厚煤層智能放煤工藝及精準(zhǔn)控制關(guān)鍵技術(shù)研究

張學(xué)亮，劉 清，郎瑞峰，邵 斌，吳少偉

(1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京 100013；2.中煤華晉集團(tuán)有限公司 王家?guī)X煤礦，山西 運(yùn)城 043000)

綜放開采自20世紀(jì)80年代引入中國以來，因其具有開采效率高，適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，逐漸成為厚煤層的首選開采手段[1，2]。針對6m以上厚煤層及4m以上不穩(wěn)定厚煤層，綜放開采優(yōu)勢明顯，但是在實(shí)際應(yīng)用中，也存在頂煤采出率低、出煤含矸率高增加洗選成本等問題[3]，如何在提高頂煤采出率的同時(shí)降低含矸率，成為綜放開采實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。如何通過提升綜放開采裝備的自動化、智能化水平，輔以多種傳感觀測手段，實(shí)現(xiàn)提高頂煤采出率，降低出煤含矸率，成為綜放開采的必然發(fā)展方向[4，5]。

國內(nèi)外圍繞自動化放煤開展過一系列的研究工作，取得了一些有益的經(jīng)驗(yàn)。兗礦集團(tuán)澳思達(dá)煤礦采用基于時(shí)間控制與人工干預(yù)協(xié)調(diào)的自動放煤方式，取得較好的效果[6，7]。有學(xué)者研究了基于記憶放煤時(shí)序控制的智能放煤模式[8，9]，有學(xué)者引入果蠅優(yōu)化算法與徑向基函數(shù)進(jìn)行放煤時(shí)間預(yù)測，實(shí)現(xiàn)根據(jù)煤層賦存自動調(diào)整放煤時(shí)間[10]，有學(xué)者提出了以傳感器感知控制為主的自動化記憶放煤控制方法[11]。

針對綜放工作面的放煤控制方面，國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目開始對智能化放煤展開研究[12]。有學(xué)者提出通過設(shè)計(jì)基于智能決策機(jī)制的智能化放煤控制系統(tǒng)，使煤矸在頂煤放出過程中最大程度地分離[13]。有學(xué)者從智能決策控制角度出發(fā)，以合理調(diào)節(jié)群組放煤口控制動作為手段，提出一種基于Q-learning模型的智能化放頂煤控制策略，通過調(diào)整放煤過程中各放煤口開閉實(shí)時(shí)控制策略，實(shí)現(xiàn)放煤效率的有效提升[14]。智能放煤的實(shí)現(xiàn)過程，很大程度上取決于放煤機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)控制程度，有學(xué)者提出了一種綜采放頂煤工作面自動放煤控制系統(tǒng)，通過人工示范操作和機(jī)器學(xué)習(xí)記憶，實(shí)現(xiàn)了以傳感器感知控制為主、時(shí)間控制為保護(hù)值、地面調(diào)度室遠(yuǎn)程干預(yù)控制為輔的自動化放煤控制[15]。

本文在綜放工作面放煤工藝分析的基礎(chǔ)上，圍繞智能放煤工藝，系統(tǒng)分析了智能放煤工藝原理、智能放煤工藝流程、智能放煤工藝參數(shù)；指出智能放煤需要依靠精準(zhǔn)控制才能確保工藝流程到位，分析了頂煤厚度精準(zhǔn)探測、放煤煤矸識別、放煤機(jī)構(gòu)動作精準(zhǔn)控制等關(guān)鍵技術(shù)，可為厚煤層綜放工作面智能放煤提供參考。

