綜采工作面自動(dòng)調(diào)斜與防滑控制系統(tǒng)研究

牛劍峰

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013)

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綜采工作面自動(dòng)調(diào)斜與防滑控制系統(tǒng)研究

牛劍峰

(北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京100013)

［摘要］分析了設(shè)備上串下滑給綜采工作面生產(chǎn)帶來的問題，對(duì)工作面設(shè)備上串下滑的主要原因進(jìn)行了闡述，介紹了綜采工作面?zhèn)涡笨刂频幕竟ぷ髟?，進(jìn)行了激光對(duì)位傳感器設(shè)計(jì)，提出使用激光對(duì)位傳感器和行程傳感器等進(jìn)行垂直和水平2個(gè)維度的工作面自動(dòng)調(diào)斜控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了傾斜煤層工作面液壓支架移架的自動(dòng)控制。

［關(guān)鍵詞］自動(dòng)調(diào)斜;上竄下滑;偽斜控制;激光對(duì)位傳感器

［引用格式］牛劍峰.綜采工作面自動(dòng)調(diào)斜與防滑控制系統(tǒng)研究［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 32－34，19.

傾斜煤層工作面設(shè)備的上竄下滑給工作面連續(xù)推進(jìn)帶來了以下問題［1－4］:刮板運(yùn)輸機(jī)下滑，造成刮板運(yùn)輸機(jī)拉回煤嚴(yán)重，負(fù)荷增大，斷鏈頻繁，更有甚者拉壞機(jī)頭、機(jī)尾架及護(hù)罩板等事故;刮板運(yùn)輸機(jī)上竄，造成刮板運(yùn)輸機(jī)鏈輪中心距、行人寬度不符合生產(chǎn)和規(guī)程要求，甚至造成工作面機(jī)頭擠架，不得不在機(jī)頭煤柱側(cè)開幫來保證安全生產(chǎn);導(dǎo)致工作面運(yùn)輸機(jī)機(jī)頭與運(yùn)輸巷轉(zhuǎn)載機(jī)正常搭接的關(guān)系發(fā)生變化，致使采煤機(jī)無法正常切割，造成刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)運(yùn)輸機(jī)無法啟動(dòng)、燒壞電機(jī)等現(xiàn)象;影響了工作面工程質(zhì)量，造成煤壁線不直、支架擠架、架間距變寬等問題，出現(xiàn)空頂面積大、采煤機(jī)割不透煤壁等不利因素;支架頂運(yùn)輸機(jī)框架傾斜，拉后運(yùn)輸機(jī)連接裝置傾斜;造成后運(yùn)輸機(jī)無法及時(shí)拖到位，支架無法正常拉到位，不能正常支護(hù)頂板。因此，設(shè)備的上竄下滑是綜采工作面安全生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)［5］，解決設(shè)備上竄下滑的自動(dòng)控制問題，是實(shí)現(xiàn)煤礦無人化開采的先決條件。

1　工作面設(shè)備下滑的主要原因

傾斜煤層工作面在正常割煤過程中，受設(shè)備重力因素的影響，在下行割煤或返刀時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下的分力Fy致使工作面刮板運(yùn)輸機(jī)下滑，如圖1所示，煤層傾角α越大，下滑重力分量越大，刮板運(yùn)輸機(jī)的下滑力越大，其下滑量也越大［6－9］。

圖1　工作面設(shè)備受重力分析示意

液壓支架與刮板運(yùn)輸機(jī)采用連接頭連接，在拉架推溜過程中，刮板運(yùn)輸機(jī)與液壓支架互為支點(diǎn)進(jìn)行前移。在推溜時(shí)，由于刮板運(yùn)輸機(jī)滿載煤炭后負(fù)荷加重，在工作面傾角的重力作用下產(chǎn)生了一個(gè)下滑的分力，刮板運(yùn)輸機(jī)下滑，與之相連的液壓支架的推移桿與刮板運(yùn)輸機(jī)的垂直關(guān)系被打破，推移桿對(duì)刮板運(yùn)輸機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)向下或向上的推力Fy，如圖2所示。而在移架過程中，由于液壓支架的自重產(chǎn)生的下滑分力，通過推移桿給刮板運(yùn)輸機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)向下的拉力。因此，在工作面遷移過程中，推移桿與刮板運(yùn)輸機(jī)的相對(duì)方位關(guān)系對(duì)工作面設(shè)備的上串下滑有較大影響。

