石文利

摘要：在提高綜采工作面單位時(shí)間有效產(chǎn)量，綜采工作面自動(dòng)化水平和采煤的勞動(dòng)生產(chǎn)效率，的自動(dòng)化采煤，無人化采煤，智能化采煤方案設(shè)計(jì)中，一個(gè)不可能繞開的系統(tǒng)性課題就是如何探知綜采工作面頂板和底板的準(zhǔn)確位置。需要設(shè)計(jì)一套可以有效檢測(cè)綜采工作面頂板、底板位置的傳感系統(tǒng)，區(qū)分采煤機(jī)割煤或者割巖動(dòng)態(tài)狀態(tài)。將此狀態(tài)發(fā)給智能化采煤或者自動(dòng)化采煤決策系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多割煤少割巖的目標(biāo)，進(jìn)而提高綜采工作面單位時(shí)間有效產(chǎn)量。

關(guān)鍵詞：綜采工作面 采煤機(jī) 頂板 底板

引言

綜采生產(chǎn)方式，通過采煤機(jī)滾筒旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)截割頭旋轉(zhuǎn)采煤，截割頭由搖臂控制采煤方位。當(dāng)搖臂控制截割頭向上運(yùn)動(dòng)，會(huì)與綜采工作面頂板接觸;當(dāng)搖臂控制截割頭向下運(yùn)動(dòng)，會(huì)與綜采工作面地板接觸。一般的，綜采工作面頂板與底板由巖石構(gòu)成，并且?guī)r石硬度大于煤層硬度。

綜采生產(chǎn)，需要盡可能多的截割煤層，盡量少或者不截割頂板與底板。不僅因?yàn)榻馗顜r石會(huì)降低煤炭有效產(chǎn)量和增加選煤工作量，更重要的是，由于巖石的硬度大于煤，截割巖石會(huì)縮短截割頭和截割頭上安裝的截齒的壽命，降低截齒更換周期，每次跟換截齒，都會(huì)影響正常生產(chǎn)。

在實(shí)踐中，有經(jīng)驗(yàn)的采煤機(jī)司機(jī)可以直觀判斷頂板與底板的位置。

首先，截割巖石與截割煤壁，截齒發(fā)出的聲音不同;其次，截割巖石與截割煤壁會(huì)引起采煤機(jī)截割頭不同程度的抖動(dòng);再次，巖石與煤壁之間，可以通過顏色直觀地區(qū)分出煤巖分界線。

綜采自動(dòng)化生產(chǎn)，還可以通過讀取截割滾筒電流的方式，判斷截割頭當(dāng)前是在割煤，還是已經(jīng)截割頂板巖石或者截割底板巖石。

在綜采生產(chǎn)普遍智能化需求要求的背景之下，需要通過智能傳感系統(tǒng)，替代煤機(jī)司機(jī)的經(jīng)驗(yàn)，自動(dòng)智能感知綜采工作面頂板和底板巖石的位置。

系統(tǒng)方案

綜采工作面煤壁上下由圍巖構(gòu)成，中間是煤層，普遍的，煤層普式硬度小于5f，通常小于4f（f，普式硬度，單位為抗壓強(qiáng)度MPa的十分之一，無量綱），而一般圍巖的硬度大于6f。

以下各種方法中，除超前探測(cè)法之外，均是通過感知截割煤壁的普式硬度，來判斷煤巖分界線的。

聲音識(shí)別法

通過采煤機(jī)司機(jī)的一般經(jīng)驗(yàn)，在采煤過程中可通過截割煤壁的聲音判斷當(dāng)前截割頭是在截割煤層、夾矸層或者巖層。

通過對(duì)不同普式硬度礦巖樣本的分析，可以得出初步結(jié)果，截割煤壁噪聲的頻率隨著截割煤壁硬度的提高而增大。為了檢測(cè)截割煤壁的硬度，可以通過對(duì)截割煤壁的噪聲做檢測(cè)，當(dāng)檢檢測(cè)到頻率較高的噪聲，可以認(rèn)為截割煤壁部分的普式硬度增大。

通過實(shí)際生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)積累，可以實(shí)現(xiàn)一定水平上的煤巖識(shí)別。

然而，聲音識(shí)別法識(shí)別煤巖分界線，包含兩個(gè)方面的問題。

第一個(gè)方面，綜采工作面噪聲干擾，除了截割煤壁的噪聲，還有截割滾筒，采煤機(jī)行走機(jī)構(gòu)，液壓支架移動(dòng)等多種設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲，這些噪聲隨機(jī)且不在已確定范圍內(nèi)，會(huì)造成對(duì)截割觸及煤巖分界線產(chǎn)生的噪聲的判斷造成干擾。

