智能礦用井下機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在曹家灘煤礦中的應(yīng)用

白怡明

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 沈陽(yáng)設(shè)計(jì)研究院有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110015)

0 引言

曹家灘井田地界處在陜西省榆林市北部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為1 500萬(wàn)t/a，井下輸煤系統(tǒng)由3條帶式輸送機(jī)組成，分別為大巷帶式輸送機(jī)、二煤帶式輸送機(jī)和工作面順槽帶式輸送機(jī)。礦井井下傾角平緩，地質(zhì)構(gòu)造比較單一，容易開采。但傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)人工巡檢存在以下劣勢(shì):

1) 輸煤系統(tǒng)與環(huán)境監(jiān)測(cè)、人員定位、設(shè)備管理、視頻等系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，不能夠?qū)崿F(xiàn)跨系統(tǒng)的指揮與調(diào)度，指揮效率有很大的提升空間。

2) 管理人員不能及時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境條件和突發(fā)狀況，發(fā)出的指令滯后，不能迅速得知故障原因。輸煤系統(tǒng)沿線人工巡檢有誤報(bào)或漏報(bào)的現(xiàn)象發(fā)生。輸煤系統(tǒng)距離長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多，當(dāng)流程中的一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)停機(jī)故障時(shí)，會(huì)對(duì)整個(gè)煤流系統(tǒng)造成停機(jī)的影響。

3) 外部環(huán)境復(fù)雜，井下大巷照度較低，煤塵較高，容易受到外來(lái)人員或重物的碰觸，影響帶式輸送機(jī)的正常運(yùn)行，從而發(fā)生重大安全事故。

4) 礦井組織人員按照計(jì)劃對(duì)輸煤系統(tǒng)進(jìn)行定期點(diǎn)檢與檢修。由于沒(méi)有很好地利用輸煤系統(tǒng)的過(guò)程數(shù)據(jù)，所以不容易發(fā)現(xiàn)設(shè)備的輕微異常，無(wú)法進(jìn)行預(yù)知維修。

近年來(lái)，井下礦用長(zhǎng)距離帶式輸送機(jī)以其輸送速度快、輸送量大的特點(diǎn)，被大量用于煤炭輸送工程。但井下帶式輸送機(jī)地處巷道環(huán)境，周圍情況復(fù)雜，安全隱患大，一旦遭到破壞損失就較為嚴(yán)重。隨著國(guó)家對(duì)智能化礦山的迫切需求，利用自動(dòng)化的技術(shù)及裝備建設(shè)智能化井下開采，已成為國(guó)內(nèi)煤礦行業(yè)智能化建設(shè)的發(fā)展方向。曹家灘煤礦秉承“少人則安，無(wú)人則安”的安全管理理念，按照國(guó)家智能化、現(xiàn)代化煤礦的要求，設(shè)計(jì)了一套KRXJ38型智能礦用井下機(jī)器人巡檢系統(tǒng)。

1 智能礦用井下機(jī)器人巡檢系統(tǒng)介紹

KRXJ38型智能礦用井下機(jī)器人巡檢系統(tǒng)是一套井下礦用帶式輸送機(jī)綜合智能化巡檢系統(tǒng)。它主要由3個(gè)子系統(tǒng)組成：托輥磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)、沿線機(jī)器人報(bào)警子系統(tǒng)、主電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)。

為了保障井下帶式輸送機(jī)的安全生產(chǎn)和無(wú)故障運(yùn)行[1]，設(shè)計(jì)采用先進(jìn)的智能化技術(shù)，通過(guò)異構(gòu)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，對(duì)影響輸煤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征抓取，并對(duì)抓取的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合與相性分析，最終把主煤流特征信息轉(zhuǎn)化后進(jìn)入規(guī)則庫(kù)。此系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、基站、軌道和地面工作站組成。巡檢機(jī)器人搭載多種傳感器，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的圖像、聲音、紅外熱像、溫度及多種氣體濃度等參數(shù)[2]。該系統(tǒng)協(xié)同監(jiān)控帶式輸送機(jī)的整體工況和運(yùn)行狀態(tài)[3]，分析主煤流系統(tǒng)的綜合效率[4]，并給出提效措施，可大大降低設(shè)備的故障率并減少人工成本，及時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，從而消除安全隱患[5]，使輸煤系統(tǒng)長(zhǎng)期處于良好的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益[6]。帶式輸送機(jī)參數(shù)見表1。

表1 曹家灘井下礦用帶式輸送機(jī)參數(shù)

2 智能礦用井下機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 輸煤系統(tǒng)托輥磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)托輥支架的振動(dòng)監(jiān)測(cè)和分析及對(duì)托輥磨損狀況的判斷，給出報(bào)警指示信號(hào)。整個(gè)系統(tǒng)由振動(dòng)傳感器、數(shù)據(jù)采集器、信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備、上位機(jī)電腦等組成，可智能監(jiān)測(cè)托輥突發(fā)故障及磨損狀況，并給出指示信號(hào)。圖1為托輥磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)擬采用的架構(gòu)圖。