圖2　刮板運(yùn)輸機(jī)受力示意

2　工作面設(shè)備的偽斜控制

工作面傾角越大，設(shè)備下滑量就越大，因此減緩工作面的傾斜量，可以減少設(shè)備由于自重產(chǎn)生的下滑分量。工作面設(shè)備采用偽斜布置，如圖3所示，圖3 (a)為工作面?zhèn)涡辈贾闷矫媸疽鈭D，圖3 (b)為工作面?zhèn)涡辈贾昧Ⅲw示意圖，圖中尾傾斜角為θ，可以通過偽斜布置方式增加工作面長度，適當(dāng)?shù)販p小工作面的傾角，改變液壓支架與刮板運(yùn)輸機(jī)之間的相對(duì)位置關(guān)系［10－12］。刮板運(yùn)輸機(jī)在前移過程中，由推移桿給刮板運(yùn)輸機(jī)提供一個(gè)向上的推力N，從而避免由于工作面傾角導(dǎo)致設(shè)備下滑，使設(shè)備在遷移過程中，設(shè)備下滑力與支架推力達(dá)到平衡狀態(tài)。如果液壓支架擺放傾角調(diào)配過度，產(chǎn)生向上推力大于設(shè)備下滑力，就會(huì)造成設(shè)備的上竄;如果傾角調(diào)配不足，產(chǎn)生向上推力小于設(shè)備下滑力，就會(huì)造成設(shè)備的下滑［13］。此方法應(yīng)用得當(dāng)可以有效地控制工作面液壓支架穩(wěn)定性［14］。

3　自動(dòng)調(diào)斜與防滑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用支架電液控制系統(tǒng)可以進(jìn)行液壓支架的自動(dòng)控制，配置激光對(duì)位傳感器、角度傳感器和行程傳感器等進(jìn)行液壓支架的姿態(tài)檢測、推移行程檢測和支架調(diào)斜量檢測，建立工作面自動(dòng)調(diào)斜與防滑智能控制模型，通過支架控制器軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面液壓支架的姿態(tài)與液壓支架之間的智能對(duì)位控制，實(shí)現(xiàn)工作面?zhèn)涡绷孔詣?dòng)控制。

3.1支架電液控制系統(tǒng)

采用支架電液控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)液壓支架推移過程的自動(dòng)控制，通過壓力傳感器、行程傳感器和傾角傳感器等進(jìn)行液壓支架運(yùn)動(dòng)過程中的立柱壓力檢測、推移行程檢測和支架的姿態(tài)檢測，通過支架控制器智能軟件，實(shí)現(xiàn)液壓支架的智能推移控制，以保證液壓支架在推移過程中使其與刮板運(yùn)輸機(jī)保持設(shè)定的方位關(guān)系，有效地識(shí)別液壓支架在推移過程中出現(xiàn)卡、別等問題，使其達(dá)到良好運(yùn)行狀態(tài)。

