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井下快速掘进智能化控制系统的关键技术与技术难点探讨

2022-01-13 16:38:55  来源:智能矿山杂志  作者:高旭彬,靳明智
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  目前,我国煤炭资源遵循“采掘并重,掘进先行”的开采原则。传统掘进工艺采用掘进和支护交替间歇作业,速度慢、用人多、安全性差,掘进设备功能单一、相互协同性差、效率低,全国综掘工作面平均进尺约180m/月,采掘失衡严重,制约了煤矿高效生产。

  

  随着智慧矿井的提出以及不断深入的研究,综采工作面智能化初见成效,而综掘工作面各工序分散、智能化严重滞后,甚至很多还没完全机械化,严重影响着煤矿安全、高效、智能生产。因此,煤矿巷道掘进效率和智能化水平亟待提高。随着《煤矿机器人重点研发目录》《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》等政策性文件的发布,数据中心等新型基础设施的建设为煤矿掘进装备智能化带来重大机遇,开发出适应我国煤矿地质和生产特点、具有智能化和一体化技术的掘进巷道成套装备,将有效解决掘进巷道平行作业的难题。笔者通过分析国家层面、各地区层面发布的关于综掘工作面智能化建设文件,总结出快速掘进工作面智能化建设系统组成和分类级别[1-3]。通过对各个系统分析,提炼出快速掘进智能化控制系统的关键技术和技术难点,为综掘工作面智能化建设提供思路。

  

  快速掘进智能化控制系统关键技术

  

  快速掘进智能化控制系统以成套装备为依托,以设备作业流程和开采工艺为着手点,以掘进工作面环境为载体,实现快速、高效的截割断面自动成形控制。快速掘进智能化控制系统以技术创新为引领,利用掘进工作面感知技术[4]、掘进工作面传输技术、掘进工作面重现技术[5-6]、掘进工作面控制技术[7],实现掘进工作面的高效化、安全化、智能化的无人作业。通俗讲,将准备开拓巷道进行远程重现,将开拓巷道的作业工艺进行远程模拟。但实现掘进工作面无人化作业不是一步到位,需要对各个关键技术进行验证、改进,达到可以进行工程应用的效果。快速掘进智能化系统是将掘进工作面设备、作业流程、环境和自动化、数字化控制技术完美的融合,形成一个完整的掘进工作面生态系统,如图1所示。

  

  图1快速智能化控制系统框图

  

  掘进工作面感知技术

  

  快速掘进智能化控制系统是将作业人员从掘进工作面彻底解放出来,实现掘进作业时无人化。由于掘进巷道的开拓工作处于未知环境,为保证掘进过程的顺利进行,需要实时感知掘进工作面周围的环境、设备自身状态、设备与设备之间的状态、设备与人之间的状态、已掘和未掘巷道的信息,这些信息的全面采集、准确分析及处理是保证掘进工作面智能掘进的前提要素。

  

  目前掘进工作面感知技术已实现的包括设备自身参数的感知、设备与设备之间的感知、设备与人之间的感知、掘进工作面音视频感知、工作面环境参数感知,如图2所示。正在进行研究的感知技术包括已掘巷道三维感知、未掘巷道地质信息感知。设备自身参数的感知依靠设备本身安装的传感器实现,主要感知参数分为2类:一类是压力、温度、振动、流量等常规参数;二类是设备姿态、位置、航向、里程等特殊参数,这类参数感知主要依靠导航、全站仪、激光指向仪、超声波类测距传感器实现。设备与设备之间的感知通过设备自身安装的测距或定位传感器实现,设备之间进行位置数据实时交互,主要解决设备之间错车、设备之间跟随等问题。设备与人之间感知通过在设备上安装感应装置,人佩戴类似发生器装置,实时检测人员相对设备的距离,主要用于保护人员安全。掘进工作面音视频感知技术主要采用高清摄像仪、拾音器等音视频装置实现采集。由于掘进工作面正常工作时,工作面粉尘较大、成像视野差,很多厂家开发出自清洁摄像仪、热成像摄像仪等,用于解决高粉尘下成像问题,但应用效果都不好。目前根据现场使用情况,解决高粉尘下的成像问题还是应该解决粉尘的问题,而不是一味地在摄像仪上下功夫。工作面环境感知主要通过巷道悬挂瓦斯传感器、粉尘传感、风速传感实现环境信息的采集,主要用于工作面安全保障。已掘巷道三维感知很多厂家通过激光或雷达等扫描技术实现,但在井下现场尚未有应用,更多停留在理论或井上试验。未掘巷道地质信息感知目前处于研究阶段,较为成熟的研究是探测未掘区域是否存在水隐患,对于未掘岩石硬度、未掘区域是否有瓦斯、未掘区域地图构建等问题正在进行技术攻关。

