薄煤層采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)與實(shí)踐

劉占飛

（1.太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，山西省太原市，030024；2.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司四臺(tái)礦，山西省大同市，037007）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)薄煤層綜采工作面的自動(dòng)化控制開(kāi)采，以減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作面的工作實(shí)效和工作面作業(yè)的安全性，除了實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)化控制以外，采煤機(jī)的自動(dòng)化控制也是其技術(shù)關(guān)鍵；運(yùn)輸巷的集中控制以及采煤機(jī)與運(yùn)輸巷控制設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊，遠(yuǎn)程控制又是其技術(shù)關(guān)鍵。大同煤礦集團(tuán)公司四臺(tái)礦在煤層厚度為1.0～1.72 m 的薄煤層綜采工作面進(jìn)行了自動(dòng)化開(kāi)采的試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)采煤機(jī)的自動(dòng)化控制技術(shù)、運(yùn)輸巷集中控制技術(shù)以及工作面生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行了大膽的嘗試，取得了較好的效果，同時(shí)也積累了一定的自動(dòng)化開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，為推進(jìn)我國(guó)薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采技術(shù)進(jìn)步做出了有益的貢獻(xiàn)。

1 采煤機(jī)的自動(dòng)化控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在薄煤層開(kāi)采中的自動(dòng)化控制，采煤機(jī)與煤層間的姿態(tài)、自身的形態(tài)、工作面的位置關(guān)系、自身牽引速度以及各種保護(hù)等是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制過(guò)程中作為一個(gè)執(zhí)行設(shè)備必須要解決的問(wèn)題。

1.1 采煤機(jī)的姿態(tài)及形態(tài)控制技術(shù)

采煤機(jī)的姿態(tài)及形態(tài)控制技術(shù)見(jiàn)圖1。

由圖1可以看出，要確定采煤機(jī)的姿態(tài)，需要在地球參照系中測(cè)得沿工作面傾向方向的仰角 （或俯角）β和沿工作面走向的傾角γ，繞鉛垂方向的旋轉(zhuǎn)角度則可以由液壓支架電液控制系統(tǒng)保持刮板輸送機(jī)為直線，可保證輸送機(jī)及采煤機(jī)與工作面平行。為此，在采煤機(jī)電控箱內(nèi)部安裝有兩軸陀螺儀，可以檢測(cè)到采煤機(jī)機(jī)身的仰角 （或俯角）β以及傾角γ，作為采煤機(jī)機(jī)身姿態(tài)的控制參數(shù)。由圖1 （a）可以看出，當(dāng)確定了采煤機(jī)機(jī)身的姿態(tài)參數(shù)后，要想實(shí)現(xiàn)滾筒回轉(zhuǎn)中心位置的控制，還必須確定搖臂相對(duì)于機(jī)身坐標(biāo)系的角度α1和α2，為此在左右搖臂與采煤機(jī)機(jī)身連接處各裝一個(gè)角度傳感器，用于檢測(cè)搖臂相對(duì)于采煤機(jī)機(jī)身的角度α1和α2，以此通過(guò)采煤機(jī)的幾何參數(shù)計(jì)算出滾筒的位置和各特殊點(diǎn)的位置，從而可求出采煤機(jī)的采高和臥底量，作為采煤機(jī)形態(tài)的控制參數(shù)。

圖1 采煤機(jī)的姿態(tài)及形態(tài)控制技術(shù)

1.2 采煤機(jī)的位置控制技術(shù)

利用液壓支架電液控制系統(tǒng)中推移千斤頂?shù)男谐虃鞲衅?，可以?shí)現(xiàn)對(duì)刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)沿工作面走向方向的進(jìn)刀量和直線的控制。

