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0前言 智能化开采是指通过开采环境的智能感知、回采设备的智能调控与自主导航，实现回采作业的过程。通过自动化、智能化的技术手段，在工作面连续正常生产过程中，将工人从危险的采场(狭义综采工作面)解放到相对安全的巷道、硐室或地面，实现采场无人操作，甚至无人巡检，即工人不出现在采场或工作面内，无人化是煤矿综采工作面开采的终极目标。 智能化开采具有3项技术内涵：①回采设备具有智能化的自主作业能力；②实时获取和更新回采工艺数据，包括地质条件、煤岩变化、设备方位、开采工序等；③能根据开采条件变化自动调控回采过程。 基于现有电液控制技术水平，本文分析智能化开采涉及的三大前沿技术领域： ①工作面的连续推进技术，包含工作面直线度控制技术、采煤机防碰撞技术、人机定位技术等； ②工作面的回采探测技术，包含煤矸识别技术、煤岩分界与采场厚度探测技术等； ③工作面的实时调控技术，包含工作面通讯关键技术、执行反馈技术等。 1.工作面的连续推进技术 1.1工作面直线度控制技术 1）惯性导航技术 采用惯性导航技术较为成熟的为澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO设计的工作面自动化LASC系统，该系统包含惯性导航系统和工作面自动控制算法2项核心技术。 （1）LASC系统将基于光纤陀螺的惯性导航设备安装在采煤机机身电控箱内，通过运行嵌入式导航定位软件实现采煤机三维位置的精确定位。该惯性导航定位软件在无GPS信号辅助的情况下行进2.7km，定位误差在30cm以内。惯性导航定位软件可用于综采工作面的水平控制和连续采煤机自动制导。 （2）工作面自动控制模型和算法。基于该算法，设计了工作面矫直系统，其包含高精度舵性导航仪和矫直数据分析系统2项核心技术，通过对舵性导航仪记录的采煤机空间位置进行分析，确定当前工作面的直线度，计算出每台液压支架的推移量，给液压支架电控系统发出执行信息，对工作面直线度进行动态调整。 2）视觉测量技术 机器视觉测量类型可划分为以下几类： ①平面视觉（Planar Vision）：被测对象处在平面内，只对目标在平面的信息进行测量的视觉测量与控制。 ②立体视觉（Stereo Vision）：对目标在三维笛卡尔空间内的信息进行测量的视觉测量与控制。 ③结构光视觉（Structured Light Vision）：利用特定光源照射目标，形成人工特性，由摄像机采集这些特征进行测量。结构光视觉可简化图像处理中的特征提取，大幅度提高图像处理速度。 ④主动视觉（Active Vision）：对目标主动照明或者主动改变摄像机参数的视觉系统。 ⑤被动视觉（Passive Vision）：被动视觉采用自然测量，如双目视觉。 上述类型中的平面视觉和结构光视觉测量技术可进一步应用于智能开采。可在刮板机侧安装LED指示灯用于找直。采用安装在机头的线阵相机，单列相素可达5000~10000，确保了溜槽偏移量测量精度±5cm。沿工作面布置多个图像采集装置，在刮板机侧安装超声波传感器用于与支架侧的超声波形成对射来测量支架行程，通过LED灯指示本节溜槽位置，通过视觉方式对刮板机进行标记，利用SLAM视觉测量软件，计算每节溜槽的横向位置用于工作面直线度计算。 面阵CCD相机由于生产技术的制约，单个面阵CCD的面积很难达到一般工业测量对视场的需求。面阵CCD的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率受到限制。 线阵CCD的优点是一维像元数可以做得很多，而总像元数较面阵CCD工业相机少，而且像元尺寸比较灵活，帧幅数高，特别适用于一维动态目标的测量。