＊郝武強

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉中有限公司 山西 030600）

回采工作面的采煤效率由液壓支架、采煤機以及刮板運輸機的共同施工效率決定。目前，多數(shù)煤礦中“三機”之間均為獨立操作。三者之間獨立操作不僅需要大量的井下工人輔助作業(yè)，同時也降低了采煤效率[1]。煤炭開采過程中井下各單位之間通常采用擴音電話、喊話的方式進(jìn)行通信，不僅導(dǎo)致信息傳遞慢，而且抗干擾能力差，該類配合方式效率低而且存在一定的安全隱患[2-3]。綜采智能化、協(xié)同化發(fā)展才是煤礦井下未來開采的發(fā)展方向，實現(xiàn)采煤機與液壓支架的協(xié)同控制不僅可以減小井下施工人員數(shù)量，而且可以根據(jù)傳感器實時反饋的支護(hù)參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)及時調(diào)整煤炭開采與支護(hù)工藝，提高煤炭的高效開采與安全開采。因此，本文以采煤機與液壓支架協(xié)同控制技術(shù)為研究背景，通過優(yōu)化程序控制以及數(shù)據(jù)交互傳輸之間協(xié)同工作，最大程度的發(fā)揮井下綜采設(shè)備性能。

1.協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

(1)協(xié)調(diào)控制要求

采煤機與液壓支座協(xié)調(diào)控制可以確保高效采煤效率。采煤機的預(yù)定位置決定著支架的推溜，在采煤掘進(jìn)過程中采煤機的牽引速度應(yīng)當(dāng)考慮刮板運輸機的運載能力，同時結(jié)合采煤機自身的切割能力、煤層硬度、滾筒割煤進(jìn)深以及支架的推移速度。目前，采煤機割煤牽引速度與液壓支架的推溜分布進(jìn)行，嚴(yán)重影響了整體的采煤效率[4]。為了提高綜采工作面的采煤效率，提出了采煤機與液化支架協(xié)同控制技術(shù)，可以通過式（1）進(jìn)行控制。

其中，cv為采煤機牽引速度，m/min；mQ為刮板輸送機運載能力，kg/min；Kg為刮板輸送機運載擾動系數(shù)，取0.9～1.1；m為采煤高度，m；S為滾筒截割進(jìn)尺深度，mm；γ為煤層密度，kg/m3；C為煤炭采出率，取0.85～0.9。

利用傳感器裝置及時獲取采煤機的牽引速度、油箱儲量和溫度以及各機電的電流參數(shù)等，將上述參數(shù)上傳及存儲至主控制器，通過傳感器監(jiān)測采煤機位置，根據(jù)設(shè)定的控制流程完成液壓支架的升架、降架及推架等工序；在綜采工作面持續(xù)回采過程中液壓支架的移動能力應(yīng)與采煤牽引力相匹配，確保采煤機與液化支架高效協(xié)同工作。采煤過程中應(yīng)當(dāng)在確保整個系統(tǒng)安全、可靠的情況下持續(xù)監(jiān)測刮板運輸機驅(qū)動裝置的功率。通過改變采煤機的牽引速度確保刮板運輸機始終在額定的功率正常運轉(zhuǎn)。各控制部分提取存儲采煤機控制器內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)合各自獨立的算法程序進(jìn)行處理計算，進(jìn)而控制各機構(gòu)協(xié)調(diào)、安全的工作。采煤機的主控制器與采煤機控制器相連接，可以相互傳遞數(shù)據(jù)。采煤機各部位傳感器采集到的數(shù)據(jù)也可以傳遞至主控制器，這樣就可以形成各機構(gòu)與主控制器之間的實時交互。有效地減少綜采工作面人員的數(shù)量，提高了采煤效率。

(2)協(xié)調(diào)控制方案與布局

采煤機與液化支架協(xié)調(diào)控制可以分為地面主控制層、巷道控制層以及設(shè)備控制，整個系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與總體布局如圖1所示。地面的主控制系統(tǒng)主要根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，并將處理的數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程操縱指令下達(dá)給各個機構(gòu)，確保采煤機的牽引速度與液壓支架的移動速度相吻合。航道數(shù)據(jù)控制層的作用是實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與控制命令的實時交互，將地面主控制層的指令下達(dá)給各個機構(gòu)，同時將各個機構(gòu)采集的數(shù)據(jù)存儲并上傳至地面主控制器，通過這種方式實現(xiàn)對各設(shè)備的聯(lián)動控制。終端設(shè)備即為液壓支架、刮板運輸機和采煤機的各類控制機構(gòu)及其相應(yīng)的傳感器，主要的功能是負(fù)責(zé)工作面的掘進(jìn)、數(shù)據(jù)的監(jiān)測、傳輸以及執(zhí)行巷道控制器下達(dá)的動作指令。

