基于紅外熱像的夾矸巷道斷面記憶截割試驗(yàn)研究

張德義，劉送永，賈新慶，崔玉明，姚 健

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 徐州 221008)

巷道掘進(jìn)是煤礦開采的重要前端環(huán)節(jié)，其施工質(zhì)量、施工工藝、施工速度將直接影響著煤礦的安全高效開采[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，煤巷掘進(jìn)量約占我國巷道掘進(jìn)總量的70%[3]。然而煤巷斷面存在夾矸，采用懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割矸石時(shí)，會(huì)引起截割載荷突變，導(dǎo)致截齒嚴(yán)重磨損與機(jī)體劇烈振動(dòng)，進(jìn)而增加懸臂式掘進(jìn)機(jī)的故障率，降低其服役壽命。因此，研究夾矸巷道斷面截割過程，保證懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割平穩(wěn)性，對(duì)提高夾矸巷道掘進(jìn)效率具有十分重要的意義[4]。

為了保證巷道斷面截割的平穩(wěn)性，自適應(yīng)截割策略被提出且逐漸應(yīng)用到懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割過程中，JASIULEK等[5]提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，利用人工智能技術(shù)確定掘進(jìn)機(jī)工作參數(shù)的方法以適應(yīng)施工工況的變化;DOLIPSKI等[6]以橫軸式掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象，通過PID控制器對(duì)截割頭轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)控制，使截割頭轉(zhuǎn)速適應(yīng)截割工況，以降低截割硬巖的能耗;CHELUSZKA等[7]建立了懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究了截割頭轉(zhuǎn)速無極調(diào)速下驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)效應(yīng)，以減少動(dòng)態(tài)載荷和降低截割能耗為目標(biāo)，優(yōu)化了截割工藝參數(shù);張建廣[8]通過對(duì)截割功率、液壓缸壓力進(jìn)行在線檢測，基于PID神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的控制策略，實(shí)現(xiàn)了對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)自適應(yīng)截割控制。這種自適應(yīng)截割策略的原則是根據(jù)截割煤巖特性，結(jié)合控制算法，通過調(diào)整截割轉(zhuǎn)速及擺速以適應(yīng)工作載荷的變化。然而受巷道環(huán)境多變及地質(zhì)條件復(fù)雜等因素的影響，這種依賴于信號(hào)傳感器的截割策略無法保證截割運(yùn)動(dòng)控制的實(shí)時(shí)性和可靠性。

為此，筆者提出避夾矸截割策略，該策略的原則是先避開大塊夾矸，直接截割小塊夾矸及其余煤巖，待截割完成后大塊夾矸圍壓得到釋放，再進(jìn)行大塊夾矸截割。這種避矸截割策略可以保證截割過程的平穩(wěn)性，同時(shí)后截割矸石的工序可以釋放矸石周圍的圍壓甚至可使矸石直接脫落，降低了矸石截割的難度[9]。避矸截割策略以記憶截割為基礎(chǔ)，通過記錄前一輪截割獲取的信息，對(duì)截割路徑進(jìn)行優(yōu)化后再進(jìn)行下一輪截割。記憶截割在采煤機(jī)作業(yè)中已成熟的應(yīng)用，并且逐漸地被引入懸臂式掘進(jìn)機(jī)施工過程[10-11]。避矸截割策略的關(guān)鍵在于矸石的識(shí)別，根據(jù)煤巖識(shí)別原理可大致分為放射性技術(shù)[12]、振動(dòng)探測技術(shù)[13]、聲發(fā)射技術(shù)[14]、光譜技術(shù)[15-16]、截割信號(hào)響應(yīng)[17-18]、圖像識(shí)別技術(shù)[19]等。這些煤巖識(shí)別技術(shù)或多或少的存在一些缺點(diǎn)，如放射性技術(shù)會(huì)威脅工人的安全，聲發(fā)射技術(shù)易受截割噪聲的影響，截割信號(hào)響應(yīng)則需進(jìn)行復(fù)雜的信號(hào)提取與融合，圖像識(shí)別技術(shù)易受巷道陰暗環(huán)境及粉塵影響等。紅外熱像技術(shù)是煤巖截割溫度特性與圖像識(shí)別技術(shù)的結(jié)合，可有效的體現(xiàn)不同特性煤巖特征，且不受巷道環(huán)境影響。相關(guān)研究也證明了煤巖截割紅外熱像的有效性，如張強(qiáng)等[20-21]為實(shí)現(xiàn)綜采工作面煤巖界面的精準(zhǔn)識(shí)別，以截齒振動(dòng)與紅外熱像作為識(shí)別的特征信號(hào)，獲得了特征信號(hào)與不同配比煤巖間的變化規(guī)律，證明了紅外熱像信號(hào)可以準(zhǔn)確識(shí)別煤巖比例;SI等[22]利用紅外熱成像技術(shù)對(duì)采煤機(jī)截割煤壁時(shí)的溫度變化進(jìn)行了采集，實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)截割單元的定位與跟蹤，研究結(jié)果表明紅外熱像能準(zhǔn)確識(shí)別采煤機(jī)的截割狀態(tài);RALSTON等[23]利用熱紅外傳感技術(shù)自動(dòng)測量采煤機(jī)相對(duì)于煤層的垂直位置，該方法克服了目前采煤機(jī)作業(yè)智能水平控制系統(tǒng)方面的局限性，以采煤機(jī)為基礎(chǔ)實(shí)測研究驗(yàn)證了該方法的有效性。

