方新秋-智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术.pdf

第 45 卷第 1 期煤 炭 学 报Vol. 45 No. 1 2020 年1 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYJan. 2020 移动阅读 方新秋,梁敏富,李爽,等. 智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术[J]. 煤炭学报,2020,451493- 508. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. YG19. 1604 FANG Xinqiu,LIANG Minfu,LI Shuang,et al. Key technologies of multi-parameter accurate perception and security decision in intelligent working face[J]. Journal of China Coal Society,2020,451493-508. doi10. 13225/ j. cnki. jccs. YG19. 1604 智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术 方新秋1,2,梁敏富1,2,3,李 爽3,张 磊1,2,严黄宝1,2,谢小平1,2,尉 瑞1,2,吴 刚1,2,吕嘉锟1,2 1. 中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏 徐州 221116; 2. 中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116; 3. 中国矿业 大学 管理学院,江苏 徐州 221116 摘 要煤矿智能化开采是我国煤炭综采技术发展的新阶段,也是煤炭工业技术革命和升级发展的 需求和必然方向。 围绕煤矿智能化开采技术、煤矿安全监测技术现状及发展趋势,介绍了煤矿智能 化开采的技术内涵及核心三要素,指出智能感知是煤矿智能化开采的关键技术,传感监测技术是智 能感知的核心。 针对煤矿智能化开采感知层基础信息采集传感不全面、可靠性差、灵敏度低及安全 决策技术落后等问题,基于“科学采矿”和“煤炭精准开采”先进理念,建立了智能工作面开采信息 多参量精准感知与安全决策关键技术体系,研究了光纤光栅精准感知原理与传感特性,构建了光纤 光栅-基体三层感知传递模型,揭示了光纤光栅粘贴长度范围内的应变分布规律,创建了光纤传感 式煤矿开采巷道围岩安全状态信息和工作面装备姿态信息多参量信息感知体系,提出了基于光纤 光栅智能感知技术的大容量、准分布传感网络拓扑结构,开发了基于大数据与云计算智能技术的多 参量感知系统信息服务平台,构建了包括数据采集与感知层、数据传输层、数据处理与管理层和安 全决策与控制层等 4 层系统架构,开展了基于光纤光栅的多参量感知与决策系统在煤矿开采中的 具体工程应用,实现了现场生产状态、矿压信息、风险信息监测预报,为煤矿安全生产与管理提供决 策支持。 关键词煤矿智能化;智能工作面;多参量;光纤光栅;智能感知;安全决策 中图分类号TD67 文献标志码A 文章编号0253-9993202001-0493-16 收稿日期2019-11-19 修回日期2019-12-09 责任编辑郭晓炜 基金项目国家自然科学基金资助项目51874276,71972176;中国博士后科学基金资助项目2019M661992 作者简介方新秋1974,男,浙江永康人,教授,博士生导师。 Tel0516-83590577,E-mailxinqiufang163． com Key technologies of multi-parameter accurate perception and security decision in intelligent working face FANG Xinqiu1,2,LIANG Minfu1,2,3,LI Shuang3,ZHANG Lei1,2,YAN Huangbao1,2, XIE Xiaoping1,2,YU Rui1,2,WU Gang1,2,L Jiakun1,2 1. Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining,Ministry of Education of China,China University of Mining 2. School of Mines,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China; 3. School of Management,China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116,China AbstractIntelligent mining is a new development stage of fully mechanized mining technology in China,and it is also the demand and inevitable direction of the technological revolution and upgrading development of coal industry. Focu- sing on the present situation and development trend of intelligent mining technology and coal mine safety monitoring technology,this paper introduces the technical connotation and three key elements of intelligent mining,and points out 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 that intelligent sensing is the key technology of intelligent mining in coal mine,and sensing technology is the core of intelligent mining. In view of the problems of incomplete ination collection,poor reliability,low sensitivity and backward security decision technology in intelligent mining sensing layer of coal mine,based on the concepts of “sci- entific mining” and “precision coal mining”,the key technology system of multi-parameter accurate perception and se- curity decision of mining ination in intelligent working face is established,the precise sensing principle and char- acteristics of FBG are studied,the three-layer sensing transfer model of surface-bonded FBG on the structure is con- structed,the strain distribution law of FBG in bonded length is revealed,the multi-parameter ination sensing sys- tem with FBG sensing technology for the safety state of roadway surrounding rock and the attitude of working face e- quipment is established,the large-capacity and quasi-distribution sensing network topology based on FBG intelligent sensing technology is proposed,the multi parameter