基于智能預(yù)測算法的自動化采煤技術(shù)應(yīng)用

王 飛，王 軍，王立強

(國能神東煤炭集團有限責(zé)任公司大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，機械電氣自動化在工業(yè)中的持續(xù)深入應(yīng)用，人們認(rèn)識到自動化技術(shù)對規(guī)避機電設(shè)備的安全風(fēng)險，提高運行設(shè)備的穩(wěn)定可靠程度，減少操作人員數(shù)量，提高生產(chǎn)效率，提升作用環(huán)境的整體安全生產(chǎn)能力有著重要作用。自動化采煤技術(shù)著力于將多種學(xué)科技術(shù)(工業(yè)控制、以太網(wǎng)、無線通訊、視頻、音頻、液壓技術(shù)等)應(yīng)用于綜采工作面，通過在工作面集中監(jiān)控中心對綜采設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程集中控制，使各臺設(shè)備可以協(xié)調(diào)、高效、連續(xù)、穩(wěn)定、安全運行，并將人員從設(shè)備的繁雜操作工作中解放出來，實現(xiàn)綜采工作面的少人化[1]。

國內(nèi)外的煤礦行業(yè)都在提升礦井的自動化生產(chǎn)能力方面不斷加大成本投入，以期實現(xiàn)礦井生產(chǎn)的少人化，乃至無人化。智能礦山的提出更是將煤礦的自動化建設(shè)推升到一個新的高度，根據(jù)當(dāng)前的科學(xué)技術(shù)水平以及礦井建設(shè)的發(fā)展階段，智能煤礦的建設(shè)大致形成一個生產(chǎn)工藝自動化、物流管理智能化、固定設(shè)施無人化、生產(chǎn)管理全面信息化的建設(shè)目標(biāo)，最終實現(xiàn)礦山的安全、綠色、高效開采。智能礦山建設(shè)首先是基礎(chǔ)設(shè)備的自動化建設(shè)，即煤礦井下的設(shè)備具備完全的自動化生產(chǎn)能力；其次是實現(xiàn)生產(chǎn)管理的網(wǎng)絡(luò)化、遠(yuǎn)程化、遙控化乃至無人化；最后才能確保煤礦企業(yè)從采礦作業(yè)環(huán)節(jié)、篩選加工環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)直至銷售環(huán)節(jié)實現(xiàn)完全無縫智能化。

1 自動化割煤原理

自動化割煤通過示范刀學(xué)習(xí)記錄工作面的輪廓，并可以自動重復(fù)學(xué)習(xí)割煤過程中的滾筒軌跡。適用于煤層穩(wěn)定，頂?shù)装灞容^平整穩(wěn)定，周期來壓穩(wěn)定的工作面。自動化割煤使用2個傾角傳感器跟蹤2個搖臂的高度，每個搖臂使用一個傾角傳感器，通常在電控箱內(nèi)部也安裝有傾角傳感器，用來跟蹤煤機的俯仰和搖擺角度，結(jié)合軟件處理可以不受坡度和搖擺角度影響。自動化割煤使用傳感器來采集煤機信息，在顯示計算機屏幕顯示。顯示計算機是控制系統(tǒng)的信息顯示界面，2個搖臂傾角傳感器安裝在搖臂側(cè)面，俯仰和搖擺的傾角傳感器安裝在電控箱內(nèi)[2]。

記憶割煤首先要設(shè)置相關(guān)參數(shù)，先進(jìn)行一個完整循環(huán)的示范刀學(xué)習(xí)，然后進(jìn)行記憶割煤，最后從工作面的一個端頭開始，按照實際采煤工藝完成整個工作面割煤的一個循環(huán)，在同一端頭結(jié)束[3]。在示范刀割煤時，操作人員需要根據(jù)工作面煤層變化情況人為調(diào)整滾筒位置，控制器通過監(jiān)測搖臂傳感器的角度變化來確定滾筒位置，并根據(jù)左右牽引部旋轉(zhuǎn)編碼器來自動計算采煤機的位置，同時控制器會記錄采煤機在工作面內(nèi)的任一位置對應(yīng)的滾筒高度參數(shù)。示范刀學(xué)習(xí)完畢后進(jìn)入記憶割煤模式，采煤機會根據(jù)控制器已經(jīng)設(shè)置好的參數(shù)和記錄的滾筒軌跡自動調(diào)整滾筒高度實現(xiàn)自動割煤，如果煤層條件發(fā)生較大變化，則由采煤機司機手動操作進(jìn)行人工干預(yù)，煤機司機通過遙控器可實現(xiàn)記憶割煤暫停、繼續(xù)、開始、退出，示范刀學(xué)習(xí)開始、學(xué)習(xí)結(jié)束，工步跳越等操作，在記憶割煤過程中，手動操作具有優(yōu)先權(quán)，可隨時停止采煤機。