线阵CCD的优点是分辨力高，价格低廉，如TCD1501C型线阵CCD，光敏像元数目为5000，像元尺寸为7μm×7μm×7μm(相邻像元中心距)该线阵CCD一维成像长度35mm，可满足大多数测量视场的要求。但要用线阵CCD获取二维图像，必须配以扫描运动，确定图像每一像素点在被测件上的对应位置。 线阵相机通过巷道的已知点坐标再通过自动测量方式来获知自身的三维坐标。通过三维加速度和绝对式编码器获知线阵相机的方位角。线阵相机采用电动云台 电动变焦方式，还要增加一个角度编码器，对云台转动角度进行精确测量。 采用线阵CCD相机进行直线度测量，基于图像采集和识别的形位误差自动测量方式，从根本上改变了原先相对误差累积的问题。视觉测量方案加上超声波测距同时实现支架行程测量和刮板机的直线度检测，能够实现支架行程1cm误差、工作面直线度±5cm精度和测量频率20Hz的要求。 表 几种工作面直线度测量方案对比表
1.2采煤机防碰撞技术 采煤机防碰撞技术借鉴毫米波雷达技术，毫米波雷达传感器使用毫米波(millimeter wave)。通常毫米波是指30~300GHz频域(波长为1~10mm)的。其中24GHz雷达传感器、77GHz雷达传感器主要用于汽车防撞。毫米波的波长介于厘米波和光波之间，因此毫米波兼有微波制导和光电制导的优点。同厘米波雷达相比，毫米波雷达具有体积小、易集成和空间分辨率高的特点。与摄像头、红外、激光等光学传感器相比，毫米波雷达穿透雾、烟、灰尘的能力强，抗干扰能力强，具有全天候(大雨天除外)全天时的特点。 77GHz毫米波雷达是智能汽车上必不可少的关键部件，是能够在全天候场景下快速感知0-300m范围内周边环境物体距离、速度、方位角等信息的传感器件。 图 某型77GHz毫米波雷达 可通过前方，左右方向以及上下方向的三维扫描，更切实地检测出上下方的物体。例如，通过检测出设置在上方的高速公路指示牌的高度，可正确识别车辆前方物体。可从较远位置更切实地识别道路上的障碍物，提高了防撞安全系统在高速区域上使用的性能。 图 采煤机应用77GHz毫米波雷达示意 基于现有77GHz毫米波雷达，开发安装于采煤机上实现三维雷达扫描防碰撞。实现距离50m，精度1cm，更新率25Hz，透尘、雾、雨等。 1.3人机定位技术 超宽带(Ultra Wide Band，UWB)雷达通常定义为:雷达发射信号的分数带宽(FBW)大于0.25的雷达。超宽带技术就是通过对非常短的单脉冲进行一系列的加工和处理，包括产生、传输、接收和处理等，实现通信、探测和遥感等功能。超宽带是指该技术的一个主要特点，即占用的带宽非常大。它也可以被称为脉冲雷达(impulse radar)、脉冲无线电(impulse radio)、无载波(carrier-free)技术和时域(time domain)技术等。超宽带雷达最早的应用是出于美国陆军探测地下物体的需要,且在目标成像、丛林透视，以及某些类型的杂波抑制和低雷达反射面积目标探测等方面有其应用前景。 超宽带雷达技术可实现室内穿墙精度小于0.5m，能够实现非可视测距；应用于煤矿井下测距，可实现在多径视线无阻挡条件下达2~10cm的位置测量精度；通过三角形法可实现空间定位；低延迟下最大100Hz的快速更新速率；一定的功率水平下，长达几百米的测量距离；使用相同的数据包结构同时进行测距和通信；测量精度与距离无关；低成本、低功耗、高精度、远距离可以选择；人员和设备可采用不同的超宽带技术。 以DWM1000超宽带模块为例，符合IEEE 802.15.4-2011超宽带标准的无线收发模块，以Deca Wave的DW1000芯片为基础，定位精度达到±10cm。它支持高达6.8Mb/s的数据传输率，特别适合无线传感器网络(WSN)应用。通信直视距离达290m，非直视距离为35m。 