煤礦井下綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)

煤礦井下綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)摘要：目前，煤炭企業(yè)正朝著技術(shù)密集型方向發(fā)展。煤炭智能開采有助于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和控制井下作業(yè)人員數(shù)量。基于此，本文重點(diǎn)分析了煤礦井下綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)智能化建設(shè)。關(guān)鍵詞：煤礦井下；綜合機(jī)械化掘進(jìn)系統(tǒng)；智能化建設(shè)煤礦智能化建設(shè)不僅是煤炭行業(yè)的重要發(fā)展方向，也是煤炭行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的必然要求。在煤礦智能化建設(shè)中，掘進(jìn)系統(tǒng)是煤礦生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。在掘進(jìn)系統(tǒng)中，感知、執(zhí)行元器件被增加到掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上，通過(guò)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)及大數(shù)據(jù)分析，將無(wú)源導(dǎo)航及有源監(jiān)控相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的遠(yuǎn)程可視化控制、遙控操作、防撞、智能定位、故障預(yù)警、行走速度調(diào)整、故障告警等，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)距離、智能化、無(wú)人值守，遠(yuǎn)程監(jiān)控和安全快速掘進(jìn)。一、采掘系統(tǒng)發(fā)展歷程我國(guó)煤炭開采歷史較西方發(fā)達(dá)國(guó)家較晚，在20世紀(jì)中期仍在采用人工打眼、支護(hù)等方式進(jìn)行煤礦開采，挖掘效率低。鏟斗后卸式裝巖機(jī)在20世紀(jì)60年代后開始投入使用，雖然運(yùn)輸效率未得到提高，支護(hù)技術(shù)手段也落后，但大機(jī)械替代了部分人力勞作，減少了煤炭行業(yè)對(duì)人力的需求。20世紀(jì)70年代后期，煤炭行業(yè)真正走入了大機(jī)械時(shí)代，許多國(guó)際先進(jìn)的挖掘設(shè)備引入我國(guó)，簡(jiǎn)化了煤炭采掘流程，有效提高了煤炭采掘效率及質(zhì)量。二、巖巷施工現(xiàn)狀在煤炭開采作業(yè)中，鉆爆法是一種重要的開采方法，它以傳統(tǒng)技術(shù)工藝為基礎(chǔ)，涉及施工支護(hù)、爆破、打眼和混凝土噴射。施工中使用的機(jī)械設(shè)備簡(jiǎn)單，可靠性強(qiáng)，便于檢修維護(hù)，成本投資相對(duì)較低。然而，在系統(tǒng)運(yùn)行中，涉及到許多復(fù)雜的流程，高度依賴人工，從而延長(zhǎng)了施工時(shí)間。采用巖石平巷綜掘機(jī)可提高施工機(jī)械化水平，具有顯著的綜合性能和諸多優(yōu)勢(shì)。但需注意的是，這種技術(shù)方法也存在著投資成本高、切割效率不理想、挖掘機(jī)械體型大、局限性強(qiáng)等缺點(diǎn)。三、掘進(jìn)智能化系統(tǒng)1、系統(tǒng)介紹。優(yōu)化掘進(jìn)機(jī)機(jī)身設(shè)計(jì)，增加執(zhí)行元器件和感知元器件，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化控制、故障預(yù)警、智能定位、遙控操作，合理調(diào)整行走速度，實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警。在系統(tǒng)優(yōu)化方面，對(duì)掘進(jìn)機(jī)手動(dòng)液控系統(tǒng)進(jìn)行改造，主要是電液控系統(tǒng)，并在掘進(jìn)機(jī)機(jī)身上增加了執(zhí)行元器件和感知元器件，以確保風(fēng)機(jī)和故障告警聯(lián)動(dòng)閉鎖控制。2、系統(tǒng)組成。在改造系統(tǒng)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意優(yōu)化模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際要求，優(yōu)化配置各智能單元，包括：①主控單元：在掘進(jìn)機(jī)遙控系統(tǒng)中，主控單元是核心部件，注重邏輯控制和指揮調(diào)度，合理安排掘進(jìn)工藝，已成為掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)的重要組成部分。②感知單元：負(fù)責(zé)采集、傳輸和顯示掘進(jìn)工藝、環(huán)境、實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)。