综掘机智能化远程控制技术应用.docx

摘要:针对王庄煤矿井下工作面综掘机采用传统的现场人工操作方式生产作业时存在的问题，对综掘机进行智能化远程控制系统升级改造。从综掘机的位置自动监测、记忆截割自动控制、远程操作、数据集成、处理及智能决策等着手，研发了一套综掘机智能化远程控制系统，实现了综掘机的远程控制和一键启停截割。通过现场应用，提高了综掘工作面无人化作业程度及矿井安全管理水平，减少了人员投入，提高了工作效率。巷道掘进是矿山开采过程中最主要的生产作业环节之一，掘进效率的高低直接影响着矿井工作面正常生产接续。我国自20世纪70年代开始，先后从国外引进和自主研发并升级改造了大批掘进装备,并对掘进方式和掘进工艺进行了不断优化改进，实现了巷道掘进从人工掘进T炮掘T综掘的逐步升级换代，有力推进了我国煤矿开采的安全高效发展。但工作面在采用综掘装备掘进施工时，存在着工作面粉尘、设备噪声等，对工人身体健康带来各种职业危害；同时在巷道掘进施工过程中，还伴随有顶板垮落、煤与瓦斯突出、水害、冲击地压等矿井灾害，给工人生命安全带来重大威胁。推进煤矿智能化建设，实现工作面智能化掘进能够有效提高工作面掘进效率、减少人员投入、提升矿井安全管理水平，对矿井安全高效发展起着非常重要的作用。目前，我国在综掘智能化控制方面的技术研究及开发应用方面已开始起步并初见成效，但在综掘机远触制及智能感知等方面的技术研究还存在一定不足。本文以王庄煤矿为例，从综掘机的位置自动监测、记忆截割自动控制、远程操作、数据集成、处理及智能决策等方面着手，对综掘机进行智能化远程控制系统升级改造，研制了一套综掘机智能化远程控制系统，有效提高了矿井综掘工作面的智能化水平，实现了工作面的无人作业。1.综掘机位置自动监测及截割控制综掘机位姿自动监测是确保综掘机能够实现自动记忆截割的关键。目前使用的综掘机截割功能需要人工操作或干预。使用全站仪及相关的传感器及视频监控系统对综掘机的位置进行定位和监测控制，可以达到自动截割的目的。(1)综掘机位姿自动监测综掘机位姿自动监测主要是通过相关智能化监测监控设备来实现的。通过安装全自动全站仪、自动测量观测系统、通信系统等相关智能化设备来实现对综掘机位置的自动定位、测算及数据传输等功能。综掘机位置自动监测原理图如图1所示。将全站仪和后视棱镜在巷道中的安装位置进行测量定位后进行固定，作为在巷道中布置的已知固定点。全站仪通过对前视棱镜的自动观测，将综掘机的起始姿态位置进行准确定位。根据提前预设的综掘机截割部截割到的最后位置,设计综掘机由开始截割位置运行到最终截割位置的运行轨迹。当综掘机截割部运行到最终设计位置后再次利用全站仪对综掘机最后运行的位置进行定位校准。自动测量观测控制系统通过观测测量的数据来判断是否需要对综掘机的截割位置进行调整，最终达到精准施工的要求。图1综掘机位姿自动监测原理图后视棱镜吊挂安装在距巷道顶板0.51.5m位置,可以根据巷道施工坡度起伏情况进行适当调整，以达到前后通视为标准。全自动全站仪要使用专用的固定架固定安装，安装后要能够保证其稳定牢固、不摆动、不移动，周围视线清晰且无障碍物，保证前后通视，同时在全站仪上方安装防淋水棚和防尘装置。全站仪与后视棱镜之间的距离要大于30mo在综掘机右侧位置采用串联方式安装2个前视棱镜,并保证在综掘机运行期间全站仪能够观测到,中间不能有障碍物遮挡。2个棱镜之间的距离控制在1.2m以上,棱镜之间的连线与综掘机机身平行，2#棱镜安装的高度比1#棱镜高O5m,前视棱镜安装位置如图2所示。