綜采工作面中部跟機(jī)自動化控制的數(shù)學(xué)模型

石勇， 林江， 崔志芳， 袁小勤

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620；2.上海創(chuàng)力集團(tuán)股份有限公司， 上海 201706；3.山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045400)

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綜采工作面中部跟機(jī)自動化控制的數(shù)學(xué)模型

石勇1,2， 林江2， 崔志芳3， 袁小勤3

(1.東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 上海 201620；2.上海創(chuàng)力集團(tuán)股份有限公司， 上海 201706；3.山西新元煤炭有限責(zé)任公司， 山西 晉中 045400)

針對綜采工作面的雙向割煤生產(chǎn)作業(yè)特點(diǎn)，分析了采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時的協(xié)調(diào)控制過程，根據(jù)采煤生產(chǎn)作業(yè)中刮板輸送機(jī)彎曲段形成原理，提出了刮板輸送機(jī)彎曲段形成的數(shù)學(xué)模型；在該模型基礎(chǔ)上，分析了工作面中部液壓支架跟機(jī)自動化作業(yè)的工藝過程，提出了綜采工作面中部跟機(jī)自動化控制數(shù)學(xué)模型；根據(jù)該綜采工作面中部跟機(jī)自動化控制數(shù)學(xué)模型，對某煤礦3107綜采工作面相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了計算，并總結(jié)了3107綜采工作面中部跟機(jī)自動化生產(chǎn)的經(jīng)驗。應(yīng)用結(jié)果表明，綜采工作面中部跟機(jī)自動化控制的數(shù)學(xué)模型與跟機(jī)自動化工藝過程相吻合，為進(jìn)一步實現(xiàn)智能化綜采工作面提供了理論基礎(chǔ)。

煤炭開采； 綜采工作面； 跟機(jī)自動化； 采煤機(jī)； 液壓支架； 刮板輸送機(jī)

0 引言

煤炭開采屬于高危行業(yè)，在煤炭開采中，總是伴隨著各種事故發(fā)生的風(fēng)險[1-2]，如瓦斯爆炸、粉塵爆炸、透水、冒頂?shù)取Ａ硗猓诿禾块_采中，工作人員長時間處于粉塵環(huán)境，無法避免塵肺病[3]。

為降低煤炭開采對人身的傷害，必須要發(fā)展自動化、智能化、無人化開采[4]。而自動化、智能化、無人化開采的基礎(chǔ)是實現(xiàn)“三機(jī)”(采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架)的自動化、智能化聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。“三機(jī)”自動化、智能化控制的關(guān)鍵點(diǎn)在于采煤機(jī)、液壓支架的生產(chǎn)工藝之間的協(xié)調(diào)控制，即跟機(jī)自動化[6]作業(yè)。跟機(jī)自動化控制功能的應(yīng)用降低了煤礦工人的勞動強(qiáng)度，提高了煤礦生產(chǎn)效率[7]。其實現(xiàn)方式由綜采工作面的進(jìn)刀方式[8-9]、生產(chǎn)工藝[10]、移架方式[11]等決定。

朱小林等[12]根據(jù)液壓支架的工作過程，研究了采煤機(jī)的行走速度對跟機(jī)自動化的影響，但沒有分析采煤機(jī)與液壓支架的其他聯(lián)動相關(guān)過程。田成金等[13]闡述了雙向割煤跟機(jī)自動化工藝過程，但沒有對中部跟機(jī)過程進(jìn)行詳細(xì)分析。陶顯等[14]、張守祥等[15]對跟機(jī)自動化進(jìn)行了簡化建模，但沒有對中部跟機(jī)過程進(jìn)行建模。于亞運(yùn)等[16]建立了跟機(jī)自動化系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，但沒有詳細(xì)考慮彎曲段推溜行程問題。張智喆等[17]使用間接的采煤機(jī)運(yùn)動軌跡檢測方式，實現(xiàn)了對刮板輸送機(jī)彎曲段的檢測，但沒有給出具體的推導(dǎo)彎曲段形成的數(shù)學(xué)原理。