sensing system ination service plat based on big data and cloud computing intelligent technology is developed,and the four-layers system architecture including data acquisition and sensing layer,data transmission layer,data processing and management layer,security decision and control layer are constructed. The application of multi-parameter sensing and decision system based on FBG in coal mining is car- ried out,which realizes the monitoring and prediction of production status,mine pressure ination and risk ina- tion,and provides a decision support for coal mine safe production and management. Key wordscoal mine intellectualization;intelligent working face;multi-parameter;fiber Bragg grating;intelligent sens- ing;security decision 煤炭是我国的主要能源资源,2018 年全国原煤 产量达到36． 8 亿 t[1],煤炭消费占一次能源消费的比 例为 58 [2],可见煤炭工业仍是我国国民经济发展 的重要保障[3],并将成为国家战略考虑的重心之一。 近年来,虽然面临能源资源多元化发展及结构性改 革,且煤炭在一次能源消费中的比重也逐步降低,但 在未来相当长的时期内,煤炭依旧是主体能源[4]。 因此,确保煤炭的安全高效开采将是实现国民经济可 持续发展的重要基础[5]。 在煤矿开采过程中,综采技术与装备对安全高效 生产水平有着重要影响,但由于井下工况恶劣、自动 化水平低、矿井安全监测和监控体系不健全导致煤炭 生产的安全风险高[6]。 21 世纪以来,综采机械化、自 动化程度大幅提升,极大地提高了安全保障程度[7], 2018 年百万吨死亡率降至历史最低的 0． 093,但煤炭 生产的风险仍然较为严峻。 因此,亟待提高并实现煤 矿开采智能化,改善井下作业环境,降低工人劳动强 度。 近年来,随着“互联网”的迅速发展和两化深度 融合,作为新时期采矿工程需求的煤矿智能化开采已 成为煤炭工业发展的必然方向,也将是推进煤炭工业 转型的根本出路。 为此,国家“十三五” 规划、国家 能源技术革命创新行动计划20162030 年、国 家能源局、煤炭工业“十三五”规划等[8-10]明确指出 智能化开采是实现煤矿安全高效生产的核心和关键。 目前我国煤矿智能化建设的新高潮正在全国兴 起,诸多学者从战略高度开展煤矿智能开采研究,并 相继提出了突出的基础理论与技术成果[11-13],但煤 矿智能化开采的发展尚处于初级阶段[14]。 智能化开 采的技术内涵是指通过对采掘环境的智能感知、采掘 装备的智能调控、采掘作业的自主巡航,而完成的独 立回采过程,并实现自适应开采[15]。 智能感知、智能 决策和智能控制是智能化开采的核心三要素,而智能 感知作为煤矿智能化开采的关键之一,是获取开采过 程中的基础信息,并为智能决策和智能控制提供数据 支持;智能决策是分析数据,修正控制决策方案;智能 控制是完善和优化参数,适应环境变化响应[16]。 智能感知的核心是传感监测技术,通过调研国内 外煤矿开采监测技术,总结目前监测方式主要包括 机械式、电磁式及地球物理方法等[17-22],这些监测技 术在煤矿生产中应用较多并发挥了极为重要的作用, 但在智能化开采感知层应用方面仍存在许多问题,如 易受井下复杂环境影响,长期稳定性、抗腐蚀性较差, 稳定性与精确度不高,难以构成分布式感知网络,因 此需要对新的传感监测技术进行引进、创新和应用。 笔者根据智能化开采发展背景,研究了光纤光栅智能 感知技术与方法,建立了光纤传感式煤矿开采多参量 智能感知与决策体系,并将研究成果进行了初步现场 试验,为煤矿智能化开采的进一步研究奠定了基础。 