③定位單元：準(zhǔn)確定位掘進(jìn)機(jī)的位置和切割頭，比較預(yù)設(shè)的掘進(jìn)機(jī)巷道參數(shù)，優(yōu)化調(diào)節(jié)掘進(jìn)機(jī)。④防撞單元：負(fù)責(zé)地理信息數(shù)據(jù)采集，為掘進(jìn)機(jī)提供智能化防撞功能。⑤遙控單元：包括手持式遙控器和可視化控制，以優(yōu)化遠(yuǎn)程掘進(jìn)作業(yè)。⑥預(yù)警保護(hù)單元：將感知單元的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較，注意故障告警停機(jī)、故障預(yù)警遷停等。⑦通信單元：涉及系統(tǒng)低頻通信、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和內(nèi)部通信。⑧集控單元：對(duì)于掘進(jìn)機(jī)設(shè)備，對(duì)回傳數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，并與局扇風(fēng)機(jī)、皮帶機(jī)和掘進(jìn)工藝聯(lián)動(dòng)閉鎖。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)可在集控室進(jìn)行視頻監(jiān)控和掘進(jìn)工況數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程可視化掘進(jìn)。3、遠(yuǎn)程遙控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程遙控能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信鏈路的暢通和掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作的可控性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切割，能提高掘進(jìn)機(jī)位置檢測(cè)的可靠性和控制精度。4、多系統(tǒng)耦合系統(tǒng)。系統(tǒng)的作用機(jī)制復(fù)雜，不能充分發(fā)揮整機(jī)的工作性能，這對(duì)裝備子系統(tǒng)和人物智能協(xié)調(diào)規(guī)劃提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的智能化操作和無(wú)人值守，在掘進(jìn)作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)分析不確定性干擾和未建模狀態(tài)，建立系統(tǒng)間的耦合模型。聯(lián)合機(jī)器自學(xué)習(xí)算法，根據(jù)多目標(biāo)優(yōu)化決策模塊，協(xié)調(diào)控制最優(yōu)掘進(jìn)參數(shù)和最優(yōu)支護(hù)方案，構(gòu)建安全掘進(jìn)協(xié)調(diào)控制與優(yōu)化決策專家系統(tǒng)。5、智能導(dǎo)航系統(tǒng)①結(jié)合無(wú)源、有源導(dǎo)航：在掘進(jìn)工作面，導(dǎo)航方式主要是激光指引裝置，指引裝置發(fā)出激光，能代表巷道前進(jìn)方向。巷道持續(xù)延伸，指引裝置也持續(xù)前進(jìn)。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)能憑借豐富經(jīng)驗(yàn)，將掘進(jìn)面的激光點(diǎn)放置在切割面上，切割時(shí)將切割頭放置在外周邊界上。此導(dǎo)航模式無(wú)法自動(dòng)切割掘進(jìn)機(jī)。有源監(jiān)控是通過(guò)攝像頭對(duì)掘進(jìn)工作面進(jìn)行監(jiān)控，使地面控制人員能了解工作面情況，第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題，并采取有效措施處理。②自立識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，維護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行效益。掘進(jìn)機(jī)測(cè)量系統(tǒng)有多種技術(shù)方法，因此要定期自檢，以判斷測(cè)量精度，傳遞診斷結(jié)果，提出科學(xué)的檢修維護(hù)信息，這樣能規(guī)范化導(dǎo)航系統(tǒng)的精度輸出，合理控制偏差，避免掘進(jìn)面超差現(xiàn)象。③接受多傳感器信號(hào)，做好科學(xué)分析和使用。掘進(jìn)智能導(dǎo)航系統(tǒng)以無(wú)源導(dǎo)航系統(tǒng)為方案，為解決配置復(fù)雜問(wèn)題，提高靈活性和可靠性，有必要測(cè)量滾筒高度和切割壁空間。智能導(dǎo)航系統(tǒng)有助于融合多傳感器信息，實(shí)現(xiàn)綜合應(yīng)用，全面測(cè)量掘進(jìn)機(jī)位置，提高掘進(jìn)作業(yè)的靈活性。④在多系統(tǒng)掘進(jìn)作業(yè)中，實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制和智能規(guī)劃。