掘进机智能化发展探讨

掘进机智能化发展探讨

刘迈

凯盛重工有限公司 ，安徽 淮南 232008

摘要：掘进机是煤矿井下巷道掘进作业的核心，其工作的稳定性和效率直接决定了井下巷道掘进作业的可靠性和经济性，由于井下地质条件复杂，因此掘进机在井下的定位精度差，掘进作业时需要根据井下实际情况人工进行不间断控制巷道掘进，严重依赖于人工经验和操控熟练程度，传统的记忆截割控制方案仅能适应井下较为简单的地质环境下的掘进作业，严重限制了井下巷道掘进效率。结合井下巷道掘进工艺流程和实际需求，本文提出了一种新的矿用掘进机自适应智能掘进控制方案，从提高掘进机井下定位精度和智能截割效果出发，通过采用惯性导航+液压推移式组合定位方案，对掘进机在井下截割作业过程中自动进行定位和修正。通过采用智能定向截割+自适应截割的控制方案实现了掘进机在不同地形条件下的智能掘进控制，其截割精度达到了±20mm，井下定位精度提高到了±15mm，极大地提升了井下巷道掘进效率和精度，具有极大的应用推广价值。

关键词：掘进机；自适应；智能控制

引言：

在实际掘进过程中，掘进机普遍采用人工控制的方式，在掘进过程中需要人工根据经验对井下巷道的岩层情况进行判断，由于能见度差，使得截割的速度慢、巷道成型质量差，需要二次截割，因此极大地限制了井下巷道掘进效率的提升。针对矿用掘进机在井下作业过程中导航精度差、无法进行自动截割的状况，提出了一种新的矿用掘进机自适应智能控制掘进工艺。通过组合式智能定向技术实现了掘进机在井下±15mm的精确定位，通过智能定向截割+自适应截割的控制方案，实现了掘进机在不同地形条件下的自动化截割控制。实际应用表明，该智能掘进工艺能够将井下巷道掘进效率提升13.5%以上，截割精度提高到了±20mm，为实现“无人化”巷道掘进作业奠定了基础。

1组合式智能定向技术应用

煤矿井下地质条件复杂，信息传递将会受到较大的限制，目前应用较多的主要是利用惯性导航定位方案，定位方式比较单一，定位精度约为±100mm，难以满足精确定位的需求。通过对井下巷道掘进、掘进机运行精度的分析，若要满足掘进机自动截割时的安全性需求，其定位精度不能大于±50mm。因此在经过对多种定位方案的精确分析后，定了一种新的组合式的智能定向技术，该技术主要包括了惯导+全站仪+行程传感器综合定位技术以及液压推移式智能定位技术，具有定位精度高、可靠性好的优点。掘进机在工作过程中需要根据井下的实际地质 情况不断调整截割速度、进给速度、截割高度等参数，在通常情况下，主要由人工来操作，但该模式严重依赖于操作人员的技术水平和操作状态，掘进一致性差，因此为了提升掘进机的截割可靠性，采用集成控制和大 数据统一分析的结构，通过分布在掘进机上的各类传感器对掘进机的截割参数、 截割姿态进行动态分析，实现对其截割时的一键智能控制。

1.1惯导+全站仪+行程传感器综合定位技术

惯导+全站仪+行程传感器综合定位技术是将捷联惯性导航技术、执行油缸行程控制及数字全站仪综合起来，对掘进机运行时的井下位置、截割角度信息进行综合收集，将其传输到数字解算平台内进行分析，输出分析结果，然后将其与全站仪获取的井下行程数据进行融合分析，从而快速确定掘进机井下位置的一种方案，具有数据分析精度高的优点，但数据分析速度相对较慢。

1.2液压推移式智能定位技术

液压推移式智能定位技术是将光纤导航、数字全站仪监测、执行油缸传感器信息融合集于一体的井下高精度定位技术，在工作的过程中首先通过光纤导航对掘进机运行时的速度和角速度变化情况进行分析，然后通过油缸的行程传感器获取执行油缸的推移量，然后利用数学分析迭代的方法对掘进机运行时的位置进行确认。