筆者以截割紅外熱像為基礎(chǔ)，結(jié)合記憶截割策略，以前一輪示范截割獲取的截割溫度特性為特征信號(hào)確定夾矸位置信息，下一輪截割采用避矸截割策略來保證夾矸巷道斷面截割的穩(wěn)定性。首先分析截割產(chǎn)熱過程，并推導(dǎo)截割產(chǎn)熱與煤巖強(qiáng)度之間的關(guān)系模型;然后基于截割頭擺進(jìn)截割試驗(yàn)臺(tái)研究不同配比的巖樣截割溫度特性，證明紅外熱像用于識(shí)別矸石的可行性;最后結(jié)合避矸截割策略，以掘進(jìn)機(jī)截割試驗(yàn)臺(tái)為基礎(chǔ)，研究基于紅外熱像的夾矸斷面記憶截割過程。

1 煤巖截割產(chǎn)熱理論

在夾矸巷道掘進(jìn)過程中，截齒將與煤巖、夾矸發(fā)生劇烈的非連續(xù)碰撞與摩擦，會(huì)使截齒與煤巖接觸面的溫度產(chǎn)生顯著變化。由于煤巖的非均勻性，截割過程中截齒截割力出現(xiàn)波動(dòng)變化，因此在截割接觸面上產(chǎn)生的截割熱量勢必為非均勻分布狀態(tài)。在煤巖特性突變時(shí)，截齒與煤巖接觸面會(huì)出現(xiàn)短時(shí)間、小范圍的溫度升高情況，即煤巖截割溫度升高特性。

截割產(chǎn)熱量與截割載荷有關(guān)，圖1給出了截齒截割過程中截割載荷(圖1中，F(xiàn)c為剪切力;Fs為摩擦力)，主要包含截割推進(jìn)力Fx、截割進(jìn)給力Fy，可由式(1)，(2)計(jì)算得到:

(1)

(2)

式中,KC為截割推進(jìn)力修正系數(shù);Kp為截割進(jìn)給力修正系數(shù);σc為煤巖抗壓強(qiáng)度，MPa;hp為截齒計(jì)算寬度，mm;a為截齒截距，mm;b為平均截割深度，mm;K為綜合截割系數(shù);β為截齒傾斜角，(°);φ為煤巖的崩裂角，(°);δ為截齒進(jìn)給角，(°)。