第二個(gè)方面，煤壁下放通常會(huì)堆積煤塊，截割煤壁掃底煤時(shí)，由于截割滾筒被部分掩埋，截割頭與底板產(chǎn)生的噪聲將不易檢測(cè)。

電流法

截割不同普式硬度的煤壁，截割滾筒的阻力矩也不相同，通過分析截割滾筒電流的變化，可以感知截割滾筒阻力矩的變化，通過截割滾筒阻力矩的變化，可以感知截割煤壁是煤層、夾矸層、巖石層的普式硬度。

感知截割滾筒阻力矩變化，首先需要建立截割滾筒阻力矩?cái)?shù)學(xué)模型。阻力矩?cái)?shù)學(xué)模型是根據(jù)采煤機(jī)生產(chǎn)時(shí)截割頭動(dòng)作特點(diǎn)結(jié)合采煤層、夾矸層、巖石層的阻力特征，分別建立的。

阻力矩?cái)?shù)學(xué)模型分類間，可以通過阻力特征，結(jié)合截割滾筒機(jī)械結(jié)構(gòu)特征，建立分類力矩轉(zhuǎn)換關(guān)系。

通過滾筒電流測(cè)量，可以推倒截割滾筒阻力矩?cái)?shù)值，再結(jié)合當(dāng)前采煤機(jī)截割頭動(dòng)作特點(diǎn)，可以推倒當(dāng)前采煤機(jī)動(dòng)作的阻力特征。根據(jù)阻力特征，可以推倒當(dāng)前采煤是處在煤層、夾矸層還是巖石層。

通過電流分析推倒煤巖分界線，其優(yōu)點(diǎn)是無需布置多余的傳感器，通過采煤機(jī)行走編碼器、采煤機(jī)搖臂傳感器和電流值，即可分析當(dāng)前采煤是否觸及煤巖分界線。

然而，電流法不能有效感知當(dāng)前煤巖分界線的走向。例如中部采煤過程中，采煤機(jī)搖臂垂直向上割煤，遇到相同大小的截割滾筒電流突變，可判斷得出兩個(gè)不同的煤巖分界線走向，如圖1所示。

溫度檢測(cè)法

為了確定由電流法確定的煤巖分界線的走向，可以增加截齒的溫度檢測(cè)和截割頭旋轉(zhuǎn)角度檢測(cè)。

在截割頭與截齒之間預(yù)埋帶無線通訊功能的溫度傳感器，并根據(jù)截齒的位置為每一個(gè)溫度傳感器編號(hào)。溫度傳感器的編號(hào)與截割頭旋轉(zhuǎn)角度具備對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過檢測(cè)截割頭溫度傳感器溫度的突然變化，該溫度傳感器的編號(hào)和此時(shí)截割頭旋轉(zhuǎn)角度，可以確定產(chǎn)生溫度變化截齒的具體位置，即可推斷煤巖分界線的走向。

超前探測(cè)法

超前探測(cè)方法，對(duì)綜采工作面的影響角度上，分為破壞性探測(cè)與非破壞性探測(cè)兩種。

鉆探法屬于破壞性探測(cè)，是一種傳統(tǒng)方法，用鉆探設(shè)備向掘進(jìn)面前方鉆探一定深度并取巖芯。通過觀察和分析巖芯的構(gòu)造情況，對(duì)巷道掘進(jìn)工作面前方的災(zāi)害性含、導(dǎo)水體，陷落柱和斷層等進(jìn)行準(zhǔn)確定位。

非破壞性探測(cè)，又根據(jù)探測(cè)原理不同，分為地震法、瞬變電磁法和直流電法。

其中，瞬變電磁法和直流電法，主要通過空間電磁環(huán)境變化探測(cè)內(nèi)部。所以，通常瞬變電磁法和直流電法，主要應(yīng)用于煤層內(nèi)水體探測(cè)或者或者含水體的空間與混合物探測(cè)。

地震法，即通過外部物理震動(dòng)，產(chǎn)生低頻的振動(dòng)波，通過檢波器檢測(cè)振動(dòng)波的傳輸、反射、頻率、相位、疊加等特性判斷地質(zhì)結(jié)構(gòu)分布的方法。優(yōu)點(diǎn)為探測(cè)距離長(zhǎng)，分辨率高，信息豐富，對(duì)地質(zhì)異常特別是斷層反映較靈敏、定位較準(zhǔn)確。

