張小林

（同煤大唐塔山煤礦有限公司， 山西 大同 037003）

引言

現(xiàn)階段，采煤機(jī)自適應(yīng)控制技術(shù)被廣泛應(yīng)用，然而，怎樣自動(dòng)上調(diào)采煤機(jī)滾動(dòng)的高度是該技術(shù)存在的一個(gè)較為突出的問題。面對工作面的實(shí)際煤層及巖石分布，采煤機(jī)會(huì)自動(dòng)調(diào)整滾筒的高度，從而能實(shí)現(xiàn)最高效的割煤，這就是采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)。因?yàn)榭刂评碚摷懊簬r分界的差異，可將該項(xiàng)技術(shù)劃分為兩類：第一，運(yùn)用傳感器識別煤巖界面，直接上調(diào)滾筒高度。這一方法有較為明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為串?dāng)_效應(yīng)、天線效應(yīng)、振鈴效應(yīng)等因素，對地質(zhì)環(huán)境有明顯的影響，導(dǎo)致該技術(shù)的工程實(shí)際應(yīng)用效果不佳。因?yàn)殡姶挪ǖ牟ㄩL關(guān)系到所穿透煤層的厚度，電磁波的波長越長，就會(huì)穿透更厚的煤層，而測量分別率會(huì)更低。所以，要有效協(xié)調(diào)測量范圍和精確度的關(guān)系很不容易。第二，通過記憶截割實(shí)現(xiàn)間接調(diào)高技術(shù)。預(yù)測煤巖界面時(shí)，主要是對采煤機(jī)的各項(xiàng)工作數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測。近幾年，我國記憶截割自動(dòng)調(diào)高方面同樣取得了很大的發(fā)展，很多研究者為提升傳統(tǒng)記憶截割法的功能，設(shè)計(jì)出很多方法[1]。

1 采煤機(jī)截割軌跡數(shù)學(xué)模型的建立

通過對煤炭開采區(qū)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行深入研究，創(chuàng)建局部地理坐標(biāo)系統(tǒng)，和采煤機(jī)工作的采取存在固聯(lián)，從而能較直觀準(zhǔn)確地描述采煤機(jī)工作環(huán)境，有以下規(guī)定內(nèi)容：

1）確定系統(tǒng)原點(diǎn)Og為一個(gè)采區(qū)內(nèi)采煤機(jī)起始工作位置，其位置是固定的；

2）Xg和當(dāng)?shù)鼐暰€重合，為東向；

3）Yg和當(dāng)?shù)刈游缇€重合，為北向；

4）Zg的方向和重力加速度的相反。

設(shè)定一個(gè)煤炭開采區(qū)是南北走向的，其煤層傾向?yàn)闁|西方向。據(jù)此可確定坐標(biāo)系OgXgYgZg。采煤機(jī)牽引方向表示為Xg，采煤機(jī)進(jìn)刀方向表示為Yg。在這一坐標(biāo)系的基礎(chǔ)上，通過研究可獲得采煤機(jī)滾筒的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖1所示[2]。

圖1 典型采區(qū)工作面地理坐標(biāo)分布

采煤機(jī)的體型巨大，再加上其機(jī)身和左右搖臂存在相對轉(zhuǎn)動(dòng)，因此，它不可當(dāng)做質(zhì)點(diǎn)，要完整的表述采煤機(jī)不同部位的位置關(guān)系，就要明確參考點(diǎn)。該文將采煤機(jī)質(zhì)心當(dāng)做參考點(diǎn)，創(chuàng)建采煤機(jī)固聯(lián)的坐標(biāo)系，從而能有效地確定采煤機(jī)左右滾筒的位置，針對坐標(biāo)系有以下規(guī)定：

