工作面直線度控制技術(shù)研究

王際欣 方海 蘇岳

自動(dòng)化綜采工作面采用電液控支架的步距不可避免地存在累積誤差，進(jìn)而造成工作面出現(xiàn)彎曲。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、無人化開采地連續(xù)開采，研制自動(dòng)化工作面直線度矯直系統(tǒng)是非常必要的。綜采工作面與巷道都是狹長形的測(cè)量對(duì)象，同時(shí)分布著大量的設(shè)備如液壓支架，并且由于煤層的起伏和地質(zhì)環(huán)境的變化，采煤機(jī)截割時(shí)工作面煤塵對(duì)測(cè)量的影響，因此不能采用地面常規(guī)的激光定位技術(shù)。利用高清云臺(tái)測(cè)量同時(shí)使用超聲波測(cè)距檢測(cè)相鄰液壓支架或者相鄰刮板運(yùn)輸機(jī)間的相對(duì)位置，在工作面連續(xù)自動(dòng)化推進(jìn)過程中，不斷縮小相對(duì)位置，使得工作面在推進(jìn)中不斷的趨于直線，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)工作面直線度控制的目標(biāo)。有關(guān)工作面直線度控制技術(shù)研究情況簡(jiǎn)述如下：

一、技術(shù)研究地點(diǎn)基本概況

巴彥高勒礦井是內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司下屬特大型煤礦，為瓦斯礦井，煤層甲烷含量在0.00～0.13ml/g之間，沖擊地壓嚴(yán)重。自從2012年投產(chǎn)以來，開采的綜采工作面有311101、311102和311103，三個(gè)工作面都位于巴彥高勒煤礦11盤區(qū)，均為實(shí)炭區(qū)，屬于厚煤層開采，煤厚在5.0～5.8米之間，煤層傾角在0～3°之間，工作面長度260米，推采長度為2550米。

二、技術(shù)研究主要內(nèi)容

基于視覺測(cè)量的直線度控制技術(shù)是國內(nèi)外首次試驗(yàn)的綜采工作面直線度控制技術(shù)。主要開發(fā)的裝置和系統(tǒng)包括：綜采工作面視覺找直系統(tǒng)、高清云臺(tái)攝像儀以及找直傳感器。

1. 主要研究內(nèi)容

針對(duì)煤礦井下光照不足、煤塵多、設(shè)備復(fù)雜等問題，研究了基于視覺測(cè)量技術(shù)的復(fù)雜工作面圖像采集及測(cè)量理論，利用高清云臺(tái)攝像儀實(shí)時(shí)對(duì)工作面刮板輸送機(jī)槽幫的直線偏移度進(jìn)行測(cè)量，打破了常規(guī)的單純檢測(cè)工作面直線的傳統(tǒng)思想在工作面連續(xù)自動(dòng)化推進(jìn)過程中，不斷縮小相對(duì)位置，使得工作面在推進(jìn)中不斷的趨于直線，以達(dá)到實(shí)現(xiàn)工作面直線度控制的目標(biāo)。

2、關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新點(diǎn)

針對(duì)工作面的復(fù)雜條件，研究了通過視覺測(cè)量計(jì)算工作面直線度的技術(shù)，取得了以下成果：

（1）在綜采工作面煤塵大、光線暗等特殊環(huán)境下，采用圖像處理解決工作面找直問題，通過合理的照明裝置，解決了工作面直線度的標(biāo)定問題。分別應(yīng)用云臺(tái)攝像儀、超聲波行程測(cè)距儀燈進(jìn)行了研究改進(jìn)，提升了工作面圖像采集裝置獲取的圖像效果，降低了支架和刮板機(jī)位置識(shí)別分析的難度。

（2）通過大量實(shí)驗(yàn)和對(duì)綜采工作面煤塵反光及液壓支架、采煤機(jī)等運(yùn)動(dòng)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)影響分析，設(shè)計(jì)出發(fā)光強(qiáng)度可連續(xù)調(diào)節(jié)的均勻散射LED光源，這種光源可有效減少煤塵等外界因素干擾，根據(jù)不同環(huán)境突出被測(cè)目標(biāo)與背景之間的差異，改善了測(cè)量圖像的質(zhì)量，進(jìn)而簡(jiǎn)化了圖像識(shí)別和處理的算法。

（3）提出基于電動(dòng)變焦和云臺(tái)控制的協(xié)同控制方法。根據(jù)綜采工作面長度的不同采用云臺(tái)控制和電動(dòng)變焦協(xié)同控制，從而獲得最佳圖像。

（4）對(duì)單臺(tái)相機(jī)的測(cè)量范圍內(nèi)的支架進(jìn)行偏離度測(cè)量后，利用最小二乘法將重合的支架進(jìn)行擬合計(jì)算，建立了工作面刮板機(jī)統(tǒng)一的偏移坐標(biāo)系。

