綜采工作面煤巖界面識別方法研究

王莉，蘇波

（河南理工大學電氣學院，河南 焦作 454003）

通過煤礦機械化、自動化和信息化技術的應用，減少了煤礦采掘工作面作業人員，并最終實現無人開采是改善煤礦安全生產形勢的必然選擇。在無人開采中，采煤工藝智能優化系統協調采煤機、液壓支架和刮板輸送機相互配合，使工作面整體系統工作在最佳狀態，協同完成割煤、移架、推刮板輸送機和放煤等任務。采煤機是無人工作面設備的核心部件，其關鍵技術是研究適合中國煤層條件的采煤機自動控制系統。經過多年的技術引進和自主創新，國產采煤機控制系統在微機控制、自主定位與導航、工況監測、在線故障診斷、遠程通信等關鍵領域取得了長足進步，由于受煤巖界面識別精度、穩定性和可靠性的限制，采煤機滾筒自動調高未能取得突破。實際生產中，采煤機司機通過觀察煤巖切割面和聽現場聲音來判斷滾筒工作狀態，從而調節滾筒高度，由于煤礦采煤工作面噪聲大而且能見度低，采煤機司機很難做出準確判斷，容易造成滾筒截割到頂巖或底板巖，引發一系列問題。因此，煤巖界面識別作為自動化采煤的關鍵技術仍然具有很強的研究價值和市場需求。

1 煤巖界面識別國內外研究現狀

從20世紀50年代開始，世界各主要產煤國的研究機構在煤巖界面識別方面做了大量研究工作，國內外研究機構已經提出了20多種煤巖界面檢測方法。煤巖界面識別方法根據原理不同分為兩大類：直接測量法和間接測量法；根據獲取的信息不同，將煤巖分界方法分為煤厚測量型和煤巖界面測量型。

直接測量法采用某種類型的傳感器與煤巖相互作用，從而獲得煤巖界面信息，其工作原理如圖1所示。采用特定的傳感機理對頂底板煤巖進行探測，傳感器輸出的信息經煤巖界面識別處理單元處理后得到精確的煤巖分界位置或者煤層的厚度，最后，采煤機滾筒高度調節控制器據此調節滾筒高度。煤巖界面直接測量法包括自然γ射線探測法、人工γ射線探測法、雷達探測法、電子自旋共振法、紅外探測法、高壓水流法、激光粉塵探測法、光反射法、機器視覺法等。

間接測量法通過檢測和分析采煤機的工作參數、狀態參數來獲得煤巖界面信息，其工作原理如圖2所示。采煤機采煤時滾筒與煤巖介質之間存在著復雜的相互作用。當滾筒接觸的介質發生變化時，采煤機的機械和電氣參數會相應地變化。采用相應的傳感器獲取這些參數的變化后送入煤巖界面識別處理單元，得到精確的煤巖分界位置或者煤層的厚度，最后，采煤機滾筒高度調節控制器據此調節滾筒高度。煤巖界面間接測量法包括應力截齒分析法、振動測試法、聲波頻譜分析法等。

圖1 煤巖界面直接測量法

圖2 煤巖界面間接測量法

2 存在的問題

國內外研究人員從不同的技術角度展開了煤巖界面識別探索和試驗，目前還沒有找到成熟的解決方案，存在的問題包括以下幾個方面：

（1）我國煤礦的地質條件限制了國外成熟技術的推廣應用。目前，較為成熟煤巖界面識別技術是自然γ射線探測法和記憶截割法，已經應用到進口的采煤機上。但是，在我國僅有20%左右的礦井適宜采用自然γ射線探測法。記憶截割法適合于地質條件好、煤層比較平整的礦井，當地質條件較差時，需要工人頻繁地對截割軌跡進行修正，影響了生產效率，因此，應用效果存在一定的局限性。

（2）基于已有煤巖界面識別方法的傳感器結構復雜，改造成本高。例如，在應力截齒法中，需要對采煤機滾筒進行機械改造，加裝測力截齒和測力傳感器；在振動測試法中，需要在采煤機上加裝加速度、扭振和扭矩等傳感器。

（3）采煤機滾筒在截割過程中受力復雜、滾筒振動劇烈、磨損嚴重，容易導致煤巖界面識別傳感器的機械構件和電氣線路受到損壞，可靠性差。

表1 煤巖界面識別技術匯總表

（4）對于不同類型的滾筒和不同的地質條件，煤巖界面傳感器的最佳類型和信號拾取點的選擇存在較大區別，需要進行個性化定制，系統的普適性差。

（5）在采煤機滾筒自動調高中，基于煤巖界面信息的簡單的反饋控制得不到較好的控制效果，一方面，由于單類型傳感器的精度和可靠性不高；另一方面，由于滾筒高度的調節要受到巷道頂底板、采空區條件和采煤機工作能力的限制。

3 結語

為了解決煤巖界面識別在實際應用中的諸多問題，需要優選非接觸、易于實施、通用性強的技術。由于單一類型傳感器在應用中存在精度和可靠性不高的問題，可考慮設置不同類型傳感器或者多個同類傳感器來獲取更為全面的信息，然后，應用傳感器融合技術提高煤巖界面信息的可用性。在采煤機滾筒高度調節控制策略方面，摒棄已有的“煤巖界面識別-采煤機滾筒高度調節控制”的簡單反饋控制，綜合利用煤巖界面信息、頂底板信息、采空區信息、記憶截割的歷史數據實現采煤機滾筒高度的智能調節。