1 智能放煤工藝

1.1 智能放煤工藝原理

綜放開采工藝包含割煤和放煤兩部分工藝。割煤工藝是指采煤機(jī)割煤動作及其與前部刮板輸送機(jī)、液壓支架相互配合而形成的回采過程，綜放開采工作面采用較多的割煤工藝為端部斜切進(jìn)刀、單向/雙向割煤；綜放工作面放煤工藝緊密配合割煤工藝，在采煤機(jī)割煤、綜放支架移架后，頂煤失去支承發(fā)生垮落，通過控制綜放支架后部放煤機(jī)構(gòu)的尾梁和插板動作，可將頂煤放出，放出的頂煤由后部刮板輸送機(jī)運(yùn)出，根據(jù)與割煤工藝的相對關(guān)系，放煤工藝分為一刀一放、兩刀一放、三刀一放等，目前采用較多的為一刀一放。

綜放工作面放煤工藝根據(jù)單架放煤控制過程及放出頂煤的量，分為單輪放煤、雙輪放煤和多輪放煤。根據(jù)多個(gè)綜放支架之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，可以分為按支架編號順序依次執(zhí)行放煤控制過程的順序放煤和按支架編號間隔順序依次執(zhí)行放煤控制過程的間隔放煤。

在綜放工作面放煤工藝的基礎(chǔ)上，發(fā)展形成了自動化放煤工藝。自動化放煤工藝依托自動化放煤控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由綜放支架、電液控制系統(tǒng)、云臺攝像機(jī)、行程傳感器、傾角傳感器等諸多元件組成，其工作流程為：根據(jù)頂煤放落情況及后部刮板輸送機(jī)運(yùn)輸煤量，電液控制系統(tǒng)來控制綜放支架后部尾梁和插板動作，借助相應(yīng)的傳感器有效檢測液壓支架的狀態(tài)，進(jìn)而由電液控制系統(tǒng)發(fā)出相應(yīng)的命令來控制液壓支架，通過該過程實(shí)現(xiàn)自動化放煤過程。在自動化放煤控制系統(tǒng)中，通過視頻監(jiān)視、后部刮板輸送機(jī)電機(jī)電流監(jiān)測、振動及圖像識別技術(shù)等來計(jì)算運(yùn)煤量和煤的含矸率，構(gòu)建液壓支架姿態(tài)與放煤量的數(shù)學(xué)模型，通過控制液壓支架放煤機(jī)構(gòu)(尾梁、插板)與采空區(qū)形成的放煤口開度，來控制放煤量。

智能放煤工藝是在自動化放煤工藝的基礎(chǔ)上，通過對綜放工作面采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的智能化升級，配備完善的智能感知、智能決策、智能放煤控制系統(tǒng)，提升綜放工作面成套裝備的智能化水平，實(shí)現(xiàn)智能化放煤。智能放煤工藝的關(guān)鍵是煤矸識別，在綜放支架后部放煤機(jī)構(gòu)配置基于振動信號檢測的煤矸識別檢測裝置，振動信號通過智能放煤控制器進(jìn)行在線分析，發(fā)現(xiàn)矸石信號超過閾值，立即發(fā)出信號關(guān)閉綜放支架放煤口。在綜放支架后部配置音視頻裝置，通過人工遠(yuǎn)程監(jiān)測，出現(xiàn)煤矸增多等異常情況自動進(jìn)行提示，人工通過遠(yuǎn)程干預(yù)操作或智能判斷自動關(guān)閉綜放支架放煤口。在帶式輸送機(jī)機(jī)尾處設(shè)置灰分在線檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對綜放工作面煤流系統(tǒng)中灰分的檢測，若異常增多，則反饋給操作臺工作人員，人工通過遠(yuǎn)程干預(yù)操作或智能判斷自動關(guān)閉綜放支架放煤口。智能放煤控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 智能控制系統(tǒng)圖

1.2 智能放煤工藝流程

根據(jù)上述智能放煤工藝原理，確定智能放煤工藝流程。智能放煤工藝流程是以單架智能放煤工藝流程為基礎(chǔ)，多個(gè)綜放支架協(xié)調(diào)動作完成整個(gè)工藝流程。確定單架智能化放煤流程如圖2所示。