整套系統(tǒng)于2016年9月在淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司巴彥高勒煤礦完成井下工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果刮板機(jī)槽幫中心點(diǎn)距偏差范圍不超過±100mm，滿足精度要求。試驗(yàn)結(jié)果表明采用視覺測(cè)量的方式進(jìn)行工作面實(shí)現(xiàn)度控制技術(shù)上可行，并且工作面只需增加高清云臺(tái)攝像儀及找直傳感器，需要增加投入的費(fèi)用不高，經(jīng)濟(jì)上也可行。

三、經(jīng)濟(jì)效益

1、直接經(jīng)濟(jì)效益

（1）減少工作面人工成本

經(jīng)過井下1年現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和運(yùn)行，綜采工作面視頻找直系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了工作面推進(jìn)過程中的刮板機(jī)溜槽直線度的實(shí)時(shí)測(cè)量。通過該項(xiàng)目的實(shí)施，綜采工作面實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化精確找直，采場(chǎng)無需進(jìn)行人工拉繩找直，工人只需在監(jiān)控中主機(jī)操作即可完成工作面找直，將工人從危險(xiǎn)的工作面采場(chǎng)解放到相對(duì)安全的順槽監(jiān)控中心，在進(jìn)一步提高生產(chǎn)作業(yè)安全性的同時(shí)，也大大節(jié)約了人工的投入，每個(gè)生產(chǎn)小班將節(jié)省2人，每個(gè)原班將節(jié)省人工2人，每年可節(jié)約人工總費(fèi)用60萬元。

（2）工作面單產(chǎn)效率提高

巴彥高勒煤礦311103綜采工作面自安裝調(diào)試運(yùn)轉(zhuǎn)成功以來，單班（8小時(shí)）生產(chǎn)能力最大達(dá)6刀，月生產(chǎn)能力到70萬噸，由于311101工作面地質(zhì)條件差、煤層局部具有高應(yīng)力顯現(xiàn)，經(jīng)常造成生產(chǎn)過程中調(diào)整時(shí)間加長，影響出煤效率。在使用視頻找直后，配合綜采智能控制技術(shù)與裝備使用，提高了設(shè)備的生產(chǎn)效率，單班生產(chǎn)能力達(dá)到8刀以上，月生產(chǎn)能力突破90萬噸。

2、間接經(jīng)濟(jì)效益

該項(xiàng)目成果的應(yīng)用，可有效解決綜采工作面推進(jìn)過程中工作面的直線度測(cè)量工作，有效的減少工作面測(cè)量和調(diào)整的工時(shí)，增加每個(gè)工作日的工作時(shí)間，可使得綜采工作面的單產(chǎn)提高3個(gè)百分點(diǎn)，同時(shí)可減小綜采工作面工人的作業(yè)強(qiáng)度，降低作業(yè)的危險(xiǎn)系數(shù)，經(jīng)濟(jì)安全效益顯著。以山東能源淄礦集團(tuán)為例，隨著直線度視覺測(cè)量技術(shù)與裝備的應(yīng)用，生產(chǎn)能力提高3%。按單面年產(chǎn)1000萬噸計(jì)算，綜采工作面直線度直覺測(cè)量技術(shù)在山東能源集團(tuán)推廣應(yīng)用后可創(chuàng)造產(chǎn)值近億元。

3、社會(huì)效益分析

通過該項(xiàng)目的實(shí)施，取得了以下社會(huì)效益：

（1）將工人從工作面操作工變成監(jiān)控中心操作工，由設(shè)備的自動(dòng)化替代人工勞動(dòng)，大大降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；

（2）將工人從危險(xiǎn)的工作面采場(chǎng)解放到相對(duì)安全的順槽監(jiān)控中心（或地面調(diào)度指揮中心），在監(jiān)控中心對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，提高了工人的安全系數(shù)。

綜采工作面連續(xù)推進(jìn)實(shí)時(shí)檢測(cè)控制技術(shù)包括自動(dòng)化操作連續(xù)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)過程中設(shè)備的直線度實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制技術(shù)研究及裝置研制，實(shí)現(xiàn)綜采裝備的直線度控制，在工作面連續(xù)推進(jìn)的過程中，保證工作面的傾斜長度方向上始終處于直線狀態(tài)，確保輸送機(jī)、支架排列整齊，避免因彎曲度過大導(dǎo)致設(shè)備的損壞，保證采煤機(jī)的割煤效果和刮板運(yùn)輸機(jī)的使用壽命，為工作面的連續(xù)推進(jìn)做好了準(zhǔn)備。因此視覺找直的方法進(jìn)行工作面直線度控制具有良好的推廣應(yīng)用前景。