綜采工作面采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)研究

王 翔

（陽煤集團(tuán)平定裕泰煤業(yè)有限公司，山西平定 045200）

0 引 言

綜采工作面自動(dòng)化采煤主要是為減輕人工強(qiáng)度，保障工人的身體健康[1]。采煤工作面采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)割煤時(shí)的自動(dòng)化，液壓支架的移動(dòng)能夠自我實(shí)現(xiàn)，“三機(jī)”聯(lián)動(dòng)和安全控制能夠互聯(lián)互通，自我切換，自我保障。自動(dòng)化并不是獨(dú)立存在的，而是相互協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)，統(tǒng)一控制，有機(jī)的結(jié)合快速采煤運(yùn)行機(jī)械化[2]。

論文研究綜采工作面采煤機(jī)自動(dòng)化技術(shù)，主要從采煤機(jī)對割煤的路線的記憶，對采煤機(jī)隨著煤層變化設(shè)定預(yù)定軌跡路線，采煤機(jī)的自動(dòng)定位控制和定資控制，遠(yuǎn)程通過監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行控制和反應(yīng)，最后通過工業(yè)性實(shí)踐，看采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的程度。采煤機(jī)自動(dòng)化的安全保障系統(tǒng)，主要在可視化視頻監(jiān)控觀察，工作面瓦斯預(yù)防采煤速度，采煤機(jī)的定點(diǎn)技術(shù)以及相關(guān)設(shè)備機(jī)械判斷上體現(xiàn)。

針對煤層的不斷變化起伏，通過預(yù)設(shè)軌跡路線，控制采煤機(jī)自動(dòng)記憶切割路線；為確保安全生產(chǎn)需對采煤機(jī)定位定資控制，在瓦斯含量超標(biāo)時(shí)，自動(dòng)做出判斷停止開采；在地面監(jiān)控室中視頻畫面實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制采煤及機(jī)械設(shè)備維護(hù)。研究采煤機(jī)自動(dòng)化控制可為礦山開采安全性提供一道有力屏障，為實(shí)現(xiàn)礦井高效生產(chǎn)提供理論與技術(shù)支撐。

1 自動(dòng)控制截割技術(shù)

1.1 采煤機(jī)記憶切割路線

目前絕大多數(shù)礦井都是使用采煤機(jī)在綜采工作面進(jìn)行記憶切割。首先，由采煤機(jī)械師控制采煤機(jī)沿切眼面割上一刀，這一刀是示范刀，控制系統(tǒng)就會(huì)錄入該割煤位置、高度、截深等信息，并保存在控制中心。在割煤的時(shí)候，通過控制中心安裝的行程記錄儀收集采集示范刀流程，識(shí)別煤巖交界面，遇煤則進(jìn)行切割，若為巖石則停止切割或者轉(zhuǎn)變位置，在視頻監(jiān)控下對實(shí)時(shí)工況作出相應(yīng)反應(yīng)，修正采煤速度、循環(huán)刀數(shù)等相關(guān)參數(shù)，采煤機(jī)在自動(dòng)控制下記憶切割煤線示意圖，如圖1所示。

控制中心在控制采煤機(jī)切割煤時(shí)，遇到煤巖界面出現(xiàn)異常，則會(huì)通過收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)修正記憶路線，并對采煤機(jī)前后滾筒做出調(diào)整，在采煤機(jī)定位和定資的幫助下迅速擺正切煤路線。

圖1 采煤機(jī)記憶截割路線

1.2 截割軌跡預(yù)設(shè)

根據(jù)預(yù)設(shè)軌跡，在控制系統(tǒng)內(nèi)嵌采煤機(jī)切割軌跡方程：

式中：γ為采煤機(jī)的最大仰角；M為煤層厚度。

根據(jù)煤層厚度、地質(zhì)條件、煤質(zhì)硬度、頂?shù)装遄兓鹊刃畔?，預(yù)先在控制中心對采煤機(jī)截割軌跡路線進(jìn)行設(shè)定。通過CT技術(shù)[3]，探測綜采工作面煤層厚度、頂?shù)装遄兓?。把這些變化輸入控制中心并存儲(chǔ)，根據(jù)煤厚和頂?shù)装遄兓A(yù)生成三維割煤示意圖，如圖2所示。

