智能工作面中刮板輸送機直線度感知技術

李寧

摘要：目前礦井刮板輸送機直線度檢測技術檢測精度差，在監測、執行、控制等環節的智能化程度不足，影響了采煤工作面的生產效率。某礦致力于現代化智能煤礦開采設備的研發與應用工作，根據現場開采情況，對刮板輸送機直線度感知技術進行分析研究，利用FBG光纖光柵技術并結合應變傳感原理，研制出采用三維曲率技術方法的傳感器。通過有限元技術分析方法得出光纖光柵曲率感知技術能夠有效對刮板輸送機的直線度進行感應，并具有可靠性高、抗干擾能力強的特點。

關鍵詞：智能工作面;刮板輸送機;直線度感知技術

中圖分類號：TD528 文獻標志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0186—03

0引言

煤礦企業不斷運用新型智能技術管理煤礦開采。刮板機直線度感知技術也是智能技術的發展方向，是對煤礦開采產業的高度智能融合。雖然目前煤炭行業也采取了感知技術應用于礦井中，研究人員也開展了刮板機直線度感知技術研究：牛劍鋒等通過在液壓支架頂梁上安裝測距儀和角度傳感器，結合液壓支架的推溜動作，實現了刮板運輸機直線度控制;余佳鑫等提出在液壓支架推移千斤頂跟液壓支架上安裝行程傳感器，實現刮板輸送機及液壓支架的直線度控制。但是上述方法是間接性調節方法，具有極大的誤差，在實際工程中實用性較小。目前的刮板機直線度感知技術最為重要的是需要在礦井內實現“三直兩平”的標準和直接性調節，保證刮板輸送機在運輸煤炭物料時的平穩可靠。因為刮板輸送機除了運輸煤炭物料以外，還會對采煤機的位移軌道進行控制，提高刮板輸送機的直線度，有助于提升煤炭開采工作效率。通過調研相關資料，某礦不斷探索刮板機直線度感知技術，破解原有感知技術難題，采用目前傳輸速率以及抗干擾性非常強的光纖傳感技術作為刮板輸送機直線度傳感器設計的基本數據通訊線路。利用光纖光柵作為刮板輸送機直線度傳感器的靈敏元件，以直接性調節方法實現了直線度檢測。采用數值模擬分析的方法得出了光纖光柵作為靈敏元件時能夠極大提升感知傳輸精確性的結論。研究成果對推動礦井智能工作面建設開發提供了思路。

1智能系統

1.1智能系統整體結構模型

刮板輸送機的智能感知系統應用傳輸速率很快的光纖作為通訊線路，通過光速傳播，可高效地將地上與井下的實時參數數據進行互通互聯。基于該工作原理，以光纖光柵三維曲率傳感器作為數據采集感知的基本硬件結構。光纖光柵可通過環境的不同，改變傳播波長以適應環境的變化，從而達到抗干擾性較強的目的。光纖光柵將數據傳送至地面的基站服務器，通過濾波處理方法形成數字信號，最終實現在煤礦管理室的終端服務器。根據某煤礦現有的通訊線路架構，設計出智能系統整體結構，如圖1所示。

1.2智能系統硬件結構模型

利用FC/APC通訊協議，配套相關的硬件接線盒及接線端頭，在礦井中需建立千兆規格的網絡線路，將智能工作面“三機”進行聯合通訊，“三機”主要包括采煤機、刮板輸送機以及液壓支架。根據現場實際工況條件，采用在刮板輸送機的工作槽內設置電纜，用于感應刮板輸送機的彎曲狀態并結合液壓支架的高度調整，對刮板輸送機的工作面進行智能調直，每個液壓支架都有一個基準面，通過在每個基準面的推移完成對液壓支架的拉溜動作，工作面的智能調直是建立在液壓支架調直平衡的基礎之上。工作面的調直作業示意圖如圖2所示。

1.3智能系統軟件結構模型

通過C#編程語言對智能系統的各個功能模塊及應用程序進行設計，軟件中需設定數據提取、數據存儲分析等相關功能，軟件系統應滿足以下功能：（1）數據讀取應當實時地實現對光纖光柵三維曲率數據的自動采集，對于正交方向上的數據應有更高的靈敏度;（2）數據存儲應對光纖光柵三維曲率數據進行自動存儲，合理分欄設置，便于后期管理以及查閱;（3）數據分析主要對后期采集的數據進行擬合重建，內置Matlab軟件的數據分析模塊，降低數據干擾，提高數據分析結果的精確性。

