綜采工作面自動調斜與防滑控制系統研究

牛劍峰

(北京天地瑪珂電液控制系統有限公司，北京100013)

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綜采工作面自動調斜與防滑控制系統研究

牛劍峰

(北京天地瑪珂電液控制系統有限公司，北京100013)

［摘要］分析了設備上串下滑給綜采工作面生產帶來的問題，對工作面設備上串下滑的主要原因進行了闡述，介紹了綜采工作面偽斜控制的基本工作原理，進行了激光對位傳感器設計，提出使用激光對位傳感器和行程傳感器等進行垂直和水平2個維度的工作面自動調斜控制系統，實現了傾斜煤層工作面液壓支架移架的自動控制。

［關鍵詞］自動調斜;上竄下滑;偽斜控制;激光對位傳感器

［引用格式］牛劍峰.綜采工作面自動調斜與防滑控制系統研究［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 32－34，19.

傾斜煤層工作面設備的上竄下滑給工作面連續推進帶來了以下問題［1－4］:刮板運輸機下滑，造成刮板運輸機拉回煤嚴重，負荷增大，斷鏈頻繁，更有甚者拉壞機頭、機尾架及護罩板等事故;刮板運輸機上竄，造成刮板運輸機鏈輪中心距、行人寬度不符合生產和規程要求，甚至造成工作面機頭擠架，不得不在機頭煤柱側開幫來保證安全生產;導致工作面運輸機機頭與運輸巷轉載機正常搭接的關系發生變化，致使采煤機無法正常切割，造成刮板運輸機運轉負荷增大，嚴重時會出現運輸機無法啟動、燒壞電機等現象;影響了工作面工程質量，造成煤壁線不直、支架擠架、架間距變寬等問題，出現空頂面積大、采煤機割不透煤壁等不利因素;支架頂運輸機框架傾斜，拉后運輸機連接裝置傾斜;造成后運輸機無法及時拖到位，支架無法正常拉到位，不能正常支護頂板。因此，設備的上竄下滑是綜采工作面安全生產關鍵技術［5］，解決設備上竄下滑的自動控制問題，是實現煤礦無人化開采的先決條件。

1　工作面設備下滑的主要原因

傾斜煤層工作面在正常割煤過程中，受設備重力因素的影響，在下行割煤或返刀時，會產生一個下的分力Fy致使工作面刮板運輸機下滑，如圖1所示，煤層傾角α越大，下滑重力分量越大，刮板運輸機的下滑力越大，其下滑量也越大［6－9］。

圖1　工作面設備受重力分析示意

液壓支架與刮板運輸機采用連接頭連接，在拉架推溜過程中，刮板運輸機與液壓支架互為支點進行前移。在推溜時，由于刮板運輸機滿載煤炭后負荷加重，在工作面傾角的重力作用下產生了一個下滑的分力，刮板運輸機下滑，與之相連的液壓支架的推移桿與刮板運輸機的垂直關系被打破，推移桿對刮板運輸機產生了一個向下或向上的推力Fy，如圖2所示。而在移架過程中，由于液壓支架的自重產生的下滑分力，通過推移桿給刮板運輸機產生了一個向下的拉力。因此，在工作面遷移過程中，推移桿與刮板運輸機的相對方位關系對工作面設備的上串下滑有較大影響。

圖2　刮板運輸機受力示意

2　工作面設備的偽斜控制

工作面傾角越大，設備下滑量就越大，因此減緩工作面的傾斜量，可以減少設備由于自重產生的下滑分量。工作面設備采用偽斜布置，如圖3所示，圖3 (a)為工作面偽斜布置平面示意圖，圖3 (b)為工作面偽斜布置立體示意圖，圖中尾傾斜角為θ，可以通過偽斜布置方式增加工作面長度，適當地減小工作面的傾角，改變液壓支架與刮板運輸機之間的相對位置關系［10－12］。刮板運輸機在前移過程中，由推移桿給刮板運輸機提供一個向上的推力N，從而避免由于工作面傾角導致設備下滑，使設備在遷移過程中，設備下滑力與支架推力達到平衡狀態。如果液壓支架擺放傾角調配過度，產生向上推力大于設備下滑力，就會造成設備的上竄;如果傾角調配不足，產生向上推力小于設備下滑力，就會造成設備的下滑［13］。此方法應用得當可以有效地控制工作面液壓支架穩定性［14］。