1 国内外研究现状 1． 1 煤矿智能化开采研究现状 澳大利亚、美国、芬兰等国家自 20 世纪 90 年代 开始发展智能化开采技术和装备,相继提出了煤机装 494 第 1 期方新秋等智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术 备状态监测、远程可视化及程序控制等技术。 2001 年 7 月,澳大利亚联邦科学与工业研究组织CSIRO 开展了综采工作面自动和智能化技术的研究,开发了 以实现装备定位为目标的 LASC 系统。 2005 年,实现 了采煤机的精确定位和工作面直线度控制[23-25]。 2006 年,在“采掘装备机械化和自动化”专项基金的 资助下,欧洲一些国家研究了采煤机位置监测及煤岩 界面识别等技术。 同年,美国 JOY 公司开展了远程 精准控制的虚拟采矿技术研究。 2008 年,CSIRO 完 善了 LASC 系统原型,丰富了系统的功能,结合采煤 机三维坐标与钻探数据实现了工作面全自动化采 煤[26]。 2009 年,英国、德国等科研机构设计开发了 “煤机领路者”系统,并在 North-Rhein Westphalia 矿 成功应用[27]。 2012 年,美国 JOY 公司开发设计了新 型工作面自动化系统,具有自动移架、自动推移刮板 输送机、自动截割控制等功能,实现了采煤机的全自 动智能化控制[28]。 此外,德国的 Eickhoff 公司提出 了配备倾角、位置、行程、震动等多个传感器的现代采 煤机[29-31],并在 2015 年联合德国玛珂、贝克等公司 建成了一套接近无人工作面的远程控制薄煤层综采 自动化系统[32]。 我国采煤工作面自动化、智能化研究较晚,综采 工作面自动化是智能化开采的基础阶段,而无人化开 采是智能化开采的高级阶段和发展目标。 在无人化 开采的研究中,笔者[33-37]在 2006 年率先提出了无人 工作面开采技术体系,王国法[38]探讨了无人化成套 装备与发展方向,黄曾华[39]提出了无人开采生产模 式。 但相关研究只是停留在一些技术构想或发展展 望方面,所以在最终实现无人化开采之前,研究重点 则是煤矿智能化开采。 目前我国煤矿智能化开采在国家相关基金资助 下取得了快速发展,并提出了一系列创新成果技术, 例如液压支架自适应控制、采煤机动态精准定位、采 煤机截割路径规划、采煤机自动调高、可视化远程干 预控制、煤矿探测机器人、记忆割煤、刮板输送机三维 弯曲形态光纤光栅感知等[40-47],为我国煤矿智能化 开采的发展与实现提供了重要技术支持,但现场应用 表明在智能化开采感知层领域尚存在薄弱环节,部分 关键技术需要协同创新予以实质性的突破。 1． 2 煤矿安全监测技术研究现状 我国在矿山压力与岩层控制方面取得了不菲理 论成果,如“关键层”理论[48]和“传递岩梁”理论[49] 为煤矿安全监测奠定了理论基础。 在理论指导下,一 些科研院所及企业研发了机械式观测设备,如锚杆测 力计、离层指示仪、测力锚杆、多点位移计等。 这些设 备为人工现场观测,且观测设备灵敏度低,监测数据 连续性和实时性较差,监测效率和水平较低。 目前,煤矿安全监测仪器由常规的单点人工观测 向监测系统发展,如 KJ216 型采场顶板监测系统[50], KGJ-B 型综采工作面综合监测系统[51],SOS 微震监 测系统[52]等。 除此之外,基于无线传输的顶板离层 监测预警系统、基于三维激光扫描的巷道/ 煤壁变形 监测系统、基于超声测距的巷道围岩变形自动监测系 统等多种监测系统发展迅速并得到了广泛应用。 上述的煤矿安全监测系统,监测数据常通过有线 或无线方式进行传输。 对于有线传输方式具有传输 速度快、可靠性较高优点,是煤矿安全监测的首选方 式,但此类监测系统井下布置不便,且传感器为有源 器件,受井下环境影响大,具有抗电磁干扰能力弱、监 测精度低、可靠性和效率不高等缺点。 对于无线传输 方式具有无需井下布线优点,但须布设多个无线节 点,另外传感器有源带电工作,采用单片机作为处理 单元,处理效率不高,监测传输距离较短,难以满足现 场的实际要求。 因此,有必要对煤矿开采智能感知技 术进行深入研究,葛世荣等[53]提出光纤传感器将为 智能化采煤的关键技术突破提供借鉴。 1． 3 光纤光栅传感技术研究现状 光纤传感技术是随着光纤通信技术的普及而得 到 快 速 发 展, 其 核 心 元 件 是 光 纤 光 栅 Fiber Bragg Grating,FBG。 