楊雨晨

(晉能控股裝備制造集團有限公司 安全質(zhì)檢環(huán)保部,山西 晉城 048000)

在我國的煤炭資源中,薄煤層資源儲量占比達到20%左右,然而由于薄煤層的賦存和開采特點,實際的開采比率只有不到10%.相對于中厚煤層,薄煤層開采空間狹小,人員設(shè)備進出困難[1-2],因此薄煤層開采往往效率較低,并且工作人員的安全往往難以得到有效保證[3-4]。利用傳統(tǒng)方法開采薄煤層,主要采用的是普采工藝,設(shè)備落后情況非常普遍,嚴(yán)重制約了薄煤層開采的效率。為解決這一問題,國內(nèi)的一些礦井在薄煤層開采中引入了液壓支架,從而在薄煤層開采中實現(xiàn)了綜合機械化開采。綜采工藝在薄煤層中的應(yīng)用一定程度上提高了煤層的采出率,并且緩解了薄煤層生產(chǎn)過程中的安全問題。然而以往的綜采工藝并不能徹底解決薄煤層開采中遇到的一系列問題。薄煤層開采困難的核心問題在于作業(yè)空間狹小,人員在薄煤層作業(yè)時比較困難。因此,盡可能地減少薄煤層工作面人員作業(yè)的時間和強度便成為了解決這一問題的關(guān)鍵所在,而在薄煤層開采中實現(xiàn)智能化控制便是解決這一問題的有效途徑。作為煤層開采過程中的一項關(guān)鍵設(shè)備,實現(xiàn)采煤機的智能化控制對于保證煤層智能化開采方案的實施具有重要意義[5-6]。文章以MG2×200/930-WD1型采煤機為研究對象,開展了薄煤層采煤機智能自動化控制過程中的關(guān)鍵技術(shù)研究,分別為采煤機自動化截割技術(shù)、采煤機多信號定位技術(shù)、采煤機控制系統(tǒng)技術(shù),從而為實現(xiàn)薄煤層工作面采煤機智能化控制,并最終提高薄煤層生產(chǎn)效率提供一定的理論與技術(shù)基礎(chǔ)。

1 工程概況

本次現(xiàn)場試驗地點為寺河煤礦二號井,工作面編號為94316,位于山西省晉城市。94316工作面的走向和傾向長度分別為1 540 m和133.5 m,煤層傾角為2°～15°,平均5°,煤層平均厚度為1.1 m左右,煤厚變化幅度較小,總可采儲量為3.3×105t.94316工作面采用走向長壁、一次性采全高的方法,采空區(qū)處理方法為垮落法。94316工作面的頂板和底板巖性描述如表1所示。

表1 94316工作面頂?shù)装鍘r性

2 薄煤層采煤機自動化截割技術(shù)

寺河煤礦二號井94316工作面采用MG2×200/930-WD1型采煤機,其滾筒截深和直徑分別為630 mm、1 250 mm,采煤機機身高度為870 mm,總裝機功率為930 kW,可用于薄煤層的綜合機械化開采。

采煤機自動化截割技術(shù)首先由技術(shù)人員根據(jù)采煤工作面的地質(zhì)和賦存特征通過自動控制的方法使采煤機沿著設(shè)計好的路徑進行采煤。完成采煤機的自動化截割是實現(xiàn)采煤機智能化控制的核心所在。針對不同的工作面特征,主要有兩種自動化截割技術(shù):記憶與預(yù)設(shè)軌跡截割。相對預(yù)設(shè)截割軌跡技術(shù),記憶切割技術(shù)主要適用于工作面煤層厚度變化不大、賦存地質(zhì)條件比較簡單的情形。由于寺河煤礦二號井94316工作面巖層穩(wěn)定、煤厚變化幅度較小,因而適宜采用記憶截割技術(shù)。首先由采煤機操作員根據(jù)煤層的賦存特征進行采煤割刀示范,控制系統(tǒng)記錄并存儲割煤過程中的采煤機滾筒運行軌跡信息,并在之后的割煤過程按照系統(tǒng)記錄的軌跡完成多刀割煤工作,如圖1所示。

