煤矿井下采煤工作面巡检机器人监控系统研究_姜佼.pdf

煤矿井下采煤工作面巡检机器人监控系统研究姜佼（山西省汾西矿业（集团）有限责任公司双柳煤矿，山西柳林033300）摘要：提出一种巡检机器人系统，该系统通过钢丝绳牵引实现巡检机器人在采面往返移动；通过悬轨支撑机确保液压支架前移时钢丝绳始终平直；采用机器人本体上内置传感器及通信系统实现采面环境参数、温度以及现场情况监测及传输。对巡检机器人系统结构组成、关键技术以及现场应用情况进行分析。现场应用后，该巡检系统可适应采煤工作面综采设备频繁前移需要，实现采煤工作面环境参数及画面实时监控，在一定程度提升煤炭开采工作安全监控保障能力。关键词：煤炭开采；巡检机器人；综采设备；监测传感器中图分类号：TD67文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）06-0227-030引言采煤工作面是煤炭开采主要场所，采煤工作面内煤炭开采、运输设备多、空间狭小以及视觉环境差等特点1-2。同时采煤工作面也是井下安全事故发生的主要场所，因此强化采煤工作面安全管理重视程度、实行在线实时监控对提高煤炭生产安全保障能力具有显著促进意义3。传统采煤工作面安全监控主要通过人工巡检、布置传感器在线监控等措施，人工巡检有劳动强度大、效率低等问题；布置传感器在线监控则存在监控范围受限问题，仅能实现某个区域实时监测4-6。近些年来，随着智能化技术以及监控技术不断发展，各类自动化巡检机器人在工矿企业中应用不断增加，在一定程度提升企业生产安全保障以及自动监控能力7。目前煤矿使用的巡检设备有地面行走式、悬挂式以及轨道式等，但受采面设备多、空间小等因素制约，自动巡检设备在采煤工作面应用不广泛8-9。文中就依据采煤工作面现场特点，提出一种巡检机器人系统，该系统可适应空间狭小、液压支架频繁前移的特点，可实现采面工作面环境实时监测，在一定程度提升采煤工作面安全保障能力。1巡检机器人系统结构及关键技术1.1系统结构在采煤工作面布置的巡检机器人系统结构组成如图 1 所示，主要子系统包括机器人、通信系统、巡检系统、电气控制系统以及集制系统等。机器人内集成有各类传感器（瓦斯传感器、相机以及红外热成像仪等）、通信系统以及供电模块等；巡检系统结构包括驱动装置架、迂回系统、悬轨支架以及牵引钢丝绳等，巡检与可适应液压支架推移需要；电气控制系统为巡检机器人、其他的辅助设备提供电源；通讯系统为巡检机器人与控制室间搭建通信网络，实现信息交互；集控系统可实现巡检机器人运行参数调整以及监测数据分析，融合分析采煤工作面现场监控图像以及数据，及时发现潜在隐患并提醒相关人员及时处理。1.2关键技术1.2.1自动巡检自动巡检系统组成如图 2 所示，巡检机器人通过在采面布置的钢丝绳上实现往返移动，对采面各位置进行巡检。其中驱动装置牵引钢丝绳移动；迂回装置架实现钢丝绳闭环；悬轨支撑机构将钢丝绳固定到液压支架上；避免钢丝绳在重力作用下出现较大下沉量；抱索机构则将巡检机器人固定到钢丝绳上；巡检机器人到达采面端头处到位检测元件会发出信号。具体采面自动巡检过程为：到位检测元件布置在采面上下端头位置，当机器人运行到到位检测元件位置后，到位检测元件会发出信号，此时驱动装置反转从而实现机器人往返自动循环。收稿日期：2022-04-20作者简介：姜佼（1988），男，山西运城人，本科，毕业于山西大同大学采矿工程专业，工程师。总第 242 期2023 年第 6 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 242No.6，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.06.092图 1巡检系统示意图图 2自动巡检结构通信网络系统电气控制系统自动巡检系统电机及控制主机及机器人机器人信号供电本体信息交互工作环境自动巡检机器人巡检系统路径数据分析智能控制报警数据采集智能控制集控室集控系统数据采集机器人本体钢丝液压 悬轨支撑 抱索到位检测迂回缆绳支架机构机构元件装置架驱动装置架机器人本体自动化系统设计机械管理开发第 38 卷1.2.2悬轨支撑机构悬轨支撑系统布置在液压支架下方用以给钢丝绳提供支撑力，具体结构如图 3 所示。悬轨支撑机构包括吊装板、滑轨、浮动滑轮座以及支撑机构等。通过滑轨可实现液压前后移动，确保液压支架前移时钢丝绳始终平直，给巡检机器人循环移动创造良好条件。1.2.3巡检数据采集机器人本体包括供电线路、电源以及各类监测传感器等，实现采煤工作面环境参数实时监测。本体上内置的瓦斯传感器实现巡检路线瓦斯浓度测定；热成像相机则实现采面巡检路线画面实时检测，实现可视化监控，集控系统将获取到的各类环境参数及监控画面融合，使得监控画面同时显示环境参数。1.2.4安全预警通过巡检机器人内置的热成像系统实现沿线各位置温度监测，在巡检机器人运行接近采煤机等位置时，热成像系统可直接获取巡检沿线各电气设备温度，探测精度可达到 0.2；配合人员巡检以及自动巡检，实现高温点预警。内置传感器发现瓦斯、温度等出现异常时，均会将异常参数传输给集控中心，通过集控中心显示异常点位置以及异常信息，实现采面工作面安全预警。2现场工程应用分析2.1工程概况山西某矿 3 盘区 3302 采面工作面回采 3 号煤层，埋深 350 m，厚度 2.85 m，倾角 5。3302 工作面设计推进长度 850 m，采面面长 145 m，工作面布置的综采设备主要为 MG500/1130 采煤机、ZY9000/15/28D液压支架（86 台）、SGZ1000/1050 刮板输送机，采煤机单刀进尺控制在 800 mm，采面割 5 刀/d，进尺量为4.0 m/d。采煤机割煤后液压支架前移 800 mm。在采面布置的巡检机器人系统规格参数如表 1 所示。2.2现场应用效果将巡检机器人系统应用到 3302 综采工作面，在现场应用期间巡检机器人系统始终保持平稳运行，可将现场环境参数以及巡检图像传输给集控中心；液压支架前移期间钢丝绳可始终平直，不会给巡检机器人通过带来影响。