1978 年,HILL 等[54]首次发现 了光纤的光敏性,并制作了第一根光纤光栅。 FBG 传感器是光纤传感技术中最具发展前景的无源光学 器件,其具有诸多优点,如本质安全、抗电磁干扰,环 境适应性强,可在易燃易爆环境下工作;而且易于封 装、耐高温、抗腐蚀、适用范围广;同时其信号传输距 离远、损耗低、测量灵敏度和精度高、复用能力强,在 一根光纤上能够串/ 并联多个光纤光栅形成准分布式 传感网络[55]。 光纤传感技术是以光波为载体、光纤 为传输媒介,通过光纤光栅反射波长特征参量反映外 界物理量压力、应变、温度、倾角、振动等变化的智 能感知和测量技术,鉴于其独特的优势,现已在工程 监测领域中得到广泛应用[56-61]。 光纤传感技术的发展和应用,为煤矿开采智能感 知提供了新的技术手段,目前已经在采矿模型实验测 试[62-63]、岩石试件应变测试[64-65]及工程实践[66-70]方 面进行了研究,虽然大多仍在实验室测试阶段,但相 关学者的诸多研究成果取得了良好的效果,并对本论 文的研究提供参考,因此把光纤光栅传感技术应用于 智能工作面多参量信息的感知,将有助于提高煤矿智 能化开采的感知水平和效率。 594 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 2 智能工作面多参量精准感知与安全决策关 键技术体系 煤矿智能化开采是一项复杂的多学科交叉的系 统工程,基于“科学采矿” [71] 和“煤炭精准开采” [72] 理念,构建了智能工作面多参量精准感知关键技术体 系框架模型,如图 1 所示。 其基础理论是光纤光栅精 准传感原理,关键是煤矿开采多参量信息的精准感 知、信息分析处理与安全智能决策,核心是前端精度 高、可靠性好的传感器,主要功能是实现工作面开采 的巷道围岩状态感知、工作面三机姿态协同感知与安 全决策。 凝练的关键技术主要包括光纤光栅精准传 感技术、煤矿开采环境多参量信息感知体系、光纤传 感器设计封装技术、多源信息分析处理与融合传输、 准分布式光纤传感网络拓扑结构、感知系统信息服务 平台及安全决策技术等。 图 1 工作面多参量精准感知与安全决策关键技术体系 Fig． 1 Key technologies system of multi-parameter accurate sensing and safety decision in working face 2． 1 光纤光栅精准感知基础理论 2． 1． 1 光纤光栅精准感知原理 光纤是包括光纤纤芯、包层、保护层、增强纤维和 光纤保护套的 5 层圆柱形基本结构。 光纤光栅是一 种新型的光纤无源器件,其纤芯折射率沿光纤轴向呈 周期性变化,可看作是一段物理材料特性未改变的光 纤结构。 光纤光栅感知原理是当宽带光源在其内部 传输时,因纤芯折射率的变化,使一部分入射光在特 定波段被反射回来,大部分入射光以透射光继续传 输,即光纤光栅具有光波选择效应,这种光纤光栅反 射条件称作布拉格条件。 光纤光栅结构及感知原理 如图 2 所示,其中,I 为光强;λ 为波长。 图 2 光纤光栅基本结构及感知原理 Fig． 2 Structure and sensing principle of FBG 光纤布拉格光栅反射波长的基本关系式[73]为 λB 2neffΛ1 其中,λB为 FBG 反射中心波长;neff为纤芯有效折射 率;Λ 为光纤光栅周期。 可以看出,任何使纤芯有效 折射率和光纤光栅周期变化的物理过程均能够改变 光纤光栅反射波长的量值,利用光纤光栅解调系统获 取反射波长变化信息,根据外界物理量-FBG 反射波 长对应关系,即可实现光纤光栅的精准感知。 2． 1． 2 光纤光栅传感基本特性 光纤光栅传感技术基本上都是通过被测量来直 接或间接改变光纤光栅反射波长,达到被测物理量感 测的目的。 光纤光栅在传感过程中具有应变传感特 性、温度传感特性、应变-温度交叉敏感特性及准分 布式传感特性,这些特性是光纤光栅传感技术的基础 同时也决定了光纤光栅具有优良的性能和广泛的应 用范围。 在均匀应变和温度作用下,光纤光栅反射波长变 化为 694 第 1 期方新秋等智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术 ΔλB λ B1 - PeΔε λBα ζΔT 2 其中,ΔλB为 FBG 反射波长变化量; Δε 为光纤轴向 应变; ΔT 为温度变化量;Pe为有效弹光系数; α 为热 膨胀系数;ζ 为热光系数。 