目前，綜采工作面主要采用工作面端部斜切進(jìn)刀、雙向割煤方式。本文根據(jù)該作業(yè)方式特點(diǎn)，分析了采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)時的協(xié)調(diào)控制過程，提出了刮板輸送機(jī)彎曲段推移的數(shù)學(xué)模型，以及在工作面中部液壓支架跟機(jī)自動化控制的數(shù)學(xué)模型。

1 跟機(jī)自動化概述

綜采工作面設(shè)備布局如圖1所示。在綜采工作面生產(chǎn)作業(yè)過程中，液壓支架掩護(hù)內(nèi)部的設(shè)備、人員。采煤機(jī)通過行走齒輪咬合刮板輸送機(jī)上的銷排實現(xiàn)左右行走[18-19]，同時左右搖臂帶動滾筒根據(jù)工作面情況適當(dāng)上升與下降，行走前方滾筒在上方割頂?shù)叮蠓綕L筒在下方割底刀。刮板輸送機(jī)將截割下來的煤運(yùn)出工作面。

跟機(jī)自動化是以采煤機(jī)的位置和行走方向為基準(zhǔn)，各個支架根據(jù)綜采工作面的工藝要求，在采煤機(jī)前方(采煤機(jī)行走方向為前)的支架自動收回煤壁支護(hù)的護(hù)幫板，以便讓采煤機(jī)正常通過，互不干涉；在采煤機(jī)后方的支架及時自動移架，完成對割煤后懸空頂板的支護(hù)，并適時伸出護(hù)幫板，防止煤壁垮落；在移架完成后的適當(dāng)距離自動推移刮板輸送機(jī)(形成彎曲段)，將采煤機(jī)滾筒裝煤剩下的煤塊裝載至刮板輸送機(jī)上，并為下一刀割煤循環(huán)做準(zhǔn)備。

圖1 綜采工作面設(shè)備布局(俯視)

跟機(jī)自動化的目標(biāo)是實現(xiàn)工作面采煤設(shè)備的自動推進(jìn)，并保證采煤機(jī)與液壓支架互不干涉；刮板輸送機(jī)保持良好的運(yùn)行姿態(tài)，并保證其直線度；對工作面頂板、煤壁進(jìn)行有效管理，保證支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定的初撐力[6]。

2 跟機(jī)自動化數(shù)學(xué)模型

在綜采工作面中部跟機(jī)自動化生產(chǎn)作業(yè)時，液壓支架根據(jù)采煤機(jī)的位置和行走方向，完成護(hù)幫板的伸縮、推溜、移架的自動控制。在移架自動控制過程中，液壓支架的推移千斤頂根據(jù)設(shè)定的彎曲段長度，自動推移刮板輸送機(jī)的溜槽，由推移千斤頂?shù)膱?zhí)行時間、推移行程確定彎曲段每節(jié)溜槽的推移量。

2.1 刮板輸送機(jī)彎曲段數(shù)學(xué)模型

工作面彎曲段長度與斜切進(jìn)刀的時間相對應(yīng)；彎曲段過長，增加了采煤機(jī)割1刀煤的時間；彎曲段過短，推刮板輸送機(jī)溜槽時可能會發(fā)生將刮板鏈頂斷或頂脫槽、溜槽間錯槽等事故。合理使用刮板輸送機(jī)可彎曲性能的關(guān)鍵是確定可彎曲段的合理長度。

在液壓支架立柱支護(hù)強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定的初撐力時，下方的推移千斤頂方可推移刮板輸送機(jī)的溜槽，形成彎曲段。當(dāng)推移千斤頂推移刮板輸送機(jī)的溜槽時，溜槽會自然出現(xiàn)2段長度相等、方向相反的對稱彎曲段[20]。

根據(jù)彎曲段溜槽個數(shù)Nc的奇偶性，可得圖2中的2種狀態(tài)。圖3為2個溜槽之間的轉(zhuǎn)角局部示意。

(a) Nc為偶數(shù)時(Nc=2m)

(b) Nc為奇數(shù)時(Nc=2m+1)

圖3 2個溜槽轉(zhuǎn)角局部示意

當(dāng)溜槽數(shù)Nc=2m(m=1,2,…)時，推移步距為

(1)

