王克勤

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)通合煤業(yè)有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

在采煤機(jī)械中，液壓支架的護(hù)幫板是整個(gè)液壓支架結(jié)構(gòu)中不可或缺的一部分，它的作用是防止煤礦井下發(fā)生片幫事故。如果液壓支架護(hù)幫板在采煤機(jī)到來之前沒有回收，綜采設(shè)備在工作面進(jìn)行采煤時(shí)，會發(fā)生護(hù)幫板和采煤機(jī)滾筒的截割事故。文中提到的截割干涉實(shí)際上是指液壓支架護(hù)幫板與采煤機(jī)滾筒在同一空間位置相遇的危險(xiǎn)情況[1]。如果發(fā)生上述情況采煤機(jī)與液壓支架等相關(guān)采煤設(shè)備都將受到不同程度的損壞，嚴(yán)重時(shí)甚至影響整個(gè)工作面的開采。

1 液壓支架監(jiān)控技術(shù)研究現(xiàn)狀

截至目前，國外對液壓支架監(jiān)控技術(shù)的研究主要有兩個(gè)方面，一是液壓支架的穩(wěn)定性，二是電液控制。其中，美國學(xué)者對工作面支護(hù)設(shè)備頂?shù)装宓南嗷プ饔眠M(jìn)行了研究，并從動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)的角度詳細(xì)分析了支護(hù)的穩(wěn)定性，得出了一種使機(jī)構(gòu)增加約束的手段，從而增加了液壓支架穩(wěn)定性，這也延長了液壓支架的工作壽命。

國內(nèi)眾多學(xué)者在這些方面都取得了不錯(cuò)的科研成果，如中國礦業(yè)大學(xué)的張霖將液壓支架的位置監(jiān)測以及機(jī)構(gòu)自身調(diào)整等技術(shù)深入研究整合到一起，形成了一套完整的支架自主控制體系；中國礦業(yè)大學(xué)的徐西華發(fā)現(xiàn)支架電液控制系統(tǒng)監(jiān)測功能尚不完善，從而研制出了一種多傳感融合的液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)；太原理工大學(xué)的朱殿瑞等人通過對液壓支架各種形態(tài)進(jìn)行多角度分析，得出了一套完整的液壓支架監(jiān)測理論。

2 液壓支架護(hù)幫板與采煤機(jī)滾筒截割干涉監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在煤礦井下多設(shè)備協(xié)作采煤的過程中，主要考慮的是液壓支架護(hù)幫板和采煤機(jī)滾筒截割的干涉監(jiān)測，它是井下回采工作面連續(xù)安全生產(chǎn)的重要前提。如果要開展護(hù)幫板與滾筒截割的干涉狀態(tài)相關(guān)研究工作，有必要設(shè)計(jì)出一套完整的監(jiān)測系統(tǒng)。

2.1 綜采裝備結(jié)構(gòu)及協(xié)同工作過程

“三機(jī)”實(shí)際上是指采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)和液壓支架，它們的具體工作是采煤機(jī)截煤、刮板輸送機(jī)運(yùn)煤、液壓支架支護(hù)[2]，三者相輔相成共同完成綜采工作面的回采工作。

目前液壓支架是國內(nèi)普遍應(yīng)用的井下支護(hù)設(shè)備，它通過對煤層頂?shù)装宓闹ёo(hù)，來為井下作業(yè)人員建立安全的工作環(huán)境。但是，液壓支架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和支護(hù)方法不盡相同，常見的有支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式。雖然它們的結(jié)構(gòu)有差異，但是它們在井下的工作原理是很相似的。一般液壓支架的組成部分有三種，分別是機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓驅(qū)動裝置以及電液控制系統(tǒng)。

采煤機(jī)是煤礦井下綜采工作面的重要采煤設(shè)備。同樣，采煤機(jī)的種類也有很多，針對驅(qū)動形式的不同可以細(xì)分為液壓牽引、機(jī)械牽引和電牽引；同時(shí)，針對結(jié)構(gòu)組成不同，又可以分為滾筒式和鉆削式。如今國內(nèi)市場主要流行雙滾筒電牽引式采煤機(jī)，它的主要組成部分有截割部、牽引部、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)和輔助設(shè)備等。

“三機(jī)”配套的井下具體工作安排是將采煤機(jī)放置在刮板輸送機(jī)之上，工作時(shí)采煤機(jī)會跟隨刮板輸送機(jī)的軌道進(jìn)行割煤，同時(shí)割掉的落煤會被刮板輸送機(jī)裝載并運(yùn)至地面，液壓支架則是在采完煤之后完成護(hù)幫支護(hù)工作，從而使得工作面能夠推進(jìn)。

2.2 液壓支架護(hù)幫板與采煤機(jī)滾筒截割干涉發(fā)生機(jī)理

護(hù)幫板的主要作用就是完成煤壁的支護(hù)工作，其結(jié)構(gòu)如下頁圖1 所示，液壓支架護(hù)幫板安裝在液壓支架前梁的端頭處，它可以通過前后的移動來控制護(hù)幫板與煤壁之間的間距，同時(shí)還能夠改變護(hù)幫板的傾角大小。

