基于采煤機截割力響應的煤巖界面識別技術的應用與研究

【摘 要】本文結合某礦的實際情況，提出了一種實用、可靠、穩定的煤巖界面識別設計方法。首先，通過分析采煤機滾筒接觸到不同介質時截割電機電流的變化情況，對采煤機是否接觸到巖石進行初步判斷。其次，分析調高油缸兩個腔體內壓力的變化情況，對滾筒接觸巖石的具體位置進行判斷。最后，采煤機根據不同的情況發出相應的邏輯控制指令，控制采煤機避開或強行通過巖石。采煤機增設煤巖識別系統后，有效的保護了截齒、降低了煤中的矸石、提高了煤層采出率、減少了作業面空氣中的粉塵、作業人員數量減少并且人員安全得到進一步保護。

【關鍵詞】采煤機；煤巖識別技術；截割電機電流；調高油缸壓力

0 引言

為了適應煤層厚度的變化，避免采煤機破煤時切到巖石，采煤機在割煤工程中需要及時調整滾筒的高度[1]。某礦，通過工人監聽截割噪聲來判斷采煤機是否切割巖石，通過工人肉眼觀察來調節采煤機滾筒的高度。但是煤礦井下煤塵大、光照差、并且各種機器均發出都很大的噪聲，因此工人很難準確判斷采煤機是否接觸到巖石，并且肉眼也很難準確調整滾筒的高度。因此，研究煤巖界面識別技術，實現采煤機滾筒自動調節高度以適應煤層變化很有必要。

少人、無人的自動化采礦是21世紀采礦工業研究的熱點[2]。而采煤機滾筒自動識別煤巖界面、自動調節滾筒高度是實現無人工作面的重要環節，目前，它是阻礙無人工作面開采實現的最主要的因素[3]。

1 煤巖界面識別的設計思路

煤礦井下綜采工作面尤其是采煤機附近能見度低，依靠視頻圖像分析、紅外探測、雷達探測等方法來進行煤巖識別具有很大的困難。基于實用性、可靠性、穩定性的設計原則，提出以下煤巖界面識別的設計思路。

采煤機截割滾筒在截割煤層和巖石時，由于截割對象發生變化，會引起一些參數發生變化[4]。首先，利用采煤機截割滾筒截割到不同媒介（煤層或者巖石）時反映出的截割電機電流的變化情況，對采煤機是否截割到巖石進行初步判斷。采煤機滾筒割煤時所受到的阻力以負載的形式作用到電動機轉軸上，截切到巖石時滾筒所受阻力增大，電動機的轉速降低，轉子電流上升。如此電動機的電流就可以反應采煤機的截割過程，即根據電動機電流的變化可以判斷截割滾筒是否割到巖石。

再次，利用采煤機截割滾筒截割煤層和巖石時搖臂調高油缸兩個腔體內壓力的變化，進一步對滾筒是否接觸到巖石以及接觸巖石的具體位置進行判斷。滾筒截割過程中所受的徑向作用力傳遞到搖臂，而搖臂又由調高液壓油缸支撐著，即滾筒工作工程中所受力的變化最終可以反應為調高油缸內壓力的變化。因此，可以跟調高油缸內壓力的變化來判斷截割滾筒是否截割巖石，并且截割滾筒接觸巖石的位置不同時，滾筒所受的徑向力不同，據此可以判斷滾筒截割巖石的具體位置。

采煤機自動煤巖界面識別的工作原理如圖1所示。當采煤機判斷出截割滾筒遇到巖石，并且滾筒位置處于滾筒的最低極限位置線以上，而滾筒的最高極限位置線以下時，此時采煤機控制中心給執行單元發出信號，要求油泵工作給調高油缸前腔供油、后腔回油，使滾筒往下降，避開巖石。滾筒最低可以降到滾筒得最低極限位置線，如果滾筒降到最低極限位置線后依然避不開巖石，這時，采煤機鎖定滾筒高度、降低牽引速度及滾筒轉速沿綜采工作面頂板最大傾角強行割巖通過。以保證工作面頂板、底板縱向、橫向角度以及平滑度。并且可以保證工作面順利拉架和支架對頂板的有效維護。