  

  图2掘进工作面感知技术的组成

  

  掘进工作面感知技术是快速掘进智能化控制系统的“眼睛”,为实现掘进工作面无人作业提供关键决策。目前感知技术存在一定的局限性,需要结合掘进工作面的复杂性,开发适用于掘进巷道的环境感知装备,尤其是研究掘进工作面高精度地质建模技术,根据煤层钻孔、剖面图、地质地形图、素描图、物探资料等,建立反映地质体空间形态和拓扑关系的掘进工作面三维地质模型,通过掘进工作面地质和巷道实际数据,实现掘进工作面周边地层、断层、含水层、积水区等三维地质建模是一个很重要的技术突破口。

  

  掘进工作面传输技术

  

  掘进工作面传输技术分为有线传输和无线传输,根据传输数据的特性可分为2类:一类是掘进工作面设备之间数据传输,实现就地信息共享;另一类是掘进工作面感知数据的远程传输,实现数据远程重现。

  

  掘进工作面设备之间数据传输大多数据量小、实时性要求高,设备种类较多。多数厂家考虑设备之间的相对运动状态、设备作业工艺以采用不同的数据传输机制。目前绝大多数厂家采用光纤、以太网、CAN、RS485等有线传输机制,实现掘进工作面设备之间的数据交互。有些厂家根据设备的特殊性,采用无线传输方式实现2个相互运动设备之间的数据传输,多以4G、WiFi、蓝牙等方式。光纤和以太网传输数据多以音视频、大数据、长距离传输为主,4G、WiFi、蓝牙、CAN和RS485多以小数据、短距离传输。

  

  掘进工作面感知数据的远程传输技术是指将工作面感知的数据传输到井下安全区域,这类传输多以大数据、多路音视频、长距离传输为主。同时应考虑掘进巷道空间狭窄受限且掘进作业过程中需要频繁调动机身,一些厂家利用矿上现有网络基础,采用掘进工作面布置无线中继器的方式,采用可靠的无线组网技术、跨网段地址映射技术、蜂窝传输技术将掘进工作面感知信息逐级中转,传达至井下指定位置。另一些厂家采用无线+有线的组合方式实现掘进工作面感知数据的远程传输。无论采用何种方式,终极目标是将掘进工作面感知数据、控制数据传输到掘进工作面后方安全区域,实现掘进工作面无人化作业。一种典型的传输链路如图3所示。

  

  图3一种典型的传输链路

  

  目前掘进工作面远程传输技术多采用WiFi、4G、光纤、以太网等传输方式,随着掘进工作面感知数据的完善,尤其是三维扫描信息、未知区域探测信息传输的数据量势必会成倍增加。5G技术的民营化,VR技术成熟,远程虚拟操作势必在井下取代传统操作方式,5G超大吞吐量、超低延时势必会成为主流趋势。就目前而言,掘进工作面感知数据量相对较小,大规模投入5G建设,对快速掘进智能化控制系统影响不大。

  