圖1 采煤機記憶截割技術(shù)示意

在采煤機記憶截割割煤過程中,采煤機遠程控制系統(tǒng)通過記錄并存儲采煤機操作員在割煤第一刀中的示范數(shù)據(jù),以此為依據(jù)控制采煤機行進過程中的滾筒參數(shù)和行跡路線完成割煤工作。此外,在采煤機遠程定位系統(tǒng)和工作面實時監(jiān)控系統(tǒng)的幫助,根據(jù)采煤工作面的變化特征對記憶截割參數(shù)作出及時調(diào)整,記憶截割工作流程如圖2所示。

圖2 記憶截割工作流程圖

3 薄煤層采煤機多信號定位技術(shù)

采煤機定姿定位技術(shù)是智能自動化控制技術(shù)實施的重要關(guān)鍵輔助技術(shù),同時為薄煤層自動化工作面的高效開采提供了一定的安全保障。實時并準(zhǔn)確獲得采煤機位置、姿態(tài)參數(shù)是薄煤層綜采工作面智能自動化控制技術(shù)有效實施的基礎(chǔ)與關(guān)鍵。

3.1 紅外定位技術(shù)

紅外線定位技術(shù)是94316工作面安裝的多種定位技術(shù)之一。紅外線定位裝置主要包括紅外線發(fā)射器和紅外線接收器,紅外線發(fā)射器位于工作面采煤機靠外一側(cè),即靠近液壓支架側(cè),如圖3所示。從圖3可以看出,控制器位于工作面液壓支架支柱上部的位置,在液壓支架控制器內(nèi)部安裝紅外接收器。紅外線發(fā)射器采用光線定向整理技術(shù),使得發(fā)出的紅外線呈30°的發(fā)射角,不論液壓支架是否歪斜,降架與升架的狀態(tài)都能接收到紅外線。采用紅外定位技術(shù),可將精度控制在15 cm左右。

圖3 采煤機紅外發(fā)射器的連接

3.2 射頻RFID定位技術(shù)

在采煤機機身上固定位置處安裝RFID發(fā)射器,同時在每臺液壓支架上分別安裝1臺接收器,如圖4所示。采煤機RFID發(fā)射器持續(xù)發(fā)射射頻信號,隨著采煤機移動,由RFID發(fā)射器發(fā)射的信號被液壓支架上對應(yīng)的接收器接收。在采煤機位置識別過程中,工作面液壓支架控制器判斷本架接收器是否收到RFID發(fā)射器的信號。如果接收器收到RFID發(fā)射器的信號,控制器會根據(jù)左右相鄰液壓支架控制器的交互信息幀所傳遞的內(nèi)容來決定如何處理交互信息幀;如果接收器并未收到RFID發(fā)射器的信號,但接收到相鄰液壓支架控制器傳遞的交互信息幀,則交互信息幀中的計數(shù)器將決定是否向網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器報送工作面采煤機的具體位置。通過射頻RFID技術(shù),可以得到的采煤機定位精度為10 cm左右。

圖4 薄煤層工作面采煤機RFID定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.3 編碼器定位技術(shù)

利用軸編碼器進行工作面采煤機的定位原理為:光電編碼器和采煤機的電機位于同一條軸線上,當(dāng)采煤機上的電機轉(zhuǎn)動時,光柵盤和采煤機電機以相同轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。輸出脈沖信號的數(shù)量由相應(yīng)的檢測裝置檢測,進而可以得到采煤機上電機的轉(zhuǎn)動圈數(shù),然后據(jù)此測算出采煤機上行走齒輪轉(zhuǎn)動的圈數(shù)。工作面采煤機行進的距離可以通過行走齒輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)乘以其周長計算,繼而通過工作面上方相鄰兩液壓支架的間隔距離判斷工作面采煤機在當(dāng)前位置下其中間位置對應(yīng)的是哪臺液壓支架,最終通過軸編碼器完成工作面采煤機定位。采用軸編碼器定位時,可以得到比較精確的采煤機行進距離值。然而,采用這一方法卻存在一定的弊端,主要是忽略了工作面底板實際可能彎曲這一特征。如果工作面采煤機在割煤過程中的行進軌跡是曲線,特別是行進軌跡為復(fù)雜的曲線時,繼續(xù)采用之前的方法就可能引起比較大的定位誤差。

