露天矿边帮压煤无人开采导航技术应用研究.pdf

煤炭工程 第52卷第6期 COAL ENGINEERING Vo l. 52, No . 6 do i 10. 11799/c e202006013 露天矿边帮压煤无人开采导航技术应用研究 李文国，刘鑫 （内蒙古煤矿设计研究院有限责任公司，内蒙古呼和浩特010010） 摘要为了实现露天矿边帮压覆资源的安全高效回收，内蒙古部分露天煤矿采用无人巷采工 艺系统的定位导航技术进行了试验性开采。文章收集了试验性开采的实践数据，经分析对比，采用 惯性导航技术的工艺系统便于实现采煤工作面的无人化操作，可提高工艺的生产效率及自动化水 平，具有更好的技术可行性和经济合理性。惯性导航技术是露天矿边帮压煤巷釆回收工艺系统导航 技术的研究方向。 关键词露天煤矿；边帮压煤回收；定位技术；惯性导航；无人开采 中图分类号TD824 文献标识码A 文章编号1671-0959（2020）06-0059-03 Application of navigation technology for unmanned coal mining under pit slope LI Wen-guo, LIU x in Inner Mongolia c oal mine d esign and r esear c h institute Co. , Ltd . , Hoh h ot 010010, Ch ina Abstract In or d er to safely and effic iently r ec yc le th e r esour c es und er pit slope of open-pit mine, some open-pit c oal mines in Inner Mongolia ad opted th e positioning and navigation tec h nology of unmanned r oad way mining system to c ar r y out test mining, and th e test mining d ata ar e c ollec ted . Ac c or d ing to th e c ompar ison, th e pr oc ess system with iner tial navigation h as better tec h nic al feasibility and ec onomic r ationality, it is c onvenient to r ealize th e unmanned oper ation of c oal mining fac e, impr ove th e pr od uc tion effic ienc y and automation level. Th e iner tial navigation tec h nology is a r esear c h d ir ec tion of th e navigation tec h nology in open-pit r oad way mining and r ec over y system. Keywords open-pit c oal mine； c oal r ec over y und er pit slope； positioning tec h nology； iner tial navigation； unmanned mining 根据中国矿产资源报告2018显示，截至 2017年底，我国查明的煤炭资源储量为16666. 73x 108t ,其中可露天开采的储量占7,约为1166. 67x 108to适合露天开采的煤炭资源主要分布在内蒙古、 新疆、云南，目前内蒙古自治区的露天煤矿核定生 产能力达51875x10。 露天煤矿开采工艺及现行矿权设置政策，导致 采场边帮区域资源无法回收，随着剥挖推进并实施 坑内排土，这些资源将被掩埋。限于技术、经济、 安全等因素，压覆资源的复采难度太大，导致大量 煤炭资源浪费。根据煤炭法第二十二条“国 家鼓励煤矿企业进行复采或者开采边角残煤和极薄 煤”⑴的规定，为提高资源回收率，并保证生产安 全，在内蒙古部分地区试采用边帮巷采作业面无人 化〔2.3］回收工艺回采边帮压覆资源。 类似的端帮开采技术的发展始于20世纪40 年代，在20世纪80年代已成功用于露天煤 矿⑷。随着采煤设备的不断更新，端帮采煤技术 的工艺形式也在不断变化，其主要的生产工艺 为端帮井巷工程采煤工艺、端帮螺旋钻采煤工 艺、端帮采煤机（SHM）采煤工艺⑸。前两种工艺 实际应用效果不理想，生产能力小，生产效率 低；最近几年出现的端帮采煤机工艺，是一种能 实现高产量、最大程度回收矿山资源，降低生产 成本的开采技术。目前内蒙古自治区试验开采中 应用的边帮（端帮）采煤机（SLM）工艺设备缺乏先 进技术的融合，与世界同类设备自动化水平差距 较大。先进、髙效的无人化边帮巷采装备的自主 研发，成为了该工艺的重点，定位导航技术是无 人化边帮巷采装备研究的关键。 收稿日期2019-11-18 作者简介李文国（ 1983）,男，内蒙古赤峰人，高级工程师，主要从事煤炭设计工作，E-mail 781888835163.c om。 引用格式李文国，刘 鑫.露天矿边帮压煤无人开采导航技术应用研究［J］.煤炭工程，2020, 52（6） 59-61. 59 设计技术煤炭工程2020年第6期 1定位导航技术现状 煤矿作业面无人化开采研究应用的定位技术主 要包括无线传感器网络法、红外定位法、轨道里 程计法、超声波定位法、激光定位法、基于GIS的 采煤机定位技术以及基于捷联惯性导航技术等［6-，310 1.1惯性定位导航技术 惯性定位导航技术主要通过对INS测得的采煤 机航向角、姿态角等角度数据进行坐标变换后，再 对加速度计输出值进行积分运算，可求得采煤机的 三维坐标位置189］,其原理如图1所示。 