式中：l為每節(jié)溜槽的長度，m；α為溜槽間的水平轉(zhuǎn)角，°；lw為每節(jié)溜槽的寬度，m。

每節(jié)溜槽的推移距離bi(i=1,2,…,Nc)計算公式如下。

1≤i≤m時，

(2)

式中：lx為溜槽間水平轉(zhuǎn)角α對應(yīng)的弦長,m；β為弦所對應(yīng)的轉(zhuǎn)角，°。

m

(3)

當(dāng)溜槽數(shù)Nc=2m+1時，推移步距為

(4)

圖3中經(jīng)過幾何計算可得彎曲段溜槽間水平轉(zhuǎn)角α對應(yīng)的弦長為

(5)

每節(jié)溜槽的推移距離計算公式如下。

1≤i≤m時，

(6)

i=m+1時，

(7)

m+1

(8)

2.2 中部跟機(jī)數(shù)學(xué)模型

采煤機(jī)位于工作面中部，其尺寸如圖4所示。

圖4 采煤機(jī)尺寸

當(dāng)采煤機(jī)與工作面左端相距Sx時，右滾筒(前滾筒)右邊緣與工作面左端的距離為

(9)

式中：q為采煤機(jī)牽引方向(q=1表示采煤機(jī)向右牽引，q=-1表示采煤機(jī)向左牽引)；L1為采煤機(jī)回轉(zhuǎn)中心距，m；L2為搖臂長度，m；γ為右滾筒相對于機(jī)身轉(zhuǎn)過的角度(當(dāng)滾筒中心處于回轉(zhuǎn)中心線以上時，γ>0)，°；R為滾筒半徑，m。

左滾筒(后滾筒)左邊緣與工作面左端的距離為

(10)

式中η為左滾筒相對于機(jī)身轉(zhuǎn)過的角度(當(dāng)滾筒中心處于回轉(zhuǎn)中心線以上時，η>0)，°。

右滾筒采高為

(11)

式中H0為回轉(zhuǎn)中心距底板高度，m。

左滾筒采高為

(12)

液壓支架動作包括護(hù)幫板的伸縮動作、移架動作、推溜動作。支架動作與采煤機(jī)位置的關(guān)系如圖5所示。

圖5 支架動作與采煤機(jī)位置的關(guān)系

采煤機(jī)位置與支架動作的函數(shù)如下。

(1) 護(hù)幫板的伸縮動作。為避免在割煤過程中，采煤機(jī)的前滾筒割到支架，位于前滾筒前方Df個支架距離的支架護(hù)幫板需要收回，收護(hù)幫板個數(shù)為Nd。在采煤機(jī)后滾筒后方Db個支架距離處，支架完成移架動作后，護(hù)幫板需要及時伸出，伸護(hù)幫板個數(shù)為Np，防止出現(xiàn)煤壁片幫。

(2) 移架動作。在采煤機(jī)后滾筒后方Db個支架距離處，進(jìn)行移架操作。移架個數(shù)為Nm。

(3) 推溜動作。為了保證采煤機(jī)的正常使用，一般要求距離后滾筒后方Dc(Dc=Nc+Nm+Db)個支架處，才允許刮板輸送機(jī)進(jìn)行推溜動作。

推溜動作函數(shù)如下。

q=1時，當(dāng)前支架Px在左滾筒處支架后方Dc個支架距離時，刮板輸送機(jī)開始推溜，推溜函數(shù)為

(13)

q=-1時，當(dāng)前支架Px在右滾筒處支架后方Dc個支架距離時，刮板輸送機(jī)開始推溜，推溜函數(shù)為

(14)

3 跟機(jī)自動化應(yīng)用

山西新元煤炭有限責(zé)任公司3107綜采工作面可采走向長度為1 591.4 m，工作面寬度為240 m，煤厚2.2～3.2 m，傾角為2～4°，煤炭可采儲量為160萬t。工作面主要配套設(shè)備：ZY6800/18/37D 型液壓支架，共162架，配有電液控系統(tǒng)；MG400/930-WD型采煤機(jī)，配有動力載波數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)；SGZ1000/1400 型刮板輸送機(jī)，配有ZQS127-Z監(jiān)控系統(tǒng)。