圖1 護(hù)幫結(jié)構(gòu)示意圖

由于井下工作面的工作環(huán)境惡劣，液壓支架常常會因?yàn)橛吐纷枞?、機(jī)械故障等原因，使得液壓支架前梁的回收距離達(dá)不到預(yù)期，亦或是回收護(hù)幫板時(shí)回收的角度大小不夠，就會出現(xiàn)液壓支架護(hù)幫板與采煤機(jī)滾筒發(fā)生截割干涉，此時(shí)工作人員必須及時(shí)采取一定的措施，如果采煤機(jī)滾筒抵達(dá)液壓支架的護(hù)幫板處，就會產(chǎn)生井下安全事故。

2.3 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上述井下安全事故發(fā)生的實(shí)質(zhì)就是兩種設(shè)備在工作時(shí)由于沒有協(xié)調(diào)好，使得某個(gè)部分在同一位置發(fā)生碰撞，所以，為了達(dá)到對截割干涉狀態(tài)的監(jiān)控目的，需要實(shí)時(shí)了解滾筒和護(hù)幫板的相對空間位置信息。本文針對液壓支架護(hù)幫板和采煤機(jī)滾筒設(shè)計(jì)了一套截割干涉監(jiān)測系統(tǒng)，這種監(jiān)測系統(tǒng)是在機(jī)器視覺技術(shù)的基礎(chǔ)上來推算護(hù)幫板的位置，采用PLC 控制器來獲取采煤機(jī)的位置信息與截割的深淺，采用液壓支架電液控制系統(tǒng)，獲取液壓支架的推動距離和支架高度，從而建立滾筒與護(hù)幫板的空間相對位置模型，來實(shí)現(xiàn)截割干涉狀態(tài)的監(jiān)控效果。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)總體設(shè)計(jì)

在液壓支架的護(hù)幫板處設(shè)置監(jiān)控?cái)z像頭，主要作用是對護(hù)幫板的圖像進(jìn)行收集；將位移傳感裝置與角度傳感裝置設(shè)置在伸縮前梁處；其他的支架信息以及采煤機(jī)的信息就由數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行處理。

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的具體工作則是在接收信息后，針對護(hù)幫板的監(jiān)控錄像進(jìn)行圖像增加、相關(guān)要素的提取以及具體位置的推算工作，將實(shí)驗(yàn)推算出的護(hù)幫板的位置情況以及支架的情況、采煤機(jī)滾筒具體信息進(jìn)行空間相對位置模型的建立，從而驗(yàn)證截割干涉監(jiān)測系統(tǒng)的具體效果，具體流程如圖2 所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)總體流程圖

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

本次實(shí)驗(yàn)總共分成兩個(gè)步驟，首先就是收集液壓支架護(hù)幫板的位置信息，其次對收到的護(hù)幫板位置信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。實(shí)驗(yàn)步驟如下：

3.2.1 液壓支架護(hù)幫板位置信息的收集工作

工作人員將護(hù)幫板的傾角大小進(jìn)行調(diào)整，將角度調(diào)整到90°。操縱前梁的千斤頂，讓護(hù)幫板的移動距離慢慢從0 變成0.06 m。在工人調(diào)整護(hù)幫板的時(shí)候收集監(jiān)控圖像，與此同時(shí)通過位移傳感裝置以及角度傳感裝置來對護(hù)幫板的位置及傾角大小信息進(jìn)行收集。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)位姿信號處理

為了驗(yàn)證本次實(shí)驗(yàn)的效果，將收集到的護(hù)幫板監(jiān)控圖像進(jìn)行篩選，然后進(jìn)行每張圖像的均衡化以及同種形態(tài)濾波的圖像強(qiáng)化工作，并且與本文實(shí)驗(yàn)推測的結(jié)果進(jìn)行對比。然后在收集到的護(hù)幫板位置信息數(shù)據(jù)中自由選取40 組，并且對選取的每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像增加、相關(guān)要素的提取以及具體位置的推算工作，由此就可以得到理論的護(hù)幫板位移距離大小以及傾角的大小，如圖3 所示，同時(shí)將所得結(jié)果與傳感裝置收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，達(dá)到驗(yàn)證的效果。

圖3 護(hù)幫板與滾筒的相對位置模型

在本次實(shí)驗(yàn)中，針對護(hù)幫板監(jiān)控圖像進(jìn)行了圖像增強(qiáng)、相關(guān)要素的提取以及具體位置的推算工作，從而得到液壓支架護(hù)幫板與采煤機(jī)滾筒之間的截割干涉狀態(tài)。當(dāng)采煤機(jī)靠近液壓支架時(shí)，如果液壓支架護(hù)幫板與采煤機(jī)滾筒之間的截割干涉相對安全，則不會受到監(jiān)控和警告；如果上述的狀態(tài)變得緊迫，那么采煤機(jī)就會收到立即減速的指令；如果上述的狀態(tài)變得危險(xiǎn)，那么采煤機(jī)會立即停止工作等待工作人員檢查，實(shí)現(xiàn)截割干涉的監(jiān)測目的[3]。

4 結(jié)語

液壓支架和采煤機(jī)都是綜采工作面生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備，當(dāng)它們與刮板輸送機(jī)共同完成采煤工作時(shí)產(chǎn)生的截割干涉情況無時(shí)無刻不危及煤礦井下的安全生產(chǎn)工作，同時(shí)它又是制約煤礦井下智能化發(fā)展的重要因素。因此針對液壓支架護(hù)幫板與采煤機(jī)的截割干涉展開監(jiān)測工作是非常有意義的，其不僅可以使綜采工作面的工作人員避免由于設(shè)備損壞造成的傷害，還能推動井下智能化開采技術(shù)。