井下掘進(jìn)設(shè)備涉及多個(gè)子系統(tǒng)，協(xié)調(diào)程度高，任務(wù)繁多，其中，運(yùn)輸、支撐和推進(jìn)子系統(tǒng)要求技術(shù)人員按標(biāo)準(zhǔn)化操作順序進(jìn)行技術(shù)操作，能體現(xiàn)掘進(jìn)施工的特點(diǎn)，尤其是人機(jī)交錯(cuò)特點(diǎn)。機(jī)械安裝、運(yùn)輸和支出易造成運(yùn)輸傷害、機(jī)械傷害和頂板冒落傷人事件。在維護(hù)掘進(jìn)裝備運(yùn)行安全穩(wěn)定的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)智能操作和無(wú)人值守，對(duì)掘進(jìn)設(shè)備的自主識(shí)別系統(tǒng)和任務(wù)智能規(guī)劃提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。煤礦井下掘進(jìn)作業(yè)的重點(diǎn)是提高掘進(jìn)效率，消除地質(zhì)適應(yīng)性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)設(shè)備快速安全掘進(jìn)，引導(dǎo)掘進(jìn)裝備技術(shù)跨越，增強(qiáng)裝備自主創(chuàng)新能力，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。⑤在人工智能技術(shù)引導(dǎo)下，注重巖巷掘進(jìn)參數(shù)理論的分析與處理。在井下掘進(jìn)作業(yè)中，根據(jù)不同地質(zhì)條件增加荷載參數(shù)，作為中間橋梁。根據(jù)掘進(jìn)深度和數(shù)據(jù)挖掘，設(shè)立巖巷掘進(jìn)機(jī)狀態(tài)與掘進(jìn)主控參量映射關(guān)系。重視機(jī)械參數(shù)辨識(shí)的理論研究，結(jié)合掘進(jìn)參數(shù)約束條件和代價(jià)函數(shù)計(jì)算方法，在線優(yōu)化匹配控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)基于決策參數(shù)的多目標(biāo)動(dòng)態(tài)規(guī)劃，處理好井下掘進(jìn)機(jī)的不良問(wèn)題，降低安全事故發(fā)生率。⑥系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)：本系統(tǒng)采用智能導(dǎo)航系統(tǒng)，聚焦聯(lián)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)方案，有效檢測(cè)切割頭的空間位置，結(jié)合掘進(jìn)機(jī)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)的精確數(shù)字化控制。企業(yè)根據(jù)掘進(jìn)工作面實(shí)際情況，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實(shí)現(xiàn)切割方式的優(yōu)化，這樣能滿足開采安全性要求，又能提高開采效率。四、掘進(jìn)系統(tǒng)智能化的應(yīng)用與展望掘進(jìn)系統(tǒng)的智能化應(yīng)能實(shí)現(xiàn)快速高效掘進(jìn)的效果，并有效地作用于煤巷快速掘進(jìn)裝備中。系統(tǒng)可分為支護(hù)、運(yùn)輸、掘進(jìn)等工序步驟，并結(jié)合新技術(shù)處理掘進(jìn)、運(yùn)輸、支護(hù)等相關(guān)問(wèn)題，提高設(shè)備運(yùn)行的集成度和高效性。掘進(jìn)機(jī)具有定位切割和遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能，能對(duì)掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，優(yōu)化錨桿機(jī)工作參數(shù)，但需在工作面預(yù)留一些檢查員。掘進(jìn)機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)集中在掘進(jìn)機(jī)器人領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)這一發(fā)展目標(biāo)，要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)切割、遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控取決于掘進(jìn)機(jī)動(dòng)作的可控性和數(shù)據(jù)通信鏈路的暢通性。自動(dòng)切割可顯示掘進(jìn)機(jī)位置檢測(cè)的可靠性和控制精度的符合性。智能切割能提高自動(dòng)切割操作的可靠性，擴(kuò)大開采效率，提升空間。優(yōu)化提高掘進(jìn)工藝適應(yīng)性，根據(jù)地質(zhì)環(huán)境調(diào)節(jié)掘進(jìn)機(jī)器人的掘進(jìn)速度和作業(yè)安全性。在正常工作條件下，無(wú)需人工干預(yù)。掘進(jìn)工作面遠(yuǎn)程控制包括膠帶轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎轉(zhuǎn)載機(jī)、錨桿鉆車和井下掘錨機(jī)，并配備通風(fēng)除塵