煤矿井下自动掘进技术的应用研究

李 凯

（阳煤集团寿阳开元矿业有限责任公司生产技术部掘进五队， 山西 寿阳 045400）

引言

煤矿井下掘进机是一种用于巷道掘进的大型机械化设备，在工作时通过控制人工控制摇臂的升降，按照一定的路径对巷道进行截割作业，满足井下综采作业的需求。但由于煤矿井下地质环境复杂、能见度低，人工控制掘进机的截割作业存在截割效率低、巷道成型质量差、掘进机使用寿命短等问题，严重制约了井下巷道掘进效率[1]，目前巷道掘进速度过低已经成为制约井下综采作业效率进一步提高的关键。随着煤矿井下无人化综采作业的不断发展，一种新型井下自动掘进技术方案被提出并得到实践应用。该方案将掘进机的自主截割控制系统和可视化监测控制系统相结合，实现井下自主掘进作业和远程人工控制掘进作业的有机统一。自主截割控制系统以记忆截割控制为核心[1-2]，根据煤矿井下的实际情况在人工控制下先进行一次巷道截割作业，后续即可通过一键控制的方法，实现掘进机在井下的自主截割。同时该控制系统还将可视化远程控制技术应用在掘进机截割控制中，完成对掘进机人工截割控制和过程调整控制的远程操作，实现了真正意义上的无人化掘进作业，对提升井下综采作业的效率和巷道成型质量具有十分重要的意义。

1 掘进机自主截割控制系统结构

根据煤矿井下自主截割控制要求，本文所提出的掘进机自主截割控制系统的整体结构包括了上位机控制系统和下位机控制系统。下位机控制系统主要包括了以各类传感器设备为核心的检测单元以及以截割机构为核心的执行单元，该自主截割控制系统的整体结构如图1所示[3]。

图1 掘进机自主截割控制系统结构示意图

在该自主截割控制系统中，上位机控制单元是该系统的核心。当掘进机执行自主截割控制时，首先由人工控制掘进机的截割机构根据井下实际地质环境和巷道截割成型要求，规划最佳截割路径，而后由记忆截割控制程序对截割作业过程中的掘进机截割机构的位置坐标、截割速度、进给速度等进行实时监测和记录，形成连续的截割控制逻辑。当启动自主截割控制时，该系统根据传感器设备监测到的截割机构的实际截割空间位置，实时显示对应的截割速度、进给速度等，同时对实际运行情况进行负反馈监测，不断对实际截割状态进行调整，最终实现精确自主截割控制，确保了巷道成型质量和掘进效率的同步提高。

2 自主截割控制路径的智能优化

在掘进机自主截割控制的过程中，理论上每一点的截割状态都需要和人工截割作业时的截割状态相对应，但若对每一点都进行数据分析、调运和计算，则将会极大影响截割作业效率和精确性，导致掘进机截割机构出现抖动、截割偏位。因此需要对人工截割控制路径进行优化：以后续截割点和起始点的垂直距离差值大于最小截割步距为优化依据[4]，只保留满足条件的截割点位，进而实现对整个截割作业路径的优化，自主截割控制的路径优化如下页图2所示，图中T1—T5表示截割作业过程中的数据采集点。

由图2可知，以上所有点为正常人工截割控制情况下的采样点，在E到F、K到G之间存在着大量的转折点，如果对每个点都进行计算调整，将导致截割机构在运行时出现极大振动，因此必须对路径进行优化。以截割起始点A为起点，首先判断位置B和位置A之间的坐标差值是否大于截割时的最小步距值，若小于最小步距，则继续对位置C和位置A之间的坐标差值是否大于截割时的最小步距值进行判断；若大于最小步距则保留B点，然后再以B点为起始点，以上述标准判断B点与C点之间的位置关系并判断是否保留C点。以此类推，最终形成了优化后的截割路径：A—B—C—D—E—F—G—H—I—J—K，确保了较高截割作业效率，提高了截割作业的稳定性。

图2 自主截割路径优化结构示意图

3 可视化监测控制系统结构

基于虚拟仿真技术的掘进机可视化远程监测控制系统主要包括虚拟仿真平台、数据网络通信系统及井下掘进机运行状态监测系统，该系统的整体结构如图3所示[5]。

图3 可视化监测控制系统结构示意图

如图3所示，在该可视化控制系统中，首先利用由三维虚拟建模软件建立掘进机虚拟三维模型对其控制状态进行定义，利用安置在掘进机上的掘进姿态传感器设备对掘进机的运行状态进行监测，将监测数据传输到掘进虚拟模型中，虚拟模型运行状态控制器控制三维模型表现出和井下掘进机一致的运行姿态，从而实现对井下掘进状态的监控。该控制系统还能够通过调整虚拟掘进机的运行情况对井下掘进机的实际运行状态进行调整。为确保数据传输的准确性，在控制系统中采用了RS485数据传输总线结构，不仅能够满足煤矿井下抗干扰的要求，且具有数据传输速度快、精度高、稳定性好的优点。

根据分析，当采用自主截割控制系统和可视化监测控制系统相结合的掘进机自动截割控制方案的情况下，能够将掘进机截割作业的运行效率提升17%以上，巷道成型的不良率降低44%，且能够实现真正意义上的无人化掘进作业，极大提升了巷道掘进的效率和经济性，具有十分重要的意义。

4 结论

本文分析的新型井下自动掘进技术方案，将掘进机的自主截割控制系统和可视化监测控制系统相结合，实现了井下自主掘进作业和远程人工控制掘进作业的有机统一，根据分析表明：

1）自主截割控制系统以记忆截割控制作业为核心，能够根据记忆截割路径和掘进机截割状态，实现自主截割控制，满足较好地质条件下的自动截割控制需求；

2）截割路径优化系统以后续截割点和起始点的垂直距离差值大于最小截割步距为优化依据，只保留满足条件的截割点位，进而实现对整个截割作业路径的优化控制，确保了较高的截割作业效率和截割作业的稳定性。

3）新型井下自动掘进控制技术能够将掘进机截割作业的运行效率提升17%以上，巷道成型的不良率降低44%，极大地提升了巷道掘进的效率和经济性。