王 瑋

（同煤集團(tuán)四老溝礦，山西大同 037001）

0 引言

目前，大部分煤礦在生產(chǎn)中所采用的綜采作業(yè)模式均為人工控制采煤機(jī)，受到作業(yè)人員工作能力及井下條件的制約，當(dāng)采煤機(jī)處于工作狀態(tài)時(shí)極易出現(xiàn)過(guò)采等問(wèn)題，對(duì)綜采作業(yè)完成嚴(yán)重的影響，為煤炭企業(yè)的經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了較大的損失。本文提出了一種智能綜采控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以人工記憶截割為工作原理，再與遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制相互結(jié)合，促使采煤作業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化控制，不僅可以減少作業(yè)人員的數(shù)量，而且可以使綜采作業(yè)具備較高的效率[1]。

1 控制系統(tǒng)原理及構(gòu)造

通過(guò)對(duì)采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)單元之間存在的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)分析，再與礦井的實(shí)際狀況及綜采作業(yè)的控制要求相結(jié)合，本文采用了如圖1所示的智能綜采控制系統(tǒng)。由圖可知，該系統(tǒng)的構(gòu)成部分主要分為機(jī)械、驅(qū)動(dòng)、修正和控制。在應(yīng)用該系統(tǒng)的過(guò)程中，首先需要請(qǐng)專(zhuān)業(yè)人員來(lái)分析礦井下煤層的分布及地質(zhì)條件，以礦井的實(shí)際狀況為基礎(chǔ)來(lái)制定一套行之有效的截割路線(xiàn)圖，促使綜采的效率得以提升、截割實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，在確定有效的方案之后，可以通過(guò)工作人員來(lái)人為控制截割機(jī)，并開(kāi)展人為控制條件下的截割作業(yè)，此時(shí)這個(gè)系統(tǒng)可以將人工控制狀態(tài)下的截割路徑及其所處部位進(jìn)行詳細(xì)的記錄，有助于后期截割作業(yè)的控制。在將相關(guān)信息進(jìn)行錄入之后，基于事先制定的修正方案來(lái)修正采煤機(jī)的路徑信息，同時(shí)利用采煤機(jī)的進(jìn)給速度和截割滾筒來(lái)完成綜采作業(yè)的智能化控制[2]。

圖1 采煤機(jī)智能綜采控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

就該系統(tǒng)而言，不僅要依靠記憶來(lái)進(jìn)行截割作業(yè)，而且主要利用采煤機(jī)開(kāi)展截割作業(yè)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給的速度來(lái)進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于以記憶為依據(jù)的截割路徑，在其開(kāi)展作業(yè)的過(guò)程中，對(duì)進(jìn)給與截割的速度加以?xún)?yōu)化，以增強(qiáng)各個(gè)工況下采煤機(jī)的截割效率，滿(mǎn)足相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)要求，加強(qiáng)該系統(tǒng)在礦井中各種環(huán)境下的適應(yīng)能力[3]。

2 控制系統(tǒng)記憶策略

傳統(tǒng)記憶截割的控制方案主要通過(guò)對(duì)人為控制條件下截割滾筒所采用的截割路徑進(jìn)行記錄來(lái)完成截割工作，但因?yàn)榈V井下方的環(huán)境較為復(fù)雜，采煤機(jī)作用于截割設(shè)備上的阻力會(huì)產(chǎn)生較大的變化。

在應(yīng)用傳統(tǒng)記憶截割的方案時(shí)，其存在較多的問(wèn)題，如綜采效率、靈活度較差等。本文基于該方案提出了一種與煤層截割阻力預(yù)判體系相結(jié)合的智能記憶截割方案，通過(guò)對(duì)煤層的地質(zhì)條件進(jìn)行檢查，對(duì)每個(gè)路徑上煤炭的硬度進(jìn)行評(píng)估，再與礦井中所采用的定位技術(shù)相結(jié)合，以有效控制各個(gè)階段下采煤機(jī)的進(jìn)給速度和截割轉(zhuǎn)速，并以此為基礎(chǔ)與記憶截割原理相結(jié)合，以完成綜采作業(yè)的控制[4]。

3 智能控制過(guò)程

3.1 液壓支架順序控制

對(duì)液壓支架的順序控制的過(guò)程如圖2所示。根據(jù)采煤機(jī)所處的部位、運(yùn)行的速度及方向、工作面的生產(chǎn)技術(shù)要求來(lái)有效判斷活動(dòng)液壓支架的序號(hào)，同時(shí)對(duì)采煤機(jī)前部及后部液壓支架所進(jìn)行的作業(yè)加以指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)液壓支架在采煤機(jī)行走方向上的姿態(tài)控制。將采煤機(jī)前部第m架液壓支架的護(hù)幫進(jìn)行收起，避免截割滾筒與支架之間形成干涉；根據(jù)相應(yīng)的次序來(lái)完成采煤機(jī)后部第n架液壓支架降柱、移架等一系列相關(guān)操作。對(duì)綜采工作面的液壓支架順序所開(kāi)展的控制工作與采煤機(jī)運(yùn)行的速度及方向、技術(shù)要求等存在一定的關(guān)系，是對(duì)支架序號(hào)進(jìn)行智能判斷的前提[5]。

圖2 工作面液壓支架控制順序圖

對(duì)采煤機(jī)前部及后部的液壓支架進(jìn)行判斷，確定其分別為m和n。在將采煤機(jī)前部的液壓支架進(jìn)行明確之后，對(duì)支架收護(hù)幫進(jìn)行控制，若護(hù)幫收到位，則第m個(gè)液壓支架的工作完成，若工作不到位，則需要繼續(xù)進(jìn)行收護(hù)幫。在采煤機(jī)后部明確第n個(gè)液壓支架之后，根據(jù)液壓支架的第1個(gè)順序來(lái)實(shí)施操作，結(jié)束之后開(kāi)始推溜[6]。