圖2 預(yù)設(shè)采煤機(jī)隨煤層變化三維截割路線示意圖

控制中心中的割煤高度控制器是控制采煤機(jī)切割工作面高度控制設(shè)備，割煤高度控制器根據(jù)煤層厚度變化、高低起伏變化，負(fù)責(zé)調(diào)整采煤機(jī)截割割煤高度，并控制采煤機(jī)行走路線。控制器會(huì)判斷矸石率，一旦矸石率偏高，立即自動(dòng)化實(shí)施變化[4]，優(yōu)化煤層煤厚變化異常區(qū)割煤軌跡，提出了“浮動(dòng)采高”自動(dòng)技術(shù)概念，也就是說可以控制采煤機(jī)沿傾向或者走向推進(jìn)割煤，分區(qū)域設(shè)定割煤軌跡，分種類變換割煤方向。這樣高度割煤控制器就能很好的預(yù)設(shè)采煤機(jī)的行為軌跡，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒順利的自動(dòng)化割煤的效果。

2 采煤機(jī)自動(dòng)定位定資控制

2.1 自動(dòng)定位控制

自動(dòng)定位控制是為了準(zhǔn)確定位采煤機(jī)截割位置，在采煤機(jī)上安裝紅外線發(fā)射器，通過紅外定位，監(jiān)測采煤機(jī)滾筒運(yùn)行位置，控制采煤機(jī)割煤。另外液壓支架上被裝有紅外接收儀器，隨著采煤的前進(jìn)，發(fā)射器上發(fā)射的紅外線通過接受器接受，如圖3所示。

圖3 采煤機(jī)定位系統(tǒng)

采集紅外信號(hào)，準(zhǔn)確感知采煤機(jī)滾筒位置，位置傳感器發(fā)出指令，命令采煤機(jī)準(zhǔn)確定位。通過礦用防爆通訊電纜，把收集到的位置信息發(fā)送到集控中心和遠(yuǎn)程控制地面系統(tǒng)，工作員觀測到采煤機(jī)的概況，利用控制臺(tái)精準(zhǔn)控位。為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)在工作面自動(dòng)化采煤，不僅利用紅外線定位原理，而且在采煤機(jī)機(jī)身上還裝有形成檢測器，出現(xiàn)偏差也會(huì)發(fā)出反饋，供操作員及時(shí)修正定位。

2.2 自動(dòng)定資控制

采煤機(jī)在割煤時(shí)的定姿技術(shù)主要是對采煤機(jī)運(yùn)行方向、加速、減速、啟動(dòng)、停止等進(jìn)行控制，硬件主要控制采煤機(jī)滾筒、搖臂、截割電機(jī)、行走部等，硬件和軟件共同作用，才使得采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定資控制。

1）硬件。主要控制箱便是PLC，PLC控制器可以控制采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和快慢，當(dāng)然在控制的時(shí)候相關(guān)傳感器也發(fā)揮著不可輕視的作用。具體是采煤機(jī)在采煤時(shí)的具體狀況，是傳感器收集數(shù)據(jù)、信息，信息反饋到控制中心，中心通過PLC控制器發(fā)出指令，調(diào)整采煤機(jī)滾動(dòng)高度、割煤深度等。PLC控制器有接口與集中主控相連，實(shí)時(shí)采集的采煤信息通過順槽、大巷傳輸?shù)骄驴刂浦行牡闹骺刂破魃稀?/p>

2）軟件。在井下傳感器收集到的信息，輸入到集控軟件上，軟件識(shí)別采煤機(jī)是否按照煤厚、煤層起伏運(yùn)行，做出判斷，進(jìn)而發(fā)出相應(yīng)控制命令。集控軟件主頁面上會(huì)顯示實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)，這樣有利于控制操作人員讀取和辨別，如圖4（a）所示。

