吕富杰

（霍州煤电集团辛置煤矿，山西 临汾 031600）

1 智能化掘进系统

1.1 设计要求

自动化机械巷道掘进作业应采用适宜的技术装备，应满足煤矿采掘接替需求。采用智能物探、钻探技术进行巷道超前探测，实现掘进数据实时数字化分类存储和现场地质三维建模功能；掘进工作面的条件适宜煤层，优先采用掘、支、锚、运、破碎一体化成套装备，通过掘进工作面远程集控平台，实现基于感知信息对掘进工作面的远程集中控制[1-2]。

1.2 系统组成及优势

掘进机远程智能控制系统由惯性导航系统、中央控制单元、光纤通信以太环网、远程视频监控分站、遥控器和井下井上远程监控设备等部分组成，如图1所示。

图1 系统设计架构

实现全机械化作业，根据地质条件、空顶距等要求，以安全、高效、少人、快掘为目标，实现智能化掘进。实现所有设备“一键启停”、供配电、设备状态监控、视频监测、无线数据网络管理及单位可视操控、多机协同控制、远程集中控制和流程启停等。掘进机远程智能控制系统是面向工程机械装备制造产业，将煤炭巷道掘进技术升级换代，解决现有煤巷掘进带来的管理、安全、环保、效率等一系列问题的系统。该系统针对巷道工作面进行研究，以一种具有实时性的掘进机机身位姿参数测量系统作为基础，提出悬臂式掘锚机智能远程控制方案。新型掘进机智能远程控制系统，长期适用于工作面现场恶劣的环境，使得工作人员远离粉尘、噪声及危险区域，改善工作环境，减少事故发生概率，提高掘进作业的工作效率及安全性[3]。

1.3 掘进机远程智能控制系统

掘进机工作现场的视频采集功能，图像分辨率可达1 080P，且成像系统中具备红外照射、强光抑制、超宽动态、超低照明度等算法，具备云台摄像功能，满足角度旋转、焦距缩放；同时具备语音通信的功能；掘进机状态参数信息数据采集功能；采集后数据可远程传输功能；1 000 m 外远程监视、遥控功能；井下数据、图像上传至地面调度中心的功能；截割轨迹在线监测的功能[4]。

1.3.1 惯性导航定位技术

光纤惯导产品采用模块化设计，光纤INS 纯惯性自主定位定向具有反应速度快、准备时间短、姿态精度实时可调、抗干扰能力强等特点。

1.3.2 在线监测截割轨迹

采用高精度陀螺仪与加速度计，速度快、时间短、抗干扰能力强，实现煤矿巷道掘进自主掘进机车身姿态方位信息的获取，可达到精度0.1°车身姿态，掘进机智能实时传感器网络发出的多传感信息指令，模型精确计算得出实时的截割头位姿参数。

1.3.3 截割远程智能控制

掘进机远距离截割（＞1 500 m），控制反应速度快；掘进工作面具有巷道成型准确，边界报警功能，断面成型误差小于15 cm，有效防止超掘、欠掘现象发生，精准实现远距离迎头断面截割。惯性导航系统和精确传感网络技术相融合，精确完成掘进机截割头轨迹模拟实时监控，上传至现场操作台和地面监控室，实时掌控巷道掘进过程中设备工作情况与掘进工作面的各种参数信息[5]。

1.3.4 远程可视化应用

掘进机上安装高清无线摄像头和信息数据传输设备，实现了巷道掘进远程实时监控。监控视频清晰度1080P 和红外补光技术等优点；封闭式一体化云平台设计实现水平角度0～360°，垂直角度0～90°。通过无线高清摄像头和信息数据采集传输设备，同时将掘进机施工时的音频信息、设备运行状态信息等通过无线网络传输至掘进机后方的远程操作平台，再通过工业环网传输至地面操控室，全方位实现远程实时监控。

