0前言
智能化開采是指通過開采環(huán)境的智能感知、回采設(shè)備的智能調(diào)控與自主導(dǎo)航，實(shí)現(xiàn)回采作業(yè)的過程。通過自動化、智能化的技術(shù)手段，在工作面連續(xù)正常生產(chǎn)過程中，將工人從危險(xiǎn)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(shí)現(xiàn)采場無人操作，甚至無人巡檢，即工人不出現(xiàn)在采場或工作面內(nèi)，無人化是煤礦綜采工作面開采的終極目標(biāo)。
智能化開采具有3項(xiàng)技術(shù)內(nèi)涵：①回采設(shè)備具有智能化的自主作業(yè)能力；②實(shí)時(shí)獲取和更新回采工藝數(shù)據(jù)，包括地質(zhì)條件、煤巖變化、設(shè)備方位、開采工序等；③能根據(jù)開采條件變化自動調(diào)控回采過程。
基于現(xiàn)有電液控制技術(shù)水平，本文分析智能化開采涉及的三大前沿技術(shù)領(lǐng)域：
①工作面的連續(xù)推進(jìn)技術(shù)，包含工作面直線度控制技術(shù)、采煤機(jī)防碰撞技術(shù)、人機(jī)定位技術(shù)等；
②工作面的回采探測技術(shù)，包含煤矸識別技術(shù)、煤巖分界與采場厚度探測技術(shù)等；
③工作面的實(shí)時(shí)調(diào)控技術(shù)，包含工作面通訊關(guān)鍵技術(shù)、執(zhí)行反饋技術(shù)等。
1.工作面的連續(xù)推進(jìn)技術(shù)
1.1工作面直線度控制技術(shù)
1）慣性導(dǎo)航技術(shù)
采用慣性導(dǎo)航技術(shù)較為成熟的為澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CSIRO設(shè)計(jì)的工作面自動化LASC系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和工作面自動控制算法2項(xiàng)核心技術(shù)。
（1）LASC系統(tǒng)將基于光纖陀螺的慣性導(dǎo)航設(shè)備安裝在采煤機(jī)機(jī)身電控箱內(nèi)，通過運(yùn)行嵌入式導(dǎo)航定位軟件實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)三維位置的精確定位。該慣性導(dǎo)航定位軟件在無GPS信號輔助的情況下行進(jìn)2.7km，定位誤差在30cm以內(nèi)。慣性導(dǎo)航定位軟件可用于綜采工作面的水平控制和連續(xù)采煤機(jī)自動制導(dǎo)。
（2）工作面自動控制模型和算法。基于該算法，設(shè)計(jì)了工作面矯直系統(tǒng)，其包含高精度舵性導(dǎo)航儀和矯直數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)2項(xiàng)核心技術(shù)，通過對舵性導(dǎo)航儀記錄的采煤機(jī)空間位置進(jìn)行分析，確定當(dāng)前工作面的直線度，計(jì)算出每臺液壓支架的推移量，給液壓支架電控系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行信息，對工作面直線度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。
2）視覺測量技術(shù)
機(jī)器視覺測量類型可劃分為以下幾類：
①平面視覺（Planar Vision）：被測對象處在平面內(nèi)，只對目標(biāo)在平面的信息進(jìn)行測量的視覺測量與控制。
②立體視覺（Stereo Vision）：對目標(biāo)在三維笛卡爾空間內(nèi)的信息進(jìn)行測量的視覺測量與控制。
③結(jié)構(gòu)光視覺（Structured Light Vision）：利用特定光源照射目標(biāo)，形成人工特性，由攝像機(jī)采集這些特征進(jìn)行測量。結(jié)構(gòu)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。
④主動視覺（Active Vision）：對目標(biāo)主動照明或者主動改變攝像機(jī)參數(shù)的視覺系統(tǒng)。
⑤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(jié)構(gòu)光視覺測量技術(shù)可進(jìn)一步應(yīng)用于智能開采?？稍诠伟鍣C(jī)側(cè)安裝LED指示燈用于找直。采用安裝在機(jī)頭的線陣相機(jī)，單列相素可達(dá)5000~10000，確保了溜槽偏移量測量精度±5cm。沿工作面布置多個(gè)圖像采集裝置，在刮板機(jī)側(cè)安裝超聲波傳感器用于與支架側(cè)的超聲波形成對射來測量支架行程，通過LED燈指示本節(jié)溜槽位置，通過視覺方式對刮板機(jī)進(jìn)行標(biāo)記，利用SLAM視覺測量軟件，計(jì)算每節(jié)溜槽的橫向位置用于工作面直線度計(jì)算。
面陣CCD相機(jī)由于生產(chǎn)技術(shù)的制約，單個(gè)面陣CCD的面積很難達(dá)到一般工業(yè)測量對視場的需求。面陣CCD的優(yōu)點(diǎn)是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。缺點(diǎn)是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制。
