綜采工作面頂板底板位置探測方法研究

石文利

摘要：在提高綜采工作面單位時間有效產(chǎn)量，綜采工作面自動化水平和采煤的勞動生產(chǎn)效率，的自動化采煤，無人化采煤，智能化采煤方案設計中，一個不可能繞開的系統(tǒng)性課題就是如何探知綜采工作面頂板和底板的準確位置。需要設計一套可以有效檢測綜采工作面頂板、底板位置的傳感系統(tǒng)，區(qū)分采煤機割煤或者割巖動態(tài)狀態(tài)。將此狀態(tài)發(fā)給智能化采煤或者自動化采煤決策系統(tǒng)，實現(xiàn)多割煤少割巖的目標，進而提高綜采工作面單位時間有效產(chǎn)量。

關鍵詞：綜采工作面 采煤機 頂板 底板

引言

綜采生產(chǎn)方式，通過采煤機滾筒旋轉(zhuǎn)，帶動截割頭旋轉(zhuǎn)采煤，截割頭由搖臂控制采煤方位。當搖臂控制截割頭向上運動，會與綜采工作面頂板接觸;當搖臂控制截割頭向下運動，會與綜采工作面地板接觸。一般的，綜采工作面頂板與底板由巖石構成，并且?guī)r石硬度大于煤層硬度。

綜采生產(chǎn)，需要盡可能多的截割煤層，盡量少或者不截割頂板與底板。不僅因為截割巖石會降低煤炭有效產(chǎn)量和增加選煤工作量，更重要的是，由于巖石的硬度大于煤，截割巖石會縮短截割頭和截割頭上安裝的截齒的壽命，降低截齒更換周期，每次跟換截齒，都會影響正常生產(chǎn)。

在實踐中，有經(jīng)驗的采煤機司機可以直觀判斷頂板與底板的位置。

首先，截割巖石與截割煤壁，截齒發(fā)出的聲音不同;其次，截割巖石與截割煤壁會引起采煤機截割頭不同程度的抖動;再次，巖石與煤壁之間，可以通過顏色直觀地區(qū)分出煤巖分界線。

綜采自動化生產(chǎn)，還可以通過讀取截割滾筒電流的方式，判斷截割頭當前是在割煤，還是已經(jīng)截割頂板巖石或者截割底板巖石。

在綜采生產(chǎn)普遍智能化需求要求的背景之下，需要通過智能傳感系統(tǒng)，替代煤機司機的經(jīng)驗，自動智能感知綜采工作面頂板和底板巖石的位置。

系統(tǒng)方案

綜采工作面煤壁上下由圍巖構成，中間是煤層，普遍的，煤層普式硬度小于5f，通常小于4f（f，普式硬度，單位為抗壓強度MPa的十分之一，無量綱），而一般圍巖的硬度大于6f。

以下各種方法中，除超前探測法之外，均是通過感知截割煤壁的普式硬度，來判斷煤巖分界線的。

聲音識別法

通過采煤機司機的一般經(jīng)驗，在采煤過程中可通過截割煤壁的聲音判斷當前截割頭是在截割煤層、夾矸層或者巖層。

通過對不同普式硬度礦巖樣本的分析，可以得出初步結果，截割煤壁噪聲的頻率隨著截割煤壁硬度的提高而增大。為了檢測截割煤壁的硬度，可以通過對截割煤壁的噪聲做檢測，當檢檢測到頻率較高的噪聲，可以認為截割煤壁部分的普式硬度增大。

通過實際生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)積累，可以實現(xiàn)一定水平上的煤巖識別。

然而，聲音識別法識別煤巖分界線，包含兩個方面的問題。

第一個方面，綜采工作面噪聲干擾，除了截割煤壁的噪聲，還有截割滾筒，采煤機行走機構，液壓支架移動等多種設備運行產(chǎn)生的噪聲，這些噪聲隨機且不在已確定范圍內(nèi)，會造成對截割觸及煤巖分界線產(chǎn)生的噪聲的判斷造成干擾。

第二個方面，煤壁下放通常會堆積煤塊，截割煤壁掃底煤時，由于截割滾筒被部分掩埋，截割頭與底板產(chǎn)生的噪聲將不易檢測。

電流法

截割不同普式硬度的煤壁，截割滾筒的阻力矩也不相同，通過分析截割滾筒電流的變化，可以感知截割滾筒阻力矩的變化，通過截割滾筒阻力矩的變化，可以感知截割煤壁是煤層、夾矸層、巖石層的普式硬度。

感知截割滾筒阻力矩變化，首先需要建立截割滾筒阻力矩數(shù)學模型。阻力矩數(shù)學模型是根據(jù)采煤機生產(chǎn)時截割頭動作特點結合采煤層、夾矸層、巖石層的阻力特征，分別建立的。

