綜采工作面采煤機自動化控制技術研究

王 翔

（陽煤集團平定裕泰煤業有限公司，山西平定 045200）

0 引 言

綜采工作面自動化采煤主要是為減輕人工強度，保障工人的身體健康[1]。采煤工作面采煤機實現自動化技術，主要實現割煤時的自動化，液壓支架的移動能夠自我實現，“三機”聯動和安全控制能夠互聯互通，自我切換，自我保障。自動化并不是獨立存在的，而是相互協調運轉，統一控制，有機的結合快速采煤運行機械化[2]。

論文研究綜采工作面采煤機自動化技術，主要從采煤機對割煤的路線的記憶，對采煤機隨著煤層變化設定預定軌跡路線，采煤機的自動定位控制和定資控制，遠程通過監控系統進行控制和反應，最后通過工業性實踐，看采煤機實現自動化的程度。采煤機自動化的安全保障系統，主要在可視化視頻監控觀察，工作面瓦斯預防采煤速度，采煤機的定點技術以及相關設備機械判斷上體現。

針對煤層的不斷變化起伏，通過預設軌跡路線，控制采煤機自動記憶切割路線；為確保安全生產需對采煤機定位定資控制，在瓦斯含量超標時，自動做出判斷停止開采；在地面監控室中視頻畫面實現遠程控制采煤及機械設備維護。研究采煤機自動化控制可為礦山開采安全性提供一道有力屏障，為實現礦井高效生產提供理論與技術支撐。

1 自動控制截割技術

1.1 采煤機記憶切割路線

目前絕大多數礦井都是使用采煤機在綜采工作面進行記憶切割。首先，由采煤機械師控制采煤機沿切眼面割上一刀，這一刀是示范刀，控制系統就會錄入該割煤位置、高度、截深等信息，并保存在控制中心。在割煤的時候，通過控制中心安裝的行程記錄儀收集采集示范刀流程，識別煤巖交界面，遇煤則進行切割，若為巖石則停止切割或者轉變位置，在視頻監控下對實時工況作出相應反應，修正采煤速度、循環刀數等相關參數，采煤機在自動控制下記憶切割煤線示意圖，如圖1所示。

控制中心在控制采煤機切割煤時，遇到煤巖界面出現異常，則會通過收集的數據進行分析，及時修正記憶路線，并對采煤機前后滾筒做出調整，在采煤機定位和定資的幫助下迅速擺正切煤路線。

圖1 采煤機記憶截割路線

1.2 截割軌跡預設

根據預設軌跡，在控制系統內嵌采煤機切割軌跡方程：

式中：γ為采煤機的最大仰角；M為煤層厚度。

根據煤層厚度、地質條件、煤質硬度、頂底板變化幅度等信息，預先在控制中心對采煤機截割軌跡路線進行設定。通過CT技術[3]，探測綜采工作面煤層厚度、頂底板變化。把這些變化輸入控制中心并存儲，根據煤厚和頂底板變化預生成三維割煤示意圖，如圖2所示。

圖2 預設采煤機隨煤層變化三維截割路線示意圖

控制中心中的割煤高度控制器是控制采煤機切割工作面高度控制設備，割煤高度控制器根據煤層厚度變化、高低起伏變化，負責調整采煤機截割割煤高度，并控制采煤機行走路線。控制器會判斷矸石率，一旦矸石率偏高，立即自動化實施變化[4]，優化煤層煤厚變化異常區割煤軌跡，提出了“浮動采高”自動技術概念，也就是說可以控制采煤機沿傾向或者走向推進割煤，分區域設定割煤軌跡，分種類變換割煤方向。這樣高度割煤控制器就能很好的預設采煤機的行為軌跡，實現采煤機滾筒順利的自動化割煤的效果。

2 采煤機自動定位定資控制

2.1 自動定位控制

自動定位控制是為了準確定位采煤機截割位置，在采煤機上安裝紅外線發射器，通過紅外定位，監測采煤機滾筒運行位置，控制采煤機割煤。另外液壓支架上被裝有紅外接收儀器，隨著采煤的前進，發射器上發射的紅外線通過接受器接受，如圖3所示。

圖3 采煤機定位系統

采集紅外信號，準確感知采煤機滾筒位置，位置傳感器發出指令，命令采煤機準確定位。通過礦用防爆通訊電纜，把收集到的位置信息發送到集控中心和遠程控制地面系統，工作員觀測到采煤機的概況，利用控制臺精準控位。為實現采煤機在工作面自動化采煤，不僅利用紅外線定位原理，而且在采煤機機身上還裝有形成檢測器，出現偏差也會發出反饋，供操作員及時修正定位。

2.2 自動定資控制

采煤機在割煤時的定姿技術主要是對采煤機運行方向、加速、減速、啟動、停止等進行控制，硬件主要控制采煤機滾筒、搖臂、截割電機、行走部等，硬件和軟件共同作用，才使得采煤機實現自動定資控制。

1）硬件。主要控制箱便是PLC，PLC控制器可以控制采煤機運轉和快慢，當然在控制的時候相關傳感器也發揮著不可輕視的作用。具體是采煤機在采煤時的具體狀況，是傳感器收集數據、信息，信息反饋到控制中心，中心通過PLC控制器發出指令，調整采煤機滾動高度、割煤深度等。PLC控制器有接口與集中主控相連，實時采集的采煤信息通過順槽、大巷傳輸到井下控制中心的主控制器上。

2）軟件。在井下傳感器收集到的信息，輸入到集控軟件上，軟件識別采煤機是否按照煤厚、煤層起伏運行，做出判斷，進而發出相應控制命令。集控軟件主頁面上會顯示實時在線數據，這樣有利于控制操作人員讀取和辨別，如圖4（a）所示。