通過地震法可以比較準(zhǔn)確地探測(cè)大頂板和底板的煤巖分界線，然而使采煤機(jī)自動(dòng)識(shí)別煤巖分界線的位置，還需要給采煤機(jī)增加定位和定姿功能。

通過UWB室內(nèi)定位技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)定位定姿功能。UWB無線室內(nèi)定位體系使用先進(jìn)的超窄脈沖精確丈量飛行時(shí)刻技能，完成了底層的精確測(cè)距/計(jì)時(shí);結(jié)合方位解算算法，完成了上層的精確定位。UWB技能是一種傳輸速率高，發(fā)射功率較低，穿透才能較強(qiáng)并且是根據(jù)極窄脈沖的無線技能，無載波。正是這些長(zhǎng)處，使它在室內(nèi)定位領(lǐng)域得到了較為精確的成果。超寬帶室內(nèi)定位技能常選用TDOA演示測(cè)距定位算法，便是經(jīng)過信號(hào)抵達(dá)的時(shí)刻差，經(jīng)過雙曲線交叉來定位的超寬帶體系包含發(fā)生、發(fā)射、接納、處理極窄脈沖信號(hào)的無線電體系。

系統(tǒng)方案總結(jié)

從頂?shù)装逄綔y(cè)的準(zhǔn)確性角度講，超前探測(cè)法的系統(tǒng)方案優(yōu)于其他方案，超前探測(cè)法還可以通過軟件建模的方式，將頂?shù)装迕簬r分界線以更加直觀的3D模型方式通過可視化的方式呈現(xiàn)出來。

然而從直接指導(dǎo)采煤的角度講，超前探測(cè)法沒有采煤機(jī)定位與定姿系統(tǒng)的輔助，就沒有實(shí)際利用價(jià)值，只有在定位系統(tǒng)輔助下，才可以實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)采煤的目的。

超前探測(cè)法加定位定姿系統(tǒng)，畢竟需要投入巨大的人力、物力與財(cái)力。而電流法依托當(dāng)前采煤機(jī)已有的檢測(cè)傳感器，在溫度檢測(cè)法的輔助下，不增加過多的物力投入，僅通過軟件算法，即可實(shí)現(xiàn)一定程度上的煤巖識(shí)別并直接指導(dǎo)自動(dòng)化，智能化采煤?？梢?，電流法加溫度檢測(cè)法相比超前探測(cè)法，更具性價(jià)比優(yōu)勢(shì)，未來可以更多的應(yīng)用于性價(jià)比要求高的智能化開采場(chǎng)景。

結(jié)束語

電流法加溫度檢測(cè)法依托常用采煤機(jī)系統(tǒng)配備的檢測(cè)硬件設(shè)備，再少量增加溫度傳感器即可通過數(shù)學(xué)模型軟件算法感知頂板與底板。這個(gè)方法可以可靠使用的前提是硬件可靠性，特別是溫度傳感器在截齒處的安裝方式，需要既滿足無線傳輸需求，還應(yīng)當(dāng)比較準(zhǔn)確地檢測(cè)截齒溫變，所以仍是需要不斷改進(jìn)的。

參考文獻(xiàn)（References）

采煤概論（二版）郭金明、張登明 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社有限責(zé)任公司

[1]王育龍. 基于電流信號(hào)的煤巖識(shí)別方法研究[D]. 西安科技大學(xué).

[2]牛群峰， 曹一帆， 王莉，等. 基于TW-TOF的UWB室內(nèi)定位技術(shù)與優(yōu)化算法研究[J]. 自動(dòng)化與儀表， 2018， 033（001）：5-9.

[3]仲江濤. 基于UWB室內(nèi)定位算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 深圳大學(xué).

[4]劉天放. 槽波地震勘探[M]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社， 1994.

[5]程建遠(yuǎn)， 江浩， 姬廣忠，等. 基于節(jié)點(diǎn)式地震儀的煤礦井下槽波地震勘探技術(shù)[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù)， 2015， 43（002）：25-28.

[6]呂霄云. 基于MFCC和GMM的異常聲音識(shí)別算法研究[D]. 西南交通大學(xué)， 2010.

[7]王請(qǐng)安， 李應(yīng). 噪聲環(huán)境下基于能量檢測(cè)的生態(tài)聲音識(shí)別[J]. 計(jì)算機(jī)工程， 2013.

[8]劉丹丹， 湯春瑞. 一種基于觸覺的煤巖識(shí)別方法：， CN110847907A[P]. 2020.