  掘进工作面重现技术

  

  掘进工作面重现技术是指将感知数据在指定位置进行还原,是远程作业、自动化作业最重要的参考。还原数据的准确性,直接决定掘进作业的成败。目前掘进工作面重现技术主要是对音视频、设备整机关键数据、设备姿态信息、掘进工作面环境等信息在上位机进行还原呈现。多数厂家采用C#、Java、C等编程语言进行上位机软件开发,最终形成集视频监控、整机参数、截割轨迹/路径规划、机身位姿和悬臂姿态信息显示与存储、超欠挖预警、机身与侧帮接近预警、悬臂与铲板防碰撞预警、掘进机运动轨迹显示、参数设定、历史事件查询等功能于一体的掘进工作面重现场景,工人根据重现的数据进行远程作业。

  

  目前常见的掘进智能控制上位机软件多只采用传感器数据还原技术,未与当前施工巷道的实景轮廓进行融合,在人机交互时真实感和体验感较差。随着数字孪生技术的发展,将各维度模型融合为一个完整的、高忠实度的镜像虚拟模型,通过在虚拟空间内对实体空间的高度还原,实现装备工作状态,运行数据,动作位姿,现场环境信息的远程场景重现是必然趋势,可有效提高人机交互的真实感和沉浸感。真正意义实现掘进设备自主行走、自动截割,从而实现断面自动成形,彻底实现掘进工作面无人化作业,如图4所示。

  

  图4多信息融合掘进工作面示意

  

  掘进工作面控制技术

  

  掘进工作面控制系统如图5所示,由人工控制和自动控制2类组成,根据感知数据、截割巷道参数、装备作业工序,实现掘进设备的人工或自动控制,完成截割断面成形作业。

  

  图5掘进工作面控制系统

  

  目前掘进工作面设备控制操作方式包括井下离机视距、井下离机任意距离超视距和地面控制3种。3种控制模式是针对3种操作空间下,对设备的控制方式。视距控制主要采用无线频谱技术,通过发射器和接收机之间信息交互,实现人工手持发射器对电磁阀进行实时控制,从而实现执行机构精确控制。超视距控制是指在超出人眼可见范围,结合感知数据实现对设备的控制。大多数厂家利用远距离传输链路,实现控制数据的远程传输,从而实现设备的远程控制。地面控制也属于超视距控制的一种,该控制技术是借助掘进工作面网络、井下环网建设,使控制数据传输到地面,进行实现地面操作控制。这3种控制技术都是应用较为成熟的,在实时性上都可以满足控制要求。

  

  以上3种控制模式都是人工操作进行断面成形控制,只是变换了操作空间。根据巷道成形的方式,还有巷道自动成形控制。巷道自动成形控制有定位截割、记忆截割、自动截割3种方式。定位截割和记忆截割是指掘进设备需人工操作到指定位置,悬臂按照一定路径运行,形成断面。定位截割和记忆截割控制只是解决了巷道断面初步成形,设备的定位还需人工完成,是一种以人工操作为主的控制方式。自动截割是指掘进设备可以自动运行到井下指定位置,在截割循环开始时,按照巷道断面轮廓的工艺要求以及截割头外形和初始运动参数,确立截割的初始轨迹。截割过程中根据工作面环境信息、煤岩情况以及整机工况参数调整截割参数和截割路径,以保证最终按工艺要求完成断面截割。

  

  掘进设备的行走控制、设备姿态的自主调整、自动掏槽、自动扩帮、自动扫底也是掘进工作面控制技术的一部分,也是目前亟需突破的技术难点。这些控制首先需要解决掘进设备的姿态定位问题,在此基础上准确建立设备运动模型、设备控制算法,逐步解决上述技术难点。

  

  快速掘进智能化控制系统技术难点

  

