基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下智能綜采技術(shù)的應(yīng)用研究

鄭曉峰

（永定莊煤業(yè)公司， 山西 大同 037003）

煤礦井下綜采作業(yè)屬于勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，由于井下地質(zhì)條件復(fù)雜，在綜采作業(yè)期間經(jīng)常發(fā)生瓦斯爆炸、圍巖坍塌、透水等事故，嚴(yán)重影響了煤礦井下綜采作業(yè)安全和效率。因此實(shí)現(xiàn)綜采設(shè)備的智能化運(yùn)行，建立無人化綜采工作面是減少井下安全事故、提升綜采效率的核心。采煤機(jī)作為綜采面的關(guān)鍵設(shè)備，是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化綜采作業(yè)的基礎(chǔ)。

結(jié)合采煤機(jī)井下總作業(yè)工藝流程和自動(dòng)化綜采作業(yè)需求，本文提出了一種新的基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦井下智能綜采技術(shù)，對井下綜采設(shè)備組網(wǎng)方案、采煤機(jī)智能綜采方案、采煤機(jī)遠(yuǎn)程可視化控制方案、采煤機(jī)姿態(tài)定位與自動(dòng)調(diào)整方案等進(jìn)行了研究，目前該技術(shù)方案已在多個(gè)煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)表明，在新的綜采技術(shù)方案下，井下綜采作業(yè)效率比優(yōu)化前提升了37.1%，綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低了41.8%，為實(shí)現(xiàn)無人化綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

1 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)方案

煤礦井下綜采作業(yè)是采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)聯(lián)合運(yùn)行的結(jié)果，要實(shí)現(xiàn)井下無人化綜采作業(yè)，首先需要建立采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的聯(lián)合控制網(wǎng)絡(luò)，滿足聯(lián)動(dòng)控制需求。針對傳統(tǒng)CAN 數(shù)據(jù)總線控制方案在應(yīng)用中存在的電纜長度大、移動(dòng)不便等困難，這種新的物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)控制方案，其整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示[1]。

由圖1 可知，該物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架中，在采煤機(jī)上設(shè)置了一組無線交換機(jī)，沿綜采面的液壓支架和刮板輸送機(jī)上設(shè)置了6 組無線交換機(jī)，為了確保信息傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，綜采面上無線交換機(jī)的距離不超過200 m。采煤機(jī)和液壓支架、刮板輸送機(jī)上的無線交換機(jī)為并行通信模式，確保了數(shù)據(jù)通信質(zhì)量和精確性。各個(gè)交換機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信采用了無線通信模式，在液壓支架上還設(shè)置有隔爆攝像頭，用于對采煤機(jī)、液壓支架的相對位置關(guān)系進(jìn)行監(jiān)測。在巷道端部設(shè)置有2 組無線交換機(jī)用于實(shí)現(xiàn)和地面控制中心的遠(yuǎn)程控制和通信。該物聯(lián)網(wǎng)控制模式具有設(shè)置靈活性高、數(shù)據(jù)傳輸速度快、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)有線傳輸模式布線困難、受地形影響大的不足。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)構(gòu)架示意圖

2 采煤機(jī)智能綜采控制

為了滿足采煤機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)條件下的自動(dòng)截割作業(yè)，一種新的自適應(yīng)記憶截割控制邏輯，在采煤機(jī)工作時(shí)包含截割路徑記憶、截割路徑規(guī)劃及控制、人工干預(yù)控制三個(gè)部分。在截割路徑記憶階段主要依靠人工控制采煤機(jī)進(jìn)行截割作業(yè)，系統(tǒng)自動(dòng)對截割過程中的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行記錄，作為后續(xù)路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)。在截割路徑規(guī)劃及控制過程中采煤機(jī)根據(jù)人工控制截割過程中所記錄的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)及采煤機(jī)的進(jìn)給速度自動(dòng)進(jìn)行記憶截割路徑規(guī)劃和控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)截割作業(yè)。當(dāng)井下地質(zhì)條件突變時(shí)，煤層參數(shù)和記憶截割坐標(biāo)參數(shù)會(huì)有較大的差異性，無法進(jìn)行自動(dòng)截割作業(yè)，此時(shí)系統(tǒng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)程人工干預(yù)控制，通過遠(yuǎn)程視頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)煤礦井下綜采作業(yè)的人工調(diào)整和控制。

采煤機(jī)在進(jìn)行記憶路徑規(guī)劃時(shí)，所記錄的點(diǎn)為關(guān)鍵坐標(biāo)點(diǎn)，各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)之間是不連續(xù)的，因此在進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)需要首先對各個(gè)離散點(diǎn)進(jìn)行截割路徑的擬合和修正，以滿足連續(xù)截割的控制需求，采煤機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)擬合曲線如圖2 所示[2]，圖中A、B 分別表示截割作業(yè)的最高點(diǎn)，到達(dá)該點(diǎn)時(shí)需要調(diào)整搖臂截割高度，避免出現(xiàn)觸頂損壞。

