鐵新煤礦智能掘進系統建設方案分析

杜偉

（山西保利鐵新煤業有限公司，山西 晉中 031302）

在煤礦井下綜采作業工作中，巷道掘進是非常重要的環節，該項工作通常又可細分為截割、支護、運輸等多個方面，巷道掘進各個環節的高效配合是實現掘進效率和質量提升的關鍵途徑。鐵新煤礦2301 材料巷掘進工作面，由于缺乏統一的安排和精準的作業標準指導，導致實際工作過程中各個工序銜接相對較為混亂，對巷道掘進效率及安全性的影響也比較大。為有效解決此類問題，鐵新煤礦決定應用智能掘進系統，以此為基礎做進一步分析探究。

1 概 況

鐵新煤礦2301 材料巷掘進工作面位于井下2號煤層三采區，北部距井田邊界188 m，緊鄰南續煤礦；西部為2301 運輸巷；南部為2 煤三采區回風巷、運輸巷、軌道巷；東部距補2 鉆孔25 m。2301 材料巷工作面+555 水平，地面標高+872.5—+1 020.0 m，井下標高+552—+625 m，設計施工長度1 761 m，沿2 號煤頂板進行掘進。2301 材料巷煤層頂底板情況見表1。

表1 煤層頂底板情況Table 1 Coal seam roof and floor situation

2301 材料巷斷面形狀為矩形，掘進寬度4.8 m，高2.3 m，斷面積11.04 m2；巷道凈寬4.6 m，凈高2.2 m，凈斷面積10.12 m2，巷道布置如圖1所示。

圖1 2301 巷道布置關系Fig.1 Layout relationship of the 2301 roadway

2 原有施工方法及其問題

原2301 材料巷掘進工作面巷道掘進采用EBZ-160（II）型懸臂式掘進機掘進、裝煤矸配合帶式輸送機出矸的方法施工。工藝流程為交接班—安全檢查、敲幫問頂—施工準備（準備支護設備和材料、檢修設備、延皮帶、校核激光等）—掘進、運煤、灑水降塵—安全檢查、敲幫問頂—臨時支護—永久支護—質量驗收。

此掘進形式存在以下問題：①整體工藝配套方面，掘、支、運、輔不平衡，制約了掘進效率的提高；②掘進機自動化、智能化水平低，掘進機不能遠程遙控作業，難以實現掘進工作面迎頭的少人化和無人化，并且無自主定位和導航系統，掘進機司機根據激光指向儀打在工作面煤壁上的光點憑感覺截割斷面，巷道成型差；③采用氣動錨桿鉆機錨護，勞動量大、錨護效率低，且在空頂區下作業，危險系數高；④帶式輸送未實現機尾自移和張緊力自動控制；⑤各設備系統間關聯性不強，未實現集中協同控制，各設備均需單獨配備操作人員。

針對這些問題以及鐵新煤礦對智能掘進的需求，同時結合2301 材料巷掘進工作面煤層巖性、地質條件以及巷道斷面設計參數等，設計一套智能化掘進工作面建設方案，提高生產效率。

3 智能掘進系統建設方案

3.1 工藝裝備配套

2301 材料巷為回采巷道，故掘進設備需適應于煤巷掘進。2301 材料巷斷面形狀為矩形，巷道凈寬4.6 m，而掘支交替作業工藝要求巷道凈斷面寬度5.0 m 以上（懸臂式掘進機鏟板最小寬度3.0 m、液壓錨桿鉆車最小寬度1.3 m、懸臂式掘進機和液壓錨桿鉆車行進及錯車安全距離最小為0.7 m），故不宜采用懸臂式掘進機+液壓錨桿鉆車配套方式；橫軸式掘錨一體化設備適用于矩形大斷面煤巷掘進，2301 巷道高度較低，為2.2 m，故不宜采用橫軸式掘錨一化設備。

為適應鐵新煤礦2301 材料巷中等穩定頂板、巷道高度2.2 m、寬度4.6 m、矩形斷面形狀及類似條件煤層巷道掘進需求，結合該礦掘進月單進目標和國內外掘進裝備制造情況，確定裝備配套方式為懸臂式掘進機+錨桿鉆機+帶式轉載機+可伸縮帶式輸送機+邁步式自移機尾+除塵系統+集控中心等，如圖2 所示。

在實際運行過程中，懸臂式掘進機機載臨時支護裝置完成截割煤（巖）、迎頭臨時防護，通過錨桿鉆機完成一次永久支護，物料轉運至帶式轉載機（二運），再通過帶式轉載機，轉運至可伸縮帶式輸送機，除塵風機在掘進機割煤作業時進行除塵工作。集控中心放置在巷道開口附近，對工作面掘進設備進行遠程集中可視監測與協同控制。

