孫 亮

(山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦,山西 呂梁 033000)

1 工程概況

木瓜煤礦二盤所開采煤層為石炭系下統(tǒng)太原組的9+10#(合并層)煤層,煤層硬度為2～3,宏觀煤巖類型為半亮型、玻璃光澤、階梯狀斷口、中厚層狀;賦存較穩(wěn)定,無明顯變化,綜采工作面煤層傾角3°～9°,平均6°。設(shè)備配套詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

應(yīng)用于綜采智能化工作面的乳化液智能供液技術(shù)、支架電液控制技術(shù)、采煤機(jī)智能化監(jiān)控技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)、綜采集中控制技術(shù)日漸成熟[1],綜采智能化工作面逐步向“有人巡視,無人操作”的方向進(jìn)行探索。受現(xiàn)場地質(zhì)條件、設(shè)備條件、應(yīng)用環(huán)境、人員素質(zhì)差異的影響,智能化開采技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用情況參差不齊。在智能化開采過程中,采煤機(jī)自動(dòng)截割率、支架自動(dòng)跟機(jī)率[2]在中部割煤所受的外部條件影響相對較小時(shí),可判定智能化率較高。但現(xiàn)階段,木瓜礦在割三角煤區(qū)域時(shí)智能化率較低,有些智能化綜采工作面在處理三角煤工藝時(shí),中間段完成后進(jìn)入端頭端尾時(shí)需要人工切換工藝段[3]。本文以智能化系統(tǒng)現(xiàn)場割煤為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),通過深入分析端頭、端尾割三角煤時(shí)受工作面起伏、工作面支架直線度、工作面刮板上竄下滑、傳感器采樣累積誤差影響導(dǎo)致三角煤智能化率低的原因,并進(jìn)行優(yōu)化,同時(shí)應(yīng)用于現(xiàn)場實(shí)踐,探討提高木瓜煤礦大采高智能化工作面三角煤工藝區(qū)域智能化率的可行性,并得出提高綜采工作面智能化率的具體方法。

2 三角煤工藝現(xiàn)場實(shí)踐現(xiàn)狀及問題分析

采煤機(jī)的自動(dòng)截割原理:采煤機(jī)的行走軌跡是根據(jù)刮板輸送機(jī)的導(dǎo)軌走向來確定的[4],采煤機(jī)智能化系統(tǒng)記錄當(dāng)前坐標(biāo)下的采煤機(jī)的實(shí)時(shí)前后搖臂高度和速度等信息,以采煤機(jī)相對刮板輸送機(jī)的位置為X坐標(biāo)軸,采煤機(jī)各類實(shí)時(shí)參數(shù)(包括搖臂高度、速度)為Y坐標(biāo)軸建立坐標(biāo)系。現(xiàn)場學(xué)習(xí)刀[5],即通過有經(jīng)驗(yàn)的采煤機(jī)司機(jī)進(jìn)行示范割煤,采煤機(jī)智能化系統(tǒng)記錄相關(guān)參數(shù)(采煤機(jī)牽引速度、左搖臂高度、右搖臂高度)。記憶截割,即讀取采煤機(jī)智能化系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)割煤。木瓜煤礦智能化工作面平均采高為6.5 m,安裝有滾筒Φ3.2 m的大功率采煤機(jī),工作面安裝有電液控支架,長壁式一次采全高模式開采。割三角煤區(qū)域期間較中部割煤期間的工藝更加復(fù)雜,具體見圖1和圖2所示。由于采煤機(jī)精準(zhǔn)割透煤壁以及超前兩巷機(jī)械設(shè)備眾多,限制條件較多,需要較多的人工干預(yù),現(xiàn)場采煤機(jī)自動(dòng)截割率如圖3所示,支架自動(dòng)跟機(jī)率如圖4所示。

1-中部自動(dòng)移架過后切換為端尾斜切第一階段;2-采煤機(jī)到達(dá)機(jī)尾返刀后切換為第二階段;3-采煤機(jī)越過斜切架切換成第三階段;4-采煤機(jī)割透煤壁返回中部第四階段圖1 采煤機(jī)端尾割煤工藝Fig.1 Coal cutting process at the tail end of coal mining machine

