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中煤華晉集團王家嶺礦總工程師尉瑞:王家嶺礦智能掘進工作面關鍵技術研究與實踐

專題網友投稿2022-10-31A+A-

中煤華晉集團王家嶺礦總工程師尉瑞:王家嶺礦智能掘進工作面關鍵技術研究與實踐

尉瑞,趙亮等 智能礦山雜志
智能礦山雜志

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首個聚焦礦山智能化領域產學研用最新進展的綜合性技術刊物。宣傳國家智能礦山建設方針政策,報道智能礦山最新科研成果,交流智能礦山建設經驗,推廣智能礦山先進技術與裝備,培養智能礦山科技人才。

收錄于合集 #智能化示范礦井 經驗介紹 24個

經過改革開放40余年的創新發展,我國煤礦實現了從普通機械化、綜合機械化到自動化的跨越,并開始向智能化邁進。近10年來,我國在薄和較薄煤層智能化綜采、大采高和超大采高智能化綜采、特厚煤層智能化綜放開采技術與裝備等方面取得了重要成果,煤礦智能化開采技術與礦井配套設施的快速發展,加劇了采掘失衡的矛盾,發展巷道智能掘進成套技術裝備、提高掘進智能化水平已經成為保障煤炭生產企業安全高效生產的先決條件?!笆晃濉币詠?,國內各高等院校、科研院所以及掘進裝備研制企業,積極開展綜掘裝備自動定位、智能導航、自動截割、在線監測、遠程可視化操控以及工作面臨時支護與粉塵治理等方面的研究,取得了顯著成果,在一定程度上引領了我國乃至世界范圍內綜掘技術與裝備的未來發展方向。

在此基礎上,2019年中國中煤能源集團有限公司(以下簡稱中煤集團)啟動了重大科技項目“煤礦智能掘進工作面建設關鍵技術”;2021年12月,中煤華晉集團有限公司王家嶺礦(以下簡稱王家嶺礦)12307膠帶巷智能掘進工作面正式建成,實現了掘進系統的全面“智”化,標志著智能掘進技術的重大跨越,帶動了全國智能掘進技術迭代升級?!懊旱V智能掘進工作面建設關鍵技術”項目攻克了慣性導航系統+多傳感器+激光標靶的掘進機機身自主定位技術,以及利用多傳感器+機器視覺技術攻克了鉆孔自主定位的瓶頸技術,并初步應用,實現了工作面掘、錨、運等主要工序及通風、除塵、供電等輔助工序智能化運行,構建了以工作面自動控制為主,集控中心遠程干預為輔的自動化掘進模式,達到掘進工作面少人化、無人化作業的目標,為王家嶺礦井下安全、高效掘進提供可靠的保障,為全國掘進工作面的智能化建設奠定技術基礎。

文章來源: 《智能礦山》 2022 年第 9 期“智能示范礦井”專欄

第一作者: 尉瑞,高級工程師,博士研究生,現任中煤華晉集團有限公司王家嶺礦總工程師

通訊作者: 趙亮,工程師,碩士,現任中煤華晉集團有限公司王家嶺礦信息科主管

引用格式: 尉瑞,趙亮,胡成軍. 王家嶺礦智能掘進工作面關鍵技術 研究與實踐[J].智能礦山,2022,3(9):22-27.

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0 1

攻克智能掘進瓶頸技術

引領掘進行業 “智”化發展

目前,掘進工藝總體可分為綜掘機+錨桿鉆車+后配套運輸設備和掘錨一體機+后配套運輸設備2種掘進模式,掘錨一體機為掘錨平行作業,由于受限于支護空間,支護環節無法實現自動化,同時橫軸式截割頭對地質條件適應性差,無法保證掘進的靈活性,但平行作業大幅提高了工作面的掘進效率。綜掘機+錨桿鉆車的掘進模式為掘錨交替作業,該作業方式保持了掘進的靈活性且具有普遍適用性,雖然掘錨交替作業效率相對較低,但仍為國內主流作 業方式。