3.2 智能掘進系統

結合鐵新煤礦2301 材料巷實際情況，此次選擇EBZ-200 型掘進機，該設備由截割部、鏟板部、一運、行走部、臨時支護裝置、液壓系統、噴霧及冷卻系統、電氣系統等組成，除具有割、裝、運等基礎機械化功能外，還具有自動化、智能化功能，配套有掘進機遠程智能控制系統，該掘進設備的控制系統模塊結構組成如圖3 所示。

圖3 掘進設備控制系統模塊結構Fig.3 Module structure of tunneling equipment control system

根據這些控制系統模塊，EBZ-200 型懸臂式掘進機具備自動截割、遠程操控和危險區域人員接近識別與報警等功能。

（1）自動截割。自動截割控制系統可實時接收油缸內置傳感器數據，對截割臂進行控制，完成拱形、梯形、矩形等多種形狀的斷面自動截割，實現懸臂式掘進機按已規劃好的截割軌跡自動截割成巷。

（2）遠程可視化視頻監控系統。通過在掘進機上安裝的攝像頭、傳輸站等相關設備，將掘進機工作時的音頻以及設備運行狀態信息等數據利用有線或無線網絡傳輸至掘進機后方的遠程操作臺，再通過環網全部傳輸至地面調度室，實現全方位的遠程實時監控。

（3）自動定位和導向系統。自主導航系統采用組合導航方式，包括慣性導航和全站儀，以實現機身的定位和定向。自主導航系統包括巷道坐標系下機身6 個自由度的實時數據，包括機身相對于巷道軸線的水平偏移、高度差、前進距離，以及機身的橫滾角、俯仰角和偏航角，使機器能夠實現自主行走和自主截割操作。掘進系統中自主導航系統界面如圖4 所示。

圖4 自主導航系統顯示界面圖Fig.4 Display interface of autonomous navigation system

為實現對掘進設備的精準定位，采用基于捷聯導航的定位模式，對掘進系統的關鍵部件進行定位。在此次智能掘進系統各個功能模塊全部設計完成后，將其應用于日常開采環節中，對其應用效果進行測試，采用的定位原理如圖5 所示。

圖5 定位原理Fig.5 Positioning principle

該定位技術模式下，操作按以下方式執行：①角速度和加速度數據采集，使用陀螺儀來獲取角速度信息，使用加速度計來測量加速度；②姿態估算，利用角速度數據來計算姿態矩陣，這個矩陣描述了載體的朝向，從姿態矩陣中推導出姿態角，使用姿態矩陣來處理加速度數據，將它們從載體坐標系轉換到導航坐標系；③重力分量濾除，通過濾除加速度數據中的重力分量，得出機車的速度和位置信息。

結合定位系統檢測到的機身姿態及機身相對于巷道的位置信息，根據巷道設計中線，計算航向角及偏差距離，對懸臂式掘進機的姿態和航向進行自動糾偏控制。

（4）工況在線監測系統。應用傳感技術、大數據技術，采用流量傳感器、油箱油溫、液位傳感器、電壓及電流傳感器、電機溫度傳感器、電機漏電傳感器、油路壓力傳感器、甲烷傳感器等裝置，實時采集工況信息，并將數據上傳至機載顯示器及遠程集控中心，實現設備工況在線監測。同時，根據這些信息可以進行工況分析及故障診斷，顯示故障來源、類型、原因等信息，為操作人員遠程操作提供重要的決策依據。如圖6 所示。

圖6 工況在線監控系統顯示界面Fig.6 Display interface of working condition online monitoring system

（5）人員接近預警系統。

基于UWB 測距方法的人員定位，重新設計了人員防入侵分系統，用于實時檢測設備與設備以及設備與人員之間的位置。通過在懸臂式掘進機安裝定位基站，人員佩戴定位卡，實現對設備周圍的人員精確定位，結合人員紅外防入侵技術，能夠提供安全預警和停機保護功能，應對未佩戴標識卡的人員進入工作面的情況。系統具備廣泛的報警范圍，最大可達100 m，支持設備聲光報警、標識卡聲音報警和震動報警。此外，標識卡可以進行分類管理，允許設置特殊權限，比如在危險區域內駕駛員可以免于報警。

