基于記憶割煤的綜采工作面自動化技術分析

金世明

(國能神東煤炭集團有限責任公司石圪臺煤礦，陜西 榆林 719315)

0 引言

隨著綜采工作面自動化技術的發展，國內外主要煤礦裝備制造商、煤炭生產商都投入了大量人力、物力、財力、精力開展綜采工作面自動化技術的研發。神東煤炭集團公司以石圪臺煤礦31203工作面作為試點，開展了多項科研攻關，在綜采工作面自動化技術領域進行探索，和許多國內外先進煤炭集團一樣，受到地質條件復雜多變等諸多因素影響，目前仍停留在實驗和研究階段。采煤機在綜采工作面中一直處于復雜的運動狀態，一切配套設備的自動化運行均需要以采煤機進行參考和控制，是綜采工作面自動化發展的核心。

1 綜采工作面自動化發展現狀分析

制約綜采工作面自動化技術發展最重要的部分，就是采煤機的自動化控制。目前，國內外采煤機多采用記憶割煤方式實現自動化，受煤層條件、設備協同配合、煤巖識別等因素的影響，制約的瓶頸是自動化控制的精度問題[1-3]。在石圪臺煤礦31203工作面使用的久益7LS6C-LWS741采煤機，電控部分為青島天信公司開發的國產化控制系統，該系統同樣具備記憶割煤功能，為了解決自動化控制的誤差問題，采取了記憶割煤和記憶割煤+人工干預的方式。煤層條件無法改變，煤巖識別技術尚不成熟，就必須以盡量提升煤機割煤精度，減少誤差，以此提高設備協同配合效率，降低人工干預，盡可能實現綜采工作面自動化控制精度。

1.1 采煤機記憶割煤

采煤機記憶割煤是在采煤機進行自動化割煤前，由煤機司機人工操作割煤一刀，控制部分自動采樣和記錄采煤機姿態，在其內部建立并存儲包括機身位置、牽引速度、牽引方向、右截割搖臂位置、左截割搖臂位置、采煤機橫向傾角、采煤機縱向傾角等煤機各項參數[4-6]。后續的割煤中，采煤機根據存儲的數據完成自動割煤。為了確保煤機姿態不斷適應條件變化，煤機司機可以隨時進行人工干預，同時控制部分將存儲數據進行更新。采煤機機身位置和姿態的確定、滾筒抬升高度的準確度，將直接影響其他配套設備的動作和工程質量，進而為下一步的割煤提供有利條件。液壓支架采取的是跟機拉架，如果出現頂板漏矸、頂板來壓等情況時，跟機拉架必須及時可靠，同時要兼具安全性，防止出現咬架、錯架。液壓支架跟隨動作時，不具備自我調節能力，出現誤差較大時，無法保證工作面的“三直一平”。

1.2 傾角測量的作用

在采煤機左右2個搖臂上各安裝有一個傾角傳感器，由于煤機搖臂的長度為固定值，通過角度的測量可以知道搖臂的高度[7-10]。在采煤機機身上安裝傾角傳感器測量并確定煤機姿態和俯仰情況，對搖臂傾角進行補償。2個傳感器的測量精度將直接影響控制部分存儲參數的精確度。采煤機滾筒高度計算如圖1所示，圖中模擬煤機處于爬坡狀態。

圖1 采煤機右滾筒高度計算Fig.1 Calculation of the height of the right drum of the shearer

A=H+H1+H2+R

(1)

當采煤機右滾筒割頂板時

H右1=H+H1=H+sin(α-β)×L

(2)

當采煤機右滾筒割底板時

H右2=H1-H1=sin(α-β)×L-H

(3)

式中，A為工作面全采高；H為采煤機機身高度；R為滾筒半徑；α為搖臂傾角；β為采煤機機身傾角；H2為采煤機滾筒距離頂板高度；H左為采煤機左滾筒中心點距離底板高度；H右為采煤機右滾筒中心點距離底板高度。同理，可計算出采煤機左滾筒割頂、割底的高度H左1和H左2。

由此可以看出，H、L為固定值，影響工作面采高、H2、H1值的，只有2個角度傳感器的測量值α和β。同時可以得出，搖臂傾角α和采煤機機身傾角β稍有誤差或調整就會影響到滾筒距離頂板高度H2。同理，會影響到滾筒距離底板的距離，直接影響割頂量和割底量。

