白凱軍

(山西焦煤集團(tuán)霍州煤電三交河煤礦洗煤廠,山西 臨汾 041600)

三交河煤礦11-2181綜采面的煤層坡度為2°～5°,煤層的普氏硬度為2.0,工作面直接頂為泥巖,老頂為泥巖,直接底為鋁質(zhì)泥巖,普氏硬度均為5；巷道采用了錨網(wǎng)梁、錨索聯(lián)合支護(hù),頂錨桿采用了7×7布置結(jié)構(gòu),幫錨桿采用了4×4布置結(jié)構(gòu),錨索采用了3×3布置結(jié)構(gòu)。在綜采面上布置有液壓錨桿鉆車、掘錨一體機(jī)、帶式輸送機(jī)、履帶式自移機(jī)尾、橋式轉(zhuǎn)載皮帶、吊掛平臺、電纜拖拽裝置等,但在實(shí)際使用過程中各種設(shè)備之間采用了孤島作業(yè)的方案,無法進(jìn)行聯(lián)動運(yùn)行控制,導(dǎo)致掘進(jìn)效率低、人員勞動量大、安全性差,難以滿足井下高效綜采作業(yè)的需求。

結(jié)合掘進(jìn)面的實(shí)際情況,從提升掘進(jìn)智能化程度入手,本文所提出的綜掘面機(jī)電智能控制系統(tǒng)主要包括了邊緣感知層、平臺決策層、設(shè)備執(zhí)行層以及遠(yuǎn)程運(yùn)維層四個(gè)部分,其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[1]。

圖1 機(jī)電智能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of the electromechanical intelligent control system

由圖1可知,邊緣感知層是該智能控制系統(tǒng)的“眼睛”,主要是用于對掘進(jìn)作業(yè)面的地質(zhì)情況、裝備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和判斷,改變以往人工判斷效率低、精確性差的不足,實(shí)現(xiàn)超前探測、超前判斷,滿足智能化截割作業(yè)對參數(shù)信息快速更新的需求[2]。

平臺決策層是該智能控制系統(tǒng)的“大腦”,主要用于對監(jiān)測信息進(jìn)行綜合分析,結(jié)合地質(zhì)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)來確定截割作業(yè)參數(shù),向各類掘進(jìn)設(shè)備發(fā)出調(diào)節(jié)控制信號,滿足綜采面掘進(jìn)設(shè)備聯(lián)動運(yùn)行控制的需求。

設(shè)備執(zhí)行層是該智能控制系統(tǒng)的“四肢”,主要是執(zhí)行決策層發(fā)出的調(diào)節(jié)控制信號,實(shí)現(xiàn)多設(shè)備的協(xié)同運(yùn)行,滿足自動截割、錨桿支護(hù)、裝載和卸料的需求[3]。

遠(yuǎn)程運(yùn)維層是該智能控制系統(tǒng)的“保姆”,主要是對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析,對設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估并生成評估報(bào)告,為設(shè)備維護(hù)、設(shè)備參數(shù)調(diào)整及故障判斷提供技術(shù)支持。

該智能控制系統(tǒng)的提出,從根本上解決了影響傳統(tǒng)掘進(jìn)智能化的“數(shù)據(jù)不清、判斷不明”問題,實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)作業(yè)從信息感知到設(shè)備聯(lián)動運(yùn)行的一體化控制,具有邏輯控制層次明確、智能化程度高的優(yōu)點(diǎn)。

1 圍巖狀態(tài)自動感知技術(shù)

煤礦井下巷道地質(zhì)條件復(fù)雜,不同區(qū)域的圍巖硬度等存在較大的差異性,在截割作業(yè)過程中作用到截割機(jī)構(gòu)上的截割載荷不斷發(fā)生變化,為了保證掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的安全性,需要根據(jù)截割狀態(tài)不斷調(diào)整截割作業(yè)時(shí)的進(jìn)給速度、截割速度、截割高度等。傳統(tǒng)情況下主要是依靠人工對井下圍巖的狀態(tài)進(jìn)行判斷,該判斷模式嚴(yán)重依賴人工經(jīng)驗(yàn),效率低、準(zhǔn)確性差。

本文提出了一種新的巷道圍巖狀態(tài)智能感知技術(shù),主要采用了“鉆探+物探”相結(jié)合的方案[4],具有信息獲取速度快、感知性強(qiáng)、準(zhǔn)確性好的優(yōu)點(diǎn),該自動感知技術(shù)整體狀態(tài)如圖2所示[5]。

圖2 圍巖狀態(tài)感知技術(shù)示意圖Fig.2 Sensing technology for surrounding rock

由圖2可知,在該控制系統(tǒng)中,在其他方向上通過空間物探透視技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對四周圍巖狀態(tài)的粗判斷,然后在掘進(jìn)路徑上采用短距離鉆孔勘探方案來精確確定圍巖的狀態(tài),為掘進(jìn)機(jī)截割作業(yè)狀態(tài)調(diào)整提供詳細(xì)的數(shù)據(jù)信息。該勘探方式的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)合了兩種勘探狀態(tài)的優(yōu)點(diǎn),在實(shí)現(xiàn)快速勘探的基礎(chǔ)上,確保了對重點(diǎn)區(qū)域的精確分析,確保數(shù)據(jù)結(jié)果的精確性。