控制信号 图1惯性导航定位技术的实施原理图 1.2激光指向法定位导航技术 激光指向法定位导航技术的主要设备是激光指 向仪；采用半导体激光器，发射出激光经光学系统 处理，成为准直的激光束后在水平和垂直两个方向 上对该光束进行微调，为采煤机的行走进行指向⑻， 其原理如图2所示。 采煤机行走方向 激光指问仪 图2激光指向法定位技术的实施原理图 1.3基于GIS的采煤机定位导航技术 基于地理信息系统的数据显示，可以实时监测 采煤机行走轨迹、截割轨迹、截割部位离煤层顶底 板距离等，实现了采煤机在煤层工作面三维地质环 境中的定位与煤层地质信息的感知何，其原理如图 3所示。 机载测试系统 工作面 煤层数 据库 图3基于GIS的釆煤机定位技术的实施原理图 2激光与惯性导航技术试验应用 目前内蒙古自治区在部分露天煤矿开展的边帮 压煤冋收试验性开采工作，使用综掘机或连续采煤 机组巷采回收工艺。 2.1边帮煤回收激光定位导航系统 试采回收工艺设备多数采用的激光指向定位方 法，主要利用的是激光的准直特性。通过人工勘测 辅助校准，将激光指向定位仪（图4）悬挂于距煤层 开采顶板lm中间位置处采巷 口龙门架上的激光发射器，发 射出一条激光束，穿过采煤机 前端的截割滚筒中间位置的两 齿之间，进而照射到待采掘的 煤层壁上。通过这三个位置信 息便可以指引采煤机的开采行 走方向，通过视频监控装置辅助，驾驶人员在控制 室内便可以直观看到采煤机行进、采掘的具体工况。 对采煤机进行远程实时人为干预，从而遥控采煤机 完成采煤过程。 2.2边帮煤回收惯性导航系统 进行试验性开采的伊金霍洛旗德隆矿业有限公 司，采用回收率在95以上的充填巷采方式回收边 帮压煤，采煤及填充两种T.艺均采用惯性导航系统, 此系统是通过角速度计［⑷测量物体运动时的角速度 数据，结合相应的公式算法得出加速度并确定出物 体位置，从而实现了对被测物体的定位和导航。 该系统可以将自动采煤机、填充机（的姿态，航 向等数据绘制成运行轨迹，并实时上传到控制室。 操作人员可随时掌握设备运动状态，并可进行自动 或人为干预完成采煤过程。 3应用效果对比 3.1适用性对比 从定位精确度方面考虑激光指向定位导航系统, 定位精度小于0.002m；光线明暗、使用环境的干扰 导致定位精准度及生产实效均相对较低“；激光指 向定位方法，自动化水平、智能化程度较低；可满 足现场前期试验性小范围、低强度、煤层赋存状态 好的资源回收开采使用。 惯性导航技术的定位精度明显优于激光指向定 位技术，但其无法提供具体的时间信息少］,固有的 定位误差随着时间增加而增大卬；惯性导航系统完 60 2020年第6期煤炭工程设计技术 全依赖自身的传感器信息，不需要外部辅助，可独 立、持续不间断工作，系统设备不易受湿度、粉尘 等环境因素的干扰，稳定性好、适应多种环境，可 满足实验性回收开采需要.也能在大范围、高强度、 煤层赋存状态差的条件下进行回收开采。 在试采生产中采用惯性导航技术相比于采用激 光定位导航技术的采煤工艺，便于实现采煤工作面 的无人化操作，有利于提高工艺自动化、智能化水 平，具有更好的环境适用性。 3.2经济性对比 采用激光指向定位导航系统设备投资低，设备 在拆装过程中易损坏；需要现场操作人员分别进行 指向仪调校、拆装、采煤过程控制操作等工作。耗 费人力、时间更多，生产效率低。 惯性定位导航系统设备投资大，生产过程中仅 需采煤过程控制操作，操作人员比激光导航技术少 约50见表I,人工成本低；自动化程度及生产 效率高，其平均日产出量比采用激光定位导航系统 的冋收工艺高出132t /d。 表1激光指向与陀螺仪惯性导航系统现场试验效果对比表 熬 系统味 采煤层采巷 巷ww开采 编皿宽度 号 /m /m 采高 精度 /m 采宽 精度 / m 投资/万元 人员/ 效 率 /I ■ d - 年生 产额 /万元 激 光 指 向 3 1 2 3 4 5* 4. 253.3 4. 27 4. 26 4. 27 4. 24 4. 25 3. 320 3. 300 3. 326 3. 638 3. 330 180 6人 /班， 三班 工作 制 0.3 780 760 763 775 770 51.5 50.2 50.4 51.2 50. 8 惯 性 导 航 4 1* 2* 3* 4* 5 4. 223.3 4. 22 4. 22 4. 22 4. 22 4. 22 3. 300 3. 302 3. 303 3. 300 3. 301 90 3人/ 班，三 班工作 制 100 900 905 903 899 900 59.4 59.7 59.6 59.3 59.4 根据3煤和4煤的试采结果可知，采用惯性定 位导航技术比激光指向定位技术的边帮采煤工艺系 统设备投入大，人工费用少，生产效率高。从长期 来看采用惯性定位导航技术的边帮采煤工艺系统更 智能、经济效益更好。 4结语 现阶段内蒙古自治区小范围开展的露天矿边帮 压煤回收工艺系统试验性开采工作，研究如何安全、 高效回收露天煤矿边帮压覆资源，提高资源回收率, 已取得初步成果，社会效益与企业的经济效益明显。 根据已开展的边帮压煤回收试验性开采工艺实施效 果分析，采用惯性导航技术，便于实现采煤工作面 的无人化操作，减少了人员成本，节省了时间，提 高了工艺的生产效率及自动化、智能化水平，具有 更好的环境适用性和经济可行性。 这一实践为今后回收露天矿边帮压覆资源，自 主研发的无人化开采设备，及研究该设备所用定位 导航系统，提供了宝贵经验。希望在未来无人化采 煤装备研究中，能基于自主研发设备定位导航系统 的应用，结合地理位置信息系统，伽玛射线感知系 统、逻辑控制系统等技术，可实现类似于汽车自动 驾驶的智慧化采煤系统的自主生产。即发出指令后， 依托于先进的定位感知系统，通过矿井大数据系统 运算分析，实现智慧化自主生产。 参考文献 [1] 中华人民共和国煤炭法[Z]. 2016-11-07. 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