1.3.5 井下电子围栏

人员防误入系统采用视觉AI 技术+UWB 高精定位组合，实现主动与被动式组合检测。利用视觉AI技术，主动检测掘进机一定范围内的人员情况；利用UWB 技术，对矿灯及人员标识卡进行识别。在工作过程中一旦检测到人员误入，主动报警提示。

1.3.6 地面操作台

地面集控中心通过矿井万兆环网将井下集控中心的数据传输到地面集控中心，集成了各分系统的综合集中控制功能，以及数据存储、数据分析等功能。可分为简易地面操作台、1.2 m 曲面屏地面操作台、三维视觉画面地面操作台。井下集控室是智能化综掘工作面的核心装备，集成了各分系统的综合集中控制功能，各参数的采集以及分析处理功能。井下集控可分为远程操作台集控、井下集控室集控。

2 掘锚一体

锚杆钻车可实现360°无死角钻孔作业；通过两个钻臂调整相对位置，找到更适合的打孔位置；平台与钻臂一体化设计的操作平台，可以给操作者提供安全方便的操作位置[4-5]，如图2 所示。

图2 锚杆钻车

将两个锚杆机构与掘进机巧妙地组合在一起，掘进机作业时将锚护机构收回到行走部上；锚护作业时，支护展开两锚杆机前伸到截割头前锚护作业，避免了截割部作业振动对锚护机构的影响。

锚杆机具有夹持器功能，可以夹住卸钎杆、拔钎杆；夹持器打开后，可以通过锚盘120 mm×120 mm。双级伸缩平台，锚杆机构在两侧行走部，通过双级滑动伸缩平台，将锚杆机伸出到截割头前方锚固作业，实现掘进与锚护位置的切换。

掘锚机的作用，现场施工人员在支护顶板下只做简单的辅助工作；降低劳动强度和安全系数，减少人力成本。机械化实现锚护作业改善了作业环境，解决了掘进机与锚杆机分解结合工作造成人力、物力的浪费；实现全断面锚杆施工。掘进机与锚护设备设有液压互锁切换阀，确保锚护机设备动作时掘进机不动，锚护机设备有压力传感器锁死截割电机，避免误操作。

3 功能实现

1）掘进机远程智能控制系统具有实时性的掘进机机身位姿参数测量系统作为基础，实现掘进机截割头自动截割，进而达到工作面少人化、智能化；

2）实现远程（井下、地面）图像监控掘进机工作断面、设备截割头、整机位置、后配套出料情况，方便操作者操作以及紧急情况处理；

3）远程智能截割，掘进机远程遥控操作，提高操作人员的人身安全，改善其工作环境，降低巷道粉尘对其的危害；有利于煤矿扩展需求的视频和数据信息接口。地面工作人员可实时监控井下环境和设备情况，异常情况时可以采取紧急措施。该系统预留出了相应视频和数据信息接口，有利于煤矿扩展的需求；有效解决煤矿井下掘进面环境恶劣问题。

4 应用效果

1）提高工作效率,巷道掘进机工作现场复杂、环境恶劣、截割粉尘量大、亮度差，断面欠挖、超挖现象时有发生。功能实现后，实时坐标控制巷道截割边界，完成巷道边界报警功能及停止掘进机截割头边界超挖动作，抑制截割断面欠挖、超挖现象，巷道掘进效率提高28%，减少了施工时间，提高巷道成型质量。

2）节约人力成本，掘进机远程智能控制系统改造后，每个掘进工作面每班减少工作人员8 名，早、中、夜三班共减少24 人，掘进直接工平均工资按10 600元/（人·月）计算，每月节约人工成本约254 400 元，按12×254 400 计算，年节约人工成本约305.28 万元。山西某矿现有掘进工作面4 个，按3 052 800×4计算，全矿年节约1 221.12 万元。

5 结语

山西某矿掘进机按照本质安全的要求进行智能化升级改造，优化了掘进机行走偏误差，提高了巷道掘进断面的质量控制准确度，改善了工作环境，降低劳动强度，减少人力、物力成本，提高了山西某矿安全生产效率。