智能化開采三大前沿技術領域

日期: 2018-08-21 09:22:03

智能化開采三大前沿技術領域


0前言



智能化開采是指通過開采環境的智能感知、回采設備的智能調控與自主導航,實現回采作業的過程。通過自動化、智能化的技術手段,在工作面連續正常生產過程中,將工人從危險的采場(狹義綜采工作面)解放到相對安全的巷道、硐室或地面,實現采場無人操作,甚至無人巡檢,即工人不出現在采場或工作面內,無人化是煤礦綜采工作面開采的終極目標。

智能化開采具有3項技術內涵:回采設備具有智能化的自主作業能力;實時獲取和更新回采工藝數據,包括地質條件、煤巖變化、設備方位、開采工序等;能根據開采條件變化自動調控回采過程。

基于現有電液控制技術水平,本文分析智能化開采涉及的三大前沿技術領域:

工作面的連續推進技術,包含工作面直線度控制技術、采煤機防碰撞技術、人機定位技術等;

工作面的回采探測技術,包含煤矸識別技術、煤巖分界與采場厚度探測技術等;

工作面的實時調控技術,包含工作面通訊關鍵技術、執行反饋技術等。


1.工作面的連續推進技術


1.1工作面直線度控制技術

1)慣性導航技術

采用慣性導航技術較為成熟的為澳大利亞聯邦科學與工業研究組織CSIRO設計的工作面自動化LASC系統,該系統包含慣性導航系統和工作面自動控制算法2項核心技術。

1LASC系統將基于光纖陀螺的慣性導航設備安裝在采煤機機身電控箱內,通過運行嵌入式導航定位軟件實現采煤機三維位置的精確定位。該慣性導航定位軟件在無GPS信號輔助的情況下行進2.7km,定位誤差在30cm以內。慣性導航定位軟件可用于綜采工作面的水平控制和連續采煤機自動制導。

2)工作面自動控制模型和算法。基于該算法,設計了工作面矯直系統,其包含高精度舵性導航儀和矯直數據分析系統2項核心技術,通過對舵性導航儀記錄的采煤機空間位置進行分析,確定當前工作面的直線度,計算出每臺液壓支架的推移量,給液壓支架電控系統發出執行信息,對工作面直線度進行動態調整。


2)視覺測量技術

機器視覺測量類型可劃分為以下幾類:

平面視覺(Planar Vision):被測對象處在平面內,只對目標在平面的信息進行測量的視覺測量與控制。

立體視覺(Stereo Vision):對目標在三維笛卡爾空間內的信息進行測量的視覺測量與控制。

結構光視覺(Structured Light Vision):利用特定光源照射目標,形成人工特性,由攝像機采集這些特征進行測量。結構光視覺可簡化圖像處理中的特征提取,大幅度提高圖像處理速度。

主動視覺(Active Vision):對目標主動照明或者主動改變攝像機參數的視覺系統。

被動視覺(Passive Vision):被動視覺采用自然測量,如雙目視覺。

上述類型中的平面視覺和結構光視覺測量技術可進一步應用于智能開采。可在刮板機側安裝LED指示燈用于找直。采用安裝在機頭的線陣相機,單列相素可達5000~10000,確保了溜槽偏移量測量精度±5cm。沿工作面布置多個圖像采集裝置,在刮板機側安裝超聲波傳感器用于與支架側的超聲波形成對射來測量支架行程,通過LED燈指示本節溜槽位置,通過視覺方式對刮板機進行標記,利用SLAM視覺測量軟件,計算每節溜槽的橫向位置用于工作面直線度計算。

面陣CCD相機由于生產技術的制約,單個面陣CCD的面積很難達到一般工業測量對視場的需求。面陣CCD的優點是可以獲取二維圖像信息,測量圖像直觀。缺點是像元總數多,而每行的像元數一般較線陣少,幀幅率受到限制。

線陣CCD的優點是一維像元數可以做得很多,而總像元數較面陣CCD工業相機少,而且像元尺寸比較靈活,幀幅數高,特別適用于一維動態目標的測量。線陣CCD的優點是分辨力高,價格低廉,如TCD1501C型線陣CCD,光敏像元數目為5000,像元尺寸為7μm×7μm×7μm(相鄰像元中心距)該線陣CCD一維成像長度35mm,可滿足大多數測量視場的要求。但要用線陣CCD獲取二維圖像,必須配以掃描運動,確定圖像每一像素點在被測件上的對應位置。

