煤礦智能化掘進遠程控制系統建設與應用

呂富杰

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 臨汾 031600）

1 智能化掘進系統

1.1 設計要求

自動化機械巷道掘進作業應采用適宜的技術裝備，應滿足煤礦采掘接替需求。采用智能物探、鉆探技術進行巷道超前探測，實現掘進數據實時數字化分類存儲和現場地質三維建模功能；掘進工作面的條件適宜煤層，優先采用掘、支、錨、運、破碎一體化成套裝備，通過掘進工作面遠程集控平臺，實現基于感知信息對掘進工作面的遠程集中控制[1-2]。

1.2 系統組成及優勢

掘進機遠程智能控制系統由慣性導航系統、中央控制單元、光纖通信以太環網、遠程視頻監控分站、遙控器和井下井上遠程監控設備等部分組成，如圖1所示。

圖1 系統設計架構

實現全機械化作業，根據地質條件、空頂距等要求，以安全、高效、少人、快掘為目標，實現智能化掘進。實現所有設備“一鍵啟停”、供配電、設備狀態監控、視頻監測、無線數據網絡管理及單位可視操控、多機協同控制、遠程集中控制和流程啟停等。掘進機遠程智能控制系統是面向工程機械裝備制造產業，將煤炭巷道掘進技術升級換代，解決現有煤巷掘進帶來的管理、安全、環保、效率等一系列問題的系統。該系統針對巷道工作面進行研究，以一種具有實時性的掘進機機身位姿參數測量系統作為基礎，提出懸臂式掘錨機智能遠程控制方案。新型掘進機智能遠程控制系統，長期適用于工作面現場惡劣的環境，使得工作人員遠離粉塵、噪聲及危險區域，改善工作環境，減少事故發生概率，提高掘進作業的工作效率及安全性[3]。

1.3 掘進機遠程智能控制系統

掘進機工作現場的視頻采集功能，圖像分辨率可達1 080P，且成像系統中具備紅外照射、強光抑制、超寬動態、超低照明度等算法，具備云臺攝像功能，滿足角度旋轉、焦距縮放；同時具備語音通信的功能；掘進機狀態參數信息數據采集功能；采集后數據可遠程傳輸功能；1 000 m 外遠程監視、遙控功能；井下數據、圖像上傳至地面調度中心的功能；截割軌跡在線監測的功能[4]。

1.3.1 慣性導航定位技術

光纖慣導產品采用模塊化設計，光纖INS 純慣性自主定位定向具有反應速度快、準備時間短、姿態精度實時可調、抗干擾能力強等特點。

1.3.2 在線監測截割軌跡

采用高精度陀螺儀與加速度計，速度快、時間短、抗干擾能力強，實現煤礦巷道掘進自主掘進機車身姿態方位信息的獲取，可達到精度0.1°車身姿態，掘進機智能實時傳感器網絡發出的多傳感信息指令，模型精確計算得出實時的截割頭位姿參數。

1.3.3 截割遠程智能控制

掘進機遠距離截割（＞1 500 m），控制反應速度快；掘進工作面具有巷道成型準確，邊界報警功能，斷面成型誤差小于15 cm，有效防止超掘、欠掘現象發生，精準實現遠距離迎頭斷面截割。慣性導航系統和精確傳感網絡技術相融合，精確完成掘進機截割頭軌跡模擬實時監控，上傳至現場操作臺和地面監控室，實時掌控巷道掘進過程中設備工作情況與掘進工作面的各種參數信息[5]。

1.3.4 遠程可視化應用

掘進機上安裝高清無線攝像頭和信息數據傳輸設備，實現了巷道掘進遠程實時監控。監控視頻清晰度1080P 和紅外補光技術等優點；封閉式一體化云平臺設計實現水平角度0～360°，垂直角度0～90°。通過無線高清攝像頭和信息數據采集傳輸設備，同時將掘進機施工時的音頻信息、設備運行狀態信息等通過無線網絡傳輸至掘進機后方的遠程操作平臺，再通過工業環網傳輸至地面操控室，全方位實現遠程實時監控。