集控軟件能夠真實準確地及時顯示采煤機采煤狀況和工況參數，顯示屏上對于滾筒位置、割煤速度、采高這些數據及時更新和識別，如圖4（b）所示，就像圖中所示，不僅顯示采煤機在工作面的具體液壓支架處和采煤機牽引速度準備表達出來，而且對于采煤機左右滾筒的割煤機身溫度、采煤機電流等也會顯示在主控界面上。

圖4 定位軟件系統

3 地面遠程視頻監控

3.1 地面監控系統簡介

井下作業環境惡劣、地質條件復雜多變，更好地了解井下具體情況，為自動采煤提供準確的數據，在采煤工作面安裝了礦用視頻監控系統，監控簡圖如圖5所示。

圖5 地面監控系統示意圖

為觀察工作面狀況，在采煤機滾筒上安裝礦用攝像器；為觀察電纜、采煤機具體位置，采煤機機體上也安裝礦用的攝像頭。想要了解整個工作面的情況，在工作面分組安裝攝像頭，在每隔一定的距離，在液壓支架上安裝礦用攝像頭，保證全方位、無死角的監測、觀察整個綜采面情況。攝像頭連接礦用通訊電纜，實時把監測到的具體情況傳送到集控中心，在預設割煤軌跡路線下，自動控制系統根據工作面內的情況轉換到地面視頻監控系統，操作人員則根據變化進行調整。

3.2 追蹤切換監控技術

采煤機在自動化開采中，利用有序自動化開采技術進行截割工作面，采煤機割煤工況被追蹤監控系統實時跟進。被裝在液壓支架攝像儀隨時監控采煤機動態，采煤機割煤被完全掌控著，為了高效監控與自動化調控，視頻監控系統采用切換技術，有利于視頻監控系統不至于存儲不夠而卡死。

1）畫面無縫拼接。采用動態畫面無縫拼接技術，用大視角的方式監測采煤機工作，對于不同情況、不同位置和不同場景的畫面進行錄制拍攝，采煤機工作的遠近視頻無差異化相逢連接，設計的作用主要是使視頻前的操作員身臨其境，有助于操作員進行跟機管理采煤機自動采煤。

2）視頻跟蹤調換。綜采工作面空間有限，煤塵嚴重，可視化不強，為清晰拍攝工作面采煤機運轉情況，采用無線技術與有線技術相結合的手段采集采煤機工況，通訊器將采集到的信息迅速傳到自動控制中心，為控制軟件跟隨采煤機實現切換監控。不斷切換采煤機定位、采煤機速度、滾筒高度等，跟機控制系統的切換視頻無死角的顯示工作面概況。采煤機和液壓支架上的攝像儀采集采煤工作面信息，采集到的信息通過分別建立與無線交換機的連接實現遠程輸送信息。紅外定位是實現采煤機定位的手段，定位裝置接收到采煤機位置，會把信息傳輸到集中控制系統，在切換功能作用下，視頻軟件就會隨著采煤機變化而顯示出來。

3）瓦斯監控。瓦斯在煤礦生產中是一重大危險源，采煤工程中為避免發生瓦斯保障，對于采煤機自動化采煤也設計了瓦斯監控[5]。工作面上隅角最為容易積聚瓦斯，所以在綜采工作面上隅角布設了瓦斯監測站。根據瓦斯監測站檢測到的瓦斯濃度，自動控制系統進行識別，瓦斯濃度若在在安全范圍內，采煤機以正常的速度進行割煤，一旦瓦斯濃度高于限定值，采煤機立即停止割煤，自動控制系統警報響起，視頻監控界面提示請先處理瓦斯，現在不利于割煤動作。另外，自動控制系統通過瓦斯監控收集到的瓦斯濃度，不斷調整采煤機運行速度，例如瓦斯稍大，則采煤機速度相應就會減小。

4 工業性實踐

1）煤厚變化試驗。某區六礦1502工作面煤層厚度變化較大，為了研究采煤機自動割煤效果和原煤含矸率，在該工作面進行了試驗，其結果如圖6所示。現場試驗表明，采用自動化控制采煤機割煤，原煤含矸率大為降低，而且采煤機故障排出率也提高了，另外節省了大量沒必要的時間，顯著提高了煤礦采煤的經濟性與可靠性。

圖6 自動控制前和自動控制后對比圖

2）瓦斯工作面試驗。在某礦高瓦斯2305工作面進行自動化控制采煤試驗，研究不同瓦斯濃度與采煤機的運行速度關系。自動控制采煤機采煤的原理在與根據瓦斯濃度情況，其自身就在不斷調整采煤機速度。上隅角瓦斯濃度分別設置0.3%、0.7%、0.8%、0.9%五個區間，在這五個區間段內，觀測采煤機割煤速度。根據井下實測和監控系統的數據收集，通過整理得到了瓦斯濃度與自動控制下采煤機采煤的速度關系表，詳見表1。

從表1看出，自動控制采煤機采煤能夠較好的根據瓦斯濃度進行速度調整。瓦斯濃度較低時，采煤機運行速度，快速為礦井產煤；在瓦斯濃度高于安全范圍時，自動控制系統立即迫使采煤機運轉。自動化控制采煤機采煤，自動調控為工作面的安全高效開采保駕護航。

表1 瓦斯存在時自動控制割煤速度

5 結 論

從采煤機記憶切割路線、控制中心預設軌跡、采煤機自動定位定資以及監控系統幾個方面研究，通過工業性實踐，說明采煤機自動化控制技術具有可利用性。在集控中心控制下，采煤機能夠識別煤層厚度、煤層起伏變化、工作面瓦斯情況。綜采工作面采煤機在控制系統操作下，自動割煤，不僅降低了原煤含矸率，還有利于工作面生產安全。