现场应用表现出下述几方面主要优点：1）巡检机器人本体小，传动系统、驱动系统及通信系统占用空间小，可适应采面工作面狭小空间需求。2）随着采面推进液压支架需频繁移动，而巡检机器人系统凭借悬轨支撑结构可始终确保牵引钢丝绳处于直线状态，解决以往轨道式牵引方式适应性差以及无法随液压支架前移问题，提高巡检机器人在复杂环境中的适应性。3）集控系统可实时获取，通过显示屏显示采煤工作面巡检路线温度、瓦斯浓度以及实时画面，当出现异常数据时会自动发出安全预警，以便采面工作面现场作业人员及时处理，提高采煤工作面安全监控能力。3结论1）采煤设备多、空间小，同时回采设备须频繁移动，给巡检机器人系统布置带来一定制约。依据现场情况，文中提出一种巡检机器人系统，该系统通过钢丝绳牵引实现巡检机器人往返移动、采用悬轨支撑机构确保液压支架前移和钢丝绳仍处于一条直线，提高巡检通过性；在巡检机器人内置各类型传感器可实现采面瓦斯浓度、温度以及沿线画面监测。2）地面集控中心可对巡检机器人获取参数、监控画面等信息进行融合处理，对巡检获取到的异常数据进行报警，以便井下作业人员及时前去处理，提升采煤工作面安全监控保障能力。在 3302 综采工作面现场应用后，该巡检机器人系统运行平稳、支架移架时机器人本体仍可平稳通过，同时巡检获取参数可实时传输，现场应用效果较为显著。参考文献1和志伟.智能综采工作面人员感知定位控制系统研究J.机电工程技术，2021，50（5）：160-162.2胡而已，葛世荣.煤矿机器人研发进展与趋势分析J.智能矿山，2021，2（1）：59-74.3崔正文.采煤工作面巡检机器人系统研究J.自动化应用，2020（11）：62-64.4岳巧珍，牛磊，秦文光，等.智能化采煤工作面人员感知定位控制系统策略研究J.煤炭工程，2020，52（8）：127-132.5马成珠.薄煤层自动化智能化开采技术探索及应用J.中国煤炭工业，2020（7）：60-62.6李森，王峰，刘帅，等.综采工作面巡检机器人关键技术研究J.煤炭科学技术，2020，48（7）：218-225.7葛世荣.煤矿机器人现状及发展方向J.中国煤炭，2019，45（7）：18-27.8商德勇.薄煤层综采工作面巡检机器人运动分析及试验研究D.北京：中国矿业大学（北京），2016.图 3悬轨支撑机构结构机器人本体规格/（mmmmmm）机器人本体质量/kg机器人运动速度/（m min-1）热成像仪分辨率/（pixpix）测温范围/可见光相机分辨率/（pixpix）60035020015020640512-25 1351 9201 200表 1巡检机器人系统规格参数吊装板滑轨浮动滑轮座支撑机构2282023 年第 6 期9赵亮.煤矿在用安全监控在线达标监测系统设计J.煤炭技术，2015（8）：213-215.（编辑：王婧）Research on the Monitoring System of Inspection Robot for Underground Coal Mining Facein Coal MinesJiang Jiao（Shanxi Fenxi Mining(Group)Co.,Ltd.Shuangliu Coal Mine,Liulin Shanxi 033300）Abstract:A patrol robot system is proposed,which achieves round-trip movement of the patrol robot on the mining face through wire ropetraction;Ensure that the steel wire rope is always straight when the hydraulic support is moved forward through the suspension rail supportmachine;Using sensors and communication systems built into the robot body to achieve monitoring and transmission of mining surfaceenvironmental parameters,temperature,and on-site conditions.Analyze the structural composition,key technologies,and on-siteapplication of the inspection robot system.After field application,the patrol system can adapt to the need of frequent forward movement offully mechanized mining equipment in the coal mining face,realize real-time monitoring of environmental parameters and images in thecoal mining face,and improve the monitoring guarantee ability of job security in coal mining to a certain extent.Key words:coal mining;inspection robot;fully mechanized mining equipment;monitoring sensorsDesign and Application Research of PLC Based Electrohydraulic Control System forHydraulic SupportsJi Pengfei1,Min Wen2（1.Liaoning General Heavy Machinery