2 掘錨一體自適應(yīng)控制技術(shù)

為了提升在井下復(fù)雜環(huán)境條件下巷道掘進(jìn)作業(yè)的可靠性,目前多數(shù)掘錨一體機(jī)的控制均由人工操作,便于及時(shí)根據(jù)井下的實(shí)際情況調(diào)整作業(yè)狀態(tài),降低設(shè)備損壞的概率。但該方案也存在著可靠性差、掘進(jìn)作業(yè)效率低、穩(wěn)定性不足等問題,難以滿足井下高效、高經(jīng)濟(jì)性作業(yè)的需求。因此在圍巖狀態(tài)自動感知技術(shù)的基礎(chǔ)上,本文提出了一種新的掘錨一體自適應(yīng)控制技術(shù),該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示[6]。

圖3 掘錨一體自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure of the integrated adaptive control system of tunneling and anchoring

由圖3可知,該控制系統(tǒng)中主要包括電磁閥控制器和礦用本安型數(shù)據(jù)采集器、監(jiān)測單元三個(gè)部分,監(jiān)測單元主要是指設(shè)置在掘錨機(jī)各部位的傳感器設(shè)備,用于對掘錨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)、搖臂傾角、電機(jī)溫度、截割轉(zhuǎn)速、截割載荷等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,然后將監(jiān)測結(jié)果傳遞給礦用本安型數(shù)據(jù)采集器,并在上位機(jī)內(nèi)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,確定掘錨機(jī)的精確運(yùn)行狀態(tài)。

系統(tǒng)接收到圍巖狀態(tài)感知系統(tǒng)傳遞的圍巖狀態(tài)信息后,結(jié)合掘錨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),對掘錨機(jī)接下來的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析,將結(jié)果傳遞給電磁閥控制器和對應(yīng)的執(zhí)行電機(jī),控制掘錨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)按輸出的控制信息來進(jìn)行調(diào)整。在調(diào)整過程中系統(tǒng)對截割臂升降的速度、速度變化速率等進(jìn)行采樣,確定實(shí)際狀態(tài)和要求狀態(tài)之間的差異性,然后將差值傳輸?shù)缴衔粰C(jī)內(nèi),上位機(jī)根據(jù)偏差量計(jì)算出電機(jī)、油缸所需調(diào)節(jié)量,然后將調(diào)節(jié)量的數(shù)字量信號轉(zhuǎn)換為控制電信號,將其傳輸給對應(yīng)的電機(jī)和液壓系統(tǒng),確保最終的執(zhí)行情況滿足截割系統(tǒng)的調(diào)控要求,及時(shí)消除調(diào)整誤差,避免出現(xiàn)調(diào)整不到位現(xiàn)象。

3 截割穩(wěn)定性控制

由于井下地質(zhì)條件相對復(fù)雜,掘進(jìn)機(jī)在截割作業(yè)過程中會不斷受到交變沖擊載荷的作用,導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)不穩(wěn)定,通常是通過降低掘進(jìn)速度來確保截割作業(yè)穩(wěn)定性。但該方案會嚴(yán)重影響井下掘進(jìn)的效率,因此本文提出了一種新的掘進(jìn)機(jī)截割穩(wěn)定性控制方案,確保在高速掘進(jìn)作業(yè)過程中掘進(jìn)機(jī)截割機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性,其整體控制邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示[7]。

由圖可知,該截割穩(wěn)定性控制技術(shù)是將截割振動信號采集、截割電流信號采集、截割壓力信號采集歸于一體,利用組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析和D-S證據(jù)理論分析[8],實(shí)現(xiàn)對動載荷的快速識別,然后根據(jù)識別結(jié)果對油氣懸掛調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控,抵消在截割過程中產(chǎn)生的過大動載荷，從而實(shí)現(xiàn)在不降低井下截割作業(yè)速度的前提下提升截割過程中的穩(wěn)定性。

4 智能支護(hù)方案

巷道掘進(jìn)過程中需要及時(shí)對新開挖的巷道進(jìn)行支護(hù),確保在巷道掘進(jìn)過程中的穩(wěn)定性和安全性。傳統(tǒng)支護(hù)方案中主要是采用了人工鉆孔、人工放置錨桿和錨固劑的方式,這種方案支護(hù)效率低、作業(yè)人員數(shù)量多、安全性差,本文提出了一種新的智能化支護(hù)技術(shù),采用錨桿鉆車進(jìn)行隨車自動支護(hù),該錨桿鉆車結(jié)構(gòu)如圖5所示[9]。

圖5 錨桿鉆車結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Bolter structure

由圖5可知,該錨桿鉆車集智能錨護(hù)、自動鋪網(wǎng)于一身,在錨桿鉆車的右側(cè)設(shè)置有一個(gè)升降臂,升降臂的端部設(shè)置有智能錨護(hù)模塊,通過液壓控制的方式實(shí)現(xiàn)自動打孔、裝錨桿。在錨桿鉆車的左側(cè)設(shè)置有一個(gè)機(jī)械手,通過電壓控制的方式實(shí)現(xiàn)取放網(wǎng)片。