阻力矩數(shù)學模型分類間，可以通過阻力特征，結合截割滾筒機械結構特征，建立分類力矩轉(zhuǎn)換關系。

通過滾筒電流測量，可以推倒截割滾筒阻力矩數(shù)值，再結合當前采煤機截割頭動作特點，可以推倒當前采煤機動作的阻力特征。根據(jù)阻力特征，可以推倒當前采煤是處在煤層、夾矸層還是巖石層。

通過電流分析推倒煤巖分界線，其優(yōu)點是無需布置多余的傳感器，通過采煤機行走編碼器、采煤機搖臂傳感器和電流值，即可分析當前采煤是否觸及煤巖分界線。

然而，電流法不能有效感知當前煤巖分界線的走向。例如中部采煤過程中，采煤機搖臂垂直向上割煤，遇到相同大小的截割滾筒電流突變，可判斷得出兩個不同的煤巖分界線走向，如圖1所示。

溫度檢測法

為了確定由電流法確定的煤巖分界線的走向，可以增加截齒的溫度檢測和截割頭旋轉(zhuǎn)角度檢測。

在截割頭與截齒之間預埋帶無線通訊功能的溫度傳感器，并根據(jù)截齒的位置為每一個溫度傳感器編號。溫度傳感器的編號與截割頭旋轉(zhuǎn)角度具備對應關系，通過檢測截割頭溫度傳感器溫度的突然變化，該溫度傳感器的編號和此時截割頭旋轉(zhuǎn)角度，可以確定產(chǎn)生溫度變化截齒的具體位置，即可推斷煤巖分界線的走向。

超前探測法

超前探測方法，對綜采工作面的影響角度上，分為破壞性探測與非破壞性探測兩種。

鉆探法屬于破壞性探測，是一種傳統(tǒng)方法，用鉆探設備向掘進面前方鉆探一定深度并取巖芯。通過觀察和分析巖芯的構造情況，對巷道掘進工作面前方的災害性含、導水體，陷落柱和斷層等進行準確定位。

非破壞性探測，又根據(jù)探測原理不同，分為地震法、瞬變電磁法和直流電法。

其中，瞬變電磁法和直流電法，主要通過空間電磁環(huán)境變化探測內(nèi)部。所以，通常瞬變電磁法和直流電法，主要應用于煤層內(nèi)水體探測或者或者含水體的空間與混合物探測。

地震法，即通過外部物理震動，產(chǎn)生低頻的振動波，通過檢波器檢測振動波的傳輸、反射、頻率、相位、疊加等特性判斷地質(zhì)結構分布的方法。優(yōu)點為探測距離長，分辨率高，信息豐富，對地質(zhì)異常特別是斷層反映較靈敏、定位較準確。

通過地震法可以比較準確地探測大頂板和底板的煤巖分界線，然而使采煤機自動識別煤巖分界線的位置，還需要給采煤機增加定位和定姿功能。

通過UWB室內(nèi)定位技術，可以實現(xiàn)采煤機定位定姿功能。UWB無線室內(nèi)定位體系使用先進的超窄脈沖精確丈量飛行時刻技能，完成了底層的精確測距/計時;結合方位解算算法，完成了上層的精確定位。UWB技能是一種傳輸速率高，發(fā)射功率較低，穿透才能較強并且是根據(jù)極窄脈沖的無線技能，無載波。正是這些長處，使它在室內(nèi)定位領域得到了較為精確的成果。超寬帶室內(nèi)定位技能常選用TDOA演示測距定位算法，便是經(jīng)過信號抵達的時刻差，經(jīng)過雙曲線交叉來定位的超寬帶體系包含發(fā)生、發(fā)射、接納、處理極窄脈沖信號的無線電體系。

系統(tǒng)方案總結

從頂?shù)装逄綔y的準確性角度講，超前探測法的系統(tǒng)方案優(yōu)于其他方案，超前探測法還可以通過軟件建模的方式，將頂?shù)装迕簬r分界線以更加直觀的3D模型方式通過可視化的方式呈現(xiàn)出來。

然而從直接指導采煤的角度講，超前探測法沒有采煤機定位與定姿系統(tǒng)的輔助，就沒有實際利用價值，只有在定位系統(tǒng)輔助下，才可以實現(xiàn)指導采煤的目的。

超前探測法加定位定姿系統(tǒng)，畢竟需要投入巨大的人力、物力與財力。而電流法依托當前采煤機已有的檢測傳感器，在溫度檢測法的輔助下，不增加過多的物力投入，僅通過軟件算法，即可實現(xiàn)一定程度上的煤巖識別并直接指導自動化，智能化采煤?？梢?，電流法加溫度檢測法相比超前探測法，更具性價比優(yōu)勢，未來可以更多的應用于性價比要求高的智能化開采場景。

結束語

電流法加溫度檢測法依托常用采煤機系統(tǒng)配備的檢測硬件設備，再少量增加溫度傳感器即可通過數(shù)學模型軟件算法感知頂板與底板。這個方法可以可靠使用的前提是硬件可靠性，特別是溫度傳感器在截齒處的安裝方式，需要既滿足無線傳輸需求，還應當比較準確地檢測截齒溫變，所以仍是需要不斷改進的。

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