禾草溝一號煤礦綜采工作面直線度矯直系統設計

賀炳偉

(延安車村煤業(集團)有限責任公司，陜西 延安 717300)

0 引言

《延安能源化工集團關于加快推進綠色智能化礦山建設的指導意見》中選擇子長礦區禾草溝煤業開展示范項目建設，實現煤礦全面智能化。要求以保障職工安全、減輕職工勞動強度、危險區域少人(無人)為導向[1]，運用工業互聯網、數字孿生、人工智能、低時延高帶寬網絡等技術[2]，突破薄(極薄)煤層智能采掘、井下智能車聯網等技術瓶頸，實現煤礦重要場所、危險崗位安全智能。

這無疑對井下綜采工作面的自動化程度又提出了更高要求。因此需要將采煤機控制系統、支架電液控制系統、工作面運輸控制系統、三機通信控制系統、泵站控制系統及供電系統有機結合，實現對綜采工作面設備的協調管理與集中控制[3]。

1 工作面直線度矯直系統

綜采工作面連續推進實時檢測控制技術包括自動化操作連續推進運動過程中設備的直線度實時檢測、控制技術研究及裝置研制[4]。若要實現井下工作面綜采裝備的連續推進，需要工作面上的刮板運輸機、電控液壓支架等設備的傾斜長度方向上始終處于直線狀態，以確保這些設備排列整齊，不會因彎曲度過大導致設備損壞[5-6]，進而保證采煤機的割煤效果和刮板運輸機的使用壽命，為工作面的連續推進做好準備。然而，電液控支架的步距會不可避免的存在累積誤差造成工作面出現彎曲，導致煤炭開采自動化過程不能連續推進[7]。因此綜采工作面直線度矯直系統是實現煤礦智能化無人化開采的必由之路[8]。

在綜采工作面的生產過程中，若要保證工作面的直線度，一般有3種方法：通過在液壓支架上安裝找直傳感器，可以實現工作面液壓支架的實時自動找直；可以在采煤機上安裝陀螺儀，自動描繪出采煤機的運行軌跡；在綜采工作面上安裝攝像頭，并在液壓支架或刮板運輸機上設定標識，通過視頻圖像識別的方式進行工作面姿態智能控制[9]。

1.1 工作面綜采設備情況

禾草溝一號煤礦井下設備眾多，與綜采密切相關的設備見表1。

表1 工作面綜采設備Table 1 Fully mechanized mining equipment in working face

液壓支架電控系統配置包含控制器，傳感器(壓力傳感器、行程傳感器、采高傳感器)，電源箱，隔離耦合器，主閥，井下主機，交換機及其附屬備件等設備。其中需要說明的是：

每架安裝1個控制器，安裝在底座上四連桿之前，控制器由安裝架進行防護?？刂破魍ㄟ^人機界面接受操作人員控制指令，執行目標支架所選定的液壓動作，或接收傳感器所測量到的數據，比對相應設定值，依據控制器內部應用程序發出控制指令，執行目標支架相應的液壓動作?？刂破黠@示界面、操作目錄和參數列表采用中文顯示。常用單動作和組合動作，在控制器鍵盤上采用快捷鍵?？刂破鬏斎腚妷翰坏陀?1.5VDC，控制器防護等級為IP68，嚴禁使用高壓水直接沖洗控制器。

每架安裝2個壓力傳感器，安裝在立柱單向鎖上及護幫雙向鎖上。壓力傳感器測量立柱下腔壓力，監測支架對頂板的支護效果。壓力傳感器應該垂直由下向上接入到立柱單向鎖，禁止反接。

每架安裝1個行程傳感器，行程傳感器的行程桿安裝在推移油缸推移桿內。通過行程傳感器測量推移油缸推移桿的行程，來確定液壓支架和運輸機的位置。

每架安裝1個采高傳感器，采高傳感器一端安裝在頂梁上，和信號中繼器相連，一端固定在底座，通過電纜和控制器相連。采高傳感器測量液壓支架絕對高度，可以測量煤壁高度。

1.2 基于慣性導航的直線度矯直系統方案設計

慣性導航系統以牛頓力學定律為基礎，通過測量載體在慣性參考系的加速度，將它對時間進行積分后變換到導航坐標系中，得到測量載體在導航坐標系中的位置、偏航角和速度等信息[10]。

在禾草溝一號煤礦綜采工作面直線度矯直系統中，慣性導航主要由無線接發基站以及慣性導航模塊組成，慣性導航模塊無線發射基站安置在采煤機機身上，在根據工作面長度均勻布置3臺無線接收基站，以便全方位通過高精度陀螺儀設備實現工作面直線度控制檢測目的。同時將檢測到的刮板運輸機實際曲線通過數據傳輸通道傳輸給控制平臺，并由控制平臺進行協調控制，將需調整數據發送給液壓支架電液控制系統，由電液控制系統對刮板運輸機進行控制，以便調整工作面的直線度。

工作面找直系統裝置如圖1所示。

圖1 裝置示意Fig.1 Device diagram

系統的主要配置為：光纖慣性導航儀1臺，無線基站3臺，礦用隔爆兼本安型直流穩壓電源3個，傳輸光纜1套，連接電纜1套。

2 關鍵技術實現

2.1 液壓支架的遙控監測

2.1.1 無線遙控

井下采用PM32/RC/B型遙控器對液壓支架無線遙控，該遙控器采用2.56 GHz特高頻RFID通信技術與控制器之間進行雙向數據傳輸?；诎踩虮粺o線遙控液壓支架/設備應該在操作者的視線范圍之內，因此對無線遙控器從技術上進行了限制，即在以操作者為基點，可以操控左右各10架，操作范圍是左右各 17.5 m。