1-中部自動(dòng)移架過后切換為端頭斜切第一階段;2-采煤機(jī)到達(dá)機(jī)頭返刀后切換為第二階段;3-采煤機(jī)越過斜切架切換成第三階段;4-采煤機(jī)割透煤壁返回中部第四階段圖2 采煤機(jī)端頭割煤工藝Fig.2 Coal cutting process at the head end of coal mining machine

圖3 工藝優(yōu)化前木瓜礦208工作面采煤機(jī)自動(dòng)截割率Fig.3 Automatic cut-off rate of coal mining machine in 208 working face of Mugua Mine before process optimization

圖4 工藝優(yōu)化前木瓜礦208工作面支架自動(dòng)跟機(jī)率Fig.4 Automatic follow-up rate of support in 208 working face of Mugua Mine before process optimization

2.1 實(shí)踐中存在的問題

2.1.1采煤機(jī)與煤壁相對位置誤差

采煤機(jī)執(zhí)行自動(dòng)截割的精度取決于工作面刮板輸送機(jī)與煤壁的相對位置。智能化綜采工作面在執(zhí)行記憶截割時(shí),經(jīng)多個(gè)循環(huán)后會出現(xiàn)在割三角煤過程中割不透煤壁或超挖等由于精度原因造成的誤差,如果不經(jīng)過人工干預(yù)容易出現(xiàn)工作面煤壁沒有破開或出現(xiàn)采煤機(jī)滾筒割到設(shè)備的情況,而且這種誤差在記憶截割的割煤方式下會隨著工作面的推進(jìn),受地質(zhì)條件變化、工作面平直度等因素的影響越來越明顯,需要人工干預(yù)的次數(shù)越來越多,且此時(shí)再錄入學(xué)習(xí)刀后,由于現(xiàn)場條件限制,記憶截割效果依舊不理想。

2.1.2編碼器自身精度問題

由于現(xiàn)場使用的旋轉(zhuǎn)編碼傳感器多為機(jī)械結(jié)構(gòu)編碼器(見圖5),采煤機(jī)通過旋轉(zhuǎn)編碼傳感器給出采煤機(jī)的相對位置與速度,工作面起伏、直線度均會影響相對位置的采集精度[6]。在端頭或端尾處是整刀煤精度的最終表現(xiàn),如果存在正誤差,即出現(xiàn)超挖情況,這時(shí)候如果沒有人工干預(yù)可能會出現(xiàn)采煤機(jī)滾筒割到其他機(jī)械設(shè)備的可能;如果存在負(fù)誤差,即出現(xiàn)采煤機(jī)滾筒無法割透煤壁的情況,也需要增加人工干預(yù)。無論是正誤差還是負(fù)誤差都會增加理論上的人工干預(yù)次數(shù),降低自動(dòng)截割率。

圖5 采煤機(jī)編碼器布置圖Fig.5 Encoder layout of coal mining machine

2.1.3多個(gè)循環(huán)下的累積誤差

采煤機(jī)在長時(shí)間運(yùn)行后可能會偏離其預(yù)定軌跡或操作區(qū)域,從而導(dǎo)致操作不準(zhǔn)確,引發(fā)安全問題。采煤機(jī)自動(dòng)截割過程中由于累積誤差的存在,會導(dǎo)致截割滾筒的高度和角度與煤壁的相對位置不匹配,影響截割效率和質(zhì)量。由于采煤機(jī)在中部割煤時(shí),煤壁的變化具有漸變的特點(diǎn),累積誤差對記憶割煤的影響不大,采煤機(jī)在割端頭端尾時(shí)將存在一個(gè)極限位置,在極限位置時(shí)采煤機(jī)會遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煤壁,如果不加控制,滾筒會割到設(shè)備造成現(xiàn)場事故。