3　自動調斜與防滑控制系統設計

采用支架電液控制系統可以進行液壓支架的自動控制，配置激光對位傳感器、角度傳感器和行程傳感器等進行液壓支架的姿態檢測、推移行程檢測和支架調斜量檢測，建立工作面自動調斜與防滑智能控制模型，通過支架控制器軟件實現對工作面液壓支架的姿態與液壓支架之間的智能對位控制，實現工作面偽斜量自動控制。

3.1支架電液控制系統

采用支架電液控制系統可以實現液壓支架推移過程的自動控制，通過壓力傳感器、行程傳感器和傾角傳感器等進行液壓支架運動過程中的立柱壓力檢測、推移行程檢測和支架的姿態檢測，通過支架控制器智能軟件，實現液壓支架的智能推移控制，以保證液壓支架在推移過程中使其與刮板運輸機保持設定的方位關系，有效地識別液壓支架在推移過程中出現卡、別等問題，使其達到良好運行狀態。

圖3　工作面偽斜布置

3.2激光對位傳感器

激光對位傳感器由激光發射單元、激光接收單元和供電與數據通信接口組成，具有雙向激光信號收發功能和與支架控制器進行數據通信的功能，如圖4所示，即在傳感器兩側布置同樣的收發單元，可以實現雙向定位檢測功能。激光發射單元可以發出一束具有特定波長的激光光柵信號，激光束有效發射距離不小于5m，激光束的寬度不大于2mm，激光接收單元由陣列式光敏激光信號接收管及信號采集電路組成，在激光接收管上附濾光片，使其僅通過選定波長的激光，屏蔽排除照明燈等其他波長的雜散光對發射的激光信號的干擾。激光接收管陣列的分辨精度為3mm，測量范圍為500mm。供電與數據通信接口由支架控制器為激光定位傳感器供電，并與支架控制器進行數據通信，可由支架控制器控制激光定位傳感器開啟或關閉發射單元，進行激光信號發射控制，同時也可以將激光對位傳感器采集到的激光信號報送到支架控制器上，用于液壓支架的水平對位控制。

激光對位傳感器使用方法如圖5所示，圖中A，B為2個激光對位傳感器，A為定位目標，B為移動目標，激光定位傳感器A發出激光束，為移動物體提供定位基準，在激光對位傳感器B的位置移動過程中，激光信號照到激光接收管陣列的不同位置，產生B與A的水平相對位置信號，從在位置①時第1個激光接收管收到激光信號，到位置④時B與A完全對齊，完成激光對位功能。

圖4　激光對位傳感器示意

圖5　激光對位傳感器使用方法示意

3.3自動移架的偽斜控制

由于工作面的液壓支架是由刮板運輸機為約束點的浮動系統，架與架之間有間隙，容易竄動，支架與刮板運輸機之間有連接頭連接的間隙，單個支架的離散控制將導致工作面系統水平控制精度無法保證，為此，把工作面原有的只有垂直方位1個維度的控系統制，優化為具有垂直和水平方位2個維度的控制系統。垂直方位上依據傾角傳感器、行程傳感器進行控制，水平方位上依據激光定位傳感器進行控制，以下主要介紹水平方位的控制系統。