3.3 智能連續運輸系統

鐵新煤礦礦井主斜井主提升運輸系統選用DTL100/28/ 2×355S 型1 m 強力皮帶，提升斜長850 m，提升傾角20°，輸送機運輸能力280 t/h，目前已可以實現井下主運輸系統集控。輔助提升系統選用副斜井雙鉤串車提升系統，絞車型號為2JK-3×1.8A，副斜井全長760 m，傾角24°，擔負全礦的輔助運輸任務。副斜井安有一部RJKY55-32/1800 型架空乘人裝置，北翼架空人車巷與 2 煤三采區輔助運輸巷分別安裝RJKY55-32/1500 型架空乘人裝置用于運送人員。3部架空乘人裝置實現地面集控，井下自動啟停功能，斜巷與運輸設備實現閉鎖保護功能。井下大巷采掘順槽均安裝SQ 系列無極繩絞車輔助運輸。

2301 材料巷安裝DZQ80/30/15 帶式轉載機，并新配置一套DWZY800/1200 型掘進工作面用邁步式帶式輸送機自移機尾。自移機尾最前端導軌上分別為智能組合開關平臺、電纜架平臺等，機尾布置1 個滾筒座。自移機尾具有防退滑自鎖功能，且便于隨自移機尾移動靈活操作。自移機尾具備滑靴抬高、皮帶找平、機尾調偏功能等基本功能。自移機尾系統具有集中對外傳輸的統一接口，各主要參數及傳感器參數均具有實時上傳功能，具備遠控功能，通信鏈路采用有線和無線冗余配置方式。自移機尾的電控系統應用開放通信協議和接口協議，可以接入礦方智能掘進集控系統，實現自移機尾的遠程集控。

3.4 智能輔助生產系統

2301 材料巷采用壓入式通風，選用2 臺FBDNo6.0/2×22 型局部通風機，通過風筒將新鮮風流送入掘進工作面，實行“雙風機、雙電源、自動切換”的運行模式。2 臺通風機采用交叉耦合控制模式，確保其始終處于平穩高效的運行工況下，控制模式原理如圖7 所示。

圖7 交叉耦合控制模式原理Fig.7 Principle of cross-coupling control mode

當控制2 臺通風機的電機分別以w1 和w2 的轉速運行時，控制器將通過傳感器設備讀取2 臺電機的轉速差，而后根據轉速差，為2 臺電機分別指定反饋調節系數K1 和K2，實現雙電機的協調控制。通過試湊法對整定耦合系數進行確定，確定鐵新煤礦整定耦合系數為140，兼顧系統響應速度和穩定性兩方面的需要。

鐵新煤礦2301 材料巷粉塵濃度不算高，且采用半煤巖巷掘進模式，因此選用KCS-500D 型礦用濕式除塵器，安裝于皮帶機自移機尾上，與自移機尾和智能化掘進機配套使用。

3.6 視頻監控系統

視頻監控系統通過網絡傳輸的方式完成對掘進機、轉載機及掘進迎頭環境狀況的視頻監控。通過視頻監控系統傳送工作面圖像，操作人員根據頂底板情況、掘進機截割情況、各設備狀態等信息，必要時對掘進機進行遠程干預。此次設計的視頻監控系統主要由視頻攝像儀、視頻顯示器、工業以太網等設備組成，可在集控中心中心對工作面的視頻實時顯示，為工作面設備的遠程控制提供依據。視頻監控系統分前端攝像部分、傳輸部分和顯示終端。

（1）前端攝像部分主要包括礦用本安型攝像儀（中低速/高速）、礦用本安型紅外球型云臺攝像儀、配套電源。

（2）傳輸部分。攝像儀的視頻數據通過工業以太網傳輸到視頻監視器顯示。

（3）顯示終端。集控中心配備的礦用本質安全型顯示器可以作為視頻監控的顯示終端，配合專用的軟件可以實現視頻顯示，實時接收視頻攝像儀發布在網絡上的視頻數據流，動態解碼、實時顯示，可以同時顯示多路視頻信息。

懸臂式掘進機電控箱給機載視頻控制箱供電，視頻控制箱給攝像頭供電，同時對視頻信號進行采集處理，為數據終端提供數據接口，并實現所有視頻數據的就地存儲，視頻地面存儲時間不低于30 d。2301 材料巷配置的存儲硬盤至少可實現80 h 的視頻存儲，根據現場需求可配置容量更大的硬盤。

4 結論

（1）在此次智能掘進系統各個功能模塊全部設計完成后，對其應用效果進行測試。整體來看，系統設備技術水平、系統設備智能分析能力以及遠程集控平臺性能都達到了預期的水平，應用效果良好，解決了鐵新煤礦采掘失衡、掘進效率較低的問題，提高了智能化程度。

（2）在當前煤礦生產規模進一步拓展的大背景下，煤礦智能化掘進系統的應用已是大勢所趨。通過應用煤礦智能化快速掘進系統，其作業精度、掘進量等方面將得到進一步的優化與突破。