回采工作面采煤機及液壓支架協調自動控制研究

＊郝武強

（晉能控股煤業集團晉中有限公司 山西 030600）

回采工作面的采煤效率由液壓支架、采煤機以及刮板運輸機的共同施工效率決定。目前，多數煤礦中“三機”之間均為獨立操作。三者之間獨立操作不僅需要大量的井下工人輔助作業，同時也降低了采煤效率[1]。煤炭開采過程中井下各單位之間通常采用擴音電話、喊話的方式進行通信，不僅導致信息傳遞慢，而且抗干擾能力差，該類配合方式效率低而且存在一定的安全隱患[2-3]。綜采智能化、協同化發展才是煤礦井下未來開采的發展方向，實現采煤機與液壓支架的協同控制不僅可以減小井下施工人員數量，而且可以根據傳感器實時反饋的支護參數、掘進參數及時調整煤炭開采與支護工藝，提高煤炭的高效開采與安全開采。因此，本文以采煤機與液壓支架協同控制技術為研究背景，通過優化程序控制以及數據交互傳輸之間協同工作，最大程度的發揮井下綜采設備性能。

1.協調控制結構

(1)協調控制要求

采煤機與液壓支座協調控制可以確保高效采煤效率。采煤機的預定位置決定著支架的推溜，在采煤掘進過程中采煤機的牽引速度應當考慮刮板運輸機的運載能力，同時結合采煤機自身的切割能力、煤層硬度、滾筒割煤進深以及支架的推移速度。目前，采煤機割煤牽引速度與液壓支架的推溜分布進行，嚴重影響了整體的采煤效率[4]。為了提高綜采工作面的采煤效率，提出了采煤機與液化支架協同控制技術，可以通過式（1）進行控制。

其中，cv為采煤機牽引速度，m/min；mQ為刮板輸送機運載能力，kg/min；Kg為刮板輸送機運載擾動系數，取0.9～1.1；m為采煤高度，m；S為滾筒截割進尺深度，mm；γ為煤層密度，kg/m3；C為煤炭采出率，取0.85～0.9。

利用傳感器裝置及時獲取采煤機的牽引速度、油箱儲量和溫度以及各機電的電流參數等，將上述參數上傳及存儲至主控制器，通過傳感器監測采煤機位置，根據設定的控制流程完成液壓支架的升架、降架及推架等工序；在綜采工作面持續回采過程中液壓支架的移動能力應與采煤牽引力相匹配，確保采煤機與液化支架高效協同工作。采煤過程中應當在確保整個系統安全、可靠的情況下持續監測刮板運輸機驅動裝置的功率。通過改變采煤機的牽引速度確保刮板運輸機始終在額定的功率正常運轉。各控制部分提取存儲采煤機控制器內部的數據結合各自獨立的算法程序進行處理計算，進而控制各機構協調、安全的工作。采煤機的主控制器與采煤機控制器相連接，可以相互傳遞數據。采煤機各部位傳感器采集到的數據也可以傳遞至主控制器，這樣就可以形成各機構與主控制器之間的實時交互。有效地減少綜采工作面人員的數量，提高了采煤效率。

(2)協調控制方案與布局

采煤機與液化支架協調控制可以分為地面主控制層、巷道控制層以及設備控制，整個系統的控制結構與總體布局如圖1所示。地面的主控制系統主要根據傳感器采集的數據進行綜合處理，并將處理的數據以及遠程操縱指令下達給各個機構，確保采煤機的牽引速度與液壓支架的移動速度相吻合。航道數據控制層的作用是實現采集數據與控制命令的實時交互，將地面主控制層的指令下達給各個機構，同時將各個機構采集的數據存儲并上傳至地面主控制器，通過這種方式實現對各設備的聯動控制。終端設備即為液壓支架、刮板運輸機和采煤機的各類控制機構及其相應的傳感器，主要的功能是負責工作面的掘進、數據的監測、傳輸以及執行巷道控制器下達的動作指令。

圖1 協同控制系統總體布局圖

2.采煤與液壓支架協調控制原理

(1)采煤機協調控制

采煤機是綜采工作面的主要設備，負責將煤層切割。運行在工作面最前端，采煤機的運行效率直接影響著綜采工作面的產量。因為工作面環境復雜，偶爾有瓦斯噴涌、運行載荷較大，運行時關鍵部位極易出現過載現象。最主要的是采煤機與液壓支架的分布操作也導致了工作面采煤效率低下。對原有的液壓支架進行編號，確定采煤機具體的位置信息與牽引速度，將紅外傳感器安裝在采煤機與各個液壓支架上面。采煤掘進過程中液壓支架上面傳感器監測的數據傳遞到主控制器，結合綜采工作面煤層傾角、煤厚和頂板巖石硬度，相應的提出不同的綜采施工工藝。巷道控制層將各個工藝進行編號，記錄并反饋各個施工工藝。當前面一個施工工藝完成后，采煤機及相應的設備暫停確認下一步操作工藝，根據指令調整切割位置以及切割深度和速度。

