采煤機截割滾筒防碰撞監控系統的應用研究

呂 文

（山西省煤炭建設監理有限公司， 山西 太原 030012）

引言

采煤機作為煤礦井下一種關鍵的綜采設備，主要通過與刮板輸送機、液壓支架的聯動運行，實現綜采面的截割作業，在實際操作過程中，通常依靠采煤機操作人員目視對截割滾筒和液壓支架護幫板的相互位置進行判斷，使護幫板升起后再進行截割作業。由于煤礦井下綜采作業時處于高塵環境，能見度較低，因此經常出現判斷錯誤，導致截割滾筒和護幫板出現碰撞，使截割滾筒截齒斷裂，嚴重影響井下綜采作業進度，也給綜采面作業人員的生命安全帶來較大的隱患。因此結合近年來發展迅速的視頻監控和視覺檢測技術，本文提出了一種新的基于視頻監控的采煤機截割滾筒防碰撞系統，該系統極大地提升了采煤機煤礦井下綜采作業的穩定性[1]。

1 采煤機、液壓支架、刮板輸送機協同動作關系

煤礦井下綜采作業的過程實際上是采煤機、液壓支架、刮板輸送機協同運行的過程，采煤機沿著刮板輸送機的銷排運行，液壓支架則根據采煤機的截割位置變化不斷地進行移架、支撐、收放護幫板的動作，實現跟機協調運行，共同確保煤礦井下綜采作業的順利進行。在協同運行過程中由于液壓支架護幫板的收放需要在短時間內完成伸縮前梁的收回以及護幫板的旋轉，煤礦井下的工況復雜，液壓支架長期工作過程中因煤壁干涉、液壓油泄露等均會導致護幫板在收回時候前梁的回收距離偏短或者護幫板旋轉角度偏小，使護幫板端部和采煤機截割滾筒出現干涉[2]，導致機架和滾筒的損壞。采煤機、刮板輸送機、液壓支架的協同動作關系如圖1 所示。

2 采煤機截割滾筒防碰撞監控系統

圖1 采煤機、液壓支架、刮板輸送機協同運行關系示意圖

根據采煤機與液壓支架之間的相互協同運行關系，本文提出了一種新的采煤機截割滾筒防碰撞監控系統，該監控系統以機器視覺檢測技術為核心，對液壓支架護幫板的位置狀態進行檢測，同時以PLC控制核心和采煤機自身的電液控制系統數據信息實現對采煤機截割滾筒截割高度和位置信息的監控，利用該監控數據處理系統構建起截割滾筒和液壓支架護幫板的相互位置模型，從而實現對采煤機截割滾筒和液壓支架護幫板位置的監測和報警。同時該監測系統能夠利用數據總線系統將護幫板的位置狀態信息和與采煤機截割滾筒之間的距離監控信息實時傳輸到地面上的監控中，滿足遠程監測和控制的需求。該防碰撞監控系統的整體結構如下頁圖2 所示[3]。

3 防碰撞系統傳感器設備的布置及防碰撞邏輯

該系統能夠有效防止截割滾筒和護幫板相碰撞的基礎在于各類傳感器設備對采煤機和護幫板運行狀態的實時監測，因此對各類傳感器設備的布置要求較高。為了實現對液壓支架護幫板位置的采集，在液壓支架頂梁的下側設置一組防爆相機，對液壓支架頂梁的運行情況進行動態視頻監控，并將監控結果轉換為視頻信號，通過井下工業傳輸到地面上的監控中心，在監控中心內通過對視頻監控圖像的增強處理和位姿解算即可求出護幫板的位置姿態信息，判斷護幫板是否回收到位。

圖2 防碰撞監控系統結構示意圖

在采煤機的搖臂和機身結合的位置設置一個傾角傳感器[4]，可以對采煤機搖臂的傾角變化情況實時進行監控，根據預設的傾角和截割滾筒高度的對應關系，直接換算出不同傾角狀態下采煤機的截割滾筒高度信息。在采煤機的機身位置設置一個紅外線位置傳感器，對采煤機運行過程中在水平方向上的位置信息進行判斷，將采煤機的高度信息和位置信息均通過工業以太網傳輸到地面控制中心，控制中心生成采煤機和液壓支架滾筒的相對位置關系三維模型，結合系統所監測到的采煤機護幫板的回收位置狀態，自動對采煤機和截割滾筒發生碰撞的概率進行計算，當系統計算會出現碰撞時，一方面控制采煤機的進給機構，實現降速運行，另一方面控制對應液壓支架的護幫板，使其加快回收，實現自動防碰撞控制，各監測傳感器如圖3 所示。

4 結論

1）液壓支架長期工作過程中因煤壁干涉、液壓油泄露等均會導致護幫板在收回時候前梁的回收距離偏短或者護幫板旋轉角度偏小，可造成截割滾筒和護幫板碰撞的主要原因。

圖3 各監測傳感器實物圖

2）該監控數據處理系統利用截割滾筒和液壓支架護幫板的相互位置模型，實現對采煤機截割滾筒和液壓支架護幫板位置的監測和報警。

3）監控系統能夠將采煤機的高度信息和位置信息通過工業以太網傳輸到地面控制中心，控制中心生成采煤機和液壓支架滾筒的相對位置關系三維模型，結合系統所監測到的采煤機護幫板的回收位置狀態，自動對采煤機和截割滾筒發生碰撞的概率進行計算，當系統計算會出現碰撞時，一方面控制采煤機的進給機構，實現降速運行，另一方面控制對應液壓支架的護幫板，使其加快回收，實現自動防碰撞控制。