集控軟件能夠真實(shí)準(zhǔn)確地及時(shí)顯示采煤機(jī)采煤狀況和工況參數(shù)，顯示屏上對于滾筒位置、割煤速度、采高這些數(shù)據(jù)及時(shí)更新和識(shí)別，如圖4（b）所示，就像圖中所示，不僅顯示采煤機(jī)在工作面的具體液壓支架處和采煤機(jī)牽引速度準(zhǔn)備表達(dá)出來，而且對于采煤機(jī)左右滾筒的割煤機(jī)身溫度、采煤機(jī)電流等也會(huì)顯示在主控界面上。

圖4 定位軟件系統(tǒng)

3 地面遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控

3.1 地面監(jiān)控系統(tǒng)簡介

井下作業(yè)環(huán)境惡劣、地質(zhì)條件復(fù)雜多變，更好地了解井下具體情況，為自動(dòng)采煤提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，在采煤工作面安裝了礦用視頻監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控簡圖如圖5所示。

圖5 地面監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

為觀察工作面狀況，在采煤機(jī)滾筒上安裝礦用攝像器；為觀察電纜、采煤機(jī)具體位置，采煤機(jī)機(jī)體上也安裝礦用的攝像頭。想要了解整個(gè)工作面的情況，在工作面分組安裝攝像頭，在每隔一定的距離，在液壓支架上安裝礦用攝像頭，保證全方位、無死角的監(jiān)測、觀察整個(gè)綜采面情況。攝像頭連接礦用通訊電纜，實(shí)時(shí)把監(jiān)測到的具體情況傳送到集控中心，在預(yù)設(shè)割煤軌跡路線下，自動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)工作面內(nèi)的情況轉(zhuǎn)換到地面視頻監(jiān)控系統(tǒng)，操作人員則根據(jù)變化進(jìn)行調(diào)整。

3.2 追蹤切換監(jiān)控技術(shù)

采煤機(jī)在自動(dòng)化開采中，利用有序自動(dòng)化開采技術(shù)進(jìn)行截割工作面，采煤機(jī)割煤工況被追蹤監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟進(jìn)。被裝在液壓支架攝像儀隨時(shí)監(jiān)控采煤機(jī)動(dòng)態(tài)，采煤機(jī)割煤被完全掌控著，為了高效監(jiān)控與自動(dòng)化調(diào)控，視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用切換技術(shù)，有利于視頻監(jiān)控系統(tǒng)不至于存儲(chǔ)不夠而卡死。

1）畫面無縫拼接。采用動(dòng)態(tài)畫面無縫拼接技術(shù)，用大視角的方式監(jiān)測采煤機(jī)工作，對于不同情況、不同位置和不同場景的畫面進(jìn)行錄制拍攝，采煤機(jī)工作的遠(yuǎn)近視頻無差異化相逢連接，設(shè)計(jì)的作用主要是使視頻前的操作員身臨其境，有助于操作員進(jìn)行跟機(jī)管理采煤機(jī)自動(dòng)采煤。

2）視頻跟蹤調(diào)換。綜采工作面空間有限，煤塵嚴(yán)重，可視化不強(qiáng)，為清晰拍攝工作面采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況，采用無線技術(shù)與有線技術(shù)相結(jié)合的手段采集采煤機(jī)工況，通訊器將采集到的信息迅速傳到自動(dòng)控制中心，為控制軟件跟隨采煤機(jī)實(shí)現(xiàn)切換監(jiān)控。不斷切換采煤機(jī)定位、采煤機(jī)速度、滾筒高度等，跟機(jī)控制系統(tǒng)的切換視頻無死角的顯示工作面概況。采煤機(jī)和液壓支架上的攝像儀采集采煤工作面信息，采集到的信息通過分別建立與無線交換機(jī)的連接實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程輸送信息。紅外定位是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)定位的手段，定位裝置接收到采煤機(jī)位置，會(huì)把信息傳輸?shù)郊锌刂葡到y(tǒng)，在切換功能作用下，視頻軟件就會(huì)隨著采煤機(jī)變化而顯示出來。