托輥磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)在托輥側(cè)方安裝振動(dòng)傳感器，間距不大于30 m，每300 m設(shè)置1臺(tái)數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸至后臺(tái)上位機(jī)電腦。然后，判斷托輥的實(shí)時(shí)磨損狀態(tài)并發(fā)出指示報(bào)警信號(hào),可以避免導(dǎo)致托輥發(fā)生故障引起火災(zāi)或停機(jī)事故。

輸煤系統(tǒng)托輥磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

2.2 沿線機(jī)器人報(bào)警子系統(tǒng)

2.2.1 子系統(tǒng)組成

沿線機(jī)器人報(bào)警子系統(tǒng)由報(bào)警主機(jī)、防區(qū)處理單元、振動(dòng)感應(yīng)光纜、通信光纜、多種傳感器、報(bào)警控制服務(wù)器等組成，系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

圖1 托輥磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)架構(gòu)

表2 托輥磨損實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

圖2 入侵報(bào)警子系統(tǒng)架構(gòu)

2.2.2 采集分析

井下礦用帶式輸送機(jī)地處井下大巷環(huán)境，地勢(shì)狹窄，周圍情況復(fù)雜，照度較低，防護(hù)外部人員或重物撞擊對(duì)于安全生產(chǎn)顯得尤為重要。設(shè)計(jì)中利用在井下礦用帶式輸送機(jī)金屬外框裝設(shè)的防爆軌道，使用防爆軌道式機(jī)器人代替人工沿線巡檢，進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)、聲音收集、成像，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)危險(xiǎn)氣體、安全隱患的檢測(cè)分析。通過(guò)對(duì)承載物傳遞給傳感光纜的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、持續(xù)的監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)外部事故隱患，并發(fā)出報(bào)警提示。

1) 視頻采集分析。在井下礦用帶式輸送機(jī)的拉緊及中驅(qū)兩處關(guān)鍵位置增加了輔助視頻監(jiān)控系統(tǒng)。每處設(shè)置4路可見光攝像機(jī)對(duì)關(guān)鍵部位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，4路紅外熱成像儀對(duì)滾筒軸承進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測(cè)，以確保設(shè)備的安全可靠運(yùn)行，對(duì)整個(gè)帶式輸送機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵的作用。防爆軌道安裝在行人側(cè)和非行人側(cè)，現(xiàn)場(chǎng)安裝2臺(tái)巡檢機(jī)器人，一臺(tái)機(jī)器人安裝在行人側(cè)，對(duì)行人側(cè)的托輥、沿線電纜及管路進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后及時(shí)報(bào)警并存儲(chǔ)；另一臺(tái)機(jī)器人安裝在非行人側(cè)，機(jī)器人對(duì)非行人側(cè)的托輥、外部環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及束管氣體泄漏等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2) 外部環(huán)境參數(shù)采集分析。機(jī)器人在運(yùn)行中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)聲音，尤其是托輥聲音，對(duì)異常聲音發(fā)出警報(bào)，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。監(jiān)控室可以通過(guò)對(duì)音頻的回放分析托輥是否損壞，降低了傳統(tǒng)巡檢工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了帶式輸送機(jī)的安全性，實(shí)現(xiàn)減員增效的目的。井下外部環(huán)境復(fù)雜，有多條氣體管道，氣體一旦泄露，存在重大的安全隱患。機(jī)器人通過(guò)搭載氣體探測(cè)傳感器，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)為監(jiān)測(cè)的氣體濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人會(huì)發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，并將實(shí)時(shí)位置上傳到控制室，用戶可到相應(yīng)位置并及時(shí)進(jìn)行分析處理，確保運(yùn)輸系統(tǒng)的安全運(yùn)行。機(jī)器人通過(guò)搭載紅外熱成像儀及在關(guān)鍵部位安裝固定紅外熱成像儀，對(duì)設(shè)備進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。當(dāng)監(jiān)測(cè)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，機(jī)器人發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警。

3) 區(qū)域振動(dòng)感應(yīng)分析。系統(tǒng)利用防區(qū)處理單元、振動(dòng)感應(yīng)光纜的采集信息，當(dāng)外界振動(dòng)或有應(yīng)力作用時(shí)，其反射波長(zhǎng)也會(huì)隨之發(fā)生變化。當(dāng)確定外界振動(dòng)的全變化過(guò)程時(shí)，可以判斷安全隱患的發(fā)生。通過(guò)光纖將光信號(hào)傳輸至報(bào)警主機(jī)，后臺(tái)的光纖信號(hào)處理器可以接受到光信號(hào)的變化，系統(tǒng)軟件進(jìn)行識(shí)別判斷。通過(guò)對(duì)比環(huán)境因素和其他人為入侵引起的光纖光柵的振動(dòng)和各種特征參量，過(guò)濾環(huán)境因素所造成的系統(tǒng)誤報(bào)，最終發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.2.3 沿線機(jī)器人報(bào)警子系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