采煤機(jī)沿工作面傾向方向的位置控制是采煤機(jī)牽引行走的關(guān)鍵控制技術(shù)，為了能夠準(zhǔn)確地反映采煤機(jī)在工作面傾向方向的位置，從而對(duì)采煤機(jī)的啟動(dòng)→行走→增速→減速→停止→反向等一系列動(dòng)作進(jìn)行有效地控制，在采煤機(jī)牽引電機(jī)軸上安裝多圈旋轉(zhuǎn)傳感器，用以測(cè)量牽引電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。由于減速器、鏈輪和銷排傳動(dòng)為剛性傳動(dòng)，可計(jì)算出采煤機(jī)到初始點(diǎn)間的距離，用于確定采煤機(jī)在工作面的位置。根據(jù)一定時(shí)間段采集到的距離差，可得到采煤機(jī)當(dāng)前的牽引速度。根據(jù)至初始點(diǎn)的距離和速度，可以作為采煤機(jī)位置、速度和正、反向的控制參數(shù)。

1.3 采煤機(jī)的牽引控制技術(shù)

電牽引采煤機(jī)使用交流變頻器牽引，在牽引過(guò)程中可以根據(jù)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的負(fù)載情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)速，一方面根據(jù)采煤機(jī)截割電機(jī)電流反應(yīng)的截割負(fù)載進(jìn)行加減速；另一方面可以根據(jù)刮板輸送機(jī)的負(fù)載電流進(jìn)行加減速。當(dāng)采煤機(jī)截割電機(jī)的電流達(dá)到最大設(shè)定值時(shí)自動(dòng)減速；當(dāng)?shù)陀谧畹驮O(shè)定值時(shí)自動(dòng)加速，這有利于發(fā)揮采煤機(jī)的割煤效率。當(dāng)刮板輸送機(jī)負(fù)載電流達(dá)到最大設(shè)定值時(shí)，采煤機(jī)牽引自動(dòng)減速；當(dāng)刮板輸送機(jī)負(fù)載電流低于最小設(shè)定值時(shí)，采煤機(jī)牽引自動(dòng)加速，這樣有利于提高刮板機(jī)的輸送效率。

1.4 采煤機(jī)自動(dòng)化控制保護(hù)技術(shù)

為了有效地實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)割煤的自動(dòng)化控制，必不可少的重要保護(hù)內(nèi)容有：

（1）工作面瓦斯?jié)舛仁亲詣?dòng)化控制的安全保障，根據(jù)工作面瓦斯涌出量設(shè)定工作面允許瓦斯?jié)舛鹊姆秶?，?dāng)工作面瓦斯?jié)舛仍谠O(shè)定范圍內(nèi)可正常割煤；當(dāng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)到上限時(shí)采煤機(jī)要自動(dòng)停機(jī)。

（2）與工作面開(kāi)采情況相關(guān)的還有一些其它重要保護(hù)及控制參數(shù)，如工作面長(zhǎng)度、支架總數(shù)、最大采高、最小采高、最大臥底量、采煤機(jī)極限牽引速度、采煤機(jī)截割電機(jī)、牽引電機(jī)、油泵電機(jī)保護(hù)以及采煤機(jī)的其它保護(hù)等。

以上各種保護(hù)都是實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化的重要控制參數(shù)，既可以在采煤機(jī)上進(jìn)行保護(hù)，又可以對(duì)外傳輸有關(guān)信息，采煤機(jī)還可以接收相關(guān)信息，進(jìn)行自動(dòng)化執(zhí)行。

2 采煤機(jī)的自動(dòng)化集中控制技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在運(yùn)輸巷中的集中控制，首先要使采煤機(jī)的各種設(shè)定參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、命令執(zhí)行情況及故障狀態(tài)必須全部傳輸至工作面運(yùn)輸巷的集中控制中心；其次，集中控制中心所發(fā)送的各種指令可以傳輸至采煤機(jī)，采煤機(jī)可以自動(dòng)執(zhí)行；第三，采煤機(jī)在工作面的工作狀態(tài)必須在集中控制中心可視化；第四，采煤機(jī)的調(diào)整可以在集中控制中心人工干預(yù)，及時(shí)對(duì)采煤機(jī)做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)采煤機(jī)的有效管理。