根據(jù)相應(yīng)的幾何關(guān)系得出工作面采煤機在當(dāng)前時刻下行進的距離值,可表示為:

(1)

式中:i為假定編碼器輸出軸與采煤機行走輪之間的齒輪傳動比;N為軸編碼器轉(zhuǎn)動1周年時所形成的脈沖個數(shù);n為在某一目標(biāo)時刻點上所形成的脈沖數(shù)總和;R為采煤機行走輪上的分度圓半徑。

在得到了工作面采煤機的行進距離后,繼而可根據(jù)采煤機上方每臺液壓支架在行進方向上的寬度值和液壓支架的分布特征獲得工作面采煤機對應(yīng)的液壓支架編號。假設(shè)采煤機行進過程中,其上方正對的液壓支架編號為nc,可表示為:

(2)

式中:w為液壓支架沿工作面行進方向上的寬度值;Δw為相鄰的兩臺液壓支架間平均間隔的距離大小。將工作面液壓支架進行編號,依次為1～n,其中編號為“1”的液壓支架為采煤機初始割煤時端頭對應(yīng)的液壓支架。

通過式(2)可以得到工作面采煤機在行進過程中任一時刻所對應(yīng)的液壓支架編號nc,方括號表示對計算結(jié)果取整數(shù)值。

在采用軸編碼器進行工作面采煤機定位時,和紅外定位技術(shù)相比,軸編碼器定位技術(shù)不僅降低了成本,而且獲得的精度值較高。采用軸編碼器定位的局限性表現(xiàn)為:①工作面采煤機上的行走輪與刮板機的嚙合是以銷齒傳動的方式進行的,并非嚴(yán)格意義上的齒輪傳動。在實際應(yīng)用中通過齒輪分度圓半徑進行計算。因此,在采煤機行進過程中會逐步產(chǎn)生誤差積累效應(yīng),隨著工作面推進距離的增加,誤差也隨之增加。②采用軸編碼器定位獲得的結(jié)果比較單一,只能反映出采煤機推移距離的大小,無法獲取采煤機行進的方向。也就是說,軸編碼器定位只能獲得采煤機行進距離的標(biāo)量值,無法獲得同時表征采煤機行進距離與方向的矢量值。在工作面行進軌跡為直線,且行進距離不大于100 m的條件下,軸編碼器的定位精度可達到2 cm.

在現(xiàn)場應(yīng)用中,通常聯(lián)合應(yīng)用三種定位方法分別由紅外定位技術(shù)、射頻RFID定位技術(shù)、軸編碼器定位技術(shù)獲得采煤機行進的距離值,并反算出對應(yīng)的液壓支架編號。在一般計算時,可以取三者的平均值作為最終結(jié)果。當(dāng)工作面推進時的行程軌跡彎曲度較大或者推進距離較長時,可采用紅外定位技術(shù)與射頻RFID定位技術(shù)結(jié)果的平均值作為參考;當(dāng)工作面長度較小并且為嚴(yán)格的直線時,可單獨通過軸編碼器的定位結(jié)果作為最終的判斷值。