1.3组合式智能定向技术

在实际使用时，掘进机的油缸行程传感器和惯性导航在使用过程中会产生较大的累积误差，而在使用时采用数字传感器能够精确地确定掘进机的位置，因此采用数字传感器来对油缸行程和惯性导航进行不间断的位置误差调整，从而实现对掘进机井下工作位置的精确定位，采用将两种定位技术相互结合的方式，能够实现对掘进机在井下运行过程中的双重定位分析，从而有效提升掘进机在各种环境下的定位可靠性，根据实际应用，采用组合式智能定向技术后，能够将掘进机运行时的定位精度提升到±15mm，完全满足其自动截割的控制需求。

2智能截割控制方案

井下巷道掘进过程是影响煤矿井下综采作业的重要工序，直接决定了井下综采作业的效率和安全性。随着煤炭开采时间的增加，浅层次煤炭开采殆尽，目前多数煤炭生产企业开始逐步转向深部煤炭资源的开采，由于深部巷道围岩地质结构复杂、稳定性差，传统巷道掘进方案难以适应，因此导致巷道掘进效率低、安全性差等问题，严重影响了井下综采作业的经济性。为了解决煤矿井下地质条件复杂，人工截割控制效率低下的难题，本文提出了一种新的智能定向截割+自适应截割的控制方案，通过组合式智能截割控制，实现掘进机在煤矿井下的“无人化”截割作业，提高巷道成型效率和成型质量。

2.1智能定向截割方案

智能定向截割控制系统主要包括截割机构位置测量模块、控制器模块等，通过对掘进过程中截割机构位置和截割角度的判断，确定截割结构和巷道截面的相对位置，然后将实际位置和理论截割位置相对比，获取偏差量，然后将偏差实时反馈给掘进机的掘进控制系统，通过模糊PID控制的方案实现对掘进机行走机构、截割机构的精确控制。

2.2自适应截割方案

当掘进巷道处在夹杂着煤矸石、半煤岩的地质环境下时，定向截割控制存在着反应速度慢、截割灵活性差的不足，因此在该类复杂环境下，提出了自适应截割控制方案，以掘进机的截割臂摆动速度为控制量，通过利用数字遗传优化算法来实现对掘进过程中电机输出功率的灵活控制，在不同的硬度地层条件下，灵活调整截割转速和截割速度。

2.3 组合式智能截割控制方案

在组合式精确定位和智能截割控制的情况下，通过对掘进机在井下的实际截割监测，其对巷道的截割精度达到了±20mm，远高于“无人化”自动截割控制所需的±50mm，由于减少了截割作业过程中的停机、返修等，因此实际截割作业时的速度由最初的5.1m/d，提高到了目前的5.79m/d，效率提升了13.5%，对提升井下巷道掘进经济性和安全性具有较为重大的意义。

3结论

针对矿用掘进机在井下作业过程中导航精度差、无法进行自动截割的状况，提出了一种新的矿用掘进机自适应智能控制掘进工艺，对组合式精确定位原理、智能组合式截割方案进行了分析，根据实际应用表明：

1）新的组合式的智能定向技术主要包括了惯导+全站仪+行程传感器综合定位技术以及液压推移式智能定位技术，能够将掘进机运行时的定位精度提升到±15mm；

2）智能定向截割+自适应截割的控制方案，通过组合式智能截割控制，其对巷道的截割精度达到了±20mm；

3）新的智能截割方案能够将井下巷道掘进效率提升13.5%，极大提升了井下巷道掘进效率和精度，具有较大的应用推广价值。

参考文献：

[1]惠兴田，田国宾，康高鹏，等.煤巷掘进装备技术现状及关键技位置截割头位置检测视觉测量截割臂位姿机身位姿检测术探讨［J］.煤炭科学技术，2019，47（6）：11-16．

[2]毛清华，陈磊，闫昱州，等.煤矿悬臂式掘进机截割头位置精确控制方法［J］.煤炭学报，2017，42（S2）：562-567．

[3]刘治翔，王帅，谢春雪，等.油缸位移传感器精度对掘进机截割成形误差影响规律研究［J］.仪器仪表学报，2020，41（8）：99-109．

[4]卢新明，闫长青，袁照平.掘进机精准定位方法与掘进机器人系统［J］.通信学报，2020，41（2）：58-65．