EBZ160型掘進機智能化改造技術實踐研究

＊高鵬翔

（晉能控股集團同忻礦 山西 037000）

引言

在當前國家能源緊張的大環境下，為確保我國能源安全，發揮煤礦行業在國家發展中的重要作用，是當前亟須考慮的現實問題。煤礦智能化建設在提升煤礦生產安全和生產效率方面有顯著的效果，是我國當前煤炭發展的重要方向。為此，構建安全、高效、環保、智慧的煤礦，是我國煤礦工業實現高質量發展的必然選擇。結合礦井的生產實際，廣泛的引進更先進、可靠性更高的生產設備，同時整合工作面現有的生產設備，提升系統運行的效率，最大限度的確保工作面生產的安全性[1]。

掘進機是實現煤礦智能化開采的重要裝備。提升掘進機的機動性能、自動化及智能化水平，是煤巷掘進與采煤技術持續革新的關鍵。掘進機運動軌跡分析是巷道智能化建設的迫切需要。對此國內的很多學者這方面進行了大量的研究，如馮君玲等[2]應用仿真軟件進行了縱軸式掘進機截割頭載荷情況影響因素的仿真分析；邢健[3]以CAN總線為基礎設計了掘進機實時監控系統并分析了其應用；岳亞軍[4]研究了以云端技術為基礎的頂管掘進機監控系統，并試著研究，怎樣建立應用數據庫；張亞林等[5]研究了以慣性導航系統為基礎的掘進機遠程監控系統；王祝[6]研究了以機器視覺技術為基礎的懸臂掘進機進行自主定位的主要技術；徐嘯[7]探討了礦井巷道掘進作業中智能化技術在掘進機中的應用；劉志強等[8]研究了復雜工況下的建井智能化技術；錢敏等[9]研究了礦井掘進工作面存在的主要不安全行為與具體防控措施；于洋[10]研究了以智能化技術為基礎的掘進工作面安全生產預警監測技術；郝正強[11]研究了掘進機自動截割的主要成形控制方法，并進行了應用分析。而目前已有的機器人步態研究主要集中在步態控制方面，缺乏對機器人的避障、路徑規劃等方面的研究。文章就EBZ160型隧道掘進機的技術改造作了較為詳盡的闡述，并在此基礎上進行了現場使用實驗。通過對EBZ160掘進機進行智能化改造，使隧道的安全性能得到了顯著的改善、施工效率得到了顯著的提高、施工與支護技術得到了優化[12]。采用多機器協作的方式，實現了掘進巷道錨桿運輸安全智能操作的連續、快速和穩定。

本系統在充分考慮工作面實際情況的條件下，對當前工程建設的實際情況，工程設備的配置情況，當前的智能化水平進行了深入的分析，并結合最新的標準，完成智能掘進工作面的建設，該系統具有可視化工程，可以在遠程實現系統設備控制，實現高危崗位無人化操作，大幅度提升工作面的生產效率和安全性，以高度的智能化水平推進礦井的高質量發展。

1.EBZ160型掘進機組成結構及技術參數

EBZ160型掘進機作為工作面作業最重要的設備，其主要的結構如圖1所示。由圖1可知，該系統主要有13個關鍵的部件，包括液壓系統、電氣系統、行走機構、裝載機構等。掘進機的參數如表1所示。

圖1 EBZ160型掘進機組成示意圖

表1 EBZ160型掘進機參數

2.EBZ160型掘進機技術改造

本文主要從以下4個系統完成對工作面的智能化改造：掘進機機載子系統、網絡通信子系統、掘進工作面集控系統及智能轉運系統。

(1)掘進機機載子系統

該系統的主要組成為傳感器單元，主要用來采集距離、視頻等信息；姿態檢測單元，主要用來檢測掘進機的姿態；同時包括遠程網絡控制模塊和對應的執行單元等。

該系統利用三維36度全景激光雷達及參考定位標志牌實現了對掘進機的位置、姿態的實時監控。本項目提出一種基于激光掃描與車身多傳感信息融合的懸臂機器人姿態探測新技術，在保證機器人姿態精度的前提下，充分發揮機器人多傳感信息的協同作用，有效地克服了傳統機器人不能清楚地觀測到機器人姿態精確定位不足的問題如圖2所示。