2.1.4記憶截割折返點(diǎn)的確定

在三角煤割煤工藝中,采煤機(jī)第一次到達(dá)端頭端尾為割透,采煤機(jī)向中部行進(jìn)為掃底煤工藝,掃底煤工藝段完成后采煤機(jī)卸切進(jìn)刀由中部折返回端頭端尾。由于每次采煤機(jī)折返回端頭端尾的架號不固定或者由于煤未掃干凈(影響刮板輸送機(jī)推進(jìn))需要多次往返掃底煤,引起三角煤割煤工藝區(qū)段的誤變化,在此情況下設(shè)置端頭端尾與中部分界點(diǎn)進(jìn)行往返掃,會導(dǎo)致支架程序誤判為進(jìn)入下一個(gè)三角煤工藝。

2.2 現(xiàn)場實(shí)踐分析

2.2.1采煤機(jī)定位精度

采煤機(jī)割煤期間以刮板輸送機(jī)為位置參考,工作面的起伏變化、工作面直線度、工作面推進(jìn)過程中與上刀煤平行度的變化等,都會造成刮板輸送機(jī)相對于煤壁的位置發(fā)生偏移,這種偏移造成的采煤機(jī)記憶截割的定位誤差,將導(dǎo)致采煤機(jī)記憶截割參數(shù)中采煤機(jī)位置信息與采煤機(jī)牽引速度、左搖臂高度、右搖臂高度不匹配。在中部割煤期間,由于煤壁變化平緩,記憶截割現(xiàn)場效果影響不大,不構(gòu)成影響智能化率的主要因素;而在割三角煤區(qū)域期間,刮板輸送機(jī)與煤壁相對位置的精度誤差會直接影響煤壁是否能割透或超挖造成機(jī)械事故。

2.2.2參照物定位精度

采煤機(jī)的電機(jī)軸與牽引編碼器相連,牽引編碼器以齒輪嚙合的方式計(jì)算并獲取采煤機(jī)相對于刮板輸送機(jī)的位置。采煤機(jī)在刮板輸送機(jī)上的位置確定精度較高[7],但刮板輸送機(jī)相對于煤壁的位置受地質(zhì)條件等因素影響誤差較大,由此可知參照物定位容易出現(xiàn)問題。機(jī)械結(jié)構(gòu)的編碼器無法根據(jù)現(xiàn)場條件進(jìn)行在線校正,累積誤差易造成精度失控,編碼器本身并沒有問題,主要是地質(zhì)條件等外部因素造成參照物定位精度誤差不可控。

2.2.3采煤機(jī)限位裝置

采煤機(jī)在端頭端尾割煤時(shí),到達(dá)采煤機(jī)的限位裝置需要加設(shè)外在硬件限位裝置或軟限位裝置,保證在特殊情況下,采煤機(jī)不超過極限位置,并在限位裝置處對采煤機(jī)相對于機(jī)頭機(jī)尾的位置進(jìn)行校準(zhǔn),從而保證采煤機(jī)的定位精度,防止機(jī)械事故發(fā)生。另外由于大采高工作面支架容易上竄下滑,刮板輸送機(jī)會隨著支架上竄下滑,極限位置也因工作面實(shí)際條件而發(fā)生變化;在極端情況下可采用采煤機(jī)與端頭端尾的實(shí)測距離為參考值,來抵消工作面起伏過大或直線度不高造成的誤差。

2.2.4采煤機(jī)折返點(diǎn)的判斷及支架自動(dòng)跟機(jī)率

由于割三角煤期間支架進(jìn)行自動(dòng)跟機(jī)作業(yè),而設(shè)定的端頭端尾的架號是一定的,現(xiàn)場實(shí)踐中割煤沒有割透或煤量較大需要掃煤時(shí)采煤機(jī)應(yīng)及時(shí)折返作業(yè),此時(shí),采煤機(jī)將位置變化信息傳給支架,支架容易出現(xiàn)誤判,導(dǎo)致支架的跟機(jī)作業(yè)操作動(dòng)作超前或滯后。由于采煤機(jī)折返點(diǎn)的變化,原定折返點(diǎn)也會發(fā)生變化,易產(chǎn)生采煤機(jī)沒有割到的情況,也易產(chǎn)生采煤機(jī)超過折返點(diǎn)多割的情況,工藝段的誤變化會導(dǎo)致出現(xiàn)刮板輸送機(jī)推不動(dòng)的情況,發(fā)生這種情況的主要原因是掃煤不干凈,而多次往返掃煤或進(jìn)行人工操作采煤機(jī)未到折返點(diǎn)時(shí)強(qiáng)行折返進(jìn)入下一工藝段,導(dǎo)致產(chǎn)生折返點(diǎn)的變化與固定折返點(diǎn)的矛盾。

