姚士茂

（國(guó)能神東煤炭布爾臺(tái)煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

近年來(lái)，自動(dòng)化放煤技術(shù)得到飛速發(fā)展，雖然機(jī)械化程度不斷提高，但是放頂煤理論發(fā)展滯后嚴(yán)重，導(dǎo)致放頂煤工藝的粗糙性[1-2]。工程應(yīng)用中，放頂煤工藝的自動(dòng)化控制需有效識(shí)別煤炭與矸石的差別，以避免矸石的大量放出，造成卡煤、堵煤以及設(shè)備損壞的狀況[3-6]。本文立足于研究此問(wèn)題，通過(guò)對(duì)振動(dòng)信號(hào)和特征信號(hào)的聯(lián)合分析，判斷煤炭下落過(guò)程和矸石下落特征的差異，并在現(xiàn)場(chǎng)得到成功應(yīng)用，彌補(bǔ)了理論研究不足的現(xiàn)狀。

1 煤矸信號(hào)特征

綜采工作面自動(dòng)化放煤技術(shù)的核心是準(zhǔn)確識(shí)別煤炭與矸石特征，避免放矸石量太大造成設(shè)備的故障。實(shí)際工程中，工作人員大都根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行放煤，并沒(méi)有準(zhǔn)確嚴(yán)格的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際放頂煤過(guò)程中，煤炭和矸石下落特征有明顯的差異，可根據(jù)兩者聲波信號(hào)的差異進(jìn)行識(shí)別。以往的研究中，往往針對(duì)煤炭或者矸石的單一信號(hào)進(jìn)行特征的提取與識(shí)別，可粗略地分辨煤炭與矸石的差異，但是當(dāng)放煤量過(guò)大時(shí)，工作面巨大的噪音以及振動(dòng)使得兩者的辨識(shí)度降低，對(duì)放頂煤過(guò)程中聲音信號(hào)、振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行同時(shí)提取，兩者數(shù)據(jù)的差異性很小，以此為依舊無(wú)法實(shí)現(xiàn)煤炭和矸石的準(zhǔn)確識(shí)別，在實(shí)際放頂煤過(guò)程中，煤炭及矸石和機(jī)械設(shè)備發(fā)生碰撞，對(duì)聲音信號(hào)的采集影響較大，因此這種分析方法不可取。

2.1 煤矸信號(hào)特征實(shí)驗(yàn)

為了保證分析數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性，通過(guò)集團(tuán)的物理模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，采用相似模擬的手段，分析不同煤炭和矸石混合比例下，兩者之間信號(hào)的差異，通過(guò)信號(hào)特征的提取，判別煤炭和矸石，模擬實(shí)驗(yàn)裝置如圖1 所示。

圖1 模擬實(shí)驗(yàn)裝置

相似模擬實(shí)驗(yàn)以及假設(shè)條件如下：

（1）共設(shè)置三組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，第一組為全煤炭的下落實(shí)驗(yàn)，第二組為全矸石的下落實(shí)驗(yàn)，第三組為一半煤炭、一半矸石的下落實(shí)驗(yàn)。

（2）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中煤炭以及矸石為大小不一的顆粒，下落過(guò)程為顆粒的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，無(wú)人為干擾，與實(shí)際工程條件相似。

（3）實(shí)驗(yàn)過(guò)程中分別在煤炭及矸石下落沖擊的位置和支架處安裝振動(dòng)傳感器和聲波傳感器，信號(hào)采樣頻率均為5 000 Hz，采樣點(diǎn)數(shù)為3 000 次（每1.67 s 采集一次）。

（4）采用耐高溫的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號(hào)的采集，8 路數(shù)字量的輸入和輸出可滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)條件。

（5）振動(dòng)傳感器的工作電壓為10～24 V，工作電流需小于30 mA，環(huán)境最大溫度40℃；聲波傳感器的工作電壓為5～24 V，工作電流需小于65 mA，環(huán)境最大溫度50℃。

2.2 煤矸信號(hào)特征分析

根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)全煤炭下落、全矸石下落以及一半矸石、一半煤炭下落過(guò)程中的振動(dòng)信號(hào)和聲波信號(hào)進(jìn)行采集，得到圖2 所示的原始聲音信號(hào)變化曲線(xiàn)和圖3 所示的原始振動(dòng)信號(hào)變化曲線(xiàn)。從圖2 中全煤炭和全矸石下落實(shí)驗(yàn)中，兩者聲音信號(hào)有明顯的差別。全煤炭下落實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)電壓最大幅值接近1.2 V，且普遍在0.62 V 左右上下浮動(dòng)。全矸石下落實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)電壓最大幅值為0.49 V，且普遍在0.22 V 附近浮動(dòng)。50%煤炭和50%矸石實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)電壓的最大幅值達(dá)到1.26 V，普遍在0.61 V 左右浮動(dòng)。以上實(shí)驗(yàn)無(wú)法準(zhǔn)確分辨煤炭和矸石的聲音信號(hào)。

