基于采煤機姿態坐標化的截割定位控制研究

張小林

（同煤大唐塔山煤礦有限公司， 山西 大同 037003）

引言

現階段，采煤機自適應控制技術被廣泛應用，然而，怎樣自動上調采煤機滾動的高度是該技術存在的一個較為突出的問題。面對工作面的實際煤層及巖石分布，采煤機會自動調整滾筒的高度，從而能實現最高效的割煤，這就是采煤機自動調高技術。因為控制理論及煤巖分界的差異，可將該項技術劃分為兩類：第一，運用傳感器識別煤巖界面，直接上調滾筒高度。這一方法有較為明顯的優勢，主要表現為串擾效應、天線效應、振鈴效應等因素，對地質環境有明顯的影響，導致該技術的工程實際應用效果不佳。因為電磁波的波長關系到所穿透煤層的厚度，電磁波的波長越長，就會穿透更厚的煤層，而測量分別率會更低。所以，要有效協調測量范圍和精確度的關系很不容易。第二，通過記憶截割實現間接調高技術。預測煤巖界面時，主要是對采煤機的各項工作數據進行監測。近幾年，我國記憶截割自動調高方面同樣取得了很大的發展，很多研究者為提升傳統記憶截割法的功能，設計出很多方法[1]。

1 采煤機截割軌跡數學模型的建立

通過對煤炭開采區的地質環境進行深入研究，創建局部地理坐標系統，和采煤機工作的采取存在固聯，從而能較直觀準確地描述采煤機工作環境，有以下規定內容：

1）確定系統原點Og為一個采區內采煤機起始工作位置，其位置是固定的；

2）Xg和當地緯線重合，為東向；

3）Yg和當地子午線重合，為北向；

4）Zg的方向和重力加速度的相反。

設定一個煤炭開采區是南北走向的，其煤層傾向為東西方向。據此可確定坐標系OgXgYgZg。采煤機牽引方向表示為Xg，采煤機進刀方向表示為Yg。在這一坐標系的基礎上，通過研究可獲得采煤機滾筒的運動軌跡如圖1所示[2]。

圖1 典型采區工作面地理坐標分布

采煤機的體型巨大，再加上其機身和左右搖臂存在相對轉動，因此，它不可當做質點，要完整的表述采煤機不同部位的位置關系，就要明確參考點。該文將采煤機質心當做參考點，創建采煤機固聯的坐標系，從而能有效地確定采煤機左右滾筒的位置，針對坐標系有以下規定：

1）采煤機坐標系原點Ob和質心位置一致；

2）Xb是橫向的，與采煤機機身相垂直；

3）Yb是縱向的，與采煤機機身相垂直；

4）Zb為豎直向上，與采煤機機身相垂直。

采煤機坐標系如圖2表示：

圖2 坐標系模型

在慣性導航系統中有陀螺儀，對采煤機的航向及姿態進行有效測量；通過搖臂旋轉編碼器進行測量，能確定采煤機搖臂擺角數值；綜合運用慣性導航系統及里程計，通過計算能準確定位采煤機機身。利用采煤機的姿態角和航向角，能對固定時刻的采煤機坐標系ObXbYbZb與地理坐標系OtXtYtZt的姿態關系，進行精確表示。在明確上述相對位置關系后，通過分析慣性導航原理，能獲知，要變換采煤機坐標系ObXbYbZb與采區局部地理坐標系OgXgYgZg之間的三維坐標，可以變化坐標來完成，在此基礎上，能獲得采區局部地理坐標系下的采煤機截割軌跡[3]。

在采煤機的質心位置，裝配慣性導航系統，并且在機身和搖臂鉸接部位裝配搖臂旋轉編碼器。要獲得采煤機機身的航向角δ，如下圖3-1，俯仰角β，如下圖3-2，橫滾角γ，如下圖3-3，采煤機左右搖臂的擺角θ1，θ2，運用上文提到的慣性導航系統和搖臂旋轉編碼器即可實現。