沿線機(jī)器人報(bào)警子系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)見表3。

2.3 主電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)

井下礦用帶式輸送機(jī)的主電動(dòng)機(jī)軸承在全生命周期運(yùn)行過(guò)程中，其故障特性是一個(gè)逐漸發(fā)展的過(guò)程，從初級(jí)故障至故障加劇至軸承使用壽命結(jié)束。在此故障變化過(guò)程中，其振動(dòng)也存在一種變化趨勢(shì)。通過(guò)找到該種趨勢(shì)特征值的變化，來(lái)評(píng)估主電動(dòng)機(jī)軸承的運(yùn)行及使用狀態(tài)。

系統(tǒng)采用振動(dòng)傳感器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并上傳至上位機(jī)。依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的故障頻率及幅值響應(yīng)判定軸承的運(yùn)行狀況。通過(guò)對(duì)通信運(yùn)行數(shù)據(jù)的時(shí)域和頻域的分析，解析異常頻率特征在軸承運(yùn)行狀態(tài)下的響應(yīng)，結(jié)合其振動(dòng)響應(yīng)分析其頻率特征，以實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承運(yùn)行狀態(tài)的判定，從而達(dá)到監(jiān)測(cè)主電動(dòng)機(jī)軸承運(yùn)行狀態(tài)的目的，并及時(shí)制定排查方案及處理措施，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。同時(shí)，避免了傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)主電動(dòng)機(jī)軸承在運(yùn)行過(guò)程中長(zhǎng)時(shí)間靜止?fàn)顟B(tài)后啟動(dòng)運(yùn)行，造成滾動(dòng)體和內(nèi)圈接觸區(qū)的微小損傷，在加劇振動(dòng)后逐步惡化，最終影響軸承的使用壽命。系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

3 智能礦用井下機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

井下礦用帶式輸送機(jī)的安全生產(chǎn)和無(wú)故障運(yùn)行是非常重要的，實(shí)現(xiàn)不間斷的安全運(yùn)營(yíng)，可確切了解設(shè)備的所有參數(shù)，預(yù)知性地了解設(shè)備的異常故障、磨損狀況及壽命預(yù)測(cè)，使管理人員可以提前預(yù)知機(jī)電設(shè)備可能產(chǎn)生的各種情況，預(yù)先做好應(yīng)急預(yù)案，以達(dá)到合理安排生產(chǎn)和使用計(jì)劃、減少設(shè)備非計(jì)劃停機(jī)、降低維護(hù)成本的目的。智能礦用井下機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)為:

表3 報(bào)警子系統(tǒng)參數(shù)

圖3 主電動(dòng)機(jī)軸承振動(dòng)監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)架構(gòu)

1) 該系統(tǒng)是一套綜合智能化巡檢系統(tǒng)，涉及到檢測(cè)、通訊等多種現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的融合。它對(duì)曹家灘煤礦的智能化礦山起到積極的作用。

2) 該系統(tǒng)協(xié)同帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的整體工況和運(yùn)行狀態(tài)，可通過(guò)數(shù)據(jù)變化的提前預(yù)警降低設(shè)備的故障率和人工成本，反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，使帶式輸送機(jī)長(zhǎng)期處于良好的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3) 該系統(tǒng)可以使設(shè)備檢修的針對(duì)性更強(qiáng)，變故障修為狀態(tài)修，變?nèi)斯ぱ矙z為自動(dòng)故障監(jiān)視，減輕維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，達(dá)到無(wú)人操作。此外，該系統(tǒng)還有利于提高設(shè)備的安全和健康運(yùn)行，延長(zhǎng)使用壽命，同時(shí)防止外來(lái)人員或重物的碰觸，消除安全隱患，保證連續(xù)生產(chǎn)，從而創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

本文介紹了曹家灘煤礦井下帶式輸送機(jī)機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用。目前該設(shè)計(jì)項(xiàng)目已經(jīng)完成建設(shè)及安裝調(diào)試工作，正處在運(yùn)行階段。系統(tǒng)充分利用了礦井智能化技術(shù)，將傳統(tǒng)帶式輸送機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)、機(jī)器人巡檢系統(tǒng)與智能化有機(jī)結(jié)合，異構(gòu)聯(lián)動(dòng)，達(dá)到“無(wú)人巡檢”的工作狀態(tài),有效減少了管理維修人員不能實(shí)時(shí)了解托輥的磨損狀況、托輥損壞不能及時(shí)更換，管理人員人工巡檢有誤報(bào)或漏報(bào)的現(xiàn)象，防止外來(lái)人員或重物碰觸帶式輸送機(jī)影響帶式輸送機(jī)正常運(yùn)行。在運(yùn)行期間得到業(yè)主的一致好評(píng)，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，為曹家灘煤礦井下輸煤系統(tǒng)的安全長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行提供了可靠保障。