圖2 原始聲音信號(hào)變化曲線(xiàn)

圖3 原始振動(dòng)信號(hào)變化曲線(xiàn)

圖3 所示的原始振動(dòng)信號(hào)變化曲線(xiàn)中，全煤炭下落實(shí)驗(yàn)、50%煤炭50%矸石下落實(shí)驗(yàn)、全矸石下落實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)信號(hào)變化規(guī)律相近，振動(dòng)信號(hào)電壓最大幅值均介于0.6～0.7 V 之間，全煤炭實(shí)驗(yàn)和50%煤炭50%矸石下落實(shí)驗(yàn)的信號(hào)最小幅值介于0.1～0.2 V 之間，全矸石下落實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)信號(hào)最小幅值介于0～0.1 V 之間。上述實(shí)驗(yàn)依舊無(wú)法分辨全煤炭實(shí)驗(yàn)和摻雜矸石下落實(shí)驗(yàn)振動(dòng)信號(hào)的差異。

2 煤矸信號(hào)特征的分析

已有的信號(hào)特征分析方法中，奇異值分解適用性最廣，往往用于工作面煤矸的粗略識(shí)別，不適用于精度較高的識(shí)別研究。為此，本文采用小波變換法對(duì)聲音信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行特征的提取。小波變換法的處理過(guò)程如下： 基于基函數(shù)對(duì)提取的信號(hào)進(jìn)行多層分解，然后對(duì)于分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行系數(shù)的選擇，判定得到閾值，隨后對(duì)照原始信號(hào)曲線(xiàn)應(yīng)用閾值，得到重建的信號(hào)曲線(xiàn)。

以上過(guò)程都是基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)小波變換對(duì)稱(chēng)性、正交性的特征，選擇Haar 小波系，基于采樣點(diǎn)數(shù)，得到理論尺度數(shù)值，考慮到信號(hào)的連續(xù)性，將分解持續(xù)步數(shù)選擇為8，因此原始信號(hào)可分解為噪聲信號(hào)和離散信號(hào)。隨后利用VisuShrink 法對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值的計(jì)算，具體可表示為以下公式：

式中：T 為閾值，V；W 為小波系數(shù)；N 為信號(hào)長(zhǎng)度，V。

對(duì)原始信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到重構(gòu)后的振動(dòng)信號(hào)和聲音信號(hào)，重構(gòu)聲音信號(hào)變化曲線(xiàn)如圖4所示，重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)變化曲線(xiàn)如圖5 所示。

圖4 重構(gòu)聲音信號(hào)變化曲線(xiàn)

圖5 重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)變化曲線(xiàn)

圖4 重構(gòu)聲音信號(hào)變化曲線(xiàn)中，消除了冗雜的相似數(shù)據(jù)，全煤炭下落實(shí)驗(yàn)中，聲音信號(hào)的平均值為0.6 V，最大值為1.2 V，最小值為0.1 V。全矸石實(shí)驗(yàn)中，聲音信號(hào)的平均值為0.23 V，最大值為0.47 V，最小值為0.19 V。50%煤炭50%矸石實(shí)驗(yàn)中，聲音信號(hào)的平均值為0.58 V，最大值為1.21 V，最小值為0.08 V。根據(jù)聲音信號(hào)可快速分辨出煤炭和矸石的特征，高幅值的聲音電壓信號(hào)為煤炭，低幅值的聲音電壓信號(hào)為矸石。在煤炭和矸石的混合實(shí)驗(yàn)中，高幅值信號(hào)由煤炭下落產(chǎn)生，低幅值信號(hào)由矸石下落產(chǎn)生，這種聲音信號(hào)的大范圍反復(fù)性高低變化，造成了煤炭、矸石下落實(shí)驗(yàn)中聲音信號(hào)的復(fù)雜性，因此可將聲音信號(hào)為0.23 V，0.6 V 作為參考，當(dāng)放煤過(guò)程中聲音信號(hào)頻繁出現(xiàn)高于0.6 V 和低于0.23 V 的信號(hào)時(shí)，認(rèn)為有矸石的參與。