圖2 采煤機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)擬合曲線示意圖

3 采煤機(jī)可視化遠(yuǎn)程控制技術(shù)

為了便于對采煤機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和調(diào)整，滿足遠(yuǎn)程可視化控制需求，一種基于VR 技術(shù)的遠(yuǎn)程可視化控制方案。首先利用三維建模軟件建立采煤機(jī)的三維模型，在建模時(shí)采煤機(jī)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)處需要根據(jù)實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行建模，采煤機(jī)機(jī)身等機(jī)構(gòu)可以采用一體化建模，以提升建模的效率和準(zhǔn)確性。建模完成后對采煤機(jī)模型進(jìn)行技術(shù)參數(shù)的設(shè)置，然后將設(shè)置參數(shù)歸檔到虛擬控制平臺(tái)中。

該可視化遠(yuǎn)程控制技術(shù)在應(yīng)用過程中通過設(shè)置在采煤機(jī)上的姿態(tài)傳感器對采煤機(jī)的姿態(tài)進(jìn)行全面檢測，將監(jiān)測結(jié)果傳輸?shù)娇刂浦行膬?nèi)，控制中心對給姿態(tài)參數(shù)進(jìn)行修正后傳輸?shù)絍R 控制中心，控制虛擬的采煤機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的姿態(tài)調(diào)整，使采煤機(jī)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)和虛擬運(yùn)行狀態(tài)保持一致，便于操作人員在控制中心內(nèi)對采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行直觀的監(jiān)測。采煤機(jī)遠(yuǎn)程可視化監(jiān)測控制界面如圖3 所示。

圖3 采煤機(jī)可視化控制界面示意圖

4 采煤機(jī)姿態(tài)定位與自動(dòng)調(diào)整

采煤機(jī)的姿態(tài)定位與調(diào)整是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)綜采作業(yè)和遠(yuǎn)程智能控制的基礎(chǔ)。由于煤礦井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此傳統(tǒng)的僅依靠單一姿態(tài)定位的方案無法滿足監(jiān)測可靠性需求[3]，因此一種新的基于捷聯(lián)慣性導(dǎo)航與激光定位相結(jié)合的綜合姿態(tài)定位技術(shù)。以捷聯(lián)慣性導(dǎo)航為核心以激光定位為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行過程中姿態(tài)的精確定位，綜合姿態(tài)定位原理如圖4 所示[4]。

圖4 綜合姿態(tài)定位原理示意圖

由圖4 可知，該定位方案中，主要是通過在采煤機(jī)機(jī)身和巷道內(nèi)設(shè)置定位基站，根據(jù)機(jī)身上基站和固定基站的相對坐標(biāo)偏移量來確定采煤機(jī)的姿態(tài)情況，然后利用激光掃描儀標(biāo)定采煤機(jī)機(jī)身的模塊坐標(biāo)值，通過姿態(tài)估算方程來對采煤機(jī)的機(jī)身姿態(tài)進(jìn)行補(bǔ)充確認(rèn)。對采煤機(jī)機(jī)身姿態(tài)的糾偏主要是利用機(jī)身理論姿態(tài)值和監(jiān)測姿態(tài)值的偏移量來確定調(diào)節(jié)參數(shù)量，通過調(diào)整執(zhí)行油缸、液壓馬達(dá)等控制機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)機(jī)身狀態(tài)的調(diào)整，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測該方案的姿態(tài)定位精度達(dá)到了±1 mm，極大的提升了采煤機(jī)姿態(tài)定位的精確性。

目前該綜采技術(shù)方案已經(jīng)在多個(gè)煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測結(jié)果表明，采用新的綜采方案后井下綜采作業(yè)效率比優(yōu)化前提升了37.1%，綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低了41.8%，顯著提升了煤礦井下綜采作業(yè)的效率和經(jīng)濟(jì)效益，為推進(jìn)無人化綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

1）物聯(lián)網(wǎng)控制模式具有設(shè)置靈活性高、數(shù)據(jù)傳輸速度快、穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，有效解決了傳統(tǒng)有線傳輸模式布線困難、受地形影響大的不足。

2）自適應(yīng)記憶截割控制邏輯及基于VR 技術(shù)的遠(yuǎn)程可視化控制方案能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)在復(fù)雜地形條件下的自適應(yīng)截割控制和遠(yuǎn)程智能控制，靈活性高、適應(yīng)能力強(qiáng)。

3）采煤機(jī)姿態(tài)定位與自動(dòng)調(diào)整方案能夠?qū)崿F(xiàn)±1 mm 的姿態(tài)定位精度，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)綜采作業(yè)和遠(yuǎn)程智能控制奠定了基礎(chǔ)。

4）新的綜采技術(shù)使井下綜采作業(yè)效率比優(yōu)化前提升了37.1%，綜采面作業(yè)人員數(shù)量降低了41.8%，為推進(jìn)無人化綜采作業(yè)奠定了基礎(chǔ)。