2 智能預(yù)測算法解析

2.1 傳感器布置

自動化采煤機使用2個傾角傳感器跟蹤2個搖臂的高度，左右搖臂各使用一個傾角傳感器，在采煤機電控箱內(nèi)部安裝有機身姿態(tài)傳感器，用來跟蹤采煤機的俯仰和搖擺角度，結(jié)合軟件處理可以不受坡度和搖擺角度影響[4]。自動化采煤機使用傳感器來采集煤機狀態(tài)信息，在采煤機顯示計算機屏幕顯示。顯示計算機是控制系統(tǒng)的信息顯示界面。如圖1所示。

1-左搖臂傾角傳感器；2-顯示計算機；3-右搖臂傾角傳感器；4-俯仰及搖擺傳感器；5-左復(fù)位傳感器；6-右復(fù)位傳感器圖1 采煤機傳感器安裝位置Fig.1 Installation position of shearer sensor

2.2 智能預(yù)測算法

首先將煤層離散化，分成多段矩形小區(qū)間，矩形寬度為截割頭的推進(jìn)深度，在每一個區(qū)間假定煤層不變化。然后如圖2采煤機坐標(biāo)系所示，通過當(dāng)前采煤機割煤過程中的運行數(shù)據(jù)計算出下一循環(huán)的運行軌跡，使采煤機在下一循環(huán)依據(jù)計算軌跡運行。最后割煤過程中遇到煤層變化情況時由采煤機司機人工干預(yù)操作，采煤機記錄人工干預(yù)后的運行數(shù)據(jù)，作為下一循環(huán)的計算參考值，以此類推，實現(xiàn)采煤機在人工干預(yù)下的自動化采煤工藝[6]。

圖2 采煤機坐標(biāo)系示意Fig.2 Schematic diagram of shearer coordinate system

圖2中，自動化控制系統(tǒng)根據(jù)采煤機坐標(biāo)系采集當(dāng)前運行數(shù)據(jù)，并根據(jù)當(dāng)前運行數(shù)據(jù)計算采煤機下一循環(huán)經(jīng)過當(dāng)前位置時的運行軌跡，數(shù)據(jù)計算公式為

(1)

式中，D為截割頭直徑，cm；xn為水平移動量，cm；L1為搖臂長度，cm；αn為機身水平傾角，(°)；βn為右搖臂仰角，(°)；γ為左搖臂仰角，(°)；hz為機身到溜槽地板高度，cm；hrn為右截割頭高度，cm；hfn為左截割頭高度，cm；n為循環(huán)次數(shù)。

3 自動化采煤技術(shù)工藝

3.1 自動割煤參數(shù)設(shè)定

煤機司機在自動參數(shù)配置界面可以輸入修改采煤機自動割煤狀態(tài)下的工作參數(shù)。

左、右端頭閉鎖支架：最左側(cè)支架號，自動向左側(cè)運行時越過此支架；最右側(cè)支架號，自動向右側(cè)運行時越過此支架。

當(dāng)前支架：煤機當(dāng)前所處支架號，用于手動修正煤機位置。

每個支架脈沖數(shù)：每個支架寬度距離對應(yīng)多少個D齒輪傳感器脈沖數(shù)。

搖臂長度：銷軸到滾筒中心點之間的距離。

滾筒直徑：包含截齒的滾筒直徑。

煤機Y尺寸：此參數(shù)設(shè)定煤機的Y 尺寸，此尺寸為溜槽底板到搖臂鉸接銷軸中心間的距離。

左、右傾角傳感器修正值：左搖臂傾角傳感器零點修正量；右搖臂傾角傳感器零點修正量。

高度誤差閾值：此參數(shù)定義搖臂目標(biāo)高度的死區(qū)范圍，搖臂高度進(jìn)入此范圍內(nèi)，控制系統(tǒng)認(rèn)為此高度是合適的，控制系統(tǒng)將停止調(diào)節(jié)滾筒高度，搖臂電磁閥斷電。例如：高度閾值參數(shù)為0.035 m，當(dāng)搖臂高度在目標(biāo)高度的±35 mm的范圍之內(nèi)時，控制系統(tǒng)將停止調(diào)節(jié)搖臂高度。