圖5 反映了重構(gòu)振動(dòng)信號(hào)變化規(guī)律。全煤炭下落實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)信號(hào)的平均值為0.41 V，最大值為0.67 V，最小值為0.16 V。全矸石實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)信號(hào)的平均值為0.35 V，最大值為0.65 V，最小值為0.05 V。50%煤炭50%矸石實(shí)驗(yàn)中，振動(dòng)信號(hào)的平均值為0.39 V，最大值為0.65 V，最小值為0.13 V。不同下落實(shí)驗(yàn)中振動(dòng)信號(hào)的變化幅值差異較小，不同的是，全煤炭下落過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)幅值的最大值和最小值差值較小，為0.51 V；全矸石下落過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)幅值的最大值和最小值差值較大，達(dá)到0.6 V，煤炭矸石下落過(guò)程中振動(dòng)信號(hào)幅值的最大值和最小值差值為0.52 V。因此可根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的幅值差值變化判斷煤炭與矸石，差值超過(guò)0.55 V，判斷為矸石為主的下落過(guò)程，此外，當(dāng)振動(dòng)信號(hào)電壓幅值變化頻率較大時(shí)，判斷為有矸石的摻雜。

通過(guò)對(duì)煤矸信號(hào)的特征分析，可在理論上實(shí)現(xiàn)煤炭與矸石的精確判別，可作為放頂煤開(kāi)采的理論依據(jù)，提高放煤量，防止卡煤等現(xiàn)象的發(fā)生。

3 自動(dòng)化放煤技術(shù)應(yīng)用

隨著機(jī)械化自動(dòng)化水平的不斷發(fā)展，礦井生產(chǎn)設(shè)備的智能化控制、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)以及故障診斷均向著數(shù)字化、無(wú)人化方向發(fā)展。在放頂煤開(kāi)采工藝中亦是這樣，基于智能化系統(tǒng)以及設(shè)備的數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)了煤炭與矸石的識(shí)別，使得智能化放煤成為現(xiàn)實(shí)。

布爾臺(tái)煤礦42204 工作面采用綜采放頂煤工藝開(kāi)采，工作面傾角范圍1°～3°，煤層平均厚度6.28 m。工作面刮板運(yùn)輸機(jī)每小時(shí)可運(yùn)輸500 t 煤炭，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中功率為265 kW，最大額定電流為200 A。根據(jù)實(shí)際開(kāi)采條件，采煤機(jī)截割工作面上半段煤體時(shí)，對(duì)工作面下半段煤體進(jìn)行放頂煤，當(dāng)截割下半段煤體時(shí)，對(duì)上半段煤體進(jìn)行放頂煤，這意味著每次放頂煤的時(shí)候，都必須有兩次拉架。實(shí)際放頂煤過(guò)程中，并非一次性放完，而是按照頂煤的20%～30%范圍逐漸進(jìn)行，循環(huán)往復(fù)，直至頂煤放完。

圖6 為放頂煤過(guò)程中聲音振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律。從圖中可以看出，聲音信號(hào)中偶爾伴隨有小于0.23 V 的振動(dòng)信號(hào)，但并沒(méi)有形成高幅值和低幅值頻繁變化的趨勢(shì)，這是由于煤層中矸石所致，少量矸石的出現(xiàn)，導(dǎo)致在放頂煤4 min、6.1 min、9.6 min、11.9 min、14.2 min、15.9 min、17.1 min以及22 min 時(shí)出現(xiàn)矸石下落聲音振動(dòng)信號(hào)的特征，整個(gè)聲音振動(dòng)信號(hào)的變化規(guī)律符合前述討論的煤炭下落特征，對(duì)工作面刮板輸送機(jī)下落巖石進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)有少量矸石存在，大部分為煤塊，說(shuō)明此方法在放頂煤工藝中適用。

圖6 放頂煤過(guò)程中聲音振動(dòng)信號(hào)變化規(guī)律

4 結(jié)論

1）放頂煤過(guò)程中聲音信號(hào)頻繁出現(xiàn)高于0.6 V和小于0.23 V 的信號(hào)時(shí)，認(rèn)為有矸石的參與。

2）放頂煤過(guò)程中根據(jù)振動(dòng)信號(hào)的幅值差值變化判斷煤炭與矸石，差值超過(guò)0.55 V，判斷為矸石為主的下落過(guò)程，且振動(dòng)信號(hào)電壓幅值變化頻率較大時(shí)，判斷為有矸石的摻雜。

3）基于煤矸特征信號(hào)的識(shí)別，現(xiàn)場(chǎng)得到了成功應(yīng)用，該方法可靠、可行。