礦用掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)智能控制掘進(jìn)工藝的應(yīng)用研究

祁世龍

（陽煤集團(tuán)壽陽開元礦業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 壽陽 045400）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦井下巷道掘進(jìn)作業(yè)的核心，其工作的穩(wěn)定性和效率直接決定了井下巷道掘進(jìn)作業(yè)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，由于井下地質(zhì)條件復(fù)雜，因此掘進(jìn)機(jī)在井下的定位精度差，掘進(jìn)作業(yè)時需要根據(jù)井下實(shí)際情況人工進(jìn)行不間斷控制巷道掘進(jìn)，嚴(yán)重依賴于人工經(jīng)驗(yàn)和操控熟練程度，傳統(tǒng)的記憶截割控制方案僅能適應(yīng)井下較為簡單的地質(zhì)環(huán)境下的掘進(jìn)作業(yè)，嚴(yán)重限制了井下巷道掘進(jìn)效率。

結(jié)合井下巷道掘進(jìn)工藝流程和實(shí)際需求，本文提出了一種新的礦用掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)智能掘進(jìn)控制方案，從提高掘進(jìn)機(jī)井下定位精度和智能截割效果出發(fā)，通過采用慣性導(dǎo)航+液壓推移式組合定位方案，對掘進(jìn)機(jī)在井下截割作業(yè)過程中自動進(jìn)行定位和修正。通過采用智能定向截割+自適應(yīng)截割的控制方案實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)在不同地形條件下的智能掘進(jìn)控制，其截割精度達(dá)到了±20 mm，井下定位精度提高到了±15 mm，極大地提升了井下巷道掘進(jìn)效率和精度，具有極大的應(yīng)用推廣價值。

1 組合式智能定向技術(shù)應(yīng)用

煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，信息傳遞將會受到較大的限制，目前應(yīng)用較多的主要是利用慣性導(dǎo)航定位方案，定位方式比較單一，定位精度約為±100 mm，難以滿足精確定位的需求。通過對井下巷道掘進(jìn)、掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行精度的分析，若要滿足掘進(jìn)機(jī)自動截割時的安全性需求，其定位精度不能大于±50 mm。因此在經(jīng)過對多種定位方案的精確分析后，最終確定了一種新的組合式的智能定向技術(shù)，該技術(shù)主要包括了慣導(dǎo)+全站儀+行程傳感器綜合定位技術(shù)以及液壓推移式智能定位技術(shù)，具有定位精度高、可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。

1.1 慣導(dǎo)+全站儀+行程傳感器綜合定位技術(shù)

慣導(dǎo)+全站儀+行程傳感器綜合定位技術(shù)是將捷聯(lián)慣性導(dǎo)航技術(shù)[1]、執(zhí)行油缸行程控制及數(shù)字全站儀綜合起來，對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時的井下位置、截割角度信息進(jìn)行綜合收集，將其傳輸?shù)綌?shù)字解算平臺內(nèi)進(jìn)行分析，輸出分析結(jié)果，然后將其與全站儀獲取的井下行程數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，從而快速確定掘進(jìn)機(jī)井下位置的一種方案，具有數(shù)據(jù)分析精度高的優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)據(jù)分析速度相對較慢，該綜合定位原理如圖1所示。

圖1 井下綜合定位原理示意圖

1.2 液壓推移式智能定位技術(shù)

液壓推移式智能定位技術(shù)是將光纖導(dǎo)航、數(shù)字全站儀監(jiān)測、執(zhí)行油缸傳感器信息融合集于一體的井下高精度定位技術(shù)[2]，在工作的過程中首先通過光纖導(dǎo)航對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時的速度和角速度變化情況進(jìn)行分析，然后通過油缸的行程傳感器獲取執(zhí)行油缸的推移量，然后利用數(shù)學(xué)分析迭代的方法對掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時的位置進(jìn)行確認(rèn)。

1.3 組合式智能定向技術(shù)

