張 磊

（山西霍爾辛赫煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 長子 046600）

引言

隨著以采煤機(jī)為代表的自動化綜采設(shè)備的不斷投入使用，極大提升了煤礦井下的綜采作業(yè)效率，但由于煤礦井下地質(zhì)條件和綜采作業(yè)環(huán)境相對復(fù)雜，因此目前采煤機(jī)的截割作業(yè)主要依靠人工控制，容易出現(xiàn)因人工操作失誤而導(dǎo)致的采煤機(jī)截割故障。同時在井下綜采作業(yè)過程中液壓支架需要根據(jù)采煤機(jī)的綜采作業(yè)進(jìn)度來不斷地調(diào)整支護(hù)姿態(tài)，人工調(diào)節(jié)存在著效率低、精度差、安全性不足的難題，因此也在一定程度上限制了采煤機(jī)的綜采作業(yè)效率[1]。

結(jié)合自動化控制技術(shù)的發(fā)展，本文提出了一種新的煤礦自動化安全綜采技術(shù)，該技術(shù)的核心是在實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動綜采作業(yè)控制的基礎(chǔ)上再建立一套采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)自動化聯(lián)合控制系統(tǒng)，以采煤機(jī)為自動控制的參考對象，實(shí)現(xiàn)液壓支架、刮板輸送機(jī)隨著采煤機(jī)的綜采不斷調(diào)整工作狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)“三機(jī)”的自動化聯(lián)動運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，該自動化安全綜采技術(shù)，將井下綜采效率提升了17.3%，將作業(yè)面人為安全事故數(shù)量降低了88.3%，極大地提升了煤礦井下綜采作業(yè)的經(jīng)濟(jì)性和安全性。

1 采煤機(jī)記憶截割控制

煤礦井下地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此要實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動截割控制，最重要的是要搭建采煤機(jī)的自動識別和路徑規(guī)劃控制邏輯，在對視頻遠(yuǎn)程控制、記憶截割控制等方案進(jìn)行分析后，最終確定采用記憶截割控制的方式來實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)的自動綜采作業(yè)。該控制方式首先由人工控制采煤機(jī)進(jìn)行截割，由存儲系統(tǒng)對截割作業(yè)過程中采煤機(jī)的截割軌跡和參數(shù)進(jìn)行記錄，當(dāng)進(jìn)入自動截割控制模式后，系統(tǒng)自動調(diào)取存儲的截割參數(shù)，控制采煤機(jī)進(jìn)行自動截割作業(yè)，該記憶截割控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示[2]。

圖1 采煤機(jī)記憶截割控制系統(tǒng)示意圖

由圖1 可知，該控制系統(tǒng)主要包括檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元三個部分，模塊化程度高。檢測單元主要是由分布在采煤機(jī)上的各類傳感器構(gòu)成，主要用于對采煤機(jī)的截割參數(shù)、采煤機(jī)截割姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，通過各個油缸的伸縮量獲取采煤機(jī)在截割作業(yè)時的截割高度、截割軌跡。對截割作業(yè)時截割電流的監(jiān)控可以對煤巖的硬度變化情況進(jìn)行監(jiān)測，從而能夠自動調(diào)整采煤機(jī)截割時的截割轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度，在保證截割安全的前提下提升采煤機(jī)的截割效率。

在掘進(jìn)作業(yè)過程中，首先由人工控制采煤機(jī)進(jìn)行綜采作業(yè)，在截割的過程中檢測單元對采煤機(jī)的截割姿態(tài)和參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定并存儲，當(dāng)開始進(jìn)行自動截割作業(yè)時，系統(tǒng)調(diào)取存儲的截割參數(shù)信息，經(jīng)比例放大器進(jìn)行信號放大后向采煤機(jī)的執(zhí)行單元發(fā)出調(diào)節(jié)控制信號，進(jìn)而控制采煤機(jī)的搖臂和截割機(jī)構(gòu)進(jìn)行自動截割運(yùn)行，并在截割作業(yè)過程中及時對截割姿態(tài)進(jìn)行修正，提升采煤機(jī)綜采作業(yè)的精度。

2 “三機(jī)”聯(lián)動運(yùn)行控制系統(tǒng)

采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)是煤礦井下綜采作業(yè)的“三機(jī)”[3]，在綜采作業(yè)過程中采煤機(jī)不斷向前進(jìn)行截割作業(yè)，液壓支架需要根據(jù)采煤機(jī)的不同位置進(jìn)行跟機(jī)支護(hù)作業(yè)，采煤機(jī)截割下來的煤炭需要通過刮板輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸。由此可知，液壓支架、刮板輸送機(jī)的運(yùn)行均是以采煤機(jī)的運(yùn)動狀態(tài)為參考的，因此“三機(jī)”聯(lián)動運(yùn)行控制的基本原理也是通過對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測，來發(fā)出調(diào)控信號，實(shí)現(xiàn)對液壓支架、刮板輸送機(jī)的控制，滿足綜采“一個流”的連續(xù)作業(yè)模式，該“三機(jī)”聯(lián)動運(yùn)行控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2 所示[4]。