圖2 激光掃描儀示意圖

在該掘進機上，裝有5套煤礦專用的本式粉塵攝像裝置，可對整個工作面進行監控，見圖3。該攝像機具有自動清潔的能力，實際安裝位視實際環境而定。通過礦井自動化網絡將視頻上傳到地面，技術人員通過控制中心的平臺頁面可以對任意一個攝像頭進行訪問，實現了在地面的實時監測、顯示和存儲，存儲的存儲期限不少于30天。在掘進機的機體上裝有防撞傳感器，通過探測機體與煤面的距離來達到防撞的目的[4]。

圖3 攝像儀安裝位置示意圖

(2)網絡通信子系統

在掘進機上分別安裝了信號傳輸基站與本安交換機，通過通信網絡實現與控制系統之間的信息傳輸。圖4為數據傳輸的示意圖，數據采集端以無線數傳網絡將數據傳輸至控制臺。

圖4 無線傳輸示意圖

(3)掘進工作面集控系統

EC601-MJJ-SU-01煤礦本安遠程發送機，可對各開關、把手的狀況進行實時的檢測，并將其控制命令經無線網傳送到EC601-MJJ-MU-01煤礦本安全車內的無線電接收機。遠程遙控平臺上配備兩臺顯示器，分別用來顯示系統控制軟件運行的參數信息和工作面視頻采集單元傳送過來的監控畫面，圖5為遠程監控平臺。

圖5 遠程遙控平臺

(4)智能轉運系統

DWZY1000/2000緩沖床式皮帶機用自移機尾，該設備適用于各種皮帶運輸機，在掘進面施工時，可以在支架上設置一體化的防塵裝置，防塵裝置可獨立移動，也可以和機架同步移動[5]。該液壓系統的動力源為掘進面高壓乳化液如圖6所示。

圖6 智能轉運系統示意圖

3.應用效果

由于煤礦地質構造和工作環境的特殊性，導致掘進機在掘進過程中經常會遇到不水平的情況。另外，因隧道開挖時巷道圍巖發生滲水，造成了隧道底板潮濕、淤泥的現象[13]。30102回風順槽的主要成分為煤，該工作面的基本參數為寬×高，為5.6m×3.5m，采用多重聯合支護的形式，在對工作面完成智能化改造以后，得到了如下效果。

(1)作業工序影響時間對比

使用EBZ160型掘進機，在掘進過程中需要多次的往返作業，降低了生產效率，單次掘進機的進退循環時間高達18min經過智能化改造后，每一次掘進周期僅需1次回撤，時間約為2min。施工過程縮短16min，顯著降低施工過程持續時間[6]。

(2)掘進進尺對比

采用EBZ160型掘進機每天的掘進距離為5m，在完成了智能化改造后，掘進距離達到了8m，掘進效率提升了60%。

(3)減少了工人數量

工作面的智能化改造對現場作業效率的提升起到了良好的效果，有效促進了巷道掘進與支護的協同，降低現場作業的施工人數。經過改造前后的對比，改造后，工作面掘進司機的人數比之前減少3人、皮帶工的人數比之前減少3人，最大限度的降低人工作業的風險，同時智能化改造后顯著的提升了生產效率，確保了采掘工作、掘—支—錨工作的一體化進行[7]。該工作面的工作模式以自動控制為主，并配備少量的技術人員進行遠程的監控與控制，從而確保在實現工作面人少的情況下仍能夠保持較高的掘進效率。

4.結束語

通過對EBZ160型掘進機進行智能改造，減少了工人人數，降低了勞動強度，保證了施工效率，增加了經濟效益，降低了管理的工作負擔，提升了巷道施工效率，保證了施工的安全性。通過對設備狀態的實時監測，能夠實時掌握設備運行狀態，并可以根據監測指標進行有針對性的維修保養，防止突發故障造成的經濟損失，從而實現了為類似礦井進行智能建設提供指導的目標。