  快速掘进智能化控制系统是以掘进工作面为研究对象,结合当前掘进工艺和掘进装备的发展,最终建立工作面环境、设备和人等多要素耦合系统。系统研究以掘进工作面环境感知为基础,以单机装备智能化为重点,以多机多要素协同和装备一体化为目标,形成掘进工作面全生命周期的智能管控,构建掘进工作面“生态系统”。但是实现快速掘进智能化控制系统需解决掘进装备位置精确检测、掘进装备自主行走与自动截割、掘进工作面三维扫描与空间重构问题,这3大问题是实现快速掘进智能化系统的关键,也是必须解决的问题。

  

  复杂地质条件下掘进装备位置检测技术

  

  巷道空间坐标下掘进设备的位姿检测主要包括悬臂相对于机身的姿态检测和机身相对于巷道的位姿检测,悬臂坐标系、机身坐标系和巷道坐标系三者融合后即能反映截割头在巷道空间坐标下的欧拉角以及机身相对于巷道轴线的水平偏移量、高度差和在巷道轴线方向上的前进距离。

  

  井下封闭空间中,掘进装备的导航技术[8-9]用于完成相对于预设理想巷道参考基的掘进装备的位置与姿态检测。该项技术是实现掘进装备自主行走控制和自动截割作业控制的基础。在井下巷道的封闭空间中,纯惯导系统不能满足掘进装备长航时、高精度的位姿检测需求,并且地面常用的组合导航技术受环境条件的制约而无法应用。所以需要对惯性导航技术的对准方法、导航原理和误差控制原理、作业平台振动和工作面温度变化对导航系统性能的影响及其补偿方法等进行研究,提出适应井下掘进装备作业方式和定位精度要求的惯性导航方法。

  

  掘进装备自主行走与自动截割技术在获得了相对于预设理想巷道参考基的位置与姿态,以及自身相对于周边实际巷道环境的位置和姿态等信息后,掘进装备应实现自主行走使机身调整至期望的位姿,从而可进行钻进、截割或测量等作业动作。在适宜的机身位姿条件范围内,通过建立掘进机、巷道三维模型,通过运动控制、模糊控制等算法,进一步控制截割机构按规划轨迹运动,实现掘进装备对煤巷断面自动截割作业的规划和控制操作。

  

  目前掘进工作面的掘进装备主要指悬臂式掘进机,该类设备进行断面截割时,由于设备本身特性,断面无法一次截割成形,需要调动设备,完成全断面截割。在设备进行调动时,如何保证几十吨的设备在1m范围内精确行走,是该技术的难点。多数厂家电液控制系统采用液压比例阀实现机构的控制,这种阀多是开环控制,控制精度较差。随着智能化的发展和控制精度要求的提高,是否应该用伺服阀来替代原有系统。

  

  执行机构按照一定路径自动摆动,形成不同的截割断面[10-12]。断面成形包括扫底、断面截割和刷帮等工艺。通过对执行机构和成形巷道形状的分析,如何建立执行机构运动路径数据库,数据库包括扫底路径、断面截割路径、刷帮路径。如何通过模糊控制算法、路径寻优算法实现断面成形最优控制,是自动截割控制的关键。目前多数厂家未建立类似的库,只是根据截割电流、振动等信息实现简单的悬臂自动摆动。

  

  掘进工作面三维扫描与空间重构技术

  

  基于三维激光扫描仪的三维场景重建技术[5-6]可以精确地重现结构复杂、不规则场景的三维立体信息,得到立体的真实的三维场景模型。但现实环境中复杂的三维空间几何结构、物体表面对光的反射特性、传播介质对激光产生的折射效果及不同光照条件等因素都会影响三维点云数据的质量和三维重建的精度。

  