通过式2可得,光纤光栅 反射中心波长变化量与单一应变或温度呈良好的线 性关系。 以光纤光栅应变传感特性为例,在轴向应变 作用下的反射光谱如图 3 所示,表明光纤光栅在受静 态轴向应变时,其反射光谱只是整体波长发生偏移, 光谱形状并不发生改变。 另外,在使用光纤光栅做传 感器时必须考虑温度的影响,需要剔除应变-温度交 叉敏感的作用,否则会因为温度变化导致测量精度的 不准确。 图 3 轴向应变作用下光纤光栅反射光谱 Fig． 3 Reflection spectrum of FBG under axial strain 当一根光纤上串接多个光纤光栅构成准分布式 感知网络时,为了每一个光纤光栅反射波长信息的精 准获取,则准分布感知网络中的各个反射波长及波长 变化互不干扰、不能重叠交叉。 光纤光栅准分布感知 模型如图 4 所示。 图 4 光纤光栅准分布感知模型 Fig． 4 Quasi-distributed sensing model of FBG 相邻光纤光栅感知信号互不串扰须满足 λi Δλ i λj- Δλ j- 1 ≤ i j3 其中,λ1≤λNλiλjλM,为光纤光栅准分布 感知网络中各个反射波长。 第 i 和第 j 是两个相邻的 光纤光栅,反射波长最大的正向变化量分别为 Δλ i 和 Δλ j ,最大的负向变化量分别为 Δλ i- 和 Δλ j- 。 令光纤光栅准分布感知信号分辨因子 ψij ψij λj- Δλ j- - λi Δλ i Δλj,i- Δλj-,i1 ≤ i 0 才能保证波长被探测出来;Δλj,i为相邻 两个光纤光栅的反射波长差;Δλj-,i为相邻两个光纤 光栅反射波长的相对变化。 2． 1． 3 光纤光栅感知传递模型 光纤光栅是一种纤细、抗剪切能力较差的脆性材 料,必须封装成传感器才能用于实际工程中。 光纤光 栅封装成传感器感知基体应变时,因光纤光栅-基体 之间中间层涂覆层、胶结层的作用,基体应变通过 中间层传递给光纤光栅感知元件,使基体实际应变与 光纤光栅感知应变存在误差效应,即光纤光栅-基体 之间的感知传递特性。 本文以基体表面粘贴光纤光 栅为例,构建了包含基体层、胶结层与光纤层的 3 层 感知传递模型,如图 5 所示,其中,rg为光纤半径;Dj 为胶结层宽度;hj为胶结层厚度;hm为基体结构厚 度;ha为胶结层对基体结构的影响深度。 图 5 基体表面粘贴光纤光栅感知传递模型 Fig． 5 Sening transfer model of surface-bonded FBG for host structure 根据感知传递模型建立各层之间的力学模型,如 图 6 所示,其中,下标 m,j,g 分别表示基体结构、胶结 层和光纤相关的物理量;σjx为胶结层轴向应力; σgx为光纤层轴向应力;σmx为基体结构轴向应 力;τmjx 为基体结构与胶结层之间的剪切应力; τjgx为胶结层与光纤层之间的剪切应力;ujx为胶 结层轴向位移;ugx为光纤层轴向位移;umx为基 体结构轴向位移;Δujx 为胶结层轴向位移变化; Δugx为光纤层轴向位移变化。 通过力学分析得到 基体表面粘贴光纤光栅应变感知传递因子[74]为 ηx εgx εmx 1 - coshkx coshkLg 5 式中,εgx为光纤层轴向应变;εmx为基体轴向应 变;Lg为光纤的半粘贴长度;k 为感知滞后因子。 794 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 6 光纤光栅-基体感知传递力学模型 Fig． 6 Sening transfer mechanical model of FBG-host structure 将各层物理力学参数代入式5,得到如图 7 所 示的光纤粘贴长度范围内轴向应变分布规律。 由图 7 可得,由于光纤光栅-基体中间层的作用,在光纤粘 贴长度范围内,基体实际应变与光纤感知应变并不相 同,呈两边小、中间大的“倒盆形”非均匀分布形式, 并在粘贴的中间位置时感知传递效率最高。 因此,在 实际封装时应使光纤光栅布置于胶结层中间,使基体 应变充分感知并传递到光纤光栅。 图 7 光纤轴向应变分布规律 Fig． 7 Axial strain distribution of optical fiber 2． 