圖2 單架智能化放煤流程圖

以圖2所示的流程為基準(zhǔn)，采用單輪順序放煤時(shí)，可以采用逐個(gè)支架順序執(zhí)行該智能化放煤流程的方式完成整個(gè)綜放工作面的智能化放煤；采用雙輪順序放煤時(shí)，第二輪放煤開始應(yīng)與第一輪放煤間隔10個(gè)支架以上，依此類推，直至整個(gè)綜放工作面放煤工序完全結(jié)束。

2 智能放煤精準(zhǔn)控制關(guān)鍵技術(shù)

智能放煤工藝的實(shí)現(xiàn)離不開智能放煤決策，在依靠智能放煤工藝建立起相應(yīng)的智能決策模型后，實(shí)現(xiàn)智能放煤精準(zhǔn)控制才能確保最終放煤效果。智能放煤精準(zhǔn)控制需要系統(tǒng)融合頂煤厚度精準(zhǔn)探測、放煤煤矸識別、放煤機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)動作控制與執(zhí)行，形成閉環(huán)過程。

2.1 頂煤厚度精準(zhǔn)探測技術(shù)

對綜放工作面來說，所采煤層一般厚度在4～20m，有的甚至煤層厚度更大，在井田勘探階段，可以采用地震波勘探、瞬變電磁勘探等對煤層厚度進(jìn)度探測，結(jié)合部分鉆孔實(shí)測數(shù)據(jù)，給出區(qū)域煤層的大致賦存狀態(tài)，其精度較低，為分米級。在綜放工作面掘進(jìn)階段和回采前，可以依靠超聲波探測結(jié)合掘進(jìn)巷道頂煤鉆探孔進(jìn)行煤層厚度探測，其精度相對較高，為厘米級。對于確定的綜放工作面，需要及時(shí)探測沿綜放工作面方向的頂煤厚度，為提前預(yù)計(jì)放煤量提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)煤巖界面存在明顯的介電常數(shù)差異的原理，采用脈沖雷達(dá)發(fā)射出的信號在分界處會產(chǎn)生明顯的反射信號，可以依此確定煤巖分界面的位置，進(jìn)而對頂煤厚度及頂煤量進(jìn)行精準(zhǔn)探測。

采用UWB(Ultra Wide Bandwidth)透地雷達(dá)，通過頻率范圍900MHz～5.5GHz的無線電脈沖技術(shù)，能夠達(dá)到探測煤層厚度3m、探測精度50mm的透地測量需求。能夠?qū)崿F(xiàn)在綜放工作面采煤機(jī)割煤后對頂煤厚度的精準(zhǔn)及時(shí)探測，滿足現(xiàn)場放煤預(yù)測需求。脈沖雷達(dá)的硬件構(gòu)成為：一對收發(fā)天線、雷達(dá)模塊及輸入輸出通信電路，雷達(dá)模塊采用單芯片CMOS脈沖信號收發(fā)器，其性能特點(diǎn)為近距離、高分辨率、512位深度、大于30Gbps的高速采樣率、超低功率射頻發(fā)射等[16]。

沿工作面每間隔一定數(shù)量的支架可布置1臺UWB透地雷達(dá)組成雷達(dá)群，利用工作面網(wǎng)絡(luò)將分布于工作面的各個(gè)雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給監(jiān)控中心主機(jī)，雷達(dá)信號處理系統(tǒng)提取雷達(dá)測定的頂煤層厚度信息，并實(shí)時(shí)發(fā)送給綜放自動化控制系統(tǒng)。

UWB透地雷達(dá)信號處理系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)雷達(dá)檢測、波形顯示、信號分析、數(shù)據(jù)存儲等功能，能夠以二維和三維波形呈現(xiàn)。