為減少煤機機身傾斜對傾角測量帶來的誤差影響，除傾角傳感器外在機身布置一個雙軸傾角傳感器，用以計算機身俯仰角與搖擺角，從而對搖臂傾角進行補償計算。在安裝雙軸傳感器時，必須保證“兩面”和“兩線”的正確安裝?！皟擅妗敝競鞲衅鞯陌惭b面與被測物體的安裝面完全緊靠(被測物體的安裝面要盡可能水平)，不能有夾角產生；“兩線”指傳感器軸線與被測面軸線平行，兩軸線不能有夾角產生。安裝時應保持傳感器的安裝面與被測目標面平行。

1.3 陀螺儀的使用

使用陀螺儀是測量傾角的最主要手段，陀螺儀能夠測量物體繞各個軸轉動的角速度，通過對角速度進行積分運算，就能得到物體旋轉的角度。短時間內，陀螺儀測量具有較高的精度，但陀螺儀容易受振動等因素的影響而引入測量噪聲，且陀螺儀的輸出存在漂移。漂移隨著時間、溫度及其他隨機因素而變化，通過積分會使測量誤差變大。必須采取手段降低這些因素對陀螺儀精度的影響。

煤機的運行需要與其他配套設備協同配合，并互相傳送數據，才可以進行自動化控制。煤機在割煤過程中，在煤壁上會產生振動，當遇到巖石和其他構造時，更會加劇振動，再加上受到刮板輸送機的振動影響，整體的振動影響會對陀螺儀測量角度過程產生非常大的影響。

1.4 加速度傳感器的使用

加速度傳感器可以檢測交流信號以及物體的振動，當被測量物體產生一定規律性的振動時，加速度傳感器可以檢測振動的過零點，再通過計算得出設備的振動情況和煤機的位移情況。

加速度傳感器的應用還可以避免煤機滾筒與液壓支架頂梁發生碰撞。液壓支架的動作受到乳化液質量、液體內雜質的影響，閥芯堵塞或者電控系統出現故障時，支架動作慢甚至無法動作，都會對采煤機的通過造成影響，雖然采煤機滾筒扭矩軸會發生斷裂，若沒有受力的傳導分析，采煤機無法停機，會對煤機牽引系統造成影響。根據牛頓第二運動定律瞬時性，加速度和力同時產生、同時變化、同時消失，在加速度和質量一定的情況下，物體加速度的大小與作用力成正比，與物體的質量成反比，且與物體質量的倒數成正比。加速度的方向跟作用力的方向相同，即

F=m×a

(4)

式中，F為煤機所受外力；m為煤機質量；a為煤機的瞬時加速度。

使用加速度傳感器測得煤機滾筒受到的瞬時矢量加速度，通過程序計算出煤機受到的力，大于設定值時，使煤機停止牽引，滾筒停止轉動。通過加速度對采煤機滾筒受力的計算分析，應該與采煤機速度結合更加緊密，進行初步的煤巖識別，當煤機處于割巖石狀態時，自動調整采煤機牽引速度，具備判斷是全滾筒割巖石，還是處于割頂板狀態需要降低滾筒高度。如果處于割巖石狀態，需要采煤機降低牽引速度，防止整機處于長期的過載階段，起到保護作用。

1.5 陀螺儀和加速度傳感器的互補

陀螺儀和加速度傳感器具有互補性。加速度傳感器可以測量靜止物體的傾角并具有較高的準確性；陀螺儀可以測量動態物體的角速度并在短時間內具有較高的準確性。

采用三軸加速度傳感器安裝在煤機內部，用以測量振動情況，補償滾筒傾角測量時的振動，提高滾筒傾角測量精度。此外，可以通過加速度傳感器檢測煤機位移情況，結合安裝在煤機和液壓支架上的紅外發射器和紅外接收器確定煤機在綜采工作面的位置，為包括支架拉架、推溜等在內的動作提供位置對照依據。

2 采煤機參數準確性的意義

美國JOY公司制造的煤機多采用D齒輪傳感器，用安裝在D齒輪上的傳感器檢測D齒輪轉動圈數，確定煤機行程，從而檢測煤機位置。艾柯夫公司則利用位移、速度編碼器確定煤機位置。國內很多煤機裝備制造商，在改造電控系統時2種方法均有涉及，以實際應用情況來看，并不十分理想。如果在確定煤機過程中，出現偏差較大，或檢測不準確，由于煤機和支架間自動化應用時有聯動，就會導致支架的誤動作，對安全生產造成影響。在記憶割煤的同時，必須進行人工干預，若人工干預較多，就無法實現綜采工作面減人甚至無人化的目的。