自動化割煤機頭、機尾支架：煤機在自動區(qū)間運行的機頭支架位置；煤機在自動區(qū)間運行的機尾支架位置。

機頭、機尾三角煤折返點：割三角煤是煤機進(jìn)窩到達(dá)機頭折返點的支架號；割三角煤是煤機進(jìn)窩到達(dá)機尾折返點的支架號。

當(dāng)前工步：記憶割煤按照工步執(zhí)行，不同工步執(zhí)行不同的動作[7]。

3.2 工作模式

采煤機工作模式分為手動和記憶2種模式，手動模式下，司機手動控制每個搖臂的高度，自動模式下?lián)u臂依據(jù)記憶采高和臥底調(diào)節(jié)高度。手動模式同時執(zhí)行記憶功能，一刀割煤完成后將記憶當(dāng)前采高和臥底，采用雙軌雙向記憶數(shù)據(jù)，隨著割煤進(jìn)行記憶數(shù)據(jù)始終被刷新，保持最近兩刀的割煤數(shù)據(jù)。工作模式在采煤機電腦屏幕首頁顯示，開機默認(rèn)為手動模式，用鼠標(biāo)點擊可以切換工作模式，再次點擊又回到手動模式。在自動模式下，泵電機啟動后搖臂將按照記憶采高和臥底調(diào)節(jié)高度值，到高度值進(jìn)入涉及誤差帶時停止調(diào)節(jié)[8]。

3.3 煤機定位與修正

煤機在工作面行走時根據(jù)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)編碼器來確認(rèn)煤機位置，以支架編號來確認(rèn)煤機位置。在左右牽引部上安裝有復(fù)位傳感器，在機頭、機尾支架上焊接有復(fù)位磁鐵，當(dāng)煤機行走靠近磁鐵時能夠監(jiān)測到復(fù)位信號，自動修正煤機位置[9]。如圖3所示。

煤機位置通過電腦屏幕首頁可直觀查看，如果位置和實際值存在偏差可在首頁用鼠標(biāo)點擊煤機位置，在彈出的數(shù)字鍵盤窗口輸入正確的位置，在點擊確認(rèn)后即可修正煤機位置。如果沒有修正偏差，在機頭和機尾感應(yīng)到復(fù)位磁鐵信號時，煤機能自動修正位置。

3.4 采煤機工步

自動化割煤一個循環(huán)過程細(xì)分為12工步執(zhí)行，通過設(shè)置自動化割煤區(qū)間和兩端三角煤折返點可以控制煤機在指定點執(zhí)行規(guī)定動作[10]，如圖4所示。

圖4 自動化割煤十二工步示意Fig.4 Twelve working steps of automatic coal cutting

第1步：機頭到機尾區(qū)間，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整搖臂高度。

第2步：機尾極限位置，停牽引，滾筒換向。

第3步：機尾極限位置到機尾三角煤折返點，進(jìn)煤窩，根據(jù)設(shè)定采高調(diào)整前搖臂。

第4步：機尾三角煤折返點，停牽引，滾筒換向。

第5步：機尾三角煤折返點到機尾極限位置，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整搖臂高度。

第6步：機尾極限位置，停牽引，滾筒換向。

第7步：機尾到機頭區(qū)間，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整搖臂高度。

第8步：機頭極限位置，停牽引，滾筒換向。

第9步：機頭極限位置到機頭三角煤折返點，進(jìn)煤窩，根據(jù)設(shè)定采高調(diào)整前搖臂。

第10步：機頭三角煤折返點，停牽引，滾筒換向。

第11步：機頭三角煤折返點到機頭極限位置，根據(jù)記憶采高臥底調(diào)整搖臂。

第12步：機頭極限位置，停牽引，滾筒換向。

4 結(jié)語

在智能預(yù)測基礎(chǔ)上實現(xiàn)的采煤機自動化采煤，適用于煤層穩(wěn)定，頂?shù)装灞容^平整，頂板穩(wěn)定，周期來壓穩(wěn)定的工作面，克服了當(dāng)前煤巖識別傳感器技術(shù)不能滿足生產(chǎn)的弱點，有效規(guī)避了井下煤層賦存條件復(fù)雜的實際困難[11]。將綜采工作面煤層微分化，采煤機記憶人工手動割煤過程中的傳感器數(shù)據(jù)，通過計算機智能計算，預(yù)測出采煤機自動采煤模式下割煤軌跡，使采煤機在預(yù)測軌跡上運行，以此實現(xiàn)自動化采煤的目的，一次學(xué)習(xí)后可以無限次循環(huán)割煤，無需煤巖識別、激光雷達(dá)等外部設(shè)備和傳感器，也不需要精確的煤層地質(zhì)數(shù)據(jù)，成本低可靠性高，工程質(zhì)量優(yōu)于人工割煤，為煤礦綜采工作面的少人化生產(chǎn)提供了技術(shù)支持，為智能礦山模式下的無人化生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)[12]。