在采煤機工作過程中，對采煤機截割電機電流和調高油缸壓力進行監測，當參數超過正常工作限定值時，采煤機自動停機，并發出報警和故障指示信號。

2 煤巖界面識別的方案

本設計中，對于煤巖界面的識別主要基于兩個傳感器數據，即滾筒截割電機工作電流和滾筒調高油缸壓力。

采煤機正常工作過程時，截割電機工作電流和滾筒調高油缸壓力在一定范圍內輕微波動，中心數據由于不同工作面介質硬度不同而不同，根據該礦實際情況測試獲得的截割電機電流及調高滾筒壓力變化曲線，如圖2所示。

當截割滾筒接觸到巖石時，截割電機工作電流和調高油缸壓力在很大范圍內波動，而且截割電機工作電流中心數據平均值比正常工作時升高，如圖3所示。調高油缸壓力由于滾筒和巖體接觸面不同，調高油缸前腔和后腔壓力變化不同，由此可進一步判斷巖面和滾筒的接觸位置。

如圖4所示，當滾筒上方截齒首先接觸到巖面時，巖面給整個滾筒向下的作用力，壓迫滾筒降低。此時調高油缸下方腔體壓力增加，上方腔體壓力減小。

當滾筒側方截齒接觸到巖面時，由于滾筒截齒方向，巖面將給整個滾筒一個拉力，從而拉伸滾筒升高。此時滾筒調高油缸下方腔體壓力減小，上方腔體壓力增加，如圖5所示。

3 煤巖界面識別的邏輯過程

（1）采煤機正常工作時，采煤機的截割電機電流、牽引電機電流、采煤機速度、滾筒轉速、滾筒調高油缸壓力具有一個穩定狀態值，采煤機上滾筒沿頂板巖石和煤體分界面、下滾筒沿著設定水平面割煤。

（2）上滾筒調高油缸壓力在保證滾筒當前高度的數值基礎上，給予一定額外壓力值，例如5%或者7%，從而保證滾筒截齒在不切割頂板巖面的同時緊貼頂板煤巖分界面切割，如圖6所示采煤機處于頂板位置1。

（3）當采煤機監測到上滾筒截割電機電流增大，且調高油缸壓力波動范圍變大，其平均值超過預設門限時，表示滾筒接觸到巖石。此時，保持采煤機牽引速度、滾筒轉速不變，適當給調高油缸上腔供油、下腔回油，即適當降低滾筒高度，同時計算頂板切割角度是否超過綜采工作面頂板傾角限制要求。

（4）若采煤機上滾筒高度降低后，油缸壓力波動恢復正常，即避開了頂板巖面，且頂板切割角度以及工作面高度在綜采工作面頂板傾角限制要求以內，采煤機就按照當前工作參數工作，如圖7所示。

（5）若滾筒高度不斷降低，且頂板切割角度超過綜采工作面頂板傾角限制要求或者超過綜采工作面高度要求，油缸壓力仍然超限，即滾筒仍然接觸頂板巖體時，采煤機發出信號要求執行單元降低采煤機上滾筒轉速及采煤機牽引速度，采煤機按照綜采工作面頂板傾角最大限制，切割巖面強行通過，如圖8所示。

（6）采煤機下滾筒自主控制算法根據上滾筒控制算法原理，綜合下滾筒調高油缸壓力、下滾截割筒電機電流、綜采工作面底板控制角度要求以及采煤機牽引速度、滾筒轉速等信息實現自動控制。

（7）沿工作面走向方向，依據同樣原理以及綜采工作面走向方向角度要求，基于采煤機切割記憶，實現采煤機的自主控制策略。

4 結論

（1）本文中的煤巖界面識別方法是基于煤礦設備實用性、可靠性、穩定性的設計原則，具有很好的可操作性。

（2）采煤機增設煤巖界面識別系統后，有效的保護了截齒、降低了煤中的矸石、提高了煤層采出率、減少了作業面空氣中的粉塵、作業人員數量減少并且人員安全得到進一步保護。

【參考文獻】

[1]王東，陳延康.識別煤巖分界技術的信號處理分析[DB/OL].http：//d.wanfangdata.com.cn/Conference_7714139.aspx.

[2]方新秋，何杰，郭敏江，張斌.煤礦無人工作面開采技術研究[J].科技導報，2008，26（9）：56-61.

[3]劉闊，劉杰，尹力，梁堅毅.基于多傳感器數據融合記憶截割的研究[J].煤礦機械，2008（5）：50-51.

[4]任芳.基于多傳感器數據融合技術的煤巖界面識別的理論與方法研究[D].太原：太原理工大學，2003.

[責任編輯：薛俊歌]