通過分析雷達(dá)信號可以測量出煤巖分界的位置，將連續(xù)多幀波形的分析結(jié)果形成信號強(qiáng)度對比灰度圖，利用灰度對比可以判定煤巖分界界面位置，從而確定頂煤厚度。通過對多個(gè)雷達(dá)信號的統(tǒng)一展示，能夠?qū)崿F(xiàn)煤巖界面的三維展示，進(jìn)而可計(jì)算出頂煤厚度和待放煤量，為智能放煤提供及時(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。頂煤厚度可能在采煤過程中不斷變化，將一段時(shí)間內(nèi)實(shí)測結(jié)果進(jìn)行三維展示，可直觀看到煤巖分界的變化情況。

2.2 放煤煤矸識別技術(shù)

放煤的煤矸識別是智能放煤判斷的一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)相關(guān)研究，可采用振動加速度傳感來識別放落下的是煤還是矸石，但是這種方案只對煤矸屬性差別較大的情況起作用[17]。也有學(xué)者研究了基于圖像的煤矸識別，現(xiàn)場可以考慮采用高清攝像機(jī)進(jìn)行煤矸識別，難點(diǎn)是放煤過程中后部放煤口粉塵過大，使得攝像頭無法清晰地獲取煤矸成像信息；其次綜放支架后部放煤拍攝空間對攝像頭的安裝、防砸、防塵以及維護(hù)提出了很大的挑戰(zhàn)；有些放頂煤工作面的矸石顏色與煤炭顏色非常接近，以致不能有效識別[18]。論文研究聚焦于王家?guī)X煤礦，其回采的2號煤層抗壓強(qiáng)度實(shí)測平均9.93MPa，直接頂板細(xì)粒砂巖-粉砂巖抗壓強(qiáng)度平均27.75MPa，屬于煤矸屬性差別較大的情況，采用振動加速度傳感器識別技術(shù)進(jìn)行煤矸識別。

在綜放支架尾梁下方安裝加速度傳感器采集放落煤矸的振動信號，煤矸放落時(shí)產(chǎn)生一定的振動聲譜特征變化，可以從其功率譜上進(jìn)行理論分析，將采集到的放煤信號進(jìn)行譜運(yùn)算，通過觀察放煤過程中信號頻域能量集中在哪個(gè)頻段，根據(jù)相關(guān)研究，矸石下落后的信號功率譜值顯著增大，功率譜值能對振動能量做出間接反映。

對煤矸振動信號設(shè)計(jì)FIR (Finite Impulse Response)濾波器，其設(shè)計(jì)方法建立在對理想濾波器頻率特性作某種近似的基礎(chǔ)上，選用應(yīng)用窗函數(shù)法進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過設(shè)計(jì)濾波系數(shù)，采用216階系統(tǒng)帶通濾波設(shè)計(jì)，通帶頻率設(shè)計(jì)為9.5～10.5kHz；阻帶截止頻率設(shè)計(jì)9kHz和11kHz，且阻帶衰減設(shè)計(jì)為-55dB，這樣既能有效衰減尾梁插板動作時(shí)產(chǎn)生的振動信號以及煤塊撞擊尾梁所產(chǎn)生的信號，又能使得矸石撞擊的實(shí)際信號無損進(jìn)入系統(tǒng)后續(xù)功率譜運(yùn)算。

將帶無線通信的加速度傳感器用高強(qiáng)度磁鐵吸附在支架尾梁下方，采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行三維分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 加速度傳感器時(shí)域能量算法三維圖

經(jīng)測定，基于王家?guī)X煤礦煤矸混合樣本測定的加速度傳感器時(shí)域三維能量顯示在頻率10kHz附近，時(shí)間持續(xù)30～40ms的過程中能量出現(xiàn)了很高的峰值，其他頻率內(nèi)也有小的峰值出現(xiàn)，通過計(jì)算9.5～10.5kHz范圍內(nèi)的能量值累積值，與單獨(dú)煤、矸樣本基準(zhǔn)能量進(jìn)行比對產(chǎn)生煤矸識別結(jié)果。從圖中可以看出，實(shí)際采集的數(shù)據(jù)通過前級濾波處理后有效的信號主要集中在9.5～10.5kHz范圍內(nèi)，矸石掉落時(shí)此頻率范圍內(nèi)的信號能量能夠有效反應(yīng)矸石掉落情況。