綜上分析,采煤機(jī)在割三角煤時(shí)位置的確定、誤差的消除、極限位置、折返點(diǎn)受制于工作面的起伏變化、工作面直線度等現(xiàn)場條件,采煤機(jī)與煤壁相對位置的確定基于開環(huán)控制,沒有對反饋信息進(jìn)行及時(shí)修正。由于現(xiàn)場地質(zhì)條件不斷發(fā)生變化以及累積誤差的存在,將會影響記憶截割精度,需要在關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行人工干預(yù),降低了三角煤區(qū)域的智能化率。

3 三角煤工藝現(xiàn)場優(yōu)化設(shè)計(jì)

1)對采煤機(jī)傳感器增加動(dòng)態(tài)校正功能。通過在采煤機(jī)割透位置、固定位置等關(guān)鍵點(diǎn)增加額外傳感器[8],對采煤機(jī)相對于煤壁的位置進(jìn)行多點(diǎn)校正,消除采煤機(jī)因工作面的起伏變化、工作面直線度、工作面推進(jìn)過程中上刀煤平行度等變化造成的累積誤差。在采煤機(jī)智能化系統(tǒng)中增加在線校正功能,保證能夠及時(shí)調(diào)整可預(yù)見誤差。

2)對編碼器進(jìn)行優(yōu)化。一是使用電子式位置傳感器,可以在采煤機(jī)割煤期間在線進(jìn)行調(diào)整,也可以對刮板輸送機(jī)與煤壁的相對位置進(jìn)行人工校正,在采煤機(jī)進(jìn)端頭端尾之前對采煤機(jī)與煤壁的相對位置進(jìn)行再一次校正,保證端頭端尾精度的要求。二是可以使用更先進(jìn)的編碼器,例如磁性旋轉(zhuǎn)編碼器,這種編碼器具有更高的精度和可靠性,能夠更好地適應(yīng)采煤機(jī)的工作環(huán)境。三是優(yōu)化編碼器的機(jī)械結(jié)構(gòu),使其對采煤機(jī)工作面起伏和直線度等因素的影響降到最低。四是增加編碼器的冗余度,使用多個(gè)編碼器對相對位置進(jìn)行測量,以提高精度和可靠性。五是通過使用自適應(yīng)算法對編碼器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和糾正,以提高其精度和可靠性。

3)安裝采煤機(jī)限位裝置。在采煤機(jī)身和擋煤板上安裝對位傳感器,當(dāng)傳感器對位時(shí)給采煤機(jī)發(fā)出極限位置信號,采煤機(jī)停止行進(jìn),保證采煤機(jī)不會因?yàn)檎`差造成超挖而割到端頭端尾的機(jī)械設(shè)備。擋煤板的對位傳感器可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際條件人工調(diào)整傳感器的位置,消除因各類因素造成的極限位置誤差,避免重大設(shè)備事故的發(fā)生。

4)設(shè)置折返點(diǎn)多重判斷機(jī)制,優(yōu)化支架跟機(jī)動(dòng)作流程。對于折返點(diǎn)不在固定位置,設(shè)置折返點(diǎn)的判斷區(qū)間。設(shè)置折返點(diǎn)區(qū)間與采煤機(jī)行進(jìn)方向的聯(lián)合判斷機(jī)制。如果折返點(diǎn)與采煤機(jī)行進(jìn)方向一致可以認(rèn)為是掃煤階段,需將三角煤工藝段退后一個(gè)階段。