該工作面中部跟機(jī)自動化具體參數(shù)：l=1.5 m，Df=3，Db=3，Nc=10，Dc=18，Sp=0.8 m，α=1°。使用跟機(jī)自動化數(shù)學(xué)模型對該工作面的參數(shù)進(jìn)行計算，所得每節(jié)溜槽的推移距離bi、推移步距Sp見表1。可看出推移步距為0.791 m，與工作面要求的步距(0.8 m)誤差為1.1%。

表1 彎曲段推溜位移

基于跟機(jī)自動化數(shù)學(xué)模型的跟機(jī)自動化控制系統(tǒng)已在3107工作面正常使用，監(jiān)控畫面如圖6所示。從最上面一排柱狀圖的長短可看出推移千斤頂位移的變化情況，從而可以直觀地觀察刮板輸送機(jī)的彎曲段變化情況。跟機(jī)自動化工藝過程與本文所建數(shù)學(xué)模型相吻合。

跟機(jī)自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了采煤效率。但是該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中暴露了一些問題，需要進(jìn)一步改進(jìn)與提升，如系統(tǒng)自動拉架過程中，經(jīng)常出現(xiàn)拉架不到位的情況，需要人工補(bǔ)拉；系統(tǒng)自動推溜時，經(jīng)常出現(xiàn)推溜不到位的情況，需要人工補(bǔ)推。

圖6 跟機(jī)自動化控制系統(tǒng)監(jiān)控畫面

4 結(jié)論

(1) 刮板輸送機(jī)彎曲段的數(shù)學(xué)模型，為跟機(jī)自動化彎曲段的控制提供了數(shù)學(xué)依據(jù)。

(2) 刮板輸送機(jī)彎曲段的數(shù)學(xué)模型，為解決跟機(jī)自動化生產(chǎn)中出現(xiàn)的推溜不到位現(xiàn)象，提供了數(shù)學(xué)計算基礎(chǔ)，可為控制系統(tǒng)的完善提供一定的幫助。

(3) 跟機(jī)自動化控制的數(shù)學(xué)模型，為綜采工作面跟機(jī)自動化控制提供了控制基礎(chǔ)。

(4) 跟機(jī)自動化控制的數(shù)學(xué)模型，為滿足不同綜采工作面的不同工藝條件，以及進(jìn)一步完善、提高跟機(jī)自動化控制系統(tǒng)的適應(yīng)性提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

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Mathematical model of automatic following control in the middle of fully mechanized mining face

SHI Yong1,2, LIN Jiang2, CUI Zhifang3, YUAN Xiaoqin3

(1.College of Mechanical Engineering, Donghua University, Shanghai 201620,China;2.Shanghai Chuangli Group Co., Ltd., Shanghai 201706,China;3.Shanxi Xinyuan Coal Co., Ltd., Jinzhong 045400,China)

With consideration of bi-directional cutting characteristics of fully mechanized mining face and analysis of coordinated control of shear, hydraulic support and scraper conveyor, a mathematical model was firstly proposed to describe curved path of scraper conveyor according to formation principle of curved route when scraper conveyor was working during the mining production. Based on the model, working process of automatic following technology of hydraulic support in the middle of fully mechanized mining face was analyzed and a mathematical model of automatic following control in the middle of fully mechanized mining face was further built. Parameters of 3107 work face of a coal mine were calculated according to the mathematical model of automatic following control, and experiences during real production were concluded. The application result shows the model of automatic following control has a good coincidence with the actual following technique in working process, which can provide a theoretical basis for further realization of intelligent mechanized mining face.

coal mining; fully mechanized coal face; automatic following control; shearer; hydraulic support; scraper conveyor

1671-251X(2016)11-0014-06

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.004

石勇，林江，崔志芳，等.綜采工作面中部跟機(jī)自動化控制的數(shù)學(xué)模型[J].工礦自動化，2016,42(11)：14-19.

2016-07-13；

2016-09-27；責(zé)任編輯：李明。

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)資助項目(15D310302)。

石勇(1981-)，男，江蘇淮安人，工程師，博士研究生，現(xiàn)主要從事采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計、研發(fā)工作，E-mail:jackyshiy@163.com。

TD355/63

A

時間：2016-10-28 16:22

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1622.003.html