綜采工作面煤巖界面識(shí)別方法研究

王莉，蘇波

（河南理工大學(xué)電氣學(xué)院，河南 焦作 454003）

通過煤礦機(jī)械化、自動(dòng)化和信息化技術(shù)的應(yīng)用，減少了煤礦采掘工作面作業(yè)人員，并最終實(shí)現(xiàn)無人開采是改善煤礦安全生產(chǎn)形勢(shì)的必然選擇。在無人開采中，采煤工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)協(xié)調(diào)采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)相互配合，使工作面整體系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài)，協(xié)同完成割煤、移架、推刮板輸送機(jī)和放煤等任務(wù)。采煤機(jī)是無人工作面設(shè)備的核心部件，其關(guān)鍵技術(shù)是研究適合中國(guó)煤層條件的采煤機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)。經(jīng)過多年的技術(shù)引進(jìn)和自主創(chuàng)新，國(guó)產(chǎn)采煤機(jī)控制系統(tǒng)在微機(jī)控制、自主定位與導(dǎo)航、工況監(jiān)測(cè)、在線故障診斷、遠(yuǎn)程通信等關(guān)鍵領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，由于受煤巖界面識(shí)別精度、穩(wěn)定性和可靠性的限制，采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高未能取得突破。實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)司機(jī)通過觀察煤巖切割面和聽現(xiàn)場(chǎng)聲音來判斷滾筒工作狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)滾筒高度，由于煤礦采煤工作面噪聲大而且能見度低，采煤機(jī)司機(jī)很難做出準(zhǔn)確判斷，容易造成滾筒截割到頂巖或底板巖，引發(fā)一系列問題。因此，煤巖界面識(shí)別作為自動(dòng)化采煤的關(guān)鍵技術(shù)仍然具有很強(qiáng)的研究?jī)r(jià)值和市場(chǎng)需求。

1 煤巖界面識(shí)別國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

從20世紀(jì)50年代開始，世界各主要產(chǎn)煤國(guó)的研究機(jī)構(gòu)在煤巖界面識(shí)別方面做了大量研究工作，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)提出了20多種煤巖界面檢測(cè)方法。煤巖界面識(shí)別方法根據(jù)原理不同分為兩大類：直接測(cè)量法和間接測(cè)量法；根據(jù)獲取的信息不同，將煤巖分界方法分為煤厚測(cè)量型和煤巖界面測(cè)量型。

直接測(cè)量法采用某種類型的傳感器與煤巖相互作用，從而獲得煤巖界面信息，其工作原理如圖1所示。采用特定的傳感機(jī)理對(duì)頂?shù)装迕簬r進(jìn)行探測(cè)，傳感器輸出的信息經(jīng)煤巖界面識(shí)別處理單元處理后得到精確的煤巖分界位置或者煤層的厚度，最后，采煤機(jī)滾筒高度調(diào)節(jié)控制器據(jù)此調(diào)節(jié)滾筒高度。煤巖界面直接測(cè)量法包括自然γ射線探測(cè)法、人工γ射線探測(cè)法、雷達(dá)探測(cè)法、電子自旋共振法、紅外探測(cè)法、高壓水流法、激光粉塵探測(cè)法、光反射法、機(jī)器視覺法等。

間接測(cè)量法通過檢測(cè)和分析采煤機(jī)的工作參數(shù)、狀態(tài)參數(shù)來獲得煤巖界面信息，其工作原理如圖2所示。采煤機(jī)采煤時(shí)滾筒與煤巖介質(zhì)之間存在著復(fù)雜的相互作用。當(dāng)滾筒接觸的介質(zhì)發(fā)生變化時(shí)，采煤機(jī)的機(jī)械和電氣參數(shù)會(huì)相應(yīng)地變化。采用相應(yīng)的傳感器獲取這些參數(shù)的變化后送入煤巖界面識(shí)別處理單元，得到精確的煤巖分界位置或者煤層的厚度，最后，采煤機(jī)滾筒高度調(diào)節(jié)控制器據(jù)此調(diào)節(jié)滾筒高度。煤巖界面間接測(cè)量法包括應(yīng)力截齒分析法、振動(dòng)測(cè)試法、聲波頻譜分析法等。

圖1 煤巖界面直接測(cè)量法

圖2 煤巖界面間接測(cè)量法

2 存在的問題

國(guó)內(nèi)外研究人員從不同的技術(shù)角度展開了煤巖界面識(shí)別探索和試驗(yàn)，目前還沒有找到成熟的解決方案，存在的問題包括以下幾個(gè)方面：

（1）我國(guó)煤礦的地質(zhì)條件限制了國(guó)外成熟技術(shù)的推廣應(yīng)用。目前，較為成熟煤巖界面識(shí)別技術(shù)是自然γ射線探測(cè)法和記憶截割法，已經(jīng)應(yīng)用到進(jìn)口的采煤機(jī)上。但是，在我國(guó)僅有20%左右的礦井適宜采用自然γ射線探測(cè)法。記憶截割法適合于地質(zhì)條件好、煤層比較平整的礦井，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較差時(shí)，需要工人頻繁地對(duì)截割軌跡進(jìn)行修正，影響了生產(chǎn)效率，因此，應(yīng)用效果存在一定的局限性。

（2）基于已有煤巖界面識(shí)別方法的傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，改造成本高。例如，在應(yīng)力截齒法中，需要對(duì)采煤機(jī)滾筒進(jìn)行機(jī)械改造，加裝測(cè)力截齒和測(cè)力傳感器；在振動(dòng)測(cè)試法中，需要在采煤機(jī)上加裝加速度、扭振和扭矩等傳感器。

（3）采煤機(jī)滾筒在截割過程中受力復(fù)雜、滾筒振動(dòng)劇烈、磨損嚴(yán)重，容易導(dǎo)致煤巖界面識(shí)別傳感器的機(jī)械構(gòu)件和電氣線路受到損壞，可靠性差。

表1 煤巖界面識(shí)別技術(shù)匯總表

（4）對(duì)于不同類型的滾筒和不同的地質(zhì)條件，煤巖界面?zhèn)鞲衅鞯淖罴杨愋秃托盘?hào)拾取點(diǎn)的選擇存在較大區(qū)別，需要進(jìn)行個(gè)性化定制，系統(tǒng)的普適性差。

（5）在采煤機(jī)滾筒自動(dòng)調(diào)高中，基于煤巖界面信息的簡(jiǎn)單的反饋控制得不到較好的控制效果，一方面，由于單類型傳感器的精度和可靠性不高；另一方面，由于滾筒高度的調(diào)節(jié)要受到巷道頂?shù)装?、采空區(qū)條件和采煤機(jī)工作能力的限制。

3 結(jié)語

為了解決煤巖界面識(shí)別在實(shí)際應(yīng)用中的諸多問題，需要優(yōu)選非接觸、易于實(shí)施、通用性強(qiáng)的技術(shù)。由于單一類型傳感器在應(yīng)用中存在精度和可靠性不高的問題，可考慮設(shè)置不同類型傳感器或者多個(gè)同類傳感器來獲取更為全面的信息，然后，應(yīng)用傳感器融合技術(shù)提高煤巖界面信息的可用性。在采煤機(jī)滾筒高度調(diào)節(jié)控制策略方面，摒棄已有的“煤巖界面識(shí)別-采煤機(jī)滾筒高度調(diào)節(jié)控制”的簡(jiǎn)單反饋控制，綜合利用煤巖界面信息、頂?shù)装逍畔?、采空區(qū)信息、記憶截割的歷史數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)滾筒高度的智能調(diào)節(jié)。