2.1.2 支架采高監測

采高傳感器在測量工作面高度時，可以生成工作面高度分布曲線及工作面高度和壓力關聯分布曲線[11]。液壓支架可以自適應控制，其精確控制降柱可達5 cm。所能采集的參數如圖2所示。

圖2 采高傳感器參數示意Fig.2 Parameters of mining height sensor

采高傳感器可以測量支架的煤壁高度、立柱高度以及掩護梁高度，同時還可測量支架的3個角度，即頂梁水平夾角α，頂梁垂直夾角β，頂梁底座夾角，如圖3所示。

圖3 支架姿態Fig.3 Attitude of support

除此之外，采高傳感器還可以用來保護平衡油缸，即保證頂梁和頂板平行，如圖4所示。

圖4 平衡油缸示意Fig.4 Counterbalance cylinder

2.2 采煤機的精確定位

2.2.1 系統組成及安裝

系統組成：射頻無線發射器(具有特高頻和雙向通信)、高精陀螺儀。系統在工作面布置如圖5所示。

圖5 工作面布置Fig.5 Layout of working face

安裝：①在采煤機機身中部(機身外)安裝射頻發射裝置，采用安裝架和防護蓋防護，安裝架和采煤機采用螺栓連接。須安裝在采煤機上沿板下方或具有垂直防護的位置，以防砸落。采煤機預留合理且安全的安裝位置，由采煤機提供本安型12VDC，700 mA電源接口。②在采煤機機身中部安裝1個高精度陀螺儀，與射頻發射裝置相連。射頻發射裝置具備無線傳輸功能，能將高精度陀螺儀傳感器獲取到的采煤機行走狀態數據傳輸至綜采面智能控制系統。智能控制系統分析后得出采煤機割煤曲線和運輸機全長度位置曲線。③采煤機精確定位采用特高頻射頻信號測量，通過推移行程數據、采煤機自身編碼器和慣性導航對數據同時進行校準，系統生成刮板運輸機位置曲線。④液壓支架執行工控平臺生成的刮板運輸機位置曲線，通過精準推移，具備工作面調直功能。

2.2.2 滿足的功能要求

第一，采煤機通過高精度陀螺儀設備實現對采煤機位置、姿態的準確檢測，描繪出采煤機沿工作面方向及工作面推進方向的曲線數據，實現對工作面刮板運輸機直線度檢測，滿足工作面直線度控制檢測目的。

第二，采煤機將檢測到的刮板運輸機實際曲線通過數據傳輸通道傳輸給綜采面智能化系統，并由綜采面智能化系統進行協調控制，將需調整數據發送給液壓支架電液控制系統，由電液控制系統對刮板機進行調整，實現對工作面直線度的調整。

2.2.3 系統相關參數

①采煤機位置精確檢測。純慣導模式下，全程定位誤差10 cm。②直線度控制。最大控制誤差50 mm。③采煤機控制+水平控制。采煤機滾筒搖臂最小調節分辨率25 mm。④工作面推進度檢測。⑤全工作面直線度控制小于500 mm。

3 系統實現功能

自動化工作面采煤過程中，系統能夠對工作面的直線度進行實時檢測，并動態調整每個支架的推溜移架過程，保證運輸機直線度能達到煤礦安全生產規程的要求。工作面直線度矯直系統的功能如圖6所示。

圖6 工作面直線度矯直系統功能示意Fig.6 Function of straightness straightening system of working face

3.1 自動調直過程

綜采工作面直線度矯直系統自動調直過程如下：①通過采煤機上安裝的位置編碼器和高精度慣性導裝置，生成刮板運輸機位置曲線。②順槽集控計算機根據刮板運輸機位置曲線與支架當前推移行程值，計算出推移千斤頂下一行程，控制千斤頂推移輸送機的溜槽，使刮板輸送機達到設定的直線度。③電液控制系統通過高精度行程傳感器，實現拉架及推溜的精確控制，進而完成工作面的調直。

3.2 自動調直工藝

工序一：先將支架調直，再將溜子推直，如圖7所示。

圖7 自動調直工序一Fig.7 Process 1 of automatic straightening

工序二：先將溜子推直，再將支架調直，如圖8所示。

圖8 自動調直工序二Fig.8 Process 2 of automatic straightening

3.3 礦壓監測及分析

通過安裝在支架立柱下腔的壓力傳感器實時監測工作面壓力分布情況，在自動化主機軟件上實時顯示和存儲，使用礦壓分析軟件顯示工作面壓力顯現云圖，并可查詢任意支架的壓力歷史數據。

3.4 液壓支架姿態精確監測與自動跟機

自動化系統通過安裝在底座、連桿、頂梁上的傾角傳感器，根據支架運動模型計算出支架當前的頂底板高度，并在界面上進行展示。工作面電控系統通過紅外線接收器實時接收工作面采煤機的位置信息，按照事先編輯的程序，控制采煤機相對位置范圍內的支架自動動作。

4 結語

經過井下一年的現場調試和運行，綜采工作面直線度矯直系統運行穩定，實現工作面智能找直功能，并具備完善的直線度控制功能。系統保證采煤機的割煤效果，延長刮板運輸機的使用壽命。工人只需要在相對安全的順槽監控中心或地面調度指揮中心，通過主機操作就能完成工作面的找直。由于不需要人員到危險的采煤工作面進行實地人工拉繩找直即可完成設備的自動化遠程控制，這在很大程度上提高了工人的安全系數，同時降低了勞動強度。