線陣CCD的優(yōu)點(diǎn)是一維像元數(shù)可以做得很多，而總像元數(shù)較面陣CCD工業(yè)相機(jī)少，而且像元尺寸比較靈活，幀幅數(shù)高，特別適用于一維動態(tài)目標(biāo)的測量。線陣CCD的優(yōu)點(diǎn)是分辨力高，價(jià)格低廉，如TCD1501C型線陣CCD，光敏像元數(shù)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(shù)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(yùn)動，確定圖像每一像素點(diǎn)在被測件上的對應(yīng)位置。線陣相機(jī)通過巷道的已知點(diǎn)坐標(biāo)再通過自動測量方式來獲知自身的三維坐標(biāo)。通過三維加速度和絕對式編碼器獲知線陣相機(jī)的方位角。線陣相機(jī)采用電動云臺+電動變焦方式，還要增加一個(gè)角度編碼器，對云臺轉(zhuǎn)動角度進(jìn)行精確測量。
采用線陣CCD相機(jī)進(jìn)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(shí)實(shí)現(xiàn)支架行程測量和刮板機(jī)的直線度檢測，能夠?qū)崿F(xiàn)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。
表 幾種工作面直線度測量方案對比表
1.2采煤機(jī)防碰撞技術(shù)
采煤機(jī)防碰撞技術(shù)借鑒毫米波雷達(dá)技術(shù)，毫米波雷達(dá)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(dá)傳感器、77GHz雷達(dá)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(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)。同厘米波雷達(dá)相比，毫米波雷達(dá)具有體積小、易集成和空間分辨率高的特點(diǎn)。與攝像頭、紅外、激光等光學(xué)傳感器相比，毫米波雷達(dá)穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)，具有全天候(大雨天除外)全天時(shí)的特點(diǎn)。
77GHz毫米波雷達(dá)是智能汽車上必不可少的關(guān)鍵部件，是能夠在全天候場景下快速感知0-300m范圍內(nèi)周邊環(huán)境物體距離、速度、方位角等信息的傳感器件。
圖 某型77GHz毫米波雷達(dá)
可通過前方，左右方向以及上下方向的三維掃描，更切實(shí)地檢測出上下方的物體。例如，通過檢測出設(shè)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?？蓮妮^遠(yuǎn)位置更切實(shí)地識別道路上的障礙物，提高了防撞安全系統(tǒng)在高速區(qū)域上使用的性能。
圖 采煤機(jī)應(yīng)用77GHz毫米波雷達(dá)示意
基于現(xiàn)有77GHz毫米波雷達(dá)，開發(fā)安裝于采煤機(jī)上實(shí)現(xiàn)三維雷達(dá)掃描防碰撞。實(shí)現(xiàn)距離50m，精度1cm，更新率25Hz，透塵、霧、雨等。
1.3人機(jī)定位技術(shù)
超寬帶(Ultra Wide Band，UWB)雷達(dá)通常定義為:雷達(dá)發(fā)射信號的分?jǐn)?shù)帶寬(FBW)大于0.25的雷達(dá)。超寬帶技術(shù)就是通過對非常短的單脈沖進(jìn)行一系列的加工和處理，包括產(chǎn)生、傳輸、接收和處理等，實(shí)現(xiàn)通信、探測和遙感等功能。超寬帶是指該技術(shù)的一個(gè)主要特點(diǎn)，即占用的帶寬非常大。它也可以被稱為脈沖雷達(dá)(impulse radar)、脈沖無線電(impulse radio)、無載波(carrier-free)技術(shù)和時(shí)域(time domain)技術(shù)等。超寬帶雷達(dá)最早的應(yīng)用是出于美國陸軍探測地下物體的需要,且在目標(biāo)成像、叢林透視，以及某些類型的雜波抑制和低雷達(dá)反射面積目標(biāo)探測等方面有其應(yīng)用前景。
超寬帶雷達(dá)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)穿墻精度小于0.5m，能夠?qū)崿F(xiàn)非可視測距；應(yīng)用于煤礦井下測距，可實(shí)現(xiàn)在多徑視線無阻擋條件下達(dá)2~10cm的位置測量精度；通過三角形法可實(shí)現(xiàn)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(dá)幾百米的測量距離；使用相同的數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)同時(shí)進(jìn)行測距和通信；測量精度與距離無關(guān)；低成本、低功耗、高精度、遠(yuǎn)距離可以選擇；人員和設(shè)備可采用不同的超寬帶技術(shù)。