為了分析煤巖截割產(chǎn)熱規(guī)律，對(duì)截齒、煤巖及巖屑構(gòu)成的熱封閉系統(tǒng)進(jìn)行解析。截齒對(duì)煤巖的擠壓剪切以及截齒與煤巖間的摩擦是截齒截割產(chǎn)熱的主要因素。由于未磨損截齒的摩擦面與存在磨損截齒的摩擦面不同，下面分別進(jìn)行分析:

1.1 未磨損截齒截割產(chǎn)熱

擠壓剪切產(chǎn)熱:單位時(shí)間內(nèi)截齒擠壓單位面積煤巖產(chǎn)生的熱量q1為

q1=(Fxcosθ-Fysinθ)v1/s1

(3)

式中,v1為煤巖擠壓剪切速度;s1為截割深度為b時(shí)截齒與煤巖接觸面在推進(jìn)方向上的投影面積，mm2;θ為推進(jìn)力方向與擠壓剪切面的夾角，(°)。

設(shè)該熱量流入與截齒前刀面接觸的滑動(dòng)微凸體的比率為λ1，根據(jù)比熱容公式可以煤巖在擠壓剪切作用下溫度升高量ΔT1為

(4)

式中,ρ為巖樣的密度，kg/mm3;c為巖樣比熱J/(kg·℃)。

煤巖與截齒前刀面摩擦產(chǎn)熱:單位時(shí)間、單位截齒前刀面摩擦面積產(chǎn)生的摩擦熱q2為

q2=μ(Fxsinα-Fycosα)v2/s2

(5)

式中,μ為摩擦因數(shù);v2為煤巖相對(duì)截齒前刀面的摩擦速度，mm/s;s2為煤巖與截齒前刀面的摩擦面積，mm2;α為截齒錐面與截齒軸線方向的夾角，(°)。

設(shè)該熱量流入巖屑的比率為λ2，根據(jù)JAEGER提出的滑移摩擦表面與平面作用模型[24-25]，由巖屑與截齒前刀面摩擦造成的溫升量ΔT2為

(6)

式中,l1為熱源寬度,mm;x為截齒導(dǎo)溫系數(shù)。

因此，未磨損截齒截割所產(chǎn)生的溫度升高總量ΔT為

(7)

1.2 存在磨損截齒截割產(chǎn)熱

如圖2所示，除擠壓剪切產(chǎn)熱和煤巖與截齒前刀面摩擦產(chǎn)熱之外，存在磨損截齒截割產(chǎn)熱還包含煤巖與截齒磨損產(chǎn)生的后刀面摩擦產(chǎn)熱。

圖2 存在磨損截齒截割煤巖受力及摩擦面Fig.2 Stress and friction surface of worn pick

單位時(shí)間、單位截齒磨損產(chǎn)生的后刀面摩擦面積產(chǎn)生的摩擦熱q3為

q3=μFxv/s3

(8)

式中,v為截齒截割速度，mm/s;s3為煤巖與截齒后刀面的摩擦面積，mm2。

設(shè)該熱量流入與截齒后刀面接觸的滑動(dòng)微凸體的比率為λ3，則由巖屑與截齒摩擦造成的溫度升高量ΔT3為

(9)

其中,l2為磨損面熱源寬度。因此，存在磨損截齒截割所產(chǎn)生的溫度升高總量ΔT′為

(10)

由式(7)和(10)可得，在截齒屬性(結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料等)、截割深度、截割速度相同的情況下，截割所產(chǎn)生的溫升總量與煤巖抗壓強(qiáng)度σc呈正相關(guān)關(guān)系。然而實(shí)際過程中與空氣存在熱交換，截割產(chǎn)熱不能累積，但可依據(jù)非連續(xù)截割溫升來判斷煤巖強(qiáng)度。

2 煤巖截割溫度特性

為了獲取不同煤巖特性下截割溫度特性，采用沙子、水泥、石膏和水作為原材料進(jìn)行巖樣的配置，各巖樣配置比例見表1，其中水泥含量越高，配置出的巖樣強(qiáng)度越高，石膏比例越高，巖樣脆性越高。配置的巖樣中1～4號(hào)巖樣的水泥含量逐漸增高，其硬度逐漸增高，抗壓強(qiáng)度也逐漸增高。