2.1 通訊與顯示技術(shù)

采煤機(jī)與集控中心的通訊方式見(jiàn)圖2。

圖2 采煤機(jī)與集控中心的通訊方式

由圖2可見(jiàn)，運(yùn)輸巷集控中心由BHG-400／3.3-2G 礦用隔爆型電纜接線箱、KXJ127礦用隔爆兼本質(zhì)安全型控制箱和ROM1本質(zhì)安全型操作臺(tái)組成。控制箱中具有載波通訊、顯示和按鈕操作等功能，其中15寸顯示屏顯示采煤機(jī)的工作狀態(tài)，LED 顯示屏顯示采煤機(jī)的工作參數(shù)及故障狀態(tài)，按鈕可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的參數(shù)設(shè)定。操作臺(tái)可以對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行各種控制，LED 顯示屏可以對(duì)各種操作命令執(zhí)行情況進(jìn)行指示。KXJ127控制箱可以與采煤機(jī)內(nèi)裝的遠(yuǎn)程通訊控制器通過(guò)動(dòng)力載波進(jìn)行雙向通訊，也可以通過(guò)以太網(wǎng)向上位機(jī)上傳有關(guān)信息。

2.2 視頻監(jiān)視技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)集中控制，在截割過(guò)程中必不可少地要進(jìn)行人工干預(yù)，所以采煤機(jī)的工作狀態(tài)必須在集中控制中心可視化，為此在采煤機(jī)與集中控制中心研制了采煤機(jī)視頻監(jiān)視系統(tǒng)，在采煤機(jī)機(jī)身前后各安裝了高清晰度的攝像頭、照明和自動(dòng)清洗裝置，可以監(jiān)視前后滾筒的割煤狀態(tài)和頂?shù)装迩闆r。采煤機(jī)所取得的視頻信號(hào)，通過(guò)工作面工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至集中控制中心的視頻顯示器上，便于由人工通過(guò)視頻監(jiān)視采煤機(jī)工作狀態(tài)以及煤巖分界等情況。

2.3 采煤機(jī)運(yùn)輸巷集中控制技術(shù)

采煤機(jī)割煤控制功能分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。當(dāng)采煤機(jī)處于手動(dòng)模式時(shí)，采煤機(jī)接收人工操作指令，通過(guò)采煤機(jī)的按鈕、機(jī)載端頭站、無(wú)線遙控器以及遠(yuǎn)程控制器對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行人工控制，等同于正常工人操作采煤機(jī)進(jìn)行作業(yè)。當(dāng)采煤機(jī)割煤控制功能處于自動(dòng)模式時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)記憶割煤。首先，由司機(jī)操縱采煤機(jī)沿工作面割一刀煤，此時(shí)采煤機(jī)自動(dòng)記錄了采煤機(jī)的姿態(tài)、形態(tài)、位置、牽引以及左右搖臂相對(duì)于采煤機(jī)機(jī)身坐標(biāo)系的角度等各種參數(shù)，并且存入計(jì)算機(jī)，作為下一刀割煤的參數(shù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)自動(dòng)采集的記憶割煤；其次，如果工作中煤層條件發(fā)生變化，可以通過(guò)采煤機(jī)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行人工干預(yù)，人工實(shí)時(shí)在線調(diào)整采煤機(jī)割煤參數(shù)，該參數(shù)經(jīng)采煤機(jī)存儲(chǔ)后替代原自動(dòng)采集參數(shù)，作為下一刀割煤的參數(shù)依據(jù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)可在線調(diào)整的記憶割煤。