以DWM1000超寬帶模塊為例，符合IEEE 802.15.4-2011超寬帶標(biāo)準(zhǔn)的無線收發(fā)模塊，以Deca Wave的DW1000芯片為基礎(chǔ)，定位精度達(dá)到±10cm。它支持高達(dá)6.8Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸率，特別適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)應(yīng)用。通信直視距離達(dá)290m，非直視距離為35m。
2.工作面的回采探測技術(shù)
2.1煤矸識別技術(shù)
除振動信號等傳統(tǒng)的煤矸識別技術(shù)外，光譜技術(shù)越來越多的應(yīng)用到煤矸識別領(lǐng)域，包括拉曼、激光誘導(dǎo)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Si、C等原子基團(tuán)基頻振動及其微小變化，從而很容易區(qū)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(fā)射率光譜混合具有線性混合（面積混合）的特點(diǎn)，從而避開了一直困擾遙感科學(xué)家的光譜非線性混合的難題，使同時(shí)精確提取礦物種屬及豐度信息成為可能。
圖 煤的高光譜成像
2.2煤巖分界與采場厚度探測技術(shù)
超寬帶電磁波可以透過煤層并在煤巖分界面產(chǎn)生回波信號，通過測量電磁波信號在煤層內(nèi)的傳輸時(shí)間，即可確定煤層厚度。超寬帶探測深度與天線的發(fā)射功率、使用的頻率、介質(zhì)的電導(dǎo)特性及儀器的動態(tài)范圍有關(guān)。發(fā)射功率大的儀器探測深，動態(tài)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(yī)學(xué)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(yùn)用太赫茲時(shí)域光譜（THz-TDS）技術(shù)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(shù)關(guān)系遞增，隨碳含量成指數(shù)關(guān)系遞減。能夠分辨煤質(zhì)的微小差異，煤與矸石的光譜系數(shù)差別會更大，可以應(yīng)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(guān)系
3.工作面的實(shí)時(shí)調(diào)控技術(shù)
3.1工作面通訊關(guān)鍵技術(shù)
工作面電液控制系統(tǒng)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(tǒng)一到CAN總線，優(yōu)點(diǎn)是簡化布線結(jié)構(gòu)、減少控制器接口數(shù)量；可以分幾路CAN總線。
工作面百兆以太網(wǎng)，采用單對電纜線結(jié)構(gòu)，減少接口和電纜數(shù)量。工作面千兆以太網(wǎng)，采用稀疏波分復(fù)用器（CWDM）光纜結(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)獨(dú)占1Gbps帶寬，節(jié)點(diǎn)傳輸延時(shí)跟距離遠(yuǎn)近沒有關(guān)系，視頻可以不壓縮直接傳輸。
3.2執(zhí)行反饋技術(shù)
測距手段目前主要有：熱釋電、接近開關(guān)、能量強(qiáng)度、激光測距、行程傳感器等，總體看，應(yīng)用效果不佳。
接近開關(guān)可考慮采用電感數(shù)字傳感器，通過16位共振阻抗及24位電感值，在位置傳感應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)亞微米級分辨率；提供非接觸傳感技術(shù)避免受油污塵土等非導(dǎo)電污染物的影響，可延長設(shè)備使用壽命，提高可靠性；允許傳感器遠(yuǎn)離電子產(chǎn)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(dǎo)目標(biāo)，無需磁體；支持壓縮的金屬薄片或?qū)щ娪湍繕?biāo)，可為創(chuàng)造性創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來無限可能；標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí)功耗不足8.5mW，待機(jī)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(huán)境適應(yīng)性好，成本較低，精度能達(dá)到5mm，測量頻率可以達(dá)到30Hz，測距在2米以內(nèi)時(shí)穩(wěn)定性好，兩組超聲波測距平行距離超過50cm時(shí)，互不影響。
智能化開采還涉及其它許多相關(guān)技術(shù)，總體來說，通過上述三大前沿技術(shù)領(lǐng)域的研究應(yīng)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(guī)模應(yīng)用提供技術(shù)支撐。
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