图2综掘机1#、2#前视棱镜安装位置示意图(2)综掘机记忆截割自动控制结合综掘工作面现场作业条件，利用中央处理器、陀螺定向仪、超声波/位移/倾角/流量/压力传感器、红外发射/接收装置、电磁控制阀组等对综掘机的操作控制系统和电液控制系统进行智能化升级改造,使综掘机具备定位数据自动收集分析、截割运行轨迹自动控制、位置姿态自动修正调整等功能，同时利用警示报警装置可以实现故障报警或停机操作等功能。综掘机操作系统的升级改造主要是增设中央处理器、数据传输通信模块、远程操作控制模块等；电控部分改造主要是增设矿用隔爆兼本质安全型稳压电源、控制按钮、断电器等，液压系统主要是将手动控制阀更换为电液控制阀。通过对综掘机操作系统和电液控系统的改造，实现综掘机的自动截割操作、自动停送电和液压系统的自动控制功能。同时，在综掘机上安装超声波传感器，在机身内部安设陀螺定向仪，在伸缩油缸上安设位移传感器，在摇臂和铲煤板上安设倾角传感器，在进出油管端口安设流量传感器等元器件，可以实现对综掘机运行参数的实时监控。结合综掘机运行控制模式及作业方式,设定了2种控制模式,即自动操作控制和远程手动操作控制，可以相互切换。记忆截割自动控制可以使综掘机按照预设的路线和轨迹进行运行,运行过程中可以根据工作面条件变化情况对自身位姿及动作进行及时修正或调整,其运行操作过程可以通过远程控制平台进行实时显示。综掘机自动截割控制作业流程如图3所示。图3综掘机自动截割控制作业流程图王庄煤矿综掘工作面利用全自动全站仪对综掘机的起始姿态位置进行准确定位，根据提前预设的运行轨迹路线实现综掘机的自动截割，运行期间可以对运行轨迹进行自动修正调整。通过在综掘机上安装的传感器可以将综掘机运行的工况参数进行实时监测，同时将监测收集到的数据通过通信网络实时向中央处理器进行传输反馈，中央处理器将收集到的数据进行整理分析和运算，从而对综掘机的位置姿态和截割运行进行自动控制，为综掘机实现智能化远程控制奠定了基础。2、综掘机智能化远程控制系统升级改造设计方案综掘机智能化远程控制系统能够对综掘机进行远程操作，实现综掘工作面综掘机截割期间的无人作业，降低工人劳动强度，提高工作面安全系数。该系统结合综掘机的位置姿态和截割自动控制进行设计，以智能化综掘机为核心，将感知系统、通信网络、控制系统等组成单元与机械化装备有机融合在一起,以信息为主导，实现煤矿生产大数据的采集、分析、决策T本化，形成从装备、通信、感知、控制到决策管理层级的精准协同作业系统。系统组成结构如图4所示。通过该系统，综掘机可以实现本地操作、遥控操作和远程控制3种操作控制方式。综掘机顺槽计算机接入综合自动化平台（采用ModbusRTU通信协议）,能够实现综掘机状态实时显示、远程控制、综掘设备联动、记忆截割、状态数据分析和评估，实现综掘机自动化远程控制。图4综掘机智能化远程控制系统组成结构图（1）视频监控系统为了能够清晰掌握井下工作面开采情况及设备运行状况，需在综掘机机身前端、后端、两侧及上方等多个位置安装摄像机，如图5所示。在综掘机机身的前端安装了2台摄像机（1#、2#）,其具备专业防尘能力，可以将摄到的模糊不清图像利用视觉算法转换为可以识别的图像，在粉尘大、有雾气的综掘工作面作业环境下可以看清综掘机截割头和工作面迎头作业环境；在综掘机机身前端两侧各安装1台高清摄像机（3#、4#）,可以对综掘机铲板及铲板上2个星轮的运行状况进行全方位监测；在机身上安装了1台高清摄像机（5#）,可以对刮板输送机的运行情况进行观测；在机尾两端各安装1台高清摄像机（6#、7#）,可以对机身两侧巷道状况进行观测,以保证综掘机向后倒退时能够看清机身与巷道两帮及机尾后方带式输送机之间的距离；在带式输送机机尾位置安装1台高清摄像机（8#）,可以对带式输送机机尾的运行情况进行观测。图5综掘机监控系统安装位置示意图（2）电液控制系统目前我国煤矿井下使用的综掘机电液控制部分大多数采用传统的手动操作控制方式，严重制约着综掘机自动化升级改造。