1.3.5 井下電子圍欄

人員防誤入系統采用視覺AI 技術+UWB 高精定位組合，實現主動與被動式組合檢測。利用視覺AI技術，主動檢測掘進機一定范圍內的人員情況；利用UWB 技術，對礦燈及人員標識卡進行識別。在工作過程中一旦檢測到人員誤入，主動報警提示。

1.3.6 地面操作臺

地面集控中心通過礦井萬兆環網將井下集控中心的數據傳輸到地面集控中心，集成了各分系統的綜合集中控制功能，以及數據存儲、數據分析等功能。可分為簡易地面操作臺、1.2 m 曲面屏地面操作臺、三維視覺畫面地面操作臺。井下集控室是智能化綜掘工作面的核心裝備，集成了各分系統的綜合集中控制功能，各參數的采集以及分析處理功能。井下集控可分為遠程操作臺集控、井下集控室集控。

2 掘錨一體

錨桿鉆車可實現360°無死角鉆孔作業；通過兩個鉆臂調整相對位置，找到更適合的打孔位置；平臺與鉆臂一體化設計的操作平臺，可以給操作者提供安全方便的操作位置[4-5]，如圖2 所示。

圖2 錨桿鉆車

將兩個錨桿機構與掘進機巧妙地組合在一起，掘進機作業時將錨護機構收回到行走部上；錨護作業時，支護展開兩錨桿機前伸到截割頭前錨護作業，避免了截割部作業振動對錨護機構的影響。

錨桿機具有夾持器功能，可以夾住卸釬桿、拔釬桿；夾持器打開后，可以通過錨盤120 mm×120 mm。雙級伸縮平臺，錨桿機構在兩側行走部，通過雙級滑動伸縮平臺，將錨桿機伸出到截割頭前方錨固作業，實現掘進與錨護位置的切換。

掘錨機的作用，現場施工人員在支護頂板下只做簡單的輔助工作；降低勞動強度和安全系數，減少人力成本。機械化實現錨護作業改善了作業環境，解決了掘進機與錨桿機分解結合工作造成人力、物力的浪費；實現全斷面錨桿施工。掘進機與錨護設備設有液壓互鎖切換閥，確保錨護機設備動作時掘進機不動，錨護機設備有壓力傳感器鎖死截割電機，避免誤操作。

3 功能實現

1）掘進機遠程智能控制系統具有實時性的掘進機機身位姿參數測量系統作為基礎，實現掘進機截割頭自動截割，進而達到工作面少人化、智能化；

2）實現遠程（井下、地面）圖像監控掘進機工作斷面、設備截割頭、整機位置、后配套出料情況，方便操作者操作以及緊急情況處理；

3）遠程智能截割，掘進機遠程遙控操作，提高操作人員的人身安全，改善其工作環境，降低巷道粉塵對其的危害；有利于煤礦擴展需求的視頻和數據信息接口。地面工作人員可實時監控井下環境和設備情況，異常情況時可以采取緊急措施。該系統預留出了相應視頻和數據信息接口，有利于煤礦擴展的需求；有效解決煤礦井下掘進面環境惡劣問題。

4 應用效果

1）提高工作效率,巷道掘進機工作現場復雜、環境惡劣、截割粉塵量大、亮度差，斷面欠挖、超挖現象時有發生。功能實現后，實時坐標控制巷道截割邊界，完成巷道邊界報警功能及停止掘進機截割頭邊界超挖動作，抑制截割斷面欠挖、超挖現象，巷道掘進效率提高28%，減少了施工時間，提高巷道成型質量。

2）節約人力成本，掘進機遠程智能控制系統改造后，每個掘進工作面每班減少工作人員8 名，早、中、夜三班共減少24 人，掘進直接工平均工資按10 600元/（人·月）計算，每月節約人工成本約254 400 元，按12×254 400 計算，年節約人工成本約305.28 萬元。山西某礦現有掘進工作面4 個，按3 052 800×4計算，全礦年節約1 221.12 萬元。

5 結語

山西某礦掘進機按照本質安全的要求進行智能化升級改造，優化了掘進機行走偏誤差，提高了巷道掘進斷面的質量控制準確度，改善了工作環境，降低勞動強度，減少人力、物力成本，提高了山西某礦安全生產效率。