  激光能量大小决定了激光扫描仪的测量距离,激光波长与激光能量成反比,因此选择合适的激光波长很重要。在粉尘环境下,激光光斑直径越大,穿透粉尘的能力越强,大的激光光斑更利于井下使用。激光扫描仪镜头的旋转角度决定了测量范围,旋转速度决定了扫描测量范围内巷道所需的时间。不同的材料对激光的吸收率不同,黑色物体对激光的吸收率较高。煤矿掘进巷道环境存在高温、潮湿、粉尘浓度大、光照差、瓦斯高、黑色煤壁等特点。研制的矿用三维激光扫描仪既要适应上述工作环境,还应该结合三维激光扫描仪的工作原理和巷道煤壁的特殊性,选择合适的激光波长、激光光斑直径、激光扫描仪镜头旋转角度和旋转速度等关键参数。通过三维点云数据进行巷道三维重建和巷道实景远程重现,巷道三维坐标与掘进机坐标实时关联。三维激光扫描与空间重构技术是实现掘进工作感知数据还原的重要技术手段,也是提高远程操作人员真实感的重要技术。

  

  快速掘进智能化控制系统应用案例

  

  快速掘进智能化控制系统和快速掘进装备于2020年3月在河南能源陈四楼2901工作面进行现场工业性试验,并于2020年8月根据现场实际使用进行第1轮技术和装备改进,目前该系统还在井下继续应用。

  

  陈四楼煤矿2901工作面运输巷及回风联络巷担负工作面回采期间回风任务,也是快速掘进智能化控制系统的工作场地。该巷道开口位置位于九采区输送带下山9P6点前39.1m处,先按358°方位角施工852.2m,然后按337°方位角施工356.2m至开切眼位置。2901工作面回风巷、中间巷设计为矩形断面,主体巷道净断面尺寸宽×高为4600mm×2800mm、宽×高为4600mm×3300mm。回风巷顶板及两帮均采用ø22×2200mm高强锚杆+M钢带+金属网支护,顶锚杆间距为880(750)mm,排距800mm,帮锚杆间排距为800mm×800mm;顶板均采用锚索梁加强支护,锚索为ø21.6mm×6300mm钢绞线,锚索间排距1300mm×1600mm,锚索梁采用3m长的12号槽钢梁。

  

  鉴于目前智能锚护技术还很不成熟,结合陈四楼煤矿2901工作面回风巷巷道信息,该快速掘进智能化控制系统依托掘进机、大跨距带式转载机、自移机尾、智能组合开关、集控平台等装备。井下设备布置如图6所示,设备具备功能和现场使用情况见表1。

  

  图6陈四楼煤矿井下设备布置

  

  表1陈四楼煤矿快速掘进智能化控制系统功能

  

  该系统能够提高掘进工作面安全性,降低工人劳动强度,提高掘进机工作面智能化水平和巷道施工质量。该项目在掘进装备定姿定位、巷道三维扫描、设备的自主行走、自动截割方面进行了尝试,但是由于当时的技术局限、环境因数考虑不到位等原因,导致这些关键技术未有较大突破。针对文章第2节提出的技术难题,也是根据陈四楼煤矿现场总结出来的,是实现掘进工作面无人化、智能化的关键技术。

  

  结论

  

  通过掘进工作面感知技术、传输技术、重现技术、控制技术,同时结合组合导航技术、环境地图构建技术的研究,使掘进装备对自身及周边环境的可感知,可度量,建立掘进装备与所处环境的交互关系。通过采用自主行走、自动截割规划控制技术,结合多机自主协同控制系统进行统一调度和管理,最终提高掘进工作面的智能化水平,实现掘进工作面少人、无人的目标。发展快速掘进智能化控制系统,将大幅减小煤矿采掘工作的工作人员数量,带动提升矿井操作人员的素质要求,能有效解决当前煤矿难招人,员工老龄化的瓶颈问题。能提高煤矿企业的劳动生产率及缓解采掘比例失调,提高综掘工作面的安全生产以避免不必要的人员和财产损失,大幅减少工人的劳动强度,提升工人的安全保障,对智慧矿山的发展具有重要的意义和价值。


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