圖1 協(xié)同控制系統(tǒng)總體布局圖

2.采煤與液壓支架協(xié)調(diào)控制原理

(1)采煤機協(xié)調(diào)控制

采煤機是綜采工作面的主要設(shè)備，負(fù)責(zé)將煤層切割。運行在工作面最前端，采煤機的運行效率直接影響著綜采工作面的產(chǎn)量。因為工作面環(huán)境復(fù)雜，偶爾有瓦斯噴涌、運行載荷較大，運行時關(guān)鍵部位極易出現(xiàn)過載現(xiàn)象。最主要的是采煤機與液壓支架的分布操作也導(dǎo)致了工作面采煤效率低下。對原有的液壓支架進(jìn)行編號，確定采煤機具體的位置信息與牽引速度，將紅外傳感器安裝在采煤機與各個液壓支架上面。采煤掘進(jìn)過程中液壓支架上面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測的數(shù)據(jù)傳遞到主控制器，結(jié)合綜采工作面煤層傾角、煤厚和頂板巖石硬度，相應(yīng)的提出不同的綜采施工工藝。巷道控制層將各個工藝進(jìn)行編號，記錄并反饋各個施工工藝。當(dāng)前面一個施工工藝完成后，采煤機及相應(yīng)的設(shè)備暫停確認(rèn)下一步操作工藝，根據(jù)指令調(diào)整切割位置以及切割深度和速度。

(2)液壓支架電液控制協(xié)同控制

液壓支架與刮板運輸機、采煤機結(jié)合使用，確保綜采工作面頂板的穩(wěn)定，確保工作面工人與采煤機械有足夠的工作空間。防止頂板上部巖層發(fā)生蠕變或坍塌進(jìn)入工作面，并為整個巷道提高充足的通風(fēng)斷面，實現(xiàn)頂板支護(hù)、切頂、移架、升架和降架等支護(hù)操作。液壓支架通過主控制器得到采煤機的位置、施工工藝、掘進(jìn)參數(shù)等信息后，將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至主控制器進(jìn)行計算整合，接著控制器向液壓支架發(fā)送指令，位于綜采工作面的終端液壓支架液壓油缸完成升架或移架的指令。

液壓支架電液控制系統(tǒng)可以確保液壓支架在得到主控制器的指令后完成相應(yīng)的支護(hù)工序。電液控制系統(tǒng)主要包含壓力傳感器、位移傳感器、液壓油缸、支架控制器、電磁閥驅(qū)動器和液壓支架臂等。通過對各個支架以及相應(yīng)的支架控制器進(jìn)行編號可以完成相應(yīng)的支架控制，通過與主控制器的總線互聯(lián)通，形成綜采工作面液壓支架電液控制。協(xié)同工作時傳感器首先將采煤機的掘進(jìn)參數(shù)、煤層參數(shù)采集并上傳至主控制器，主控制器根據(jù)采集的參數(shù)采掘及煤層參數(shù)，通過相應(yīng)的控制算法得到相應(yīng)的支護(hù)工藝及支護(hù)方法[5]。液壓支架控制系統(tǒng)工作時，通過電磁驅(qū)動器控制液壓油缸的壓力，推移千斤頂?shù)耐七M(jìn)距離和采煤機的具體位置信息。

在此期間，位移傳感器、壓力傳感器和視頻攝像機實時監(jiān)控液壓油缸的支護(hù)壓力，千斤頂?shù)耐七M(jìn)距離、支架的支護(hù)形態(tài)，傳感器實時的將位移、壓力與液壓支架的支護(hù)形態(tài)信息傳遞給主控制器，處理器根據(jù)液壓支架傳感器反饋的支護(hù)參數(shù)與發(fā)出指令進(jìn)行對比分析，判斷發(fā)出的支護(hù)指令與接收支護(hù)指令之間的差異。通過傳感器與處理器之間的交互數(shù)據(jù)，可以現(xiàn)場支護(hù)參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)了煤層情況與頂板巖層硬度實時調(diào)整的支護(hù)方法。支架控制器是整個協(xié)同控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，根據(jù)預(yù)定的編程控制系統(tǒng)控制電磁閥的工作，從而控制液壓支架完成相應(yīng)的支護(hù)工藝。布置在液壓支架的傳感器獲得的信息經(jīng)過數(shù)據(jù)與圖像處理與分析，然后控制液壓支架完成設(shè)定的支護(hù)壓力與支護(hù)動作。這樣就實現(xiàn)采煤機與液壓支架的協(xié)同工作。地面顯示器可以實時的反映液壓支架的支護(hù)參數(shù)與支護(hù)姿態(tài)，液壓支架的支護(hù)數(shù)據(jù)通過巷道控制層可以傳輸至地面控制層與工作面控制中心，地面調(diào)度人員也可以實時的監(jiān)視綜采面的掘進(jìn)與支護(hù)工作。