圖3　工作面?zhèn)涡辈贾?/p>

3.2激光對(duì)位傳感器

激光對(duì)位傳感器由激光發(fā)射單元、激光接收單元和供電與數(shù)據(jù)通信接口組成，具有雙向激光信號(hào)收發(fā)功能和與支架控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的功能，如圖4所示，即在傳感器兩側(cè)布置同樣的收發(fā)單元，可以實(shí)現(xiàn)雙向定位檢測功能。激光發(fā)射單元可以發(fā)出一束具有特定波長的激光光柵信號(hào)，激光束有效發(fā)射距離不小于5m，激光束的寬度不大于2mm，激光接收單元由陣列式光敏激光信號(hào)接收管及信號(hào)采集電路組成，在激光接收管上附濾光片，使其僅通過選定波長的激光，屏蔽排除照明燈等其他波長的雜散光對(duì)發(fā)射的激光信號(hào)的干擾。激光接收管陣列的分辨精度為3mm，測量范圍為500mm。供電與數(shù)據(jù)通信接口由支架控制器為激光定位傳感器供電，并與支架控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可由支架控制器控制激光定位傳感器開啟或關(guān)閉發(fā)射單元，進(jìn)行激光信號(hào)發(fā)射控制，同時(shí)也可以將激光對(duì)位傳感器采集到的激光信號(hào)報(bào)送到支架控制器上，用于液壓支架的水平對(duì)位控制。

激光對(duì)位傳感器使用方法如圖5所示，圖中A，B為2個(gè)激光對(duì)位傳感器，A為定位目標(biāo)，B為移動(dòng)目標(biāo)，激光定位傳感器A發(fā)出激光束，為移動(dòng)物體提供定位基準(zhǔn)，在激光對(duì)位傳感器B的位置移動(dòng)過程中，激光信號(hào)照到激光接收管陣列的不同位置，產(chǎn)生B與A的水平相對(duì)位置信號(hào)，從在位置①時(shí)第1個(gè)激光接收管收到激光信號(hào)，到位置④時(shí)B與A完全對(duì)齊，完成激光對(duì)位功能。

圖4　激光對(duì)位傳感器示意

圖5　激光對(duì)位傳感器使用方法示意

3.3自動(dòng)移架的偽斜控制

由于工作面的液壓支架是由刮板運(yùn)輸機(jī)為約束點(diǎn)的浮動(dòng)系統(tǒng)，架與架之間有間隙，容易竄動(dòng)，支架與刮板運(yùn)輸機(jī)之間有連接頭連接的間隙，單個(gè)支架的離散控制將導(dǎo)致工作面系統(tǒng)水平控制精度無法保證，為此，把工作面原有的只有垂直方位1個(gè)維度的控系統(tǒng)制，優(yōu)化為具有垂直和水平方位2個(gè)維度的控制系統(tǒng)。垂直方位上依據(jù)傾角傳感器、行程傳感器進(jìn)行控制，水平方位上依據(jù)激光定位傳感器進(jìn)行控制，以下主要介紹水平方位的控制系統(tǒng)。

在每臺(tái)液壓支架安裝激光定位傳感器，激光定位傳感器安裝位置應(yīng)保證發(fā)射出的激光束不被遮擋，激光對(duì)位傳感器不應(yīng)安裝在液壓支架活動(dòng)部件上，以使激光信號(hào)不受液壓支架運(yùn)行姿態(tài)的影響，確保激光定位信號(hào)的精準(zhǔn)性能。工作面的液壓支架可以采用順序逐架移架、隔架移架等方式實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的跟機(jī)自動(dòng)移架控制，工作面不允許2臺(tái)相鄰的液壓支架同時(shí)降柱，即移動(dòng)的液壓支架其左右鄰架必須處于支撐狀態(tài)，液壓支架在移架前，先查找鄰近的已完成移架的支架，并通過支架控制器給該架發(fā)送控制指令，使其打開激光對(duì)位傳感器發(fā)射激光信號(hào)［15］，為液壓支架移架提供水平定位信號(hào)。