2 多参量信息智能感知 随着煤矿开采监测精准化、智能化的发展需求, 监测信息也由单一测点向多个参量协同感知迈进,利 用光纤光栅传感技术对煤矿智能化开采感知层进行 巷道围岩安全状态信息和工作面装备姿态信息多参 量精准感知,实现锚杆载荷、顶板离层、围岩应力、锚 杆杆体应力、巷道温度、液压支架倾角及压力、采煤机 姿态与刮板输送机直线度等基础信息的获取,能够全 面地反映煤矿安全生产状态,光纤传感式煤矿开采多 参量信息感知体系如图 8 所示。 2． 2． 1 巷道围岩安全状态信息智能感知 煤矿开采活动会引起巷道围岩及支护结构矿压 显现现象,利用自主研制的新型灵敏度高、可靠性好 的光纤光栅锚杆测力计[75]、 光纤光栅顶板离层 仪[76]、光纤光栅测力锚杆[77]、光纤光栅钻孔应力 图 8 光纤传感式煤矿开采多参量信息感知体系 Fig． 8 Multi-parameter ination sensing system based on optical fiber sensing for coal mining 计[78]和光纤光栅温度传感器对煤矿开采过程中巷道 围岩安全状态信息全面感知,光纤光栅传感器如图 9 所示,构建光纤传感式巷道围岩安全状态信息智能感 知系统,分析锚杆荷载程度、锚杆杆体应力分布、巷道 顶板及围岩稳定性,为巷道锚杆支护参数的合理性、 经济性提供科学依据,保证巷道围岩结构安全稳定。 2． 2． 2 工作面液压支架姿态智能感知 液压支架是工作面最重要的生产装备之一,为工 作面安全生产和矿工作业提供活动空间。 液压支架 的工作状态对工作面的安全生产进度有影响,而且液 压支架姿态信息和工作阻力,能够间接反应工作面覆 岩结构应力场状况。 利用自主研制的光纤光栅支架 压力表[79]和光纤光栅倾角传感器[70]直接监测液压 支架工作阻力、顶梁姿态、底座姿态和连杆姿态,光纤 光栅传感器实物及布置如图 10 所示,能够补充完善 液压支架姿态监测手段,有利于实时掌握液压支架姿 态的动态规律,为智能工作面液压支架-采场围岩耦 合关系、矿压及顶板管理、支架适应性研究等提供技 术支撑,对智能工作面构建和安全生产具有重要意 义。 2． 2． 3 工作面采煤机姿态智能感知 采煤机是工作面割煤的设备,采煤机滚筒的底板 截割轨迹决定了刮板输送机的姿态,顶板截割轨迹确 定了液压支架的支护与活动空间,行走轨迹间接反映 了刮板输送机的直线推移程度,这些工作面生产状态 要素均可通过采煤机运行时的航向角、俯仰角、横滚 角和运行姿态与采煤机的几何特征相构建获得。 卫星定位、无线电导航等地面定位方法在煤矿井 下无法发挥作用。 传统的采煤机定位方法,如红外辐 射法、超声波反射法、齿轮计数法等,都不能满足智能 894 第 1 期方新秋等智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术 图 9 巷道用光纤光栅传感器实物 Fig． 9 Photo of fiber Bragg grating sensor for roadway 图 10 液压支架姿态感知光纤光栅传感器实物及布置 Fig． 10 Fiber Bragg grating sensor photo and layout of hydraulic support attitude sensing 开采的精度要求。 开展采煤机运行姿态进行实时、精 确的感知研究,不仅能为探知、预测智能化工作面的 生产状态提供途径,而且能够作为采煤机自主调高、 割煤等智能决策的基础信息而实现智能化控制。 基 于此本文提出了一种基于光纤捷联惯性导航系统的 姿态智能感知方法,如图 11 所示。 图 11 基于光纤捷联惯导的采煤机定位系统 Fig． 11 Positioning system for shearer based on FSINS 将光纤捷联惯导系统的光纤惯性测量器件Fi- ber Optic Inertial Measurement Unit,FIMU直接固定 在采煤机机身上,发挥光纤惯性测量组件重量轻、体 积小、抗干扰、精度高、可靠性高和独立自主的优点, 利用陀螺仪测量的角速度获得采煤机姿态角信息,加 速度计测量的加速度获得采煤机的位置信息,实现采 煤机运行姿态信息的感知,感知原理如图 12 所示。 图 12 采煤机运行姿态感知原理 Fig． 