在實(shí)際使用時，掘進(jìn)機(jī)的油缸行程傳感器和慣性導(dǎo)航在使用過程中會產(chǎn)生較大的累積誤差，而在使用時采用數(shù)字傳感器能夠精確地確定掘進(jìn)機(jī)的位置，因此采用數(shù)字傳感器來對油缸行程和慣性導(dǎo)航進(jìn)行不間斷的位置誤差調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)井下工作位置的精確定位，液壓推移式智能定位原理如圖2 所示。

圖2 液壓推移式智能定位原理

采用將兩種定位技術(shù)相互結(jié)合的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)在井下運(yùn)行過程中的雙重定位分析，從而有效提升掘進(jìn)機(jī)在各種環(huán)境下的定位可靠性，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用，采用組合式智能定向技術(shù)后，能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)運(yùn)行時的定位精度提升到±15 mm，完全滿足其自動截割的控制需求。

2 智能截割控制方案

為了解決煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，人工截割控制效率低下的難題，本文提出了一種新的智能定向截割+自適應(yīng)截割的控制方案，通過組合式智能截割控制，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)在煤礦井下的“無人化”截割作業(yè)，提高巷道成型效率和成型質(zhì)量。

2.1 智能定向截割方案

智能定向截割控制系統(tǒng)主要包括截割機(jī)構(gòu)位置測量模塊、控制器模塊等，通過對掘進(jìn)過程中截割機(jī)構(gòu)位置和截割角度的判斷，確定截割結(jié)構(gòu)和巷道截面的相對位置，然后將實(shí)際位置和理論截割位置相對比，獲取偏差量，然后將偏差實(shí)時反饋給掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)控制系統(tǒng)，通過模糊PID 控制的方案實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)機(jī)行走機(jī)構(gòu)、截割機(jī)構(gòu)的精確控制，掘進(jìn)機(jī)的智能定向截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示[3]。

圖3 智能定向截割機(jī)構(gòu)示意圖

2.2 自適應(yīng)截割方案

當(dāng)掘進(jìn)巷道處在夾雜著煤矸石、半煤巖的地質(zhì)環(huán)境下時，定向截割控制存在著反應(yīng)速度慢、截割靈活性差的不足，因此在該類復(fù)雜環(huán)境下，提出了自適應(yīng)截割控制方案，以掘進(jìn)機(jī)的截割臂擺動速度為控制量，通過利用數(shù)字遺傳優(yōu)化算法來實(shí)現(xiàn)對掘進(jìn)過程中電機(jī)輸出功率的靈活控制，在不同的硬度地層條件下，靈活調(diào)整截割轉(zhuǎn)速和截割速度，自適應(yīng)截割控制如圖4 所示[4]。

圖4 自適應(yīng)截割控制原理示意圖

2.3 組合式智能截割控制方案

在組合式精確定位和智能截割控制的情況下，通過對掘進(jìn)機(jī)在井下的實(shí)際截割監(jiān)測，其對巷道的截割精度達(dá)到了±20 mm，遠(yuǎn)高于“無人化”自動截割控制所需的±50 mm，由于減少了截割作業(yè)過程中的停機(jī)、返修等，因此實(shí)際截割作業(yè)時的速度由最初的5.1 m/d，提高到了目前的5.79 m/d，效率提升了13.5%，對提升井下巷道掘進(jìn)經(jīng)濟(jì)性和安全性具有較為重大的意義。

3 結(jié)論

針對礦用掘進(jìn)機(jī)在井下作業(yè)過程中導(dǎo)航精度差、無法進(jìn)行自動截割的狀況，提出了一種新的礦用掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)智能控制掘進(jìn)工藝，對組合式精確定位原理、智能組合式截割方案進(jìn)行了分析，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

1）新的組合式的智能定向技術(shù)主要包括了慣導(dǎo)+全站儀+行程傳感器綜合定位技術(shù)以及液壓推移式智能定位技術(shù)，能夠?qū)⒕蜻M(jìn)機(jī)運(yùn)行時的定位精度提升到±15 mm；

2）智能定向截割+自適應(yīng)截割的控制方案，通過組合式智能截割控制，其對巷道的截割精度達(dá)到了±20 mm；

3）新的智能截割方案能夠?qū)⒕孪锏谰蜻M(jìn)效率提升13.5%，極大提升了井下巷道掘進(jìn)效率和精度，具有較大的應(yīng)用推廣價值。