智能系統整體結構設計應保證軟件系統與硬件系統相互之間的有效連接以及匹配，軟件系統設計結構如圖3所示。

2智能感知傳感器

2.1感知機理

傳感器作為智能工作面采集環境模擬信號的重要關鍵部件，其工作性能的好壞將決定工作面智能化程度的可靠性，并將對刮板輸送機直線度模擬量感應產生影響。傳感器必須要根據該地層環境惡劣的變化，實時調整自身工作性能，才能滿足實際現場的應用要求。

基于FBG光柵技術原理，采用全息法在光纖內部進行光路探索，通過反射光譜滲透至光纖電路的外部表面，可分析其變化規律，對內部的傳感情況進行掌握。光纖光柵傳感原理如圖4所示。

2.2傳感器材質

由于礦井巷道里的工作面錯綜復雜，應保證傳感器具有一定的彎曲程度，刮板輸送機的實際彎曲半徑為30～1500 m，因此所采用的光纖光柵三維曲率傳感器的彎曲半徑不得小于25m。從微觀方面對傳感器的應變規定為1200微應變。傳感器采用橡膠材料包裹制作，泊松比為1.59、屈張力為8.59。

此外，為了提高傳感器的抗干擾能力，應對傳感器的各個縫隙之間采用適宜的填充物進行填充。填充物應具備一定的柔軟性并且滿足工作實際的強度要求。通過調研資料分析可知，采用硅膠材料作為填充物比較適宜，具有工作強度高、固化時間長的特點。

3傳感器仿真模型

根據擬定的光纖光柵三維曲率傳感器的設計構想，對傳感器的三維模型進行設立，在X、Y、Z3個方向上對傳感器進行模型拉伸，設定傳感器的外環半徑為90 mm、圓環寬度為20mm。為提高仿真計算的精確性，將模型結構的長度設置為1m，光纖光柵串裸纖部分直徑為0.0625 mm，涂覆層外徑為0.9mm。將設立的三維模型進行網格劃分，網格單元為1886214個，節點為401188個，仿真模型如圖5所示。

對已建立起的三維模型施加載荷及邊界條件約束，在柔性基材一端添加固定約束，另一端沿X軸方向偏轉一定的角度，使光纖光柵三維曲率傳感器模型彎曲部分常見的曲率半徑為100、200、300、400、500 m。

4數值模擬分析

根據實際工況條件，刮板輸送機的常見工作曲率半徑為100、200、300、400、500 m。為檢測光纖光柵感知技術在最為惡劣條件下是否能夠滿足工作要求，選取曲率半徑最小而彎曲程度最大的工作情況進行研究，因此以100 m曲率半徑為代表作為研究對象。如果光纖光柵感知技術能夠滿足此條件下的工況條件，就能對刮板輸送機直線度感知傳感的工作要求，圖6所示為曲率半徑為100m狀態下光纖光柵串軸向、徑向點應變云圖。

由圖6可知，光纖光柵串能夠跟隨刮板輸送機的中部槽電纜進行實時彎曲，并對彎曲程度數據參數進行感知，軸上的光纖光柵串在刮板輸送機輸煤過程中不同曲率狀態下的最大壓縮應變分別可達0.00041、0.000205、0.000137、0.0001、0.0000807。試驗數據結果與該煤礦現場實際觀察結果基本保持一致，證明了傳感器研制理論光纖光柵曲率感知原理的正確性。

5結束語

為了更好地搭建現代礦井智能工作面的平臺，提高生產開采的工作效率，采用光纖光柵應變傳感原理，對刮板輸送機直線度感知技術在實際現場的應用進行研究，并對感知技術傳感器的研制進行了探討。通過數值模擬分析軟件對光纖光柵傳感器實際工作檢測結果進行分析可知，基于光纖光柵曲率感知技術的直線度感知檢測原理能夠應用于刮板輸送機的直線度感知檢測現場。