3）瓦斯監(jiān)控。瓦斯在煤礦生產(chǎn)中是一重大危險(xiǎn)源，采煤工程中為避免發(fā)生瓦斯保障，對于采煤機(jī)自動(dòng)化采煤也設(shè)計(jì)了瓦斯監(jiān)控[5]。工作面上隅角最為容易積聚瓦斯，所以在綜采工作面上隅角布設(shè)了瓦斯監(jiān)測站。根據(jù)瓦斯監(jiān)測站檢測到的瓦斯?jié)舛?，自?dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行識(shí)別，瓦斯?jié)舛热粼谠诎踩秶鷥?nèi)，采煤機(jī)以正常的速度進(jìn)行割煤，一旦瓦斯?jié)舛雀哂谙薅ㄖ?，采煤機(jī)立即停止割煤，自動(dòng)控制系統(tǒng)警報(bào)響起，視頻監(jiān)控界面提示請先處理瓦斯，現(xiàn)在不利于割煤動(dòng)作。另外，自動(dòng)控制系統(tǒng)通過瓦斯監(jiān)控收集到的瓦斯?jié)舛龋粩嗾{(diào)整采煤機(jī)運(yùn)行速度，例如瓦斯稍大，則采煤機(jī)速度相應(yīng)就會(huì)減小。

4 工業(yè)性實(shí)踐

1）煤厚變化試驗(yàn)。某區(qū)六礦1502工作面煤層厚度變化較大，為了研究采煤機(jī)自動(dòng)割煤效果和原煤含矸率，在該工作面進(jìn)行了試驗(yàn)，其結(jié)果如圖6所示。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，采用自動(dòng)化控制采煤機(jī)割煤，原煤含矸率大為降低，而且采煤機(jī)故障排出率也提高了，另外節(jié)省了大量沒必要的時(shí)間，顯著提高了煤礦采煤的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。

圖6 自動(dòng)控制前和自動(dòng)控制后對比圖

2）瓦斯工作面試驗(yàn)。在某礦高瓦斯2305工作面進(jìn)行自動(dòng)化控制采煤試驗(yàn)，研究不同瓦斯?jié)舛扰c采煤機(jī)的運(yùn)行速度關(guān)系。自動(dòng)控制采煤機(jī)采煤的原理在與根據(jù)瓦斯?jié)舛惹闆r，其自身就在不斷調(diào)整采煤機(jī)速度。上隅角瓦斯?jié)舛确謩e設(shè)置0.3%、0.7%、0.8%、0.9%五個(gè)區(qū)間，在這五個(gè)區(qū)間段內(nèi)，觀測采煤機(jī)割煤速度。根據(jù)井下實(shí)測和監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集，通過整理得到了瓦斯?jié)舛扰c自動(dòng)控制下采煤機(jī)采煤的速度關(guān)系表，詳見表1。

從表1看出，自動(dòng)控制采煤機(jī)采煤能夠較好的根據(jù)瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行速度調(diào)整。瓦斯?jié)舛容^低時(shí)，采煤機(jī)運(yùn)行速度，快速為礦井產(chǎn)煤；在瓦斯?jié)舛雀哂诎踩秶鷷r(shí)，自動(dòng)控制系統(tǒng)立即迫使采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。自動(dòng)化控制采煤機(jī)采煤，自動(dòng)調(diào)控為工作面的安全高效開采保駕護(hù)航。

表1 瓦斯存在時(shí)自動(dòng)控制割煤速度

5 結(jié) 論

從采煤機(jī)記憶切割路線、控制中心預(yù)設(shè)軌跡、采煤機(jī)自動(dòng)定位定資以及監(jiān)控系統(tǒng)幾個(gè)方面研究，通過工業(yè)性實(shí)踐，說明采煤機(jī)自動(dòng)化控制技術(shù)具有可利用性。在集控中心控制下，采煤機(jī)能夠識(shí)別煤層厚度、煤層起伏變化、工作面瓦斯情況。綜采工作面采煤機(jī)在控制系統(tǒng)操作下，自動(dòng)割煤，不僅降低了原煤含矸率，還有利于工作面生產(chǎn)安全。