煤矿井下智能化高效掘进控制体系的研究

煤矿井下智能化高效掘进控制体系的研究

王恒

国家能源集团神东煤炭集团榆家梁煤矿  陕西省榆林市  719316

摘要：在国民经济蓬勃发展过程中，对于煤炭能源的需求量呈现逐年上涨趋势，在我国能源消费中占较大比重，2021年全国原煤产量41.3亿t，创历史新高，占能源消费总量的56%，预计在未来较长时期内，煤炭在我国能源体系中的主体地位和压舱石作用不会改变。按照规划，到“十四五”末，国内煤炭产量控制在41亿t左右，煤炭消费量控制在42亿t左右，将继续推动建设大型智能化煤矿，全国煤矿数量将由5300处减少至4000处左右，建成智能化生产煤矿1000处以上。目前，综采智能化发展水平已经相对较高，但掘进系统智能化受生产工艺及复杂环境条件，各配套智能设备相对不成熟等多方面因素影响，发展水平仍相对较低。

关键词：煤矿井下；智能化；高效掘进

引言

巷道应满足通风、运输、行人等的需求，巷道掘进效率直接影响采面接替以及煤岩开采效率。随着煤炭开采技术不断提升，井下回采巷道掘进实现了由人工掘进、炮掘、综掘等方式的转换。远程智能化控制系统可提高掘进机自动化、智能化水平，同时作业人员在远离掘进迎头且相对安全的地点工作，对提高煤炭开采效率具有重要意义。

1煤矿井下掘进影响因素

第一，煤炭企业采用的巷道掘进方案缺乏合理性。煤矿井下地质条件十分复杂，顶板很容易出现破碎问题。在日常作业中，企业会采用掘进机顺时针巷道截割作业，这也会造成井下塌方的问题，进而影响到井下巷道的掘进效率。

第二，井下作业过程中，煤炭企业采用的施工工序不科学。在巷道掘进的过程中，很多作业人员都要相互配合共同作业，但由于企业采用的管理机制过于滞后，使得井下作业期间很多施工工序只能串行，不论是对煤矿井下巷道掘进效率还是生产安全，都造成了严重的影响。

第三，作业方案缺乏合理性。在日常工作中，井下顶板矿压一直处于变动情况，这对企业采用支护作业的安全性也提出了严格的要求，如果只借助单锚杆支护方案开展工作，巷道掘进作业无法顺利完成，而使用了过多的锚固剂延缓了其凝固的速度，这在很大程度上都会影响巷道掘进的效率。

2煤矿井下智能化高效掘进控制体系

2.1掘、运、支一体化智能控制系统

掘、运、支一体化控制系统要实现对井下地质状态的智能感知、对掘运支设备的智能控制、对系统运行状态的自动巡检和故障报警。边缘感知层是该智能控制系统的“眼睛”，主要是对掘进面的掘进环境进行快速监测，构建井下地质状态分布模型，为掘进机的正常掘进作业提供技术支持。平台决策层是该智能控制系统的“大脑”，主要通过对各类监测数据的分析和判断，对掘进机的智能掘进、设备的自动支护等提供决策信息，保证井下掘进面设备的稳定运行。设备执行层是该智能控制系统的“四肢”，主要用于接受决策层的决策信息，并控制掘进面的设备执行，实现多设备的协同运行作业，提高井下巷道掘进效率和稳定性。数据运维层是该控制系统的“保姆”，主要通过大数据分析的方式对各设备的运行状态进行判断，提供设备全寿命周期的分析报告，确保设备的运行安全性和使用寿命。在工作过程中，该智能控制系统中首先由边缘感知层对掘进区域的地质情况进行分析汇总，将地质状态信息传输到决策层，同时设备运行状态感知系统也将各综掘设备的运行参数信息传递到平台决策层内，系统通过决策逻辑方法对系统的整体运行情况进行决断，然后将决策结果发送到设备执行层，控制综掘面的相应设备完成智能截割、智能支护、远程监控等。同时系统内设置了远程运维层，主要是对系统的整体运行状态进行动态监测，当设备的运行参数出现异常后及时进行报警及故障定位，便于监测人员能够第一时间进行处理，减少设备停机维护对综掘面综掘的影响，提升设备运行稳定性和井下的综掘效率。