表1 巖樣配置比例Table 1 Rock sample allocation proportion

巖樣配置后，進(jìn)行擺進(jìn)截割試驗(yàn)，研究不同強(qiáng)度巖樣下截割溫度變化特性。截割頭擺進(jìn)截割試驗(yàn)臺(tái)包含推進(jìn)系統(tǒng)、擺進(jìn)系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、紅外成像系統(tǒng)等，如圖3所示。試驗(yàn)過程中截割參數(shù)均保持不變，在橫擺平臺(tái)的勻速動(dòng)作下，截割頭逐漸進(jìn)入巖樣直至截割頭貫穿巖樣。紅外成像系統(tǒng)記錄整個(gè)截割過程的溫度變化情況，其中1號(hào)巖樣截割過程的溫度變化及紅外熱像如圖3(b)所示。

從圖3(b)可以看出截割過程可分為3個(gè)階段:起始截割階段、穩(wěn)定截割階段和結(jié)束階段。截割起始階段截齒與巖樣接觸面溫度逐漸升高，截割產(chǎn)生的部分巖屑帶走了少量熱量，截割面與空氣的熱交換運(yùn)動(dòng)相對(duì)較低;隨著截割運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)，截齒的非連續(xù)截割及巖樣的不均勻性導(dǎo)致截割面溫度迅速升高，此時(shí)截割面與空氣的熱交換速度加快，加之截割產(chǎn)生的巖屑帶走了部分熱量，截割面溫度達(dá)到相對(duì)平衡階段;當(dāng)截割頭脫離巖樣后，紅外熱像的最高溫度集中在截齒上，截割運(yùn)動(dòng)結(jié)束后隨時(shí)間推移截齒溫度緩慢降低。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)截割結(jié)束階段的溫度要高于穩(wěn)定階段，這主要是由于截割穩(wěn)定階段的截齒埋在巖樣內(nèi)部，紅外熱像無法捕捉截齒真實(shí)溫度，而當(dāng)截割頭貫穿巖樣時(shí)截齒紅外熱像可被捕捉，因此截割穩(wěn)定段溫度表示截割面溫度，而結(jié)束階段則是截齒溫度，截齒溫度大于截割面溫度導(dǎo)致截割結(jié)束階段的溫度要高于穩(wěn)定階段。

圖3 截割頭擺進(jìn)截割試驗(yàn)過程Fig.3 Experimental testing process of coal-rock cutting by cutting head

為了獲得不同配比下巖樣的溫度變化規(guī)律，取4種巖樣截割穩(wěn)定階段的紅外熱像及溫度變化曲線作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，如圖4所示。從圖4可以看出，巖樣強(qiáng)度越大，截割產(chǎn)生的溫度越高且溫度變化幅度也顯著增大，高溫區(qū)主要集中于截割面及巖屑。4種巖樣的截割產(chǎn)生溫度變化指標(biāo)見表2，隨巖樣強(qiáng)度的增大，平均截割溫度、最大截割溫度及平均溫度變化幅值均呈增大趨勢。

圖4 不同配比下巖樣截割穩(wěn)定階段溫度變化及紅外熱像Fig.4 Temperature change and infrared thermal image of rock sample in stable cutting stage under different ratio

表2 4種巖樣截割產(chǎn)生的溫度Table 2 Temperature of 4 rock samples generated by swing cutting℃

具體地，從1號(hào)巖樣至4號(hào)巖樣，平均截割溫度增加了2倍，最高截割溫度增加了1.6倍，平均溫度變化幅值增加了2.7倍。由理論分析可知，截齒與煤巖間的非連續(xù)碰撞與摩擦產(chǎn)生了截割熱量，集中于截齒、接觸面以及巖屑，與煤巖強(qiáng)度呈正相關(guān)。因此，不同強(qiáng)度巖樣的截割溫度特性具有明顯不同特征，且?guī)r樣強(qiáng)度越大，截割溫度特性表現(xiàn)的越明顯。該特性證明采用紅外熱像并提取溫度變化指標(biāo)可區(qū)分出巷道斷面的夾矸，可用于巷道煤巖識(shí)別。