基于此,中煤集團展開了縱軸式智能掘進研究,該研究的瓶頸技術為智能截割和自動錨固,針對此問題,王家嶺礦聯合中煤天津地下工程(智能)研究院、遼寧工程技術大學、西安科技大學、中船707研究所、中國煤炭科工集團太原研究院有限公司、西安交通大學等全國知名科研單位進行研究,確定利用慣性導航系統+多傳感器+激光標靶技術實現掘進機身精準定位與自主糾偏,利用多傳感器+機器視覺技術實現錨桿鉆車鉆孔的精準定位。以此2項核心技術為抓手,實現了掘進機的智能截割和錨固流程的自動化運行,形成了中煤集團特有技術體系,推動掘進技術的跨越升級。下面對2項核心技術進行闡述:

(1)組合式定位技術(慣性導航系統+多傳感器+激光標靶)

針對掘進機機身定位問題,提出了3種定位方法,為保證定位精度與定位可靠性,將3種定位方式進行組合定位,以提高定位進度、保證定位效果。首先通過機器視覺的方法實現了掘進裝備的位姿檢測,輸出掘進機位置和姿態信息;然后將輸出的位置信息傳輸到光纖慣導以校正慣導漂移,通過激光標靶定位實現掘進裝備的位姿測量并輸出位置信息。同時將各自信息進行匯總,實現機器視覺與光纖慣導組合定位和激光標靶與光纖慣導組合定位,各自獨立輸出定位信息。通過卡爾曼濾波數據融合處理實現兩者數據的融合,進一步提升測量精度和穩定性。掘進裝備高精度組合式定位技術架構如圖1所示。

圖1 掘進裝備高精度組合式定位技術架構

通過前期硬件安裝、調試,系統可實現掘進機位姿的功能,具體應用效果如圖2所示。

(a)激光指向儀效果及隔爆攝像儀

(b)掘進機機身后視效果

(c)掘進機機身位姿本地展示

(d)掘進機機身位姿遠程展示

圖2 組合式定位技術應用

(2)鉆車定孔技術(多傳感器+機器視覺)

為實現錨桿成排自動支護,通過多傳感器進行鉆孔粗定位,利用AI視頻識別技術精確定位鉆孔位置,實現了錨桿索鉆孔位置的精確識別,為錨桿的自動打設奠定了技術基礎。采用2個伸縮臂機構來實現自動鉆臂的空間定位,設備空間位姿主要由伸縮臂機構決定,并根據設備空間位姿的正解和逆解計算方法,得出了2種解的解析表達式。首先人工確定頂板基準角錨桿位置,建立基準錨桿在錨桿鉆車機身坐標系的坐標值,以此為出發點根據錨桿支護工藝圖間距參數值,通過控制系統計算與預期的位置的差距,不斷反饋、驅動、反饋,精確控制旋轉角度,自動確定剩余錨桿支護位置,然后驅動伸縮臂進行錨桿位置的自動定位,到位后進行對應位置錨桿自動安裝,工作完成后可自動復位。以錨桿支護頂部錨桿工藝為例,頂錨運行過程中,鉆臂保持設定姿勢,全局坐標系選為機身坐標系,點之間移動時,按矩形軌跡運動,如先從角錨桿設定點降至指定值,橫移至給定點下方,再豎直向上升到設定點,然后開始自動運行。錨桿鉆車定位邏輯和全自動錨桿鉆車現場應用分別如圖3、圖4所示。