3 井下生產(chǎn)實(shí)踐

3.1 工作面地質(zhì)情況

大同煤礦集團(tuán)公司四臺(tái)礦12＃煤層402輔助盤區(qū)8213工作面，煤層為北面高、南東低的單傾斜構(gòu)造，煤層厚度為1.0～1.72 m，平均厚度為1.65m，傾角為1.2°～6°，平均傾角為3.6°，工作面傾向長(zhǎng)度為118 m，走向長(zhǎng)度為330.5 mm，工業(yè)儲(chǔ)量為8.36萬(wàn)t，可采儲(chǔ)量7.94萬(wàn)t。煤層直接頂為細(xì)砂巖粉巖互層，平均厚度為7.32 m，淺灰色礦物成份，主要以石英石為主，其次為長(zhǎng)石，具水平層理，較平整。底板直接底為粉砂巖，平均厚度為4.12m，灰白色，光滑細(xì)膩，具節(jié)理構(gòu)造，較平整。

3.2 工作面配套設(shè)備

8213工作面配套設(shè)備情況見(jiàn)表1。

表1 8213工作面設(shè)備配套情況表

3.3 使用情況

2012年2月完成了工作面設(shè)備的整體配套設(shè)計(jì)，2012年9月在生產(chǎn)車間進(jìn)行了地面試裝、調(diào)試和聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)，2013年7月進(jìn)行井下安裝調(diào)試，9月正式投入生產(chǎn)運(yùn)行。綜采隊(duì)全員28 人，采用“兩班”制作業(yè)，一班回采，一班準(zhǔn)備。驗(yàn)證了采煤機(jī)在姿態(tài)、形態(tài)、位置、牽引、設(shè)定參數(shù)、運(yùn)行參數(shù)、命令執(zhí)行和故障狀態(tài)等控制技術(shù)以及采煤機(jī)與集中控制中心的通訊、顯示、視頻監(jiān)視和人工干預(yù)的實(shí)踐技術(shù)的可行性，驗(yàn)證了遠(yuǎn)程自動(dòng)化操作控制和記憶割煤技術(shù)在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用，并盡可能地使用自動(dòng)化控制技術(shù)，達(dá)到了低煤層工作面減少人員的應(yīng)用效果。

4 自動(dòng)化工作面技術(shù)發(fā)展建議

4.1 煤巖識(shí)別控制技術(shù)

對(duì)采煤機(jī)在割煤過(guò)程中的煤巖識(shí)別還可進(jìn)一步探索，通過(guò)截割滾筒電機(jī)電流沖擊的變化率，對(duì)應(yīng)判斷滾筒是否對(duì)底板和頂板巖層進(jìn)行截割，參與采煤機(jī)的自動(dòng)化控制，并且對(duì)采煤機(jī)也是重要的保護(hù)。

4.2 人工輔助控制技術(shù)

為了保持工作面達(dá)到 “三直兩平”，即煤壁直、刮板機(jī)直、支架直、頂板平和底板平，采煤機(jī)在割煤過(guò)程中，工作面設(shè)備總有可能出現(xiàn)一些故障，完全有可能因其它設(shè)備某一環(huán)節(jié)的故障而影響采煤機(jī)的自動(dòng)化集中控制，所以整個(gè)工作面人工干預(yù)是必不可少的。

4.3 關(guān)于控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的建議

采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)和巷道集中控制中心控制設(shè)備和其它自動(dòng)化控制設(shè)備的可靠性仍然是實(shí)現(xiàn)工作面自動(dòng)化控制的技術(shù)核心，有待進(jìn)一步提升。

［1］ 成光星，申龍.薄煤層綜采自動(dòng)化采煤工藝技術(shù)研究與應(yīng)用 ［J］.中國(guó)煤炭，2009 （9）

［2］ 李太連.對(duì)煤礦安全高效綜采成套裝備研發(fā)的思考［J］.中國(guó)煤炭，2007 （6）

［3］ 郭建軍，馬曉燕.360 m 綜采工作面開(kāi)采技術(shù)與研究 ［J］.中國(guó)煤炭，2009 （4）