jī)器人兩者間遠(yuǎn)景程度，能夠滿足采煤機(jī)被跟機(jī)機(jī)器人自如跟蹤的效果。使用采煤機(jī)操作以及滾筒旋轉(zhuǎn)捕獲視頻，它能夠滿足完成上傳動(dòng)態(tài)視頻圖像和主動(dòng)儲(chǔ)存跟機(jī)機(jī)器人的要求。

(2)刮板輸送機(jī)的曲率映射功能

配備有慣性導(dǎo)航配備的刮板輸送機(jī)巡檢機(jī)器人會(huì)順著刮板輸送機(jī)的柔性軌道運(yùn)作。慣性導(dǎo)航設(shè)備的數(shù)據(jù)用于繪制運(yùn)行軌跡。該運(yùn)行軌跡是刮板輸送機(jī)的曲率。將刮板輸送機(jī)的曲率測(cè)量和繪制結(jié)果與液壓支架自動(dòng)跟機(jī)的時(shí)候的推刮板輸送機(jī)動(dòng)作的執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行比較，在自動(dòng)跟機(jī)過程中，不難發(fā)現(xiàn)刮板輸送機(jī)動(dòng)作的存在偏差。同時(shí)此偏差數(shù)據(jù)能夠用于下一刮板輸送機(jī)操作參數(shù)。

(3)工作面煤壁曲率的映射功能

名為三維機(jī)器人的三維測(cè)繪和檢查機(jī)器人配備了激光雷達(dá)。三維機(jī)器人順延刮板輸送機(jī)巡檢機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)形成進(jìn)行運(yùn)作。運(yùn)作的時(shí)候，煤壁被三維機(jī)器人的激光雷達(dá)持續(xù)掃描。激光的速度和反射時(shí)間得以確定激光雷達(dá)和煤壁兩者的具體遠(yuǎn)近。通過利用系統(tǒng)的激光反射距離數(shù)據(jù)畫至三維點(diǎn)運(yùn)成像算法里，這是切割后的煤壁三維圖像。利用核算切割煤壁的三維圖像云點(diǎn)排列間隙，因此獲取切割煤壁的曲率測(cè)量和繪制結(jié)果。

5.系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

通過部署采用薄煤層綜合開采的工作面智能巡檢系統(tǒng)，從而為糾正綜采工作面提出了新的思路。上述方式能夠把需要的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行量化，與此同時(shí)，使用軟件算法完成人員授權(quán)控制、計(jì)算機(jī)自主的判斷，并且系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行完全機(jī)械化開采和自動(dòng)運(yùn)行的新格局。它是薄煤層綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。

6.結(jié)束語

通過部署采用薄煤層綜合開采工作面智能巡檢系統(tǒng)，完成煤壁曲率映射功能、刮板采煤機(jī)跟機(jī)視頻、圖像處理功能以及刮板輸送機(jī)曲率映射功能?，F(xiàn)實(shí)使用過程里，能夠更好地減輕一線作業(yè)人員的工作強(qiáng)度，降低非生產(chǎn)工人在工作面上的位置，從而提升自動(dòng)化的控制水平。