2.2导航定位子系统设计

掘进机自主导航定位系统是掘进机智能化的核心关键技术，核心由掘进机车身定位系统和截割头定位技术组成，整个子系统具体包括激光物位仪、CPU、GPU、激光陀螺惯性导航、激光陀螺、加速器等部件。掘进机车身定位系统采用三维激光扫描仪与激光陀螺惯性导航融合技术。其中，三维激光扫描仪通过内置的激光雷达扫描预定的相关标靶，将采集的点云数据发送至GPU图像处理器进行模型构建及计算。同时，车身位置信息结合截割臂升降、回转、伸缩油缸位移传感器通过车载控制器进行截割头相对于巷道的位置信息。截割头位置信息是断面自动截割成型的重要数据信息。

2.3智能导航系统

第一，将无源导航和有源导航进行有机结合：在掘进工作面当中，导航方式主要依靠激光指引装置的设置。利用指引装置对激光进行发射，能够将其作为巷道前进方向的代表。巷道保持延伸状态，指引装置也会随之保持前进。掘进机操作人员可利用以往相关经验，将掘进工作面上的激光点设置到截割面所在区域，在实施截割作业时，需要在外周边界进行截割头设置，不过该导航方式目前还不能自动对掘进机进行截割。而有源监控则是利用摄像头的方式，实现对掘进工作面的控制，更便于地面控制工作人员深入掌握工作面的具体情况，并及时对潜在的问题进行分析和探究，制定针对性的处理措施。

第二，对系统运行状态进行自动化识别，确保系统运行效益的提升。掘进机测量系统本身包含较多的技术手段，需要定期进行自我检测，才能以此准确判断测量的精度，并对诊断的结果进行实时的传输，提供科学准确的检修维护数据。利用该方法，能够最大程度保证导航系统在输出精度上的正常化，合理调节偏差，避免发生掘进面超差的情况。

第三，对多传感器信号进行实时接收，并据此做好科学化分析和使用。掘进智能导航系统是将无源导航系统作为主要的设计方案，为了完善其较为复杂的配置问题，从根本上提高其应用的可行性和灵活性，需要从滚筒高度和截割壁空间来进行测量活动。智能导航系统有利于多传感器信息的整合，从而达成综合化应用目标，全面测量掘进机位置，提升掘进操作灵活性。

2.4供配电及通信系统

供配电及通信主要是采用了多回路组合开关，实现对整个系统供电的集约化管控，避免单一供电模块出现异常而导致整个系统的瘫痪，实现对设备运行情集中的控制管理。同时针对进行掘进过程中多源异构数据交互多的问题，采用了5G高速数据网络，利用中继器和信号增强装置解决了信号传递衰减快、干扰大、传递效率低的不足。在整个系统构建的过程中，需要充分考虑不同区域的实际情况，采用不同的数据通信方式，满足数据通信安全、经济的需求。最终该系统采用了“现场总线网络+综掘面无线局域网络+工业以太网”的远程数据通信集控系统，实现对综掘智能控制系统数据的一键调取和集中控制，具有扩展灵活性好、稳定性高的优点。

结语

在智能化掘进系统中，为保证系统整体故障率处于较低水平，对各组成设备的可靠度提出了较高要求。同时，因掘进过程中环境条件恶劣、工况复杂多变，各子系统工作状态差别巨大，通过考虑不同任务阶段、不同因素对任务可靠性分配的影响，能充分体现出不同组成单元对任务可靠性要求的差异，分配结果更接近工程实际，对指导工程实际具有更强的指导意义。

参考文献

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