3 夾矸巷道斷面記憶截割

由于巷道斷面夾矸會(huì)引起截割載荷突變，加劇截齒磨損及機(jī)體振動(dòng)，易造成機(jī)體甩尾，對(duì)巷道斷面成形質(zhì)量及施工效率帶來負(fù)面影響。因此本節(jié)基于掘進(jìn)機(jī)截割實(shí)驗(yàn)臺(tái)，結(jié)合紅外熱像研究夾矸巷道斷面的記憶截割。

掘進(jìn)機(jī)截割試驗(yàn)臺(tái)如圖5所示，主要包含掘進(jìn)機(jī)本體、自動(dòng)控制系統(tǒng)以及紅外成像系統(tǒng)，其中紅外成像系統(tǒng)用來采集截割過程紅外熱像。預(yù)配置的待截割煤巖寬×高為2.5 m×1.5 m，其內(nèi)部嵌有具有明顯硬度差異的矸石。

圖5 掘進(jìn)機(jī)截割試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Cutting testing platform of roadheader

試驗(yàn)研究流程如圖6(a)所示，共進(jìn)行2輪截割。第1輪截割為了獲取矸石截割紅外熱像及溫度特性，第2輪按規(guī)劃路徑進(jìn)行自動(dòng)避矸截割。根據(jù)紅外成像系統(tǒng)輸出截割溫度隨時(shí)間變化曲線，可獲得溫升突變對(duì)應(yīng)的時(shí)間變量，該時(shí)間變量下的截割頭位置信息與液壓缸位移傳感器輸出數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)，因此，可將獲得的矸石截割溫升突變信息轉(zhuǎn)化為位置信息，進(jìn)而確定斷面的矸石分布情況。

圖6 基于紅外熱像的夾矸巷道記憶截割流程Fig.6 Memory cutting process of the cross-section with gangue based on infrared thermal image

圖6(b)為第1輪截割路徑，當(dāng)截割頭運(yùn)動(dòng)至圖中⑤ 位置時(shí)，掘進(jìn)機(jī)機(jī)體振動(dòng)加劇，并產(chǎn)生較大粉塵，在其他位置截割狀態(tài)并無明顯變化。圖6(c)為第2輪截割路徑，截割頭運(yùn)動(dòng)避開了矸石，整個(gè)過程截割狀態(tài)并較為平穩(wěn)。

由紅外成像系統(tǒng)獲取的2輪截割紅外熱像如圖7所示，圖中各狀態(tài)分別對(duì)應(yīng)圖6中的6個(gè)截割位置。

圖7 掘進(jìn)機(jī)截割紅外熱像Fig.7 Cutting infrared thermal image of roadheader

圖7(a)顯示開始截割時(shí)，整個(gè)截割頭的溫度基本相同，截齒溫度較低;在橫移截割一段距離后，與巖樣接觸的截齒溫度明顯升高;隨著截割時(shí)間的累積，截齒的溫度逐漸增高，巖屑溫度增高，巖樣表面也會(huì)升高，且?guī)r樣區(qū)域硬度越高，巖樣表面溫度越高。在截割頭運(yùn)動(dòng)至夾矸位置時(shí)，截割頭截割到矸石，截齒與巖樣的接觸面瞬間產(chǎn)生大量熱量，溫度急劇上升，由于巖樣與周圍空氣的熱交換，在截割完矸石后溫度逐漸下降。圖7(b)為第2輪截割紅外熱像，可看出截割運(yùn)動(dòng)路徑基本避開了矸石區(qū)域，整個(gè)截割過程的溫度無較大變化，溫度較高區(qū)域集中于截齒齒尖。