圖3 采煤機的航向角、俯仰角、橫滾角的坐標位置

要確定采煤機左右滾筒的位置，可用采煤機滾筒回轉中心當做參考點。通過研究可知，采煤機的機身和搖臂存在相對轉動關系，因此其坐標系如下：

式中：B為滾筒的回轉中心到機身中心的橫向寬度，m；L為采煤機兩搖臂回轉中心長度，m；L0為搖臂長度，m；θ1、θ2分別為采煤機左右搖臂擺角，定義上擺角是正值，下擺角是負值。

2 褶皺地質構造自適應截割路徑規劃

在煤礦井中，褶皺地質構造廣泛分布，而且非常復雜。這種地質構造對于開采煤炭極為不利。當出現褶皺地質構造發育時，采煤機運轉過程中，如果通過記憶信息來實現所記錄參數的截割，沿著之前的進刀方向運行，通過有限刀截割后，煤層頂底板和采煤機滾筒會相互干渉，嚴重影響綜采設備運轉，要安排專人來維護采煤機，使回采效率降到標準范圍。

為應對上文提到的各類問題，通過運用三維精細化地質模型，提出了采煤機通過褶皺地質構造法，該方法的操作環節如圖4所示[4]。

圖4 基于過褶皺地質構造的采煤機流程

先是通過由工程地質勘探及震波CT探測的三維精細化地質模型，從而確定采煤機進刀方向煤層頂底板采樣點坐標。在此基礎上對頂底板采樣點實施三次的樣條插值運算，從而確定褶皺地質構造的頂底板曲線。上述兩曲線的主要用途是準確表述褶皺地質構造的特征。采煤機會參照頂底板三次樣條插值曲線，科學規劃頂底板截割路徑。開展此項研究活動，主要目的是獲得最大回采率，選取褶皺地質構造中的背斜，深入研究沿采煤機進刀方向的路徑規劃方法。面對褶皺地質構造的環境，通過采煤機實施截割，要沿插值運算所得的頂底板煤巖界面曲線，從而確保回采率最高。采煤機在運轉過程中，會穿過進刀方向上的褶皺地質構造，要在這一方向中，適時調整采煤機下滾筒的臥底量，從而能與煤層底板相協調。

通過分析下頁圖5可知，當處于背斜地質構造環境中，褶皺地質構造發育的原點為O，采煤機下滾筒會在進刀方向上運行一次不會改變它的臥底量，這被稱之為第0刀。當結束時，采煤機進刀方向和綜采設備“推溜”和“移架”的方向之間不存在夾角，兩者和水平方向的夾角一致，都是γ0。沿著仰采角γ0的方向向前運行，采煤機在運行截深量d1時，就要對下截割滾筒的臥底量進行調整，所調整的幅度值用t1表示。當采煤機進刀及調高系列動作結束后，煤礦綜采設備會完成一個“推溜”和“移架”，其方向是沿0→1的方向朝進刀方向。在完成這一流程后，采煤機后面的進刀環節，傾角和上一刀綜采設備“推溜”和“移架”的傾角一致，其臥底量會還會繼續調整，在此基礎上，實現1→2方向的“推溜”和“移架”過程，綜采設備“推溜”和“移架”與采煤機進刀方向的夾角用φ1表示，后續的進刀仰采角度為γ0+φ1。上述過程會持續進行下去，采煤機從而能規劃出背斜地質構造的截割路徑[5]。

圖5 采煤機進刀方向變化曲線

3 仿真分析

在褶皺地質構造環境中，采煤機下滾筒仿真分析煤層底板的路徑規劃方法析。先是通過仿真數據設計出煤層底板仿真曲線（見圖6），這一條曲線的方程式為設該曲線的方程為Z=-0.01Y2+0.2Y，曲線范圍介于0～20 m之間，三次項系數為0。

4 結語

在分析采煤機沿進刀方向缺陷的基礎上，通過三次樣條插值算法，可得頂底板曲線，并通過循環坐標變換方法規劃采煤機沿進刀方向的截割路徑，從而獲得采煤機在進刀方向上每一刀的調整量及俯仰采角度。最后仿真分析上面的描述方法。分析結果顯示，采煤機的截割路徑與煤層底板曲線的差值最大為0.038 m，相對于之前的研究結果有明顯的進步。

圖6 煤層底板仿真曲線