(3)液壓支架控制系統(tǒng)通訊

協(xié)同控制系統(tǒng)需要諸多設(shè)備協(xié)同工作，采取地面與井下兩種通信形式可以實現(xiàn)“液壓支架、刮板運輸機和采煤機”協(xié)同工作井下通信。采用RS485交叉、串口通信，協(xié)調(diào)控制器與運輸機、支架及采煤機等系統(tǒng)通信，可以將各設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與整合。地面通信：地面與井下通訊通過以太網(wǎng)互聯(lián)，通過網(wǎng)絡(luò)交換機進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，實現(xiàn)地面與井下設(shè)備交互傳輸。通信總線：總線通訊距離決定總線的選擇形式，實際施工過程中因存在瓦斯突涌、強電設(shè)備干擾等因素，通信信息指令的相應(yīng)時間應(yīng)為毫秒數(shù)量級。重要的是通信總線應(yīng)確保安全可靠，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定具有一定的抗干擾能力。總線的選擇應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮獨立供電方式，可以保證數(shù)據(jù)傳輸不會間斷，接線方式簡單維修便捷，系統(tǒng)資源占用少，同時具備很好的校錯能力，接口簡潔而且開放性較好。使用者僅需要在用戶層面開發(fā)通訊程序，不需要復(fù)雜的編程工作，方便礦井地面操作人員的使用與日常維護(hù)。使用現(xiàn)場總線作為液壓支架電液控制協(xié)同系統(tǒng)的總線，CAN的節(jié)點線路之間不分主次即可實現(xiàn)多主線通訊。

(4)協(xié)同工作控制程序

采煤機與液壓支架及刮板運輸機的控制程序為模塊化結(jié)構(gòu)。啟停程序可以控制刮板運輸機、采煤機與液壓支架等的順序啟停。采煤機的牽引程序可以控制采煤機的割煤深度、牽引速度和姿態(tài)調(diào)整；液壓支架可以根據(jù)主程序中采煤機的掘進(jìn)參數(shù)、位置進(jìn)行輔助支護(hù)作業(yè)，確保采煤機掘進(jìn)后液壓支架及時進(jìn)行支護(hù)處理，提高綜采工作面采煤效率。支架控制程序也是協(xié)同控制系統(tǒng)的重要部分，主要是完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和報警等子程序。主控制器和支架控制器之間可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，可以實現(xiàn)地面控制層對終端采煤機的控制。圖2為協(xié)同控制程序邏輯關(guān)系圖。

圖2 協(xié)同控制邏輯關(guān)系圖

(5)工作效率評價

將采煤機、液壓支架協(xié)調(diào)自動控制系統(tǒng)應(yīng)用到某煤礦3506綜采工作面，現(xiàn)場應(yīng)用過程中取得了良好的應(yīng)用效果。在未使用協(xié)同自動控制協(xié)同時，綜采工作面需要安排至少6名現(xiàn)場作業(yè)人員輔助施工，采用協(xié)同控制自動控制后輔助人員僅僅2名即可滿足要求。同時通過采煤機與液壓支架的協(xié)同作用，將煤炭的日開采效率提升了5.2%。降低施工人員數(shù)量的同時提高了回采工作面的安全性以及開采效率。該煤礦3506綜采工作面系統(tǒng)應(yīng)用前，采面煤炭產(chǎn)量約為10.3萬噸/月，應(yīng)用后煤炭產(chǎn)量增至12.8萬噸/年，可明顯提高采面生產(chǎn)效率。

3.結(jié)語

采煤機與液壓支架協(xié)同高效作業(yè)時提高煤炭開采效率的有效技術(shù)手段，提高設(shè)備協(xié)同控制能力對煤炭的高效安全開采具有非常重要的意義。為了提高綜采工作面的開采效率提出了一種采煤機與液壓支架協(xié)同控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了位移傳感器、壓力傳感器、紅外攝像頭等可以實時的將采煤掘進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸至地面主控制器；通過相應(yīng)的控制程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提供相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。地面控制層、巷道控制層以及回采工作面設(shè)備終端通過控制器、RS485通信方式將采煤機與液壓支架系統(tǒng)之間協(xié)同工作。系統(tǒng)應(yīng)用前，采面煤炭產(chǎn)量約為10.3萬噸/月，應(yīng)用后煤炭產(chǎn)量增至12.8萬噸/年，可明顯提高采面生產(chǎn)效率。