黄陵矿业高级工程师王孟：复杂条件下掘锚一体化远程智能快速掘进控制系统

文章来源：《智能矿山》2022年第8期“智能采掘”专栏

第一作者：王孟，高级工程师，主要从事机电设备管理方面的工作。

引用格式：王孟,朱科强,王强,等.复杂条件下掘锚一体化远程智能快速掘进控制系统[J].智能矿山，2022，3（8）:75-78.

以缓解采掘进度失衡，减少井下作业人员数量，降低工作人员作业强度，提高掘进工作面智能化水平为目标，开发建设一条小于100 m的高速、可靠、稳定传输通道，构建各个单机设备的感知网络，实现掘进工作面各个单机设备采、掘、运、除尘、排水、供电的智能化，控制集中化，操作少人化，信息可视化，故障诊断系统化，显示动态化，电液控制曲线化，设备维护远程化，系统运行决策化，以及一键启停、自动截割、自主定位、自动锚护，并最终形成一套智能快速掘进智控制系统。

智能快速掘进控制系统解决了传统掘进模式中遇到的看不清、断不明、掘不快、修不了等实际问题，通过感知煤层赋存和围岩特性，采用自动截割、智能导航、自主行走、远程集控等技术将工作面各种设备和环境有机地统一起来，实现生产过程“机器决策为主，人工干预为辅”的目的。

自动截割技术

全宽截割技术不仅解决了传统悬臂式掘进机截割效率低的难题，同时也降低了截割的自动化控制难度。悬臂式掘进机的自动截割主要包含定形定向截割、自适应截割和记忆截割3个方面内容，所涉及的关键技术包括机身位姿求解、截割轨迹规划、循迹跟踪控制及断面成形误差分析与修正等。基于掘锚一体机截割工艺和机械结构特点，其自动截割控制相对容易，主要表现在：截割面成形工艺简单（升刀、扫顶、下切、扫底、复位等）、截割轨迹相对单一、截割控制涉及控制变量相对较少（掏槽油缸和截割升降油缸）。悬臂式掘进机自动截割技术路线如下：

（1）确定掘锚一体机自动截割上下断面成形的控制方法，明确控制截割边界的关键动态参数，设计掘锚一体机自动截割边界成形的控制算法。

（2）寻找掘锚一体机截割过程中截割负荷的变化规律，以截割电机工作电流为输入量，结合截割臂旋转角度、掏槽位移实时监测的传感数据，以截割臂垂直升降速度、掏槽油缸伸缩速度为输出量，建立截割油缸速度与截割功率的模糊关系模型。

（3）采用模糊控制理论，实现截割过程的调速控制，进一步提高系统的截割精度和边界的形成质量。掘锚一体机自动截割如图1所示。

图1 掘锚一体机自动截割示意

掘进导航

由于煤矿井下无GPS、北斗等导航系统，如何实现掘进系统的精确定位定向已成为井下掘进的关键问题。为实现掘进装备智能导航，需要深入研究以惯导为核心的多传感器信息融合精确定位定向方法和智能导航控制方法。掘进导航技术主要解决3类问题：①掘进定向问题。保证成型巷道在空间位置上满足使用要求，确保综采工作面的顺利布置和高效开采，掘进定向问题的解决需要将掘进系统的导航信息与三维动态地质模型进行有效融合；②掘进机定位问题。保证掘进机和成型巷道的相对位姿，为自动截割控制提供精确位姿信息，保证巷道成型质量；③掘进系统协同作业问题。保证掘进机与后配套设备自动跟机作业。

掘进导航技术路线：确定采用惯性导航与全自动全站仪组合方法检测掘锚一体机的机身位姿，双履带掘锚机机身位姿测量原理如图2所示。图2中α1、β1、γ1分别为捷联惯导对装备俯仰角、横滚角和航向角的解析值。α2、β2、γ2分别表示捷联惯导对装备俯仰角、横滚角和航向角的解析值。