圖2 “三機(jī)”聯(lián)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖2 可知，該聯(lián)動控制系統(tǒng)主要包括地面管理層、巷道監(jiān)控層以及設(shè)備層三個部分，地面管理層主要是數(shù)據(jù)控制中心，用于顯示井下“三機(jī)”的運(yùn)行狀態(tài)，同時控制人員能夠在操作臺前進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)控，滿足不同情況下的遠(yuǎn)程調(diào)控需求。

巷道監(jiān)控層，該層是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要包括井下監(jiān)控中心、聯(lián)動控制器、不間斷電源等，在該處能夠?qū)崿F(xiàn)對井下綜采現(xiàn)場的可視化監(jiān)測，對各監(jiān)控傳感器的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和分析，對綜采作業(yè)面的實(shí)際情況進(jìn)行判斷，并發(fā)出調(diào)控指令，聯(lián)動控制器接收到調(diào)節(jié)控制指令后將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給各支架控制器、采煤機(jī)及刮板輸送機(jī)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對“三機(jī)”運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時調(diào)控。

設(shè)備層，是整個控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)層，主要是包括各類傳感器設(shè)備及支架控制器，主要用于對采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并將數(shù)據(jù)傳輸給聯(lián)動控制器，為系統(tǒng)的決策提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息。

3 液壓支架聯(lián)動控制

液壓支架是煤礦井下支護(hù)作業(yè)的核心，該自動化安全綜采系統(tǒng)中，對液壓支架組支護(hù)狀態(tài)和安全的控制主要是由支架控制系統(tǒng)來完成的，用于實(shí)現(xiàn)液壓支架的跟機(jī)自動運(yùn)行，保證液壓支架支護(hù)時的支護(hù)穩(wěn)定性。該支架控制系統(tǒng)主要包括傳感器、支架控制器等，該系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同的支架控制器之間采用隔離耦合器進(jìn)行連接，滿足不同支護(hù)情況下的使用需求，該液壓支架聯(lián)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示[5]。

由圖3 可知，該控制系統(tǒng)的核心為支架控制器[6]，不同的支架控制器之間通過總線連接，由分布在液壓支架、采煤機(jī)上的紅外傳感器對支架、采煤機(jī)的相對位置進(jìn)行判斷，然后根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)的控制邏輯發(fā)出調(diào)節(jié)控制信號，由電磁閥驅(qū)動器來驅(qū)動電磁閥組的動作，控制對應(yīng)的液壓支架進(jìn)行調(diào)整，滿足液壓支架的跟機(jī)自動運(yùn)行的控制需求。在液壓支架的支護(hù)過程中，壓力傳感器對液壓支架的支護(hù)壓力進(jìn)行及時調(diào)整，保持支護(hù)壓力的穩(wěn)定性，避免液壓支架因漏油或者礦壓波動而導(dǎo)致的支護(hù)失穩(wěn)現(xiàn)象，有效提升液壓支架組在整個支護(hù)過程中的支護(hù)穩(wěn)定性和可靠性。

圖3 液壓支架聯(lián)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

4 應(yīng)用可靠性分析

該自動化安全綜采技術(shù)應(yīng)用后，對應(yīng)用前后的綜采狀況進(jìn)行對比，結(jié)果表明，優(yōu)化后井下的綜采作業(yè)效率由最初的4.4 m/d，提升到了目前的5.16 m/d，綜采作業(yè)效率平均提升了17.3%，井下綜采面由于人工操作不規(guī)范導(dǎo)致的安全事故數(shù)量由最初的1.37 次/d，降低到了目前的0.16 次/d，降低了88.3%，對提升煤礦井下綜采作業(yè)效率和安全性具有十分重要的意義，該自動化安全綜采系統(tǒng)界面如圖4 所示。

圖4 自動化安全綜采系統(tǒng)界面示意圖

5 結(jié)論

針對煤礦井下自動化綜采程度低、綜采經(jīng)濟(jì)性和安全性低的問題，提出了一種煤礦自動化安全綜采技術(shù)，對煤礦井下采煤機(jī)自動截割控制及“三機(jī)”聯(lián)動控制方案進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

1）記憶截割控制系統(tǒng)，主要包括檢測單元、控制單元、執(zhí)行單元三個部分，模塊化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)采煤機(jī)在井下的自主截割作業(yè)；

2）“三機(jī)”聯(lián)動運(yùn)行控制是通過對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測來發(fā)出調(diào)控信號，實(shí)現(xiàn)對液壓支架、刮板輸送機(jī)的控制，滿足綜采“一個流”的連續(xù)作業(yè)模式，提高了井下綜采作業(yè)的自動化程度；

3）新的控制系統(tǒng)，將井下綜采效率提升了17.3%，將作業(yè)面人為安全事故數(shù)量降低了88.3%，對提升綜采作業(yè)安全性具有十分重要的意義。