圖3 錨桿鉆車定位邏輯

圖4 全自動錨桿鉆車

0 2

利用 5G 無線通信技術

實現設備的無線控制

12307膠帶巷布設了5G基站,設備布設了CPE信號轉換器,通過掘進機、錨桿鉆車、自移機尾、帶式輸送機、5G攝像儀、華寧控制器的CPE將信號傳送至集控倉,在集控倉實現了所有設備的無線控制,減少了線纜對工作面的干擾。在現場優化網絡結構、調整上下行傳輸比,解決了5G信號不穩定問題?!盎?G無線通信技術掘進工作面設備控制”項目是5G技術在中煤集團的首次成功應用,該套5G系統在工作面已穩定運行5個月,是遠程集中控制的基礎。王家嶺礦12307膠帶巷5G網絡架構、5G基站如圖5、圖6所示。

圖5 王家嶺礦12307膠帶巷5G網絡架構

圖6 王家嶺礦12307膠帶巷5G基站

0 3

開發智能掘進管控平臺

實現數據共享與設備集控

智能化掘進管控平臺利用數字孿生技術將數據-模型-設備進行擬合,對掘進工作面情況進行全面的管理與控制,并對掘進工作面進行數據采集,之后采用大數據技術對數據進行處理,為掘進工作的優化及改良提供堅實的基礎。

智能掘進管控平臺部署在掘進工作面集控中心,主要具備完成底層數據的采集、傳輸、解析、邊緣計算、協同控制、存儲等功能,通過井下工業以太環網將數據上傳至地面調度指揮中心,實現對掘進工作面生產的分析、調度,定期反迭代更新井下掘進智能管控平臺。智能掘進管控平臺基于工業互聯網架構,兼容地面礦井管控平臺,確保了2個平臺之間的通信暢通。感知與執行層主要包含掘進工作面各類傳感器與控制單元、執行機構、智能設備;網絡傳輸層主要包含5G網絡以及有線傳輸網絡,智能掘進管控平臺對工作面內各系統的通信協議進行轉換、對采集的信息進行數據格式統一、數據抽取、數據清洗、數據轉換與深度融合,形成多源異構信息數據服務平臺,并通過建立統一的數據服務接口,為上層應用提供統一的數據服務,實現數據的共享,搭建掘進工作面遠程管控平臺,最終形成“煤礦智慧大腦”,為井下生產提供決策依據。智能掘進管控平臺的使用將大幅改善掘進工作面人員的工作環境,進而提升工作人員的安全系數和幸福指數。王家嶺礦智掘管控平臺如圖7所示。

(a)智掘管控平臺主界面

(b)智掘管控平臺掘進機界面

(c)智掘管控平臺智能局部通風機界面

(d)智掘管控平臺數據預警界面

圖7 王家嶺礦智掘管控平臺

04

融合生產工序   實現智能聯動

王家嶺礦利用AI視頻識別系統實現了煤流系統的跑偏、堆煤和煤量的識別并分級預警,自動控制煤流系統的穩定性。構建了智能通風系統,實現了風量依據瓦斯濃度、溫度的自動調整。同時構建了智能除塵系統、智能排水系統和智能供電系統,并結合掘進生產工藝,通過操控面板或管控平臺實現了各系統的智能聯動。

王家嶺礦12307智能掘進工作面以掘進機與錨桿鉆車定位技術為突破點,以5G無線通信技術為數據傳輸通道,以數字孿生技術為基礎構建管控平臺,圍繞多機協同控制原理、掘進產塵與擴散機理,攻克了單機智能控制技術、多機協同控制技術以及自適應截割,實現了工作面掘、錨、運等主要工序,以及通風、除塵、供電等輔助工序智能化運行,構建了“以工作面自動控制為主,集控中心遠程干預為輔”的自動化掘進模式(圖8、圖9),標志著掘進設備動態定位技術的階段性突破,是掘進系統“智”化模式的巨大變革,形成了穩定的智能掘進系統,推動了我國煤礦智能掘進技術的發展,為煤礦井下安全、高效掘進提供了可靠的技術保障。

圖8 王家嶺礦井下集控中心

圖9 井下遙控操作自移式邁步自移機尾

END

責編丨李金松
編輯丨趙雪君
審核丨趙瑞

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