在采煤機割三角煤期間，煤機的速度相對較低，對工程質量要求更高，支架成組動作更少，支架動作相對更復雜，且支架動作時想要實現記憶割煤功能難度更大。加上采煤機割至兩端頭時，必須保證煤機位置的可靠。位置太靠外，滾筒會割在刮板輸送機的擋煤板上，位置太靠內，煤無法割透。在煤機記憶割煤時，需要的人工干預會更多，想要實現無人化的難度可想而知。

3 集中控制的發展

3.1 發展概述

尚在研發和實驗階段的綜采工作面自動化，多以集中控制、遠程控制、視頻信號傳輸、改變通信協議等為主。能夠實現煤機司機遠程操控煤機，調整割煤狀態，以減少工作面作業人員勞動強度，遠離危險、粉塵和空間受限的工作面條件。從畫面信號傳輸到改變煤機運行狀態，期間采集的視頻、煤機運行、支架狀態、三機運行等各類參數信號多采用通過專用協議或通用TCP/IP、UDP等傳輸控制協議傳輸到移變列車上安設的防爆計算機中，獲得工作面設備運行的實時數據和視頻畫面，并通過防爆計算機中的程序實現遠程控制，調整工作面設備運行狀態。再通過Internet網絡將數據傳輸至地面，實現對井下綜采工作面的異地遠程監控和控制，從原理上可以實現。以石圪臺煤礦31203工作面的實際應用情況來看，數據傳輸和設備遠程控制的可靠性、及時性、安全性會受到數據傳輸信號延遲的影響，想要實現遠程控制仍然需要有信號采集和傳輸上的巨大突破。集中遠程控制只能作為綜采工作面自動化發展的輔助手段，用以監測和適度調整補償，并不能作為完全控制手段。

3.2 集中控制現狀及存在問題

在數據傳輸過程中，煤機裝備制造商為了保護自己的技術，相互之間不能提供有效的數據進行共享，為了實現數據的采集匯總，數據傳輸中需要經過多個中轉環節，改變通信協議，本就龐大的系統加上兼容性差，直接導致數據傳輸效率，影響自動化技術發展速度。

3.3 人工干預對自動化技術發展的影響

即便以人工干預為主的少人模式成功得到應用，在自動化研究方面的設備、資金投入，信息化設備的維護量，人員素質等要求更大。減少一個煤機司機和一個支架工人，在安裝、維護設備，調整控制系統等方面需要投入的人員要遠多于此。實際應用前景等諸多方面來看，仍需要突破一些關鍵技術才能實現。

4 記憶割煤發展方向

采煤機的姿態、速度和位置的確定對于采煤機自動化運行是關鍵所在。以300 m工作面為例，以上參數稍有變化，會對工作面的整體開采情況造成巨大影響。假設地質條件簡單，壓力穩定，煤層沒有任何變化的理想型工作面，想要實現完全自動化，都必須解決信號采集和傳輸的準確性。在極為復雜的工作面中，實現自動化的難度可想而知。目前國內裝備制造商和煤炭生產商所采用的記憶割煤基本處于短時間運行，甚至只能是演示作用。在自動化工作面的技術發展和實際應用中，有大量的技術需要不斷探索和完善。

其次，記憶割煤在保證安全可靠的基礎上，必須確保甚至提高割煤速度，才能真正實現減員提效，具有自動化發展的必要性，實現煤炭的安全高效開采。

當采煤機自動化技術發展成熟以后，將向著智能化發展，屆時配套的液壓支架、組合開關、液壓泵站、運輸機、轉載機、計算機通信系統、視頻監測系統等也將趨于完善，真正實現綜采工作面自動化，使井工煤礦向著安全、高效、綠色、和諧發展。

5 結論

(1)綜采工作面自動化技術的核心部分是采煤機自動化技術，采煤機自動化技術的關鍵點是陀螺儀和加速度傳感器的穩定、可靠、及時、準確。

(2)陀螺儀和加速度傳感器的技術開發需要繼續提升，突破關鍵技術，降低誤差影響，提高抵抗振動和地質條件變化的能力。

(3)陀螺儀和加速度傳感器的應用需要有大量的數據分析能力，對控制系統的要求比較高，剔除干擾、提供有效數據是陀螺儀和加速度傳感器應用開發的目的。

(4)采煤機自動化技術集智能化、自動化、集成化、信息化、機電一體化等，研發工作任重道遠，需要耐心和技術支持，不可急功近利。

(5)煤巖識別技術、數據傳輸交換、視頻圖像應用和分析、大數據整理等方面同樣存在短板，需要不斷發展完善、創新突破。

(6)真正實現綜采自動化技術的實質性突破，需要改變研發設計理念，不能只注重短期效益，要在基礎上下功夫，從細節入手，從采煤機自動化技術作為突破，一步一步實現綜采工作面的自動化。