基于传感器和远程操控的采煤机系统作业分析

李志武

（山西汾西矿业（集团）有限责任公司双柳煤矿， 山西 吕梁 033300）

1 探地雷达（GPR）技术的应用分析

探地雷达技术是当前较为先进的勘探手段之一，因体积小、质量轻，非常适合在空间紧张的地下硐室中作业，其无损探测和实时显示连续剖面的特点可保证探地雷达探测工作的高效率，使得探测工作的成果客观准确，且图像资料简单易懂，在众多行业得到了广泛使用。

1.1 GPR深度传感器的应用

GPR已经在土木工程和地下工程中被广泛应用。GPR的核心吸引力在于它是非侵入性和非破坏性的，并且可以提供地下特征的瞬时成像。基础的探地雷达的原理涉及将能量传输到地面然后测量具有不同介电值的材料界面由此产生的反射。接收到的反射大小取决于地电导率和介电常数的大小和形状目标、介电常数的差值以及一个边界、空隙、腔体和其他介电界面可能引起脉冲回波的不连续性。通常在煤层中发现的地质特征地层特别适合雷达成像。这是相对于其主体地层来说，因为煤具有较低的导电率和较高的电导率介电常数。迄今为止，GPR尚未广泛应用于煤矿煤层深度测量，这在很大程度上由于敏感的电子设备不能简单适用于恶劣的煤炭开采环境以及调控GPR返回雷达信号的复杂性。GPR成功实施的关键要求煤炭测量系统使用信号处理将原始雷达数据转换成合适的形式并立即被非专业人员利用。大多数商用GPR系统不适合地下煤挖掘（并不提供自动化的实时处理能力），因此常依靠经过培训的运营商手动解释离线的原始雷达数据，最终由传感器的典型原始GPR输出直接进入自由空间。主峰表示一个天线-空气耦合特性，依据此特性可以有效地得知煤层与岩石的边界导电率发生突变。但是，需要额外复杂算法处理原始雷达数据才能提供控制地层的煤层深度精确估计[1]。

1.2 探地雷达探测矿层位置及厚度

矿山开采过程中，为解决工作接续紧张问题，一般需要预先精确查明后续计划开采矿层的可采价值，主要通过确定矿层厚度来计算出储量大小。矿层与顶底板岩性差异较大时，可以利用探地雷达确定矿层上下界同探测位置的相对位置关系，由此得出矿层厚度的准确值及其变化，并计算出探测区域的矿层储量供开采设计参考。如某煤矿开采时大力使用放顶煤技术，工作面上下顺槽超前工作面煤壁几百米掘进，通过向顺槽顶板钻孔计算放顶煤工作面的煤炭储量，效率非常低，且准确性较差，增加了巷道顶板围岩的破碎度，影响了正常的运煤和行人。而采用探地雷达技术向巷道顶板方向探测并沿巷道全长得到雷达探测剖面图像，即可得到顶煤厚度值及其变化情况，对采煤工作影响小且准确可靠。图1显示了一个典型的地下采矿作业的视图横截面，目的是保持采煤机在煤层中遵循最佳的采矿视野，确定需要的煤炭厚度。

图1 典型的地下采矿作业的视图横截面及传感器位置控制

2 基于远程控制的惯性导航与传感系统

高瓦斯采矿是我国煤矿开采的重要难题，远程控制的高壁采掘机被引入以前，主要采用露天煤矿（已露出煤层）形式操作开采。目前，随着采掘机自动化水平的提升，连续运输系统和基于远程控制的惯性导航与传感系统逐步被带入到现代的煤矿开采当中。

2.1 需求侧指导—惯性导航

所谓惯性导航，其基础是要求平直，平行矿巷的分离必须符合岩土设计要求，这样就必须要求挖掘机在其需求侧实现采矿机器的位置和导航，以便可以及时地阻止开采和远程控制。

国内外很多学者已经提出了许多方法用于横向高壁采矿机械的指导。激光测量提供了精确的长壁机器位置的潜力确定，但与场地有关的问题，如能见度和视线范围意味着一般的方法不是可能被应用的[2]。一些光电/机械钻孔型测量方法已经被考虑应用到实际工作当中，但也受到实际的影响，例如，在一个非常恶劣的环境中需要准确的角度测量，但这具有极高的执行难度。使用传统无线电的专用三角测量系统，在实际使用当中无法实现所需的机器位置准确度。所以，目前强烈建议铺设少量GPR外部基础设施来启用位置感测系统（惯性导航），即使使用低频率穿透覆土也可以实现很好的位置测量。

2.2 应用实例研究

GPR装置应用于地下煤矿，该机被称为长壁采煤机。主要目的是确定雷达单元传感器是否可以用作煤矿开采中的地层场景控制。为此，基于GPR的传感器被安装在我国某大型煤矿中的一个长壁采煤机上。整个GPR处理系统由三部分主要组件组成：宽带（800 MHz）双基地脉冲雷达、数据处理单元和可视化系统[3]。完整的GPR系统第一个在表面上组装和测试，并搭配惯性导航系统。

为了保障实际工作中的矿坑安全，该煤矿地下提前设有自动煤厚度潜力测量系统，以防止可能出现的安全事故。已知此矿巷的顶板与煤层之间地板是由灰分含量高的风化黏土层组成（70%～80%）的。实际测量当中，配有GPR的采掘机在切割时尽可能接近边界，好处是煤质量很高，惯性导航的精确度较高。但是，在某些地区会开采到凝灰岩层，其周围的煤炭产品的灰分含量急剧增加，这是在今后设计和实践当中应该继续优化的问题。

3 结语

地面穿透雷达（GPR）煤层厚度传感器和惯性位置导航系统应用于煤层控制不仅涉及通信、位置和导航系统整合，还涉及了监控和故障排除，这均是本论文涉及但未详述的关键问题。随着自动化技术的不断发展，这些问题将逐步解决，并且集成多传感器的综合控制系统将被认为是解决煤炭开采局限的有利手段。