線陣相機通過巷道的已知點坐標再通過自動測量方式來獲知自身的三維坐標。通過三維加速度和絕對式編碼器獲知線陣相機的方位角。線陣相機采用電動云臺+電動變焦方式,還要增加一個角度編碼器,對云臺轉動角度進行精確測量。

采用線陣CCD相機進行直線度測量,基于圖像采集和識別的形位誤差自動測量方式,從根本上改變了原先相對誤差累積的問題。視覺測量方案加上超聲波測距同時實現支架行程測量和刮板機的直線度檢測,能夠實現支架行程1cm誤差、工作面直線度±5cm精度和測量頻率20Hz的要求。

  幾種工作面直線度測量方案對比表

方法

優點

缺點

慣性導航

安裝使用簡單,受環境影響小,能夠同時測量出直線度(偏航角)、起伏度(俯仰角)和俯仰度(橫滾角)

成本高,有累積誤差,不能實時控制直線度。

光纖應變

安裝使用簡單,受環境影響小,可測量工作面直線度。

成本高,有累積誤差。

激光矩陣

技術簡單,易實現。

安裝使用維護復雜,只能測支架之間的相對位移,有累積誤差。

視覺測量

技術簡單,易實現,可測量工作面直線度,無累積誤差。

受工作面彎曲、起伏影響較大,需要中繼;設備自身定位要求高。

人工

拉繩或激光,簡單,成本

低。

拉繩影響工人行走,有的支架突出會影響整個直線度;激光在工作面煤塵少時可能看不到,一條激光可能覆蓋不了整個工作面。


1.2采煤機防碰撞技術

采煤機防碰撞技術借鑒毫米波雷達技術,毫米波雷達傳感器使用毫米波(millimeter wave)。通常毫米波是指30~300GHz頻域(波長為1~10mm)的。其中24GHz雷達傳感器、77GHz雷達傳感器主要用于汽車防撞。毫米波的波長介于厘米波和光波之間,因此毫米波兼有微波制導和光電制導的優點。同厘米波雷達相比,毫米波雷達具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點。與攝像頭、紅外、激光等光學傳感器相比,毫米波雷達穿透霧、煙、灰塵的能力強,抗干擾能力強,具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。

77GHz毫米波雷達是智能汽車上必不可少的關鍵部件,是能夠在全天候場景下快速感知0-300m范圍內周邊環境物體距離、速度、方位角等信息的傳感器件。

 

  某型77GHz毫米波雷達

可通過前方,左右方向以及上下方向的三維掃描,更切實地檢測出上下方的物體。例如,通過檢測出設置在上方的高速公路指示牌的高度,可正確識別車輛前方物體。可從較遠位置更切實地識別道路上的障礙物,提高了防撞安全系統在高速區域上使用的性能

                                                    圖  采煤機應用77GHz毫米波雷達示意

基于現有77GHz毫米波雷達,開發安裝于采煤機上實現三維雷達掃描防碰撞。實現距離50m,精度1cm,更新率25Hz,透塵、霧、雨等。


1.3人機定位技術

超寬帶(Ultra Wide BandUWB)雷達通常定義為:雷達發射信號的分數帶寬(FBW)大于0.25的雷達。超寬帶技術就是通過對非常短的單脈沖進行一系列的加工和處理,包括產生、傳輸、接收和處理等,實現通信、探測和遙感等功能。超寬帶是指該技術的一個主要特點,即占用的帶寬非常大。它也可以被稱為脈沖雷達(impulse radar)、脈沖無線電(impulse radio)、無載波(carrier-free)技術和時域(time domain)技術等。超寬帶雷達最早的應用是出于美國陸軍探測地下物體的需要,且在目標成像、叢林透視,以及某些類型的雜波抑制和低雷達反射面積目標探測等方面有其應用前景。

超寬帶雷達技術可實現室內穿墻精度小于0.5m,能夠實現非可視測距;應用于煤礦井下測距,可實現在多徑視線無阻擋條件下達2~10cm的位置測量精度;通過三角形法可實現空間定位;低延遲下最大100Hz的快速更新速率;一定的功率水平下,長達幾百米的測量距離;使用相同的數據包結構同時進行測距和通信;測量精度與距離無關;低成本、低功耗、高精度、遠距離可以選擇;人員和設備可采用不同的超寬帶技術。

