智能矿山-智能掘进系统

一、系统简介

    根据矿井掘进地质条件与工艺要求，因地制宜确定合理的掘进技术与装备，配套高效的辅助作业系统，逐步实现掘支平行作业；鼓励应用智能探测、自动定向及导航、巷道断面自动截割成形、自动锚护、高效除尘等先进技术与装备，使掘进工作面生产系统具有智能感知、自主决策和自动控制的功能，实现掘进迎头少人或无人、系统高效协同运行。

二、建设内容：

   1.智能超前探测系统：采用钻探、物探等技术与装备，对巷道待掘区域的地质构造、水文地质条件、瓦斯等进行超前探测，根据掘进过程中揭露的实际地质信息与工程信息对模型进行实时动态修正。鼓励采用智能钻探、物探技术与装备，实现远距离一体化综合探测。

   2.掘进设备导航和定位截割系统：掘进设备具有自适应截割、自动截割与遥控操作功能，能够实现记忆截割。鼓励采用掘进设备精准导航和位姿监测系统，根据位置、姿态变化进行自主调整和纠偏，适应巷道断面变化及底板起伏等地质条件，实现自主定位截割。

   3.锚杆、锚索自动化钻装系统：鼓励研究和应用具有自动化钻锚功能的钻臂，实现锚杆、锚索全断面机械化支护、自动化钻锚和质量自检测等功能。鼓励采用具有电液控功能的钻机、锚索自动进给器等装备，实现自动确定锚护位置、自动钻孔、自动铺网等。

   4.多机协同控制系统：采用掘进工作面设备群和人员精确定位系统，实现设备间相对位置的精确监测和安全防护，不同设备之间实现智能协同控制。

   5.装备状态监测及故障诊断系统：掘进、锚护、运输等设备具备完善的单机状态监测和故障自诊断功能。鼓励有条件的煤矿建设掘进工作面综合监测系统，实现各设备状态的实时监测。

视频监测系统：掘进头和各转载点应设置高清摄像仪，具备视频增强功能，鼓励采用AI技术实现人员入侵、违规操作识别报警、灾害预警等功能。

   6.掘进工作面远程集控平台：融合掘进工作面环境（粉尘、瓦斯、水、有害气体）、视频监测和人员信息，进行掘进工作面真实场景再现，实现单机可视操控、成套设备“一键启停”和多机协同控制等；鼓励应用数字化孪生技术，实现人—机协同控制。

三、系统功能：   

        参照国家能源集团《井工智能掘进工作面建设指南》

      1）自主导航、精准定位功能

   （1）位姿调整

       为了实现掘进机器人的自动掘进作业，本系统实时监测掘进机的位置和姿态，简称位姿。掘进机机身位姿参数主要包括：水平偏角、俯仰角、横滚角、水平偏距、车前距。

     （2）掘进机航向、空间位置检测及位姿补偿

       为了获取掘进机机身的绝对位姿参数，本系统采用激光扫描仪结合机身多传感器数据融合的悬臂式掘进机位姿检测方法。既充分利用激光扫描仪绝对位置校准，又利用了掘进机机身安装的多传感器实时数据联合工作，解决了高清摄像头无法清晰观测截割头具体位置的缺陷。

       掘进机在截割过程中，由于截割阻力导致掘进机位姿发生变化。位姿补偿功能即自动补偿由于掘进机机身偏移导致截割头截割路径发生变化，始终保证截割头按照设定截割路径进行截割工作。

    （3）基于惯性导航

     系统可选配基于惯性导航的定位导航系统，系统原理如图6.6所示所示。

       2）断面自动截割（含截割头精准定位）

       通过数学模型结合多种传感器的使用，由计算机对掘进机截割臂的回转与升降液压缸进行控制，自动截割出规整断面。

       对于常见的矩形巷道断面，可以根据远程遥控中心上位机输入的断面宽、高，计算机控制系统自动计算特征点，从而可以控制截割头作业运动曲线；而对于梯形或者半圆拱形等不规则巷道断面，可以输入断面曲线模型，建立特征值点，确定截割头作业轨迹。

        3）自动刷帮控制

         断面自动截割时，若截割步距小于截割头半径，则断面控制精度较高，断面表面粗糙度误差较小 ，但所需截割步距增多，影响截割效率。

       若截割步距设定在截割头半径到直径之间，能一定程度上提高截割效率，但会造成巷道两帮较大的粗糙度误差。为此，设计了自动刷帮功能，控制掘进机自动修整断面两帮，减小粗糙度误差，提高进尺效率。

       4）摆速自适应控制

       通过采集截割电机负载、掘进机振动频谱和液压系统的压力等，自适应控制截割臂摆速和滚筒转速。

       在截割过程中，当煤岩硬度急剧变化（如遇到夹矸）时，因截割电动机转速不能改变，如不能迅速调整截割臂摆速，则极易造成截齿损坏，截割电动机电流也会大幅过载而出现停机甚至电动机损坏情况。在遇到体积比较大的夹矸的情况下，掘进机机身会产生剧烈振动，机身位姿产生较大误差，掘进断面会产生较大偏移。

       当掘进机采用人工公式方式时，司机能凭借感觉和经验，通过操作手柄来控制截割臂摆速，载荷较小时，提高截割臂摆速；反之，当遇到夹矸载荷交大时，减小截割臂摆速，从而使截割电动机始终处于满载状态，以此提高掘进机的工作效率。

      5）视频监控系统

       工作面视频系统由矿用本质安全型显示器、矿用本安除尘摄像仪、安装电缆及附件等组成。

掘进机配备矿用本安除尘摄像仪，安装于掘进机的机身上，用于监视掘进区域。

       视频系统通过矿井自动化网络上传到地面，通过客户端软件或IE浏览器实现对网络摄像头访问，从而实现工作面视频在地面实时监测、显示、存储，存储时间不少于30天。

       6）工作人员识别预警防护

       基于人员识别定位，实现掘进面现场人员防护。

       当掘进工作期间，有人员接近掘进机一定距离，设备自动报警甚至停机。

      7）机身防撞

       在机身安装防撞传感器，通过检测机身与巷道左右煤帮，实现防撞联锁。

    （1）掘进机与左右煤帮距离

    （2）掘进机机身掘进面距离

    （3）可预设报警距离，实现防撞预警

    （4）防撞可扩展为人员接近告警

    （5）掘进与巷道空间关系（在采和已采）

      8）工况监测及故障诊断预警

       工况监测单元主要用于监测掘进机工作参数，例如电压、电流、液压系统压力、液位等。工况监测单元数据获取采用以下方式：

       掘进机电控箱内已经安装相关的工作参数监测传感器，例如电压、电流、液体系统压力等，智能远程遥控系统中央控制单元可以通过RS-485总线和原有电控箱PLC控制器通信，获取相关工况参数在监控平台软件进行显示，并在参数超限时进行预警。

掘进工作面超前探测

掘锚一体机