2.工作面的回采探测技术 2.1煤矸识别技术 除振动信号等传统的煤矸识别技术外，光谱技术越来越多的应用到煤矸识别领域，包括拉曼、激光诱导击穿光谱、多高光谱、太赫兹等。 在可见光-近红外、短波红外和热红外中，不同的波长范围可以识别特定的岩石矿物组合。 图 岩石矿物的光谱特征 高光谱、多光谱热红外成像多用于遥感探测，热红外遥感能够探测Si、C等原子基团基频振动及其微小变化，从而很容易区分识别硅酸盐、硫酸盐、碳酸盐、磷酸盐、氧化物、氢氧化物等矿物，大大拓宽了遥感矿物识别的广度（矿物大类）与深度（矿物种属）。另外热红外波段发射率光谱混合具有线性混合（面积混合）的特点，从而避开了一直困扰遥感科学家的光谱非线性混合的难题，使同时精确提取矿物种属及丰度信息成为可能。 图 煤的高光谱成像 2.2煤岩分界与采场厚度探测技术 超宽带电磁波可以透过煤层并在煤岩分界面产生回波信号，通过测量电磁波信号在煤层内的传输时间，即可确定煤层厚度。超宽带探测深度与天线的发射功率、使用的频率、介质的电导特性及仪器的动态范围有关。发射功率大的仪器探测深，动态范围大的探测深。通常对于天线频率40MHz-2500MHz的各种天线，其探测深度最小为4cm，最大深度为30m。 太赫兹（THz）波，介于毫米波与红外光之间，频率在0.1-10THz（波长为3mm~30μm）范围，又称T-射线。与X光相比，THz波能量低，不会破坏生物组织，具有很高安全性，适合安检和医学成像。与微波相比，THz成像分辨率更高；THz通信更保密、安全。与红外光比，THz特征光谱对很多大分子来说更易分辨，可很好地用于鉴别毒品和爆炸物等。运用太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术研究不同种类的煤炭样品在太赫兹波段的光谱特征，吸收曲线斜率值(K)随灰分含量成指数关系递增，随碳含量成指数关系递减。能够分辨煤质的微小差异，煤与矸石的光谱系数差别会更大，可以应用于放煤工作面的煤矸识别。 图 煤矸中的碳及灰分含量与其吸收谱斜率K的关系 3.工作面的实时调控技术 3.1工作面通讯关键技术 工作面电液控制系统受制于不同厂家原因，各种传感器采用模拟信号、RS232等，亟需统一到CAN总线，优点是简化布线结构、减少控制器接口数量；可以分几路CAN总线。 工作面百兆以太网，采用单对电缆线结构，减少接口和电缆数量。工作面千兆以太网，采用稀疏波分复用器（CWDM）光缆结构，每个节点独占1Gbps带宽，节点传输延时跟距离远近没有关系，视频可以不压缩直接传输。 3.2执行反馈技术 测距手段目前主要有：热释电、接近开关、能量强度、激光测距、行程传感器等，总体看，应用效果不佳。 接近开关可考虑采用电感数字传感器，通过16位共振阻抗及24位电感值，在位置传感应用中实现亚微米级分辨率；提供非接触传感技术避免受油污尘土等非导电污染物的影响，可延长设备使用寿命，提高可靠性；允许传感器远离电子产品安放，处于印制电路板（PCB）无法安放的位置，安放灵活；采用低成本传感器及传导目标，无需磁体；支持压缩的金属薄片或导电油墨目标，可为创造性创新系统设计带来无限可能；标准工作时功耗不足8.5mW，待机模式下功耗不足1.25mW，功耗低。 对射型超声波测距，超声波对射测距容易反射，对工作面粉尘环境适应性好，成本较低，精度能达到5mm，测量频率可以达到30Hz，测距在2米以内时稳定性好，两组超声波测距平行距离超过50cm时，互不影响。 智能化开采还涉及其它许多相关技术，总体来说，通过上述三大前沿技术领域的研究应用，可大幅度提高智能化开采的可靠性，为智能化开采的大规模应用提供技术支撑。 |
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