“机器人”进驻掘进面 掘进机系统全面升级

　　一道红色的光柱，在幽暗的井下划过。

　　掘进机自如地挥舞长臂，将煤岩层层剥落。

　　这道看似普通的光柱引发了掘进机智能控制自动化技术的一次飞跃。

　　灵感来自绿光

　　“这道红光，是从装在巷道上的激光发射仪中发出的，发射到掘进机机身上，掘进机机身上装有激光接收仪，这些是掘进机位姿检测技术的核心部分。”中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院教授吴淼说。

　　吴淼进一步解释，在掘进机位姿检测上，以前以巷道为基准，对掘进机的位姿偏角和偏距进行检测，是相对检测。相对检测存在的问题是，会产生误差积累，误差积累到一定程度，掘进机就会发生偏向，影响掘进效率，这个问题一直困扰着煤炭企业。而新的位姿检测技术是用绝对测量法进行检测，实现了掘进机的定向截割及自动纠偏，促进了掘进工作面的安全高效生产。利用新的位姿检测技术可以测出掘进机的5个位姿参数，包括偏角、偏距、俯仰角、翻滚角和车前距，掘进机水平偏角和偏距的有效检测距离为30米到130米，水平偏角检测误差小于0.1度，俯仰角及流动角检测误差小于0.05度，车前距测距误差小于6毫米。

　　怎么想到用激光进行定位呢?吴淼说，掘进机位姿检测技术方面没有相关资料可供参考。于是，他们找到包括挖地铁巷道用的盾构机在内的大型机械的资料进行比照研究，还启用了智能型全站仪，但是因为没有煤安标志，而且通讯问题也不好解决，所以不能应用于井下。

　　就在研发人员一筹莫展时，一道绿色光柱给了他们创新的灵感。这道绿色光柱是地测部门在巷道里设的激光定向点。能不能以此为绝对坐标，用激光定向的方法，来进行位姿检测呢?他们决定试一试。

　　首先是选择用什么颜色的光。他们对各种光的衰减性、波长和波段进行比较，又考虑到光敏元件对红光最敏感，最终选择了红光激光。其次是研制激光发射仪。再其次是研制激光接收仪。一开始，他们把激光接收仪制作成了一块大的电路板，上面有一排光敏元件。后来，他们又将这块大的电路板分成8个小块，把光敏元件分成3排。这样，即使3排光敏元件中有2排发生故障，剩下的1排仍可正常工作，大大提高了激光接收仪的可靠性。而8个小块电路板每块都可单独更换，维修起来更加方便。

　　2011年11月，他们在河北冀中能源邯矿集团云驾岭矿12113副巷进行了第一次井下试验。成功了!

　　谈起创新的灵感，吴淼深有体会：“这种灵感来自科研工作者对企业需求的准确把握、对井下环境的熟悉和对相关学科知识的了解。有了这些，才有可能敏锐地捕捉到每一个有价值的信息。表面看上去是突发的灵感，实际上，每个卓越的创新思想都是长期科研实践的结晶。”

　　掘进机位姿检测技术是掘进机近点控制系统中最大的创新点。掘进机近点控制系统分为四部分，包括断面自动成形截割控制技术、摆速自适应控制技术、位姿自动检测技术和自动定向掘进技术，其中自动定向掘进技术是前三项技术的集成。

　　掘进机近点控制、远程遥控、视频监控、远程监测以及故障诊断系统共同组成了掘进机远程控制技术及监测系统。该项目是“十一五”国家高技术研究发展计划(“863计划”)重点项目，于2008年立项，由中国矿业大学(北京)、中国矿业大学、河北冀中能源集团、石家庄煤机公司、云驾岭矿共同完成，于2011年12月通过了中国煤炭工业协会组织的鉴定。前不久，该项目获中国煤炭工业协会科学技术奖一等奖。

　　掘进效率提高20%

　　“掘进单班职工减少3人，掘进效率提高了20%，年节约人工成本120万元，年创效300万元。”云驾岭矿矿长李世波拿出掘进机远程控制技术及监测系统应用后的一组数字。

　　李世波表示，以前，掘进机截割1个断面需要10分钟，而且因为是人工操作，经常会出现超挖或欠挖现象，巷道两帮坑坑洼洼的，还要进行人工修正，浪费的时间就更多了。另外，掘进机在截割时需要十几名工人在现场作业，劳动强度很大。“我们一直盼着能实现掘进机的自动截割。”现在，该技术在井下得到推广应用，掘进机可以根据巷道的形状实现自动截割，截割形状非常精确。截割1个断面只需要4分钟，精度可达5厘米。现场操作人员也大大减少，只是在距掘进机后方几百米的地方有1个监控站。

　　谈到摆速自适应控制技术，吴淼说，掘进机截割臂的摆速过快过慢都不好，遇到软煤层时，摆速没有必要太慢，太慢了掘进效率就会降低;遇到夹矸时，摆速不能太快，如果太快，截割头就会被损坏。研发人员通过对油缸阀口开度进行自适应控制，实现了对掘进机截割臂摆速的智能控制。如今，掘进机可根据煤层的软硬来自动调节摆速，不仅避免了截割头的截齿被损坏，延长了截割机的寿命，而且截割效率和定向掘进的精度也大大提高。

　　据了解，2011年，掘进机远程控制技术及监测系统应用于EBZ200半煤岩掘进机，在云驾岭矿开展试验，实现了掘进工作面的智能化控制。

　　内蒙古准格尔旗官板乌素矿应用自动截割技术后，在岩石硬度接近F7、断面20平方米的半煤岩巷道掘进中，创造了月进尺1003米、年进尺上万米的记录。

　　山东能源集团新巨龙公司井下应用该系统后，掘进机在断面为半圆拱、断面面积为28平方米的岩石巷道安全稳定运行，解决了重型掘进机手动操作困难的问题。

　　掘进机远程控制技术及监测系统实现了掘进机远程自动化、智能化控制，为掘进过程的少人化甚至无人化奠定了基础。安装了该系统的掘进机实现了自动截割、截割臂摆速自适应控制和位姿自动检测，可以对数据进行自动分析，并根据掘进工作面的情况进行远程智能化控制，就如同一个高智商的机器人，精准地完成工作。

　　另外，掘进机远程控制技术及监测系统还为我国煤机装备制造业带来了生机。石煤机公司的技术员杨阳说，该系统的试验是在EBZ200掘进机上进行的，但该系统可以根据机型、巷道的具体情况进行调整。按单台增收150万元计算，如果销售的掘进机有一半加装该系统，则公司一年可增加销售收入12.75亿元。

　　目标是探掘支锚协同作业

　　谈到这个项目，吴淼说他最深的体会是，一切科技创新都要以需求为出发点和落脚点，要确保科技创新成果能应用于井下这个特殊的环境，这样，研发工作才有现实意义。现在有些科技创新是从理论到理论，他不提倡这种远离实际的做法。他同时认为，应该密切关注尖端技术和相关学科的发展，及时了解新成果、新技术，并将其应用于煤炭行业。

　　他说，自动截割、快速支护、超前探测是关系到综掘工作面安全和效率的3个关键环节。现在，自动截割的难题已经解决了。下一步，他们将重点解决超前探测问题，进一步提高掘进工作面的安全保障系数。探掘支锚协同作业是一个大方向，现在支锚占用的时间最长，缩短支锚时间是提高效率的关键，这也是他们今后科研攻关的方向。