1）采煤機(jī)坐標(biāo)系原點(diǎn)Ob和質(zhì)心位置一致；

2）Xb是橫向的，與采煤機(jī)機(jī)身相垂直；

3）Yb是縱向的，與采煤機(jī)機(jī)身相垂直；

4）Zb為豎直向上，與采煤機(jī)機(jī)身相垂直。

采煤機(jī)坐標(biāo)系如圖2表示：

圖2 坐標(biāo)系模型

在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中有陀螺儀，對采煤機(jī)的航向及姿態(tài)進(jìn)行有效測量；通過搖臂旋轉(zhuǎn)編碼器進(jìn)行測量，能確定采煤機(jī)搖臂擺角數(shù)值；綜合運(yùn)用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)及里程計(jì)，通過計(jì)算能準(zhǔn)確定位采煤機(jī)機(jī)身。利用采煤機(jī)的姿態(tài)角和航向角，能對固定時(shí)刻的采煤機(jī)坐標(biāo)系ObXbYbZb與地理坐標(biāo)系OtXtYtZt的姿態(tài)關(guān)系，進(jìn)行精確表示。在明確上述相對位置關(guān)系后，通過分析慣性導(dǎo)航原理，能獲知，要變換采煤機(jī)坐標(biāo)系ObXbYbZb與采區(qū)局部地理坐標(biāo)系OgXgYgZg之間的三維坐標(biāo)，可以變化坐標(biāo)來完成，在此基礎(chǔ)上，能獲得采區(qū)局部地理坐標(biāo)系下的采煤機(jī)截割軌跡[3]。

在采煤機(jī)的質(zhì)心位置，裝配慣性導(dǎo)航系統(tǒng)，并且在機(jī)身和搖臂鉸接部位裝配搖臂旋轉(zhuǎn)編碼器。要獲得采煤機(jī)機(jī)身的航向角δ，如下圖3-1，俯仰角β，如下圖3-2，橫滾角γ，如下圖3-3，采煤機(jī)左右搖臂的擺角θ1，θ2，運(yùn)用上文提到的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和搖臂旋轉(zhuǎn)編碼器即可實(shí)現(xiàn)。

圖3 采煤機(jī)的航向角、俯仰角、橫滾角的坐標(biāo)位置

要確定采煤機(jī)左右滾筒的位置，可用采煤機(jī)滾筒回轉(zhuǎn)中心當(dāng)做參考點(diǎn)。通過研究可知，采煤機(jī)的機(jī)身和搖臂存在相對轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系，因此其坐標(biāo)系如下：

式中：B為滾筒的回轉(zhuǎn)中心到機(jī)身中心的橫向?qū)挾龋琺；L為采煤機(jī)兩搖臂回轉(zhuǎn)中心長度，m；L0為搖臂長度，m；θ1、θ2分別為采煤機(jī)左右搖臂擺角，定義上擺角是正值，下擺角是負(fù)值。

2 褶皺地質(zhì)構(gòu)造自適應(yīng)截割路徑規(guī)劃

在煤礦井中，褶皺地質(zhì)構(gòu)造廣泛分布，而且非常復(fù)雜。這種地質(zhì)構(gòu)造對于開采煤炭極為不利。當(dāng)出現(xiàn)褶皺地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育時(shí)，采煤機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，如果通過記憶信息來實(shí)現(xiàn)所記錄參數(shù)的截割，沿著之前的進(jìn)刀方向運(yùn)行，通過有限刀截割后，煤層頂?shù)装搴筒擅簷C(jī)滾筒會(huì)相互干渉，嚴(yán)重影響綜采設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，要安排專人來維護(hù)采煤機(jī)，使回采效率降到標(biāo)準(zhǔn)范圍。

為應(yīng)對上文提到的各類問題，通過運(yùn)用三維精細(xì)化地質(zhì)模型，提出了采煤機(jī)通過褶皺地質(zhì)構(gòu)造法，該方法的操作環(huán)節(jié)如圖4所示[4]。