DWM1000超寬帶模塊為例,符合IEEE 802.15.4-2011超寬帶標準的無線收發模塊,以Deca WaveDW1000芯片為基礎,定位精度達到±10cm。它支持高達6.8Mb/s的數據傳輸率,特別適合無線傳感器網絡(WSN)應用。通信直視距離達290m,非直視距離為35m


2.工作面的回采探測技術


2.1煤矸識別技術

除振動信號等傳統的煤矸識別技術外,光譜技術越來越多的應用到煤矸識別領域,包括拉曼、激光誘導擊穿光譜、多高光譜、太赫茲等。

在可見光-近紅外、短波紅外和熱紅外中,不同的波長范圍可以識別特定的巖石礦物組合。

                                                              圖  巖石礦物的光譜特征

高光譜、多光譜熱紅外成像多用于遙感探測,熱紅外遙感能夠探測SiC等原子基團基頻振動及其微小變化,從而很容易區分識別硅酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽、磷酸鹽、氧化物、氫氧化物等礦物,大大拓寬了遙感礦物識別的廣度(礦物大類)與深度(礦物種屬)。另外熱紅外波段發射率光譜混合具有線性混合(面積混合)的特點,從而避開了一直困擾遙感科學家的光譜非線性混合的難題,使同時精確提取礦物種屬及豐度信息成為可能。

  

  煤的高光譜成像


2.2煤巖分界與采場厚度探測技術

超寬帶電磁波可以透過煤層并在煤巖分界面產生回波信號,通過測量電磁波信號在煤層內的傳輸時間,即可確定煤層厚度。超寬帶探測深度與天線的發射功率、使用的頻率、介質的電導特性及儀器的動態范圍有關。發射功率大的儀器探測深,動態范圍大的探測深。通常對于天線頻率40MHz-2500MHz的各種天線,其探測深度最小為4cm,最大深度為30m

太赫茲(THz)波,介于毫米波與紅外光之間,頻率在0.1-10THz(波長為3mm~30μm)范圍,又稱T-射線。與X光相比,THz波能量低,不會破壞生物組織,具有很高安全性,適合安檢和醫學成像。與微波相比,THz成像分辨率更高;THz通信更保密、安全。與紅外光比,THz特征光譜對很多大分子來說更易分辨,可很好地用于鑒別毒品和爆炸物等。運用太赫茲時域光譜(THz-TDS)技術研究不同種類的煤炭樣品在太赫茲波段的光譜特征,吸收曲線斜率值(K)隨灰分含量成指數關系遞增,隨碳含量成指數關系遞減。能夠分辨煤質的微小差異,煤與矸石的光譜系數差別會更大,可以應用于放煤工作面的煤矸識別。

                                                     圖  煤矸中的碳及灰分含量與其吸收譜斜率K的關系


3.工作面的實時調控技術


3.1工作面通訊關鍵技術

工作面電液控制系統受制于不同廠家原因,各種傳感器采用模擬信號、RS232等,亟需統一到CAN總線,優點是簡化布線結構、減少控制器接口數量;可以分幾路CAN總線。

工作面百兆以太網,采用單對電纜線結構,減少接口和電纜數量。工作面千兆以太網,采用稀疏波分復用器(CWDM)光纜結構,每個節點獨占1Gbps帶寬,節點傳輸延時跟距離遠近沒有關系,視頻可以不壓縮直接傳輸。


3.2執行反饋技術

測距手段目前主要有:熱釋電、接近開關、能量強度、激光測距、行程傳感器等,總體看,應用效果不佳。

接近開關可考慮采用電感數字傳感器,通過16位共振阻抗及24位電感值,在位置傳感應用中實現亞微米級分辨率;提供非接觸傳感技術避免受油污塵土等非導電污染物的影響,可延長設備使用壽命,提高可靠性;允許傳感器遠離電子產品安放,處于印制電路板(PCB)無法安放的位置,安放靈活;采用低成本傳感器及傳導目標,無需磁體;支持壓縮的金屬薄片或導電油墨目標,可為創造性創新系統設計帶來無限可能;標準工作時功耗不足8.5mW,待機模式下功耗不足1.25mW,功耗低。

對射型超聲波測距,超聲波對射測距容易反射,對工作面粉塵環境適應性好,成本較低,精度能達到5mm,測量頻率可以達到30Hz,測距在2米以內時穩定性好,兩組超聲波測距平行距離超過50cm時,互不影響。

智能化開采還涉及其它許多相關技術,總體來說,通過上述三大前沿技術領域的研究應用,可大幅度提高智能化開采的可靠性,為智能化開采的大規模應用提供技術支撐。



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