4 薄煤層采煤機控制系統(tǒng)技術(shù)研究

采煤機通訊控制系統(tǒng)主要由兩部分組成:采煤機自身的控制系統(tǒng)、遠程通訊控制系統(tǒng)。采煤機自身控制系統(tǒng)通常由采煤機出廠時自帶,通過自身控制系統(tǒng),采煤機能夠?qū)崿F(xiàn)就地控制、無線遙控控制、遠程控制、自動記憶截割等功能。采煤機遠程通訊控制系統(tǒng)工作流程為:首先將采煤機的實時數(shù)據(jù)通過載波電纜傳送到采煤機巷道監(jiān)控計算機上,接著由人工控制系統(tǒng)平臺經(jīng)通訊接口訪問,最終建立起遠程系統(tǒng)實時采集采煤機信息,實現(xiàn)采煤機截割電機與牽引電機的開啟與停止、采煤機行進軌跡的更改、采煤機行進速度的調(diào)節(jié)控制以及采煤機搖臂的上升與下降等功能,通常情況下控制過程中的延時應(yīng)低于200 ms.

依托“三機”(采煤機、液壓支架、刮板輸送機)協(xié)同監(jiān)控軟件能夠?qū)崟r顯示工作面采煤機的工作參數(shù)與運行情況。開發(fā)該軟件的目的是實現(xiàn)“三機”的實時數(shù)據(jù)監(jiān)測與遠程控制,通過將采煤機、液壓支架和刮板輸送機的工況參數(shù)顯示在控制軟件的主界面上,并由人工輔助決策,從而實現(xiàn)采煤機的智能化控制。

信號采集系統(tǒng)如圖5所示,底層由采煤機牽引速度傳感器、采煤機位置傳感器、調(diào)高油缸位置傳感器、溫度傳感器、冷卻水流量傳感器、瓦斯體積分?jǐn)?shù)傳感器、機載攝像頭以及其他信號傳感器構(gòu)成,負(fù)責(zé)工作面采煤機工作運行時實時數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。

圖5 信號采集系統(tǒng)

5 效益分析

薄煤層綜采工作面采煤機智能自動化控制技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用可實現(xiàn)設(shè)備的自動化運行,提高工作面設(shè)備運行的可靠性與穩(wěn)定性,降低采煤工作面工人勞動強度和人員數(shù)量,改善工作人員作業(yè)環(huán)境,提高采煤過程的安全性,并最終實現(xiàn)薄煤層安全高效開采的目標(biāo)。通過引入薄煤層智能化開采系統(tǒng),寺河煤礦二號井薄煤層工作面實現(xiàn)了采煤機等多項設(shè)備的智能化控制,工作面內(nèi)每班作業(yè)人員數(shù)量由原來的17人減少到現(xiàn)在的14人,作業(yè)環(huán)境也得到了極大改善,每個工作面每年可節(jié)約人工費用60萬元。94315工作面與94316工作面為臨近工作面,傾斜長度、走向長度及煤層厚度等主要指標(biāo)基本一致。其中,94315工作面采用傳統(tǒng)綜采工藝,94316工作面采用智能化開采工藝,兩個工作面正常生產(chǎn)期間的生產(chǎn)效率對比如表2所示。

表2 新舊綜采工藝效率對比

從表2可以看出,在回采94316智能化綜采工作面期間,較94315工作面日均產(chǎn)量及最高月產(chǎn)量均翻了1倍,生產(chǎn)效率提升102%,每天平均可多推進5刀,年增1.965×105t,極大地提高了生產(chǎn)效率。

6 結(jié) 語

1) 對采煤機智能自動化記憶截割技術(shù)進行了分析,并對相關(guān)流程進行了優(yōu)化。

2) 通過對采煤機紅外定位技術(shù)與射頻RFID技術(shù)的研究,確保了采煤機位置、姿態(tài)參數(shù)等信息的實時獲取,為薄煤層綜采工作面智能自動化控制技術(shù)的有效實施提供了重要保證。

3) 通過與傳統(tǒng)綜采工藝法相比,采用智能自動化控制技術(shù)可極大減少工作人員勞動強度,并提高工作面作業(yè)效率。