在支架移架控制過程中，將工作面的偽斜量，分割到每個(gè)支架上，形成支架步進(jìn)的支架超前量，即在移架過程中，應(yīng)保證相鄰支架相對(duì)工作面運(yùn)輸巷超前回風(fēng)巷的步進(jìn)量。由于電液換向閥的滯時(shí)效應(yīng)，當(dāng)支架控制器發(fā)出電磁驅(qū)動(dòng)電信號(hào)后，支架停止動(dòng)作還需要100ms左右，因此，液壓支架依據(jù)激光對(duì)位傳感器控制的支架步進(jìn)距支架偽斜量會(huì)有一定的控制誤差，即超調(diào)量，當(dāng)其超出支架偽斜量時(shí)，在下一架步進(jìn)距離為支架偽斜量－超調(diào)量，反之，如果支架步進(jìn)小于支架偽斜量時(shí)，下一架步進(jìn)就要大于支架偽斜量，步進(jìn)距離為支架偽斜量+超調(diào)量，這樣使正負(fù)誤差相抵消。最終保證系統(tǒng)誤差控制在有效的范圍內(nèi)，保證工作面的偏移量積累不超過工作面的偽斜量。為了最大限度地保證控制精度，可以在支架移架過程中把整個(gè)支架移架過程分為粗放式控制和精細(xì)化控制2個(gè)階段，在粗放式控制階段，打開電磁閥一直動(dòng)作，并通過行程傳感器不斷檢測推移行程;在進(jìn)入精細(xì)化控制階段時(shí)，將動(dòng)作過程切為時(shí)間片，按照動(dòng)作－停止－檢測循環(huán)執(zhí)行，以提高控制精度，同時(shí)也可以依據(jù)歷史數(shù)據(jù)提前預(yù)控，以達(dá)到最佳的控制效果。采用該方法也可以實(shí)現(xiàn)工作面的調(diào)直自動(dòng)控制［16］。本系統(tǒng)經(jīng)過井下原理性實(shí)驗(yàn)表明該方法能夠有效地控制工作面水平方向上支架之間的相對(duì)位置，從而控制整個(gè)工作面的偽斜量，最終達(dá)到控制工作面設(shè)備上竄下滑的目的。

4　結(jié)束語

大傾角綜采工作面自動(dòng)移架控制是煤礦開采自動(dòng)化技術(shù)難題，是影響工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵因素。將現(xiàn)有工作面液壓支架依據(jù)行程傳感器進(jìn)行推移控制的1個(gè)維度的控制系統(tǒng)，提升為采用激光定位傳感器進(jìn)行水平定位與垂直定位2個(gè)維度的控制系統(tǒng)來分析，解決了行程傳感器誤差積累、液壓支架與刮板運(yùn)輸機(jī)連接頭間隙誤差積累等問題造成工作面液壓支架移架層次不齊等問題，并實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面水平方向遞進(jìn)量的偽斜控制，大傾角工作面自動(dòng)調(diào)斜控制系統(tǒng)的研制成功，將為我國賦存條件復(fù)雜的煤礦實(shí)現(xiàn)智能化開采提供了新的技術(shù)途徑，為煤礦無人化開采技術(shù)研究開發(fā)提供了新思路。

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［責(zé)任編輯:徐亞軍］

開采技術(shù)與裝備

巷道支護(hù)理論與技術(shù)

Automatic Incline Adjustment and Anti-skid Control System Development for Full-mechanized Mining Face

NIU Jian-feng

(Beijing Tiandi Marco Electric Hydraulic Control Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:This paper analyzed equipments slide problem and its cause in mining face.The basic principle of apparent dip control in full-mechanized mining face was introduced and laser alignment sensor was designed.It was put forward that applying laser alignment sensor and distance sensor to realizing vertical and horizontal automatic incline adjustment.With this automatic incline adjustment control system，automatic movement of powered support in inclined coalseam was realized.

Keywords:automatic incline adjustment; equipment slide; apparent dip control; laser alignment sensor

［作者簡介］牛劍峰(1961－)，男，山西太原人，高級(jí)工程師，從事煤礦綜采工作面自動(dòng)化系統(tǒng)的研究及產(chǎn)品開發(fā)與研發(fā)管理工作。

［基金項(xiàng)目］國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013AA06A410) ;北京市科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z141100003514025)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.010

［收稿日期］2014－08－26

［中圖分類號(hào)］TD355.4

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1006-6225 (2015) 02-0032-03