3.2 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制

采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制過(guò)程如圖3所示?；诓擅簷C(jī)所處的部位、運(yùn)行的速度及方向來(lái)優(yōu)化采煤機(jī)記憶截割的精準(zhǔn)度，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)需求，再與滾筒截割理論中所具有的記憶路徑及現(xiàn)存狀況相結(jié)合，對(duì)截割路徑進(jìn)行判斷，明確其是否具備較強(qiáng)的平整性，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)目前所有的工況無(wú)法滿(mǎn)足平整性的要求，應(yīng)當(dāng)對(duì)截割路徑進(jìn)行改善優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制的要求。系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)對(duì)目前的工況進(jìn)行檢測(cè)，判斷其是否與支架的限制要求相符合，若不相符，就需要適當(dāng)調(diào)節(jié)截割路徑，以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)對(duì)液壓支架提出的限制要求。

圖3 采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制系統(tǒng)圖

3.3 刮板輸送機(jī)對(duì)直控制

采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高控制流程如圖4所示，首先，為將活動(dòng)區(qū)域中的液壓支架護(hù)幫進(jìn)行打開(kāi)，避免破碎煤幫出現(xiàn)掉落，這種對(duì)直控制工作是基于液壓支架相對(duì)齊的背景下所實(shí)現(xiàn)的，根據(jù)現(xiàn)階段采煤機(jī)所處的位置及速度來(lái)調(diào)節(jié)活動(dòng)區(qū)域內(nèi)的液壓支架，通過(guò)對(duì)采煤機(jī)后部液壓支架的電液控制閥進(jìn)行控制，使其維持對(duì)齊狀態(tài)。在對(duì)齊之后，液壓支架根據(jù)相應(yīng)的行程要求來(lái)實(shí)現(xiàn)推溜動(dòng)作，完成刮板輸送機(jī)的推移，對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行自動(dòng)化的對(duì)直控制。在該控制過(guò)程中，液壓支架發(fā)揮著極其重要的作用。液壓支架需要對(duì)該過(guò)程進(jìn)行巡檢控制，并根據(jù)相應(yīng)的結(jié)果來(lái)調(diào)節(jié)液壓支架的狀態(tài)及所處部位，同時(shí)應(yīng)當(dāng)有效控制各個(gè)液壓支架的推溜行程，使其偏差值維持在可控制的范圍之內(nèi)[7]。

圖4 刮板輸送機(jī)對(duì)直控制圖

4 控制系統(tǒng)仿真分析

為了對(duì)該控制系統(tǒng)的應(yīng)用效果進(jìn)行有效的分析，本研究構(gòu)建了有效的仿真分析模型，用于分析各個(gè)控制系統(tǒng)下采煤機(jī)的控制效果，其結(jié)果如圖5所示。通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析得出，基于傳統(tǒng)控制方案的背景下，隨著截割阻抗力不斷增加，采煤機(jī)工作中所形成的比能耗也會(huì)不斷提高，其最大值為0.036 kW·h/m3。在對(duì)智能綜采控制方案進(jìn)行優(yōu)化改善并加以運(yùn)用之后，采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的比能耗會(huì)隨著截割阻抗的提升而提升，但其最大值為0.022 kW·h/m3，與改良之前相比，大約減少了38.9%，在進(jìn)行截割的過(guò)程中，所產(chǎn)生的比能耗要明顯低于未改良的，說(shuō)明該控制系統(tǒng)具有較高的有效性。

圖5 不同控制方案采煤機(jī)耗能變化曲線(xiàn)圖

圖6 各種控制方案下采煤機(jī)所產(chǎn)生的載荷波動(dòng)

圖6所表示的是處于不同控制系統(tǒng)下采煤機(jī)所具有的載荷波動(dòng)系數(shù)。由圖可知，采煤機(jī)在采用傳統(tǒng)控制與智能控制2種方案的時(shí)候，其所產(chǎn)生的載荷波動(dòng)系數(shù)均會(huì)隨著阻抗力的增加而不斷減少，但是兩者相比，采用智能控制方案的載荷波動(dòng)系數(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)控制方案，并且該系數(shù)的變化幅度較小，可以使采煤機(jī)處于載荷突變條件下的穩(wěn)定性得以提升[8]。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，綜采工作面中的控制系統(tǒng)大多是人為控制，但這種方式存在較多的缺陷，如效率較低、穩(wěn)定性較差等。為了改善這些問(wèn)題，本研究提出了一種智能綜采控制系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)的原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析，同時(shí)對(duì)處于各個(gè)控制方案下的應(yīng)用效果進(jìn)行了模擬研究，得出如下結(jié)果。

（1）在這個(gè)智能控制系統(tǒng)中，它不僅需要借助于記憶來(lái)進(jìn)行截割作業(yè)，而且主要利用采煤機(jī)開(kāi)展截割作業(yè)的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給的速度來(lái)進(jìn)行監(jiān)控。對(duì)于以記憶為依據(jù)的截割路徑，在開(kāi)展作業(yè)的過(guò)程中，對(duì)進(jìn)給與截割的速度進(jìn)行優(yōu)化，極大提高了各種工況下采煤機(jī)的截割效率，并且確保了截割作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性。

（2）在智能綜采控制方案的應(yīng)用過(guò)程中，比能耗的最大值與優(yōu)化之前相比大大降低。在進(jìn)行截割作業(yè)的過(guò)程中，其比能耗要明顯小于優(yōu)化之前，表明智能綜采控制系統(tǒng)具有較強(qiáng)的有效性。