2.3 放煤機(jī)構(gòu)動作精準(zhǔn)控制技術(shù)

綜放支架放煤機(jī)構(gòu)的控制是通過對尾梁油缸、插板油缸進(jìn)行動作控制實(shí)現(xiàn)的，兩者動作實(shí)現(xiàn)程度如何是放煤精準(zhǔn)控制效果的關(guān)鍵。在綜采工作面前部精準(zhǔn)推移控制中，通過給油缸配置行程傳感器，并引入推移控制邏輯閥，并優(yōu)化電液控制系統(tǒng)自動推移控制流程，實(shí)現(xiàn)移架、推溜動作精確控制及銷軸間隙自動消除功能[19]。通過在綜放支架尾梁油缸、插板油缸安裝行程傳感器，行程傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳至電液控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對放煤機(jī)構(gòu)動作的實(shí)時(shí)檢測，達(dá)到對放煤機(jī)構(gòu)動作精準(zhǔn)控制。

采用基于磁致伸縮原理的行程傳感器進(jìn)行放煤機(jī)構(gòu)動作精準(zhǔn)控制檢測。磁致伸縮行程傳感器利用鐵磁材料的磁致伸縮原理，通過檢測磁致伸縮線的形變位置來確定傳感器的行程值，從而達(dá)到測量千斤頂活塞桿行程的目的，其測量精度能達(dá)到3mm以內(nèi)。磁致伸縮行程傳感器結(jié)構(gòu)如圖4所示。預(yù)裝行程傳感器的放煤機(jī)構(gòu)如圖5所示。

圖4 磁致伸縮行程傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖5 安裝行程傳感器的綜放支架放煤機(jī)構(gòu)圖

3 智能放煤工藝應(yīng)用

王家?guī)X煤礦12309綜放工作面位于123盤區(qū)西翼中部，北側(cè)為12311綜放工作面采空區(qū)，南側(cè)為實(shí)體煤，西側(cè)為123盤區(qū)邊界，推進(jìn)長度1320m，寬度260m，工作面回采2號煤層，煤層傾角2°～5°，可采儲量265.3萬t。

12309綜放工作面采用單一走向長壁采煤法，綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤工藝，設(shè)計(jì)采用采煤機(jī)兩端頭斜切進(jìn)刀，煤機(jī)割煤一刀，放煤一次，按一刀一放正規(guī)循環(huán)作業(yè)，采高3.1m，放煤高度3m，循環(huán)進(jìn)度0.865m，采用自然垮落法管理采空區(qū)頂板。

12309綜放工作面配備MG620/1540-WD型變頻電牽引采煤機(jī)，配備150架綜放支架，基本支架選用ZFY12000/23/34D型放頂煤電液控支架，所有支架尾梁和插板安裝行程傳感器，搭配SGZ1000/2×1000型前、后部變頻刮板輸送機(jī)，SZZ1200/700型轉(zhuǎn)載機(jī)，DSJ-140/250/2×450型可伸縮帶式輸送機(jī)等設(shè)備，配備了SAC電液控制系統(tǒng)和SAM綜采自動化系統(tǒng)，整套設(shè)備集一鍵啟動、記憶割煤、采放同步、智能放煤、自動調(diào)直等功能于一身。

根據(jù)王家?guī)X煤礦2號煤層密度1.35t/m3，支架寬度1.75m，循環(huán)進(jìn)尺0.865m，頂煤厚度3m，實(shí)際同時(shí)開啟支架放煤口數(shù)量3架。

每隔15架，在綜放支架上分別安裝UWB透地雷達(dá)，用于探測頂梁上方的頂煤厚度，共布置10套。將帶無線通信的加速度傳感器用高強(qiáng)度磁鐵吸附在中部支架尾梁下方，用于放煤煤矸識別測試，共布置30架?，F(xiàn)場根據(jù)智能放煤控制系統(tǒng)調(diào)試進(jìn)度，進(jìn)行現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)。