在每臺液壓支架安裝激光定位傳感器，激光定位傳感器安裝位置應保證發射出的激光束不被遮擋，激光對位傳感器不應安裝在液壓支架活動部件上，以使激光信號不受液壓支架運行姿態的影響，確保激光定位信號的精準性能。工作面的液壓支架可以采用順序逐架移架、隔架移架等方式實現采煤機的跟機自動移架控制，工作面不允許2臺相鄰的液壓支架同時降柱，即移動的液壓支架其左右鄰架必須處于支撐狀態，液壓支架在移架前，先查找鄰近的已完成移架的支架，并通過支架控制器給該架發送控制指令，使其打開激光對位傳感器發射激光信號［15］，為液壓支架移架提供水平定位信號。

在支架移架控制過程中，將工作面的偽斜量，分割到每個支架上，形成支架步進的支架超前量，即在移架過程中，應保證相鄰支架相對工作面運輸巷超前回風巷的步進量。由于電液換向閥的滯時效應，當支架控制器發出電磁驅動電信號后，支架停止動作還需要100ms左右，因此，液壓支架依據激光對位傳感器控制的支架步進距支架偽斜量會有一定的控制誤差，即超調量，當其超出支架偽斜量時，在下一架步進距離為支架偽斜量－超調量，反之，如果支架步進小于支架偽斜量時，下一架步進就要大于支架偽斜量，步進距離為支架偽斜量+超調量，這樣使正負誤差相抵消。最終保證系統誤差控制在有效的范圍內，保證工作面的偏移量積累不超過工作面的偽斜量。為了最大限度地保證控制精度，可以在支架移架過程中把整個支架移架過程分為粗放式控制和精細化控制2個階段，在粗放式控制階段，打開電磁閥一直動作，并通過行程傳感器不斷檢測推移行程;在進入精細化控制階段時，將動作過程切為時間片，按照動作－停止－檢測循環執行，以提高控制精度，同時也可以依據歷史數據提前預控，以達到最佳的控制效果。采用該方法也可以實現工作面的調直自動控制［16］。本系統經過井下原理性實驗表明該方法能夠有效地控制工作面水平方向上支架之間的相對位置，從而控制整個工作面的偽斜量，最終達到控制工作面設備上竄下滑的目的。

4　結束語

大傾角綜采工作面自動移架控制是煤礦開采自動化技術難題，是影響工作面安全生產的關鍵因素。將現有工作面液壓支架依據行程傳感器進行推移控制的1個維度的控制系統，提升為采用激光定位傳感器進行水平定位與垂直定位2個維度的控制系統來分析，解決了行程傳感器誤差積累、液壓支架與刮板運輸機連接頭間隙誤差積累等問題造成工作面液壓支架移架層次不齊等問題，并實現對工作面水平方向遞進量的偽斜控制，大傾角工作面自動調斜控制系統的研制成功，將為我國賦存條件復雜的煤礦實現智能化開采提供了新的技術途徑，為煤礦無人化開采技術研究開發提供了新思路。

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［責任編輯:徐亞軍］

開采技術與裝備

巷道支護理論與技術

Automatic Incline Adjustment and Anti-skid Control System Development for Full-mechanized Mining Face

NIU Jian-feng

(Beijing Tiandi Marco Electric Hydraulic Control Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

Abstract:This paper analyzed equipments slide problem and its cause in mining face.The basic principle of apparent dip control in full-mechanized mining face was introduced and laser alignment sensor was designed.It was put forward that applying laser alignment sensor and distance sensor to realizing vertical and horizontal automatic incline adjustment.With this automatic incline adjustment control system，automatic movement of powered support in inclined coalseam was realized.

Keywords:automatic incline adjustment; equipment slide; apparent dip control; laser alignment sensor

［作者簡介］牛劍峰(1961－)，男，山西太原人，高級工程師，從事煤礦綜采工作面自動化系統的研究及產品開發與研發管理工作。

［基金項目］國家高技術研究發展計劃(863計劃)資助項目(2013AA06A410) ;北京市科技計劃項目(Z141100003514025)

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.010

［收稿日期］2014－08－26

［中圖分類號］TD355.4

［文獻標識碼］A

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0032-03