為定量分析截割過程中的溫度特性及變化規(guī)律，對(duì)紅外成像系統(tǒng)獲取的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到截割溫度變化曲線如圖8所示。

圖8 截割溫度及溫升變化曲線Fig.8 Variation curves of cutting temperature and temperature rise

截割過程中由于截齒的非連續(xù)截割及巖樣的非均勻性，截割溫度及截割溫升是不斷波動(dòng)的。其中第1輪截割溫度及溫升波動(dòng)遠(yuǎn)大于第2輪截割，且第1輪截割最高截割溫度及溫升出現(xiàn)在截割矸石時(shí)刻。具體地，第1輪截割在t=34 s時(shí)，最高截割溫度為83.32 ℃，最高截割溫升為26.32 ℃;第2輪截割在t=32 s時(shí)，最高截割溫度僅為36.69 ℃，最高截割溫升為10.11 ℃。第2輪截割相較第1輪截割溫升相對(duì)平穩(wěn)，且最高截割溫升值降低了61.6%。

同時(shí)為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)基于紅外熱像的記憶避矸截割效果，采集了2輪截割的機(jī)體3個(gè)坐標(biāo)系方向上的振動(dòng)加速度用來衡量機(jī)體振動(dòng)情況(g為重力加速度，9.80 m/s2)，如圖9所示。從圖9可以看出，x，y方向的振動(dòng)信號(hào)在0附近變化，z方向振動(dòng)信號(hào)在1g附近波動(dòng)，且x，z方向的振動(dòng)信號(hào)遠(yuǎn)大于y方向的振動(dòng)信號(hào)。這是掘進(jìn)機(jī)截割過程中主要產(chǎn)生垂直地面方向的振動(dòng)，以及垂直于巷道軸向方向的振動(dòng)的原因。坐標(biāo)系3個(gè)方向上，第1次截割會(huì)出現(xiàn)一段振動(dòng)劇烈的信號(hào)，即截割頭接觸矸石時(shí)，而在第2次進(jìn)行路徑規(guī)劃后，整個(gè)截割過程中機(jī)體振動(dòng)較小。具體地，第1輪截割x，y，z三個(gè)方向最大振動(dòng)加速度分別為0.43g，0.11g，0.39g。相比第1輪截割，第2輪截割機(jī)體3個(gè)方向的振動(dòng)加速度分別降低了91.04%，88.81%，86.92%。重復(fù)多輪試驗(yàn)得到的結(jié)果與上述結(jié)果一致。

圖9 截割過程振動(dòng)信號(hào)Fig.9 Vibration signal during cutting

因此，以避開矸石為目的，以前一輪示范截割過程獲取的紅外熱像及截割溫度信號(hào)為依據(jù)，對(duì)下次截割路徑進(jìn)行規(guī)劃的記憶截割策略，可以有效降低截割?yuàn)A矸帶來的沖擊及振動(dòng)，提高了懸臂式掘進(jìn)機(jī)的服役壽命。

4 結(jié) 論

(1)建立的截割產(chǎn)熱與煤巖強(qiáng)度數(shù)學(xué)關(guān)系模型表明已磨損截齒截割產(chǎn)熱除包含擠壓剪切產(chǎn)熱和煤巖與截齒前刀面摩擦產(chǎn)熱之外，還包含煤巖與截齒磨損產(chǎn)生的后刀面摩擦產(chǎn)熱，截割所產(chǎn)生的總熱量與煤巖強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系。

(2)不同強(qiáng)度巖樣的穩(wěn)定階段的截割溫度特性具有明顯不同特征，且?guī)r樣強(qiáng)度越大，截割溫度特性表現(xiàn)的越明顯，證明了采用紅外熱像識(shí)別夾矸的可行性。

(3)截割?yuàn)A矸時(shí)的紅外熱像及機(jī)體振動(dòng)信號(hào)特征顯著，多輪試驗(yàn)表明基于紅外熱像的記憶截割策略可有效的降低截割?yuàn)A矸產(chǎn)生的熱量及振動(dòng)，保證截割過程的平穩(wěn)性。