圖4 基于過褶皺地質(zhì)構(gòu)造的采煤機(jī)流程

先是通過由工程地質(zhì)勘探及震波CT探測的三維精細(xì)化地質(zhì)模型，從而確定采煤機(jī)進(jìn)刀方向煤層頂?shù)装宀蓸狱c(diǎn)坐標(biāo)。在此基礎(chǔ)上對頂?shù)装宀蓸狱c(diǎn)實(shí)施三次的樣條插值運(yùn)算，從而確定褶皺地質(zhì)構(gòu)造的頂?shù)装迩€。上述兩曲線的主要用途是準(zhǔn)確表述褶皺地質(zhì)構(gòu)造的特征。采煤機(jī)會(huì)參照頂?shù)装迦螛訔l插值曲線，科學(xué)規(guī)劃頂?shù)装褰馗盥窂健ｉ_展此項(xiàng)研究活動(dòng)，主要目的是獲得最大回采率，選取褶皺地質(zhì)構(gòu)造中的背斜，深入研究沿采煤機(jī)進(jìn)刀方向的路徑規(guī)劃方法。面對褶皺地質(zhì)構(gòu)造的環(huán)境，通過采煤機(jī)實(shí)施截割，要沿插值運(yùn)算所得的頂?shù)装迕簬r界面曲線，從而確?；夭陕首罡摺２擅簷C(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，會(huì)穿過進(jìn)刀方向上的褶皺地質(zhì)構(gòu)造，要在這一方向中，適時(shí)調(diào)整采煤機(jī)下滾筒的臥底量，從而能與煤層底板相協(xié)調(diào)。

通過分析下頁圖5可知，當(dāng)處于背斜地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中，褶皺地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育的原點(diǎn)為O，采煤機(jī)下滾筒會(huì)在進(jìn)刀方向上運(yùn)行一次不會(huì)改變它的臥底量，這被稱之為第0刀。當(dāng)結(jié)束時(shí)，采煤機(jī)進(jìn)刀方向和綜采設(shè)備“推溜”和“移架”的方向之間不存在夾角，兩者和水平方向的夾角一致，都是γ0。沿著仰采角γ0的方向向前運(yùn)行，采煤機(jī)在運(yùn)行截深量d1時(shí)，就要對下截割滾筒的臥底量進(jìn)行調(diào)整，所調(diào)整的幅度值用t1表示。當(dāng)采煤機(jī)進(jìn)刀及調(diào)高系列動(dòng)作結(jié)束后，煤礦綜采設(shè)備會(huì)完成一個(gè)“推溜”和“移架”，其方向是沿0→1的方向朝進(jìn)刀方向。在完成這一流程后，采煤機(jī)后面的進(jìn)刀環(huán)節(jié)，傾角和上一刀綜采設(shè)備“推溜”和“移架”的傾角一致，其臥底量會(huì)還會(huì)繼續(xù)調(diào)整，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)1→2方向的“推溜”和“移架”過程，綜采設(shè)備“推溜”和“移架”與采煤機(jī)進(jìn)刀方向的夾角用φ1表示，后續(xù)的進(jìn)刀仰采角度為γ0+φ1。上述過程會(huì)持續(xù)進(jìn)行下去，采煤機(jī)從而能規(guī)劃出背斜地質(zhì)構(gòu)造的截割路徑[5]。

圖5 采煤機(jī)進(jìn)刀方向變化曲線

3 仿真分析

在褶皺地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境中，采煤機(jī)下滾筒仿真分析煤層底板的路徑規(guī)劃方法析。先是通過仿真數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出煤層底板仿真曲線（見圖6），這一條曲線的方程式為設(shè)該曲線的方程為Z=-0.01Y2+0.2Y，曲線范圍介于0～20 m之間，三次項(xiàng)系數(shù)為0。

4 結(jié)語

在分析采煤機(jī)沿進(jìn)刀方向缺陷的基礎(chǔ)上，通過三次樣條插值算法，可得頂?shù)装迩€，并通過循環(huán)坐標(biāo)變換方法規(guī)劃采煤機(jī)沿進(jìn)刀方向的截割路徑，從而獲得采煤機(jī)在進(jìn)刀方向上每一刀的調(diào)整量及俯仰采角度。最后仿真分析上面的描述方法。分析結(jié)果顯示，采煤機(jī)的截割路徑與煤層底板曲線的差值最大為0.038 m，相對于之前的研究結(jié)果有明顯的進(jìn)步。

圖6 煤層底板仿真曲線