在工作時(shí)通過采用“錨箱切換+鏈?zhǔn)藉^桿倉”的智能模塊實(shí)現(xiàn)自動鉆孔、自動安裝錨桿。通過基于轉(zhuǎn)矩的測量傳感器對鉆進(jìn)時(shí)的速度和鉆進(jìn)時(shí)的推力進(jìn)行監(jiān)測,通過鉆進(jìn)力調(diào)節(jié)油缸自動實(shí)現(xiàn)對鉆進(jìn)力的調(diào)整,在保證鉆進(jìn)速度的情況下減少鉆頭的磨損。同時(shí)系統(tǒng)自動獲取圍巖狀態(tài)自動感知系統(tǒng)內(nèi)的圍巖信息,根據(jù)圍巖的硬度狀態(tài)自動調(diào)取系統(tǒng)內(nèi)存儲的鉆進(jìn)速度-圍巖硬度匹配表,實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)速度的自動匹配,提高鉆進(jìn)時(shí)的穩(wěn)定性。

在該設(shè)備上還集成了錨固劑填裝機(jī)構(gòu),通過啟動控制的方式實(shí)現(xiàn)錨固劑自動填裝和釋放,采用獨(dú)立的機(jī)械手進(jìn)行錨網(wǎng)的展開和自動鋪設(shè)[10],解決了人工鋪設(shè)時(shí)效率低、危險(xiǎn)性大的問題。

5 機(jī)電智能化控制技術(shù)應(yīng)用情況

目前三交河煤礦已經(jīng)完成了對井下綜掘面的機(jī)電系統(tǒng)智能化控制技術(shù)改造,為了對該控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行驗(yàn)證,對優(yōu)化前后相同工況下的巷道掘進(jìn)情況進(jìn)行了對比。結(jié)果表明,優(yōu)化后初步實(shí)現(xiàn)了井下綜掘面上的智能化聯(lián)動綜采控制,系統(tǒng)能通過自主識別-自動控制-故障診斷及報(bào)警,減少了綜采作業(yè)過程中的人工干預(yù)。

該機(jī)電智能化控制技術(shù)能夠?qū)⒕C掘面的掘進(jìn)速度由目前的3.16 m/d提升到4.06 m/d,效率提升了28.48%,將綜掘面上作業(yè)人員數(shù)量由43人降低到21人,人員數(shù)量減少了51.16%,對提升煤礦井下巷道綜掘效率、提升井下綜掘經(jīng)濟(jì)性和安全性具有十分重要的意義。

6 結(jié)論

針對三交河煤礦11-2181綜采面綜掘設(shè)備智能化程度低下、掘進(jìn)效率低、安全性差的不足,提出了一種新的綜掘工作面機(jī)電智能化控制技術(shù),重點(diǎn)對該系統(tǒng)的智能控制結(jié)構(gòu)、圍巖智能識別技術(shù)、自動截割控制技術(shù)及智能支護(hù)方案進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明:

1)綜掘面機(jī)電智能控制系統(tǒng)主要包括了邊緣感知層、平臺決策層、設(shè)備執(zhí)行層以及遠(yuǎn)程運(yùn)維層四個(gè)部分,根本上解決了影響傳統(tǒng)掘進(jìn)智能化的“數(shù)據(jù)不清、判斷不明”問題,實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)作業(yè)從信息感知到設(shè)備聯(lián)動運(yùn)行的一體化控制。

2)“鉆探+物探”相結(jié)合的狀態(tài)感知方案,具有信息獲取速度快、感知性強(qiáng)、準(zhǔn)確性好等優(yōu)點(diǎn),在實(shí)現(xiàn)快速勘探的基礎(chǔ)上,確保了對重點(diǎn)區(qū)域的精確分析,確保數(shù)據(jù)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)新的掘錨一體自適應(yīng)控制系統(tǒng)主要包括電磁閥控制器、礦用本安型數(shù)據(jù)采集器及監(jiān)測單元三個(gè)部分,能夠?qū)崿F(xiàn)對巷道的智能截割控制。

4)利用組合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析和D-S證據(jù)理論分析,能夠?qū)崿F(xiàn)對動載荷的快速識別,然后根據(jù)識別結(jié)果對油氣懸掛調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控,抵消在截割過程中產(chǎn)生的過大動載荷。

5)智能支護(hù)方案中,錨桿鉆車集智能錨護(hù)、自動鋪網(wǎng)于一身,能夠有效提升巷道支護(hù)效率和安全性。

6)該機(jī)電智能化控制技術(shù)能夠?qū)⒕C掘面的掘進(jìn)效率提升28.48%,將作業(yè)人員數(shù)量降低51.16%,對提升煤礦井下的掘進(jìn)作業(yè)經(jīng)濟(jì)性和可靠性具有十分重大的意義。