通过将手动操作液压系统进行升级改造，使之既可以手动操作控制也可以电动操作控制，可以实现综掘机的本地操作、遥控操作和远程控制3种控制方式。(3)数据信息采集系统通过在综掘机机身上安装压力、温度、电流、速度、振动频率、倾角等多种传感器,可以实现对综掘机运行工况数据信息的采集。(4)数据信息传输系统通过在综掘机与控制平台之间安装光缆和光端机，可以将数据信息采集系统采集的数据信息传输到控制平台,控制平台将接收到的数摘言息进行整理分析,形成指令反馈给综掘机用来执行,实现综掘机的远程控制。(5)无线信号遥控系统无线信号遥控系统采用信息传输稳定可靠、抗外界干扰能力强的2.4GHZ频段进行信号传输。在遥控器内安装信号微处理器，对控制信号进行实时数据编码、解码和数据分析，屏蔽错误信号操作，防止设备运行中的误操作。(6)远程操作控制平台远程控制平台主要由操作控制台、显示器、图像处理软件及各类操作控制按钮等组成。通过控制平台可以将综掘工作面的工作环境和设备运行工况进行实时显示。同时，为了便于人员操作，对控制平台上的操作控制按钮进行了优化布局设置,如图6所示。图6综掘机远程控制平台布置示意图3、应用效果王庄煤矿设计生产能力3Mta,目前井下共布置5个综掘工作面。在以往采用传统方式控制操作综掘机时，一般安排3或4人，投入人员较多、工效低，且在地面无法对井下现场实时监控，存在较大安全隐患。因此，王庄煤矿对井下5个综掘工作面的综掘机全部进行了智能化远程控制系统升级改造,2019年10月升级改造工作全部完成，实现了综掘机的智能化远程控制操作，取消了综掘机司机在工作面迎头现场操控综掘机的作业方式。同时，在地面集中控制中心可以通过视频监控系统对井下现场作业情况及设备运行状况进行实时监控,在发生突发事故时可以直接调度指挥处理，减小了事故影响范围及造成的损失。以王庄煤矿某个综掘工作面为例，通过综掘机智能化远程控制系统升级改造后，综掘机运行期间，在距工作面迎头50m范围内无人员作业,从而防止因顶板冒落、冲击地压等灾害造成人员伤亡。通过远程操作控制，可以减少综掘机司机受到的工作面粉尘伤害，保证井下作业人员的身心健康。同时，1个综掘工作面每班可以减少2或3名操作维护人员，减少了人员投入，提高了工作效率。4、结语王庄煤矿通过对综掘机的智能化远程控制系统升级改造,实现了综掘机的远程操作控制，提高了井下工作面设备操作的无人化程度，有效减小了工作面冲击地压、顶板冒落、粉尘等灾害对现场作业人员的伤害风险，提高了矿井安全管理水平，同时减少了人员投入，达到了减人提效的目的，对推进矿井智能化建设具有重要意义。参考文献：沈静伟.综掘工作面智能化开采技术的实践J.山东煤炭科技,2020:174-176.2张科学.综掘工作面智能化开采技术研究J.煤炭科学技术,2017,45:106-111.3路宝民.综掘工作面智能化开采技术研究J.技术与市场,2020,27:173+175.4杨昌臻.基于当前环境对综掘工作面智能化开采技术研究J.世界有色金属2020:27+29.5赵子君.综掘作业面智能化开采分析J.能源与节能,2018:18-19.顾军煤矿采掘装备智能控制系统J.劳动保护,2016:82-84.刀符如康,张长友,张豪.煤矿综采综掘设备智能感知与控制技术研究及展望J煤炭科学技术2017,45(9):72-78.8李文超.煤矿综掘技术实施中的关键问题探讨J.科技与企业,2013(22):244-245.9杜磊.综掘工作面智能化开采技术探究J.能源与节能,2017(12):165-166+186.10王浩.煤矿综掘和综采工作面自动化技术发展展望J.技术与市场,2016,23:261.王腾飞.综掘机智能化远程控制技术应用几煤矿机械,2021,42(01):177-180.