對王家?guī)X煤礦采用人工放煤和智能放煤的應(yīng)用效果進(jìn)了跟蹤實(shí)測。2019年10月14日至19日，通過下井跟班實(shí)測，獲得了王家?guī)X煤礦12309綜放面人工放煤實(shí)測數(shù)據(jù)。2019年10月22日至23日，調(diào)取智能放煤控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。頂煤采出率數(shù)據(jù)計(jì)算按照開始日早班8：00至結(jié)束日早班8：00進(jìn)行考慮，考慮工作面兩巷煤壁至煤壁范圍，每天每個(gè)生產(chǎn)班測定10處支架高度(支架編號與透地雷達(dá)安裝支架編號一致)取平均值作為采煤機(jī)割煤高度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，每天檢修班取機(jī)頭機(jī)尾各1個(gè)點(diǎn)向頂煤打鉆測定頂煤厚度，與UWB透地雷達(dá)探測數(shù)據(jù)取平均值作為頂煤厚度基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，通過帶式輸送機(jī)上皮帶秤測定的過煤量作為采出總體煤量，帶式輸送機(jī)尾處灰分儀測定的灰分值作為含矸率指標(biāo)，頂煤采出率=(采出總體煤量×(1-含矸率)-割煤計(jì)算量)/頂煤計(jì)算量×100%。

表1 現(xiàn)場實(shí)測放煤工藝數(shù)據(jù)對比表

上述數(shù)據(jù)表明，采用智能放煤工藝，移架時(shí)間提升23%～35%，單架放煤時(shí)間提升14%～26%，割煤速度提升16%～20%，頂煤采出率達(dá)到91%，提高3個(gè)百分點(diǎn)，煤炭含矸率達(dá)到20%，降低3個(gè)百分點(diǎn)?？傮w采放效率提升約20%。

4 結(jié) 論

1)在綜放工作面放煤工藝和自動化放煤工藝分析的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)分析了智能放煤工藝原理和智能放煤工藝流程。指出智能放煤工藝的關(guān)鍵是煤矸識別，闡述了基于振動信號檢測、音視頻檢測、灰分在線檢測的智能放煤工藝原理。

2)智能放煤需要依靠精準(zhǔn)控制才能確保工藝流程到位，分析了頂煤厚度精準(zhǔn)探測、放煤煤矸識別、放煤機(jī)構(gòu)動作精準(zhǔn)控制等關(guān)鍵技術(shù)，通過在支架前部安裝UWB透地雷達(dá)測量頂煤厚度作為放煤量的基準(zhǔn)，采用基于振動加速度傳感器的煤矸識別方式進(jìn)行煤矸識別，以9.5～10.5kHz范圍作為矸石放落有效信號為終止放煤基準(zhǔn)，通過在綜放支架尾梁和插板油缸安裝磁致伸縮行程傳感器實(shí)現(xiàn)對放煤機(jī)構(gòu)動作精準(zhǔn)控制。

3)根據(jù)王家?guī)X煤礦12309工作面綜放開采實(shí)際，采用智能放煤工藝頂煤采出率達(dá)到91%，煤炭含矸率達(dá)到20%，與人工放煤“見矸關(guān)窗”方式相比分別提高3%、降低3%?？傮w采放效率提升約20%。

4)經(jīng)過王家?guī)X煤礦12309工作面現(xiàn)場工業(yè)試驗(yàn)，驗(yàn)證了智能放煤工藝原理和流程，同時(shí)驗(yàn)證了頂煤厚度精準(zhǔn)探測、放煤煤矸識別、放煤機(jī)構(gòu)動作精準(zhǔn)控制等關(guān)鍵技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)綜放工作面的智能化無人開采提供了必要條件。