增加三角煤工藝的折返點(diǎn)多重判斷機(jī)制的變化,支架跟機(jī)流程也需要相應(yīng)做出變化,折返點(diǎn)不同造成刮板輸送機(jī)推送的起點(diǎn)不同,支架跟機(jī)拉架的起點(diǎn)也發(fā)生變化。三角煤工藝的折返點(diǎn)多重判斷機(jī)制會動(dòng)態(tài)判斷三角煤工藝的實(shí)際折返點(diǎn)、實(shí)際工藝階段。

三角煤工藝現(xiàn)場優(yōu)化設(shè)計(jì)后得到的采煤機(jī)自動(dòng)截割率如圖6所示,支架自動(dòng)跟機(jī)率如圖7所示。由圖可知,采煤機(jī)自動(dòng)截割率和支架自動(dòng)跟機(jī)率均出現(xiàn)上升,通過優(yōu)化使采煤機(jī)自動(dòng)截割率由44.40%上升至88.58%,支架自動(dòng)跟機(jī)率由45.00%上升至87.54%。

4 三角煤工藝探索方向

1)增加采煤機(jī)定位傳感器,要求傳感器具備在線校正功能,未來可結(jié)合透明工作面提供的詳細(xì)精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)為支撐,對采煤機(jī)位置進(jìn)行實(shí)時(shí)校正或給定,以適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件。精準(zhǔn)實(shí)時(shí)的傳感器數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)精準(zhǔn)定位的基礎(chǔ)。

2)在采煤機(jī)控制方面,增加人機(jī)交互功能及可視化調(diào)試參數(shù)頁面的功能,現(xiàn)場操作人員可以根據(jù)工作面的條件進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)整,并結(jié)合現(xiàn)場工作面起伏變化、工作面直線度及其他地質(zhì)因素,進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬,優(yōu)化記憶截割各類參數(shù),保證數(shù)據(jù)真實(shí)性。

3)增加信息采集系統(tǒng)數(shù)量,收集采煤機(jī)執(zhí)行操作后的結(jié)果,并根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果生成指令指導(dǎo)下次操作,即形成對采煤機(jī)的閉環(huán)控制系統(tǒng),提高數(shù)據(jù)采集率和執(zhí)行精度。

4)設(shè)備安裝環(huán)境優(yōu)化。采煤機(jī)是運(yùn)行設(shè)備,傳感器的安裝、在線調(diào)試都需要一定的空間,在運(yùn)行中容易受到外物,如煤塊墜落的影響,應(yīng)注意安裝位置的合理性,必要時(shí)可增加保護(hù)裝置以適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件。

5)增加智能判斷邏輯,現(xiàn)場受地質(zhì)條件、作業(yè)環(huán)境及人員操作習(xí)慣的影響,不可能執(zhí)行簡單重復(fù)一致的操作,可通過多參數(shù)預(yù)處理,智能判斷設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)、下一步運(yùn)行狀態(tài)及狀態(tài)切換點(diǎn),實(shí)現(xiàn)多人操作習(xí)慣與設(shè)備的通用磨合,以增加智能設(shè)備的適用性。

圖6 工藝優(yōu)化后木瓜礦208工作面采煤機(jī)自動(dòng)截割率Fig.6 Automatic cut-off rate of coal mining machine in 208 working face of Mugua Mine after process optimization

圖7 工藝優(yōu)化后木瓜礦208工作面支架自動(dòng)跟機(jī)率Fig.7 Automatic follow-up rate of support in 208 working face of Mugua Mine after process optimization

5 結(jié)論

相比于智能化大采高綜采工作面采煤機(jī)的中部自動(dòng)截割,三角煤工藝復(fù)雜,受外部限制條件較多。通過對三角煤工藝限制條件的討論和優(yōu)化,智能化工作面的自動(dòng)截割率和支架自動(dòng)跟機(jī)率分別提升44.18%和42.54%,極大提高了三角煤工藝現(xiàn)場的可實(shí)施性,解決了智能化大采高綜采工作面制約三角煤自動(dòng)截割率較低、人工干預(yù)過多的問題,在智能化工作面“有人巡視,無人操作”方向進(jìn)行了積極的探索。