12 Attitude sensing principle of shearer 针对采煤机强振动、频变温的特殊应用条件,根 据采煤机机身与截割部力学模型分析误差源特征,研 究采煤机振动和温度演化特征下的光纤惯性测量组 件误差响应,建立光纤惯性测量组件误差补偿模型, 在元件级、捷联惯导级与系统级 3 个层面提高井下采 煤机运行姿态的感知精度,三级误差补偿模型如图 13 所示。 994 煤 炭 学 报 2020 年第 45 卷 图 13 感知系统三级误差补偿模型 Fig． 13 Three-level error compensation model of sensing system 2． 2． 4 工作面刮板输送机直线度智能感知 刮板输送机作为采煤机的行走轨道和运煤装备, 对刮板输送机直线度的精准感知与控制成为了实现 智能化开采的关键环节。 近年来,经过国内外科研机 构及专家学者的不懈努力,逐渐形成了 2 种刮板输送 机直线度感知技术① 基于液压支架调直的刮板输 送机直线度感知技术,此种属于刮板输送机间接调直 方法,在实际应用中存在极大的局限性。 ② 基于采 煤机自主定位的刮板输送机直线度感知技术,此种方 法由于陀螺仪易受采煤机振动及强电磁场的影响,对 环境要求较高,且在采煤机定位上需进行二次积分, 会造成较大的累计误差。 本文提出了一种基于光纤光栅的刮板输送机直 线度感知方法[47],设计并研发了光纤光栅三维曲率 传感器,结合光纤光栅三维曲率传感器的三维曲率传 感原理,采用拟合递推的方法,进行基于正交方向曲 率信息的三维空间曲线重建,布置如图 14 所示。 光 纤光栅三维曲率传感器安装在刮板输送机电缆槽中, 传感器的 FC/ APC 接头通过多芯光缆与光纤光栅静 态解调仪连接,光纤光栅静态解调仪设置在回采巷道 的控制台用于感知刮板输送机三维弯曲信息。 2． 3 多源信息融合传输 煤矿开采涉及应力场、裂隙场等诸多问题,采场、 巷道及开采扰动区的支架压力、巷道围岩应力、裂隙 离层发育、支护结构矿压显现等信息准确获取至关重 要。 智能工作面多源信息融合技术是借助于各种传感 器来获取井下客观对象的开采环境基础信息,通过信 息服务平台对获得的信息进行交融,得到一种综合的 图 14 基于光纤光栅的刮板输送机直线度感知系统布置 Fig． 14 Layout of straightness sensing system of scraper conveyor based on FBG 感知信息。 智能工作面精准智能感知在该方面涉及的 关键技术就包括矿井复杂环境下多源信息融合传输以 及人机环参数全面采集及共网传输等。 智能工作面多 源信息融合的研究内容具有多样性、广泛性和复杂性 等特点,通过对多个信息源的信息进行多级别、多方 面、多层次的处理,产生新的有意义的信息,为智能工 作面多源动态信息评估与安全决策提供依据。 2． 4 准分布式传感网络结构 光纤光栅传感技术利用其准分布式感知特性,通 过串联或并联多个光纤光栅传感器构成准分布式传 感网络及拓扑结构,实现被测对象的多点感知,因此 拓扑结构对光纤光栅感知网络的可靠性有很大影响。 以自主研制的光纤光栅传感器为基础,采用波分复用 和空分复用的混合复用方法建立了煤矿开采光纤光 栅智能感知系统图 15,传感网络中含有 n 个通道 的光开关,并在每个通道串联 m 个光纤光栅传感器, 形成串联与并联相结合的拓扑结构,增大了感知系统 传感器容量mn 个,实现了多通道、多参量、大容 量、准分布式智能感知。 图 15 光纤光栅智能感知系统布置示意 Fig． 15 Network structure diagram of FBG intelligent sensing system 2． 5 信息服务平台 目前煤矿安全监测系统中普遍存在数据传输易 受干扰、各系统间共享数据困难、历史监测数据维护 成本高、存储效率低和难以实现共享等迫切需要解决 005 第 1 期方新秋等智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术 的问题,利用云技术对现有的监测系统进行改进和升 级,通过对多个企业及煤矿安全状态监测系统的整 合,将监测数据通过网络进行集中存储和分析,实现 资源共享,从而提高监测系统的运行效率,对于解决 煤矿安全问题具有重要意义,工作面多参量精准感知 系统信息服务平台的组成框架如图 16 所示。 图 16 煤矿开采多参量精准感知信息服务平台框架 Fig． 16 Ination service plat framework of multi- parameter