图2 双履带掘锚机机身位姿测量原理

惯导组合导航系统包括捷联惯导、全自动全站仪、两平行指向仪、雷达物位传感器和数据分析仪等装置。惯导组合导航系统基于掘锚一体机三维数字模型，解析多源感知数据获得掘锚机机身准确位姿。

自主行走

掘锚一体机的主要动作可分为截割作业、锚护作业和设备行走，其中设备具备自主行走功能是掘进设备自动化和智能化的关键技术之一。黄陵二号煤矿为实现掘进装备井下自主行走，结合惯性导航系统的航向及姿态数据，完成了对掘锚一体机航向、姿态及定位数据的精确测量，同时实现了对惯性导航系统的校准，为掘锚一体机的远程控制及行走自动控制提供了精确的航向及姿态数据。

自主行走技术路线：首先，由于掘锚机采用双履带行走机构，采用差分驱动方式作为行走规划与控制的主要方法；其次，对比液压牵引驱动与变频机牵引驱动的优劣，选择较为合适的一种牵引驱动方式；最后，确定适应性强、拟合度高的行走控制模型，以获得良好的行走位姿控制精度。

远程集控

掘进机器人的控制方式包括井下离机视距、井下离机任意距离超视距和地面远程可视化控制3种。在设备无线接入井下环网的基础上，实现地面控制室对掘进机器人的工况环境可视化，机身状态可视化，以及实时手动操控的功能。

（1）井下掘进工作面集控中心研制

结合快速掘进成套装备作业工序和系统构成，设计应用于快速掘进工作面的集中控制平台，按照程序自动、远控、就地、检修多种控制模式，研制了集中控制平台的硬件和控制软件，实现了快速掘进工作面设备的集中控制。井下掘进工作面集控中心如图3所示。

（a）外观

（b）内部操作台

图3 井下掘进工作面集控中心

（2）井上调度中心集控平台研制

井上调度中心集控平台通过光纤网络布设，将矿井环网延伸到快掘工作面，通过光纤接入井下集控中心，井上集控中心可实现井下集控中心的全部功能，井下集控中心设备风格按黄陵二号煤矿调度中心整体布局风格设计。井上调度中心集控平台如图4所示。

图4 井上调度中心集控平台

（3）井下以太网环网至快掘工作面的布置

将矿井环网延伸到快掘工作面，通过光纤接入井下集控中心，工作面网络建设是实现快速掘进装备地面自动化集控的基础。通信网络构成如图5所示。

图5 通信网络构成

（4）快速掘进工作面视频动态跟机监控

掘锚机控制网络延伸扩展，掘锚机安装WiFi或4G/5G无线终端，通过无线方式融合掘锚机视频及控制信息，采用信息融合和可视化技术，实现了掘锚机井下、井上远程控制和截割场景的异地实时再现。井上调度室视频监控如图6所示。

图6 井上调度室视频监控

采用现场调研、优化设计、元部件试验、系统地面联调、井下工业性试验相结合的综合研究方法，依托黄陵二号煤矿的煤层条件和快速掘进成套装备应用经验，针对掘锚一体机、锚杆装载机、柔性带式输送机等设备，基于无线通信网络搭建了掘进工作面多机械群的远程可视化控制平台。黄陵二号煤矿快速掘进智能控制系统实施总体技术路线如图7所示。

图7 黄陵二号煤矿快速掘进智能控制系统实施总体技术路线

黄陵二号煤矿针对中等复杂地质条件，在充分论证水、瓦斯、油型气、油气井等7害俱全的施工条件基础上，研发了地面远程智能快速掘进控制系统，应用集群设备多信息融合网络控制技术，实现了一键启停、自动截割、组合导航、自护行走、自动锚护和设备运行参数的远程实时监测等功能，工作面共5人作业(锚杆支护5人)，掘进工效提高了2倍。

此外，黄陵二号煤矿亦在探寻更高水平的智能掘进技术，为掘进工作面远程管控平台综合赋能，计划集成各类智能探测模块，掘进过程同步采集工作面地理坐标、煤层状态、瓦斯含量、地质水文等数据，全部数据汇总至综采工作面地理信息系统，并细化透明工作面模型，以保障智能综采的精确运行。