(2)液壓支架電液控制協同控制

液壓支架與刮板運輸機、采煤機結合使用，確保綜采工作面頂板的穩定，確保工作面工人與采煤機械有足夠的工作空間。防止頂板上部巖層發生蠕變或坍塌進入工作面，并為整個巷道提高充足的通風斷面，實現頂板支護、切頂、移架、升架和降架等支護操作。液壓支架通過主控制器得到采煤機的位置、施工工藝、掘進參數等信息后，將獲取的數據傳輸至主控制器進行計算整合，接著控制器向液壓支架發送指令，位于綜采工作面的終端液壓支架液壓油缸完成升架或移架的指令。

液壓支架電液控制系統可以確保液壓支架在得到主控制器的指令后完成相應的支護工序。電液控制系統主要包含壓力傳感器、位移傳感器、液壓油缸、支架控制器、電磁閥驅動器和液壓支架臂等。通過對各個支架以及相應的支架控制器進行編號可以完成相應的支架控制，通過與主控制器的總線互聯通，形成綜采工作面液壓支架電液控制。協同工作時傳感器首先將采煤機的掘進參數、煤層參數采集并上傳至主控制器，主控制器根據采集的參數采掘及煤層參數，通過相應的控制算法得到相應的支護工藝及支護方法[5]。液壓支架控制系統工作時，通過電磁驅動器控制液壓油缸的壓力，推移千斤頂的推進距離和采煤機的具體位置信息。

在此期間，位移傳感器、壓力傳感器和視頻攝像機實時監控液壓油缸的支護壓力，千斤頂的推進距離、支架的支護形態，傳感器實時的將位移、壓力與液壓支架的支護形態信息傳遞給主控制器，處理器根據液壓支架傳感器反饋的支護參數與發出指令進行對比分析，判斷發出的支護指令與接收支護指令之間的差異。通過傳感器與處理器之間的交互數據，可以現場支護參數的動態調整，實現了煤層情況與頂板巖層硬度實時調整的支護方法。支架控制器是整個協同控制系統的核心內容，根據預定的編程控制系統控制電磁閥的工作，從而控制液壓支架完成相應的支護工藝。布置在液壓支架的傳感器獲得的信息經過數據與圖像處理與分析，然后控制液壓支架完成設定的支護壓力與支護動作。這樣就實現采煤機與液壓支架的協同工作。地面顯示器可以實時的反映液壓支架的支護參數與支護姿態，液壓支架的支護數據通過巷道控制層可以傳輸至地面控制層與工作面控制中心，地面調度人員也可以實時的監視綜采面的掘進與支護工作。

(3)液壓支架控制系統通訊

協同控制系統需要諸多設備協同工作，采取地面與井下兩種通信形式可以實現“液壓支架、刮板運輸機和采煤機”協同工作井下通信。采用RS485交叉、串口通信，協調控制器與運輸機、支架及采煤機等系統通信，可以將各設備的數據進行傳輸與整合。地面通信：地面與井下通訊通過以太網互聯，通過網絡交換機進行數據的傳遞，實現地面與井下設備交互傳輸。通信總線：總線通訊距離決定總線的選擇形式，實際施工過程中因存在瓦斯突涌、強電設備干擾等因素，通信信息指令的相應時間應為毫秒數量級。重要的是通信總線應確保安全可靠，數據傳輸穩定具有一定的抗干擾能力。總線的選擇應當優先考慮獨立供電方式，可以保證數據傳輸不會間斷，接線方式簡單維修便捷，系統資源占用少，同時具備很好的校錯能力，接口簡潔而且開放性較好。使用者僅需要在用戶層面開發通訊程序，不需要復雜的編程工作，方便礦井地面操作人員的使用與日常維護。使用現場總線作為液壓支架電液控制協同系統的總線，CAN的節點線路之間不分主次即可實現多主線通訊。

(4)協同工作控制程序

采煤機與液壓支架及刮板運輸機的控制程序為模塊化結構。啟停程序可以控制刮板運輸機、采煤機與液壓支架等的順序啟停。采煤機的牽引程序可以控制采煤機的割煤深度、牽引速度和姿態調整；液壓支架可以根據主程序中采煤機的掘進參數、位置進行輔助支護作業，確保采煤機掘進后液壓支架及時進行支護處理，提高綜采工作面采煤效率。支架控制程序也是協同控制系統的重要部分，主要是完成數據的采集、傳輸和報警等子程序。主控制器和支架控制器之間可以實現數據互通，可以實現地面控制層對終端采煤機的控制。圖2為協同控制程序邏輯關系圖。

圖2 協同控制邏輯關系圖

(5)工作效率評價

將采煤機、液壓支架協調自動控制系統應用到某煤礦3506綜采工作面，現場應用過程中取得了良好的應用效果。在未使用協同自動控制協同時，綜采工作面需要安排至少6名現場作業人員輔助施工，采用協同控制自動控制后輔助人員僅僅2名即可滿足要求。同時通過采煤機與液壓支架的協同作用，將煤炭的日開采效率提升了5.2%。降低施工人員數量的同時提高了回采工作面的安全性以及開采效率。該煤礦3506綜采工作面系統應用前，采面煤炭產量約為10.3萬噸/月，應用后煤炭產量增至12.8萬噸/年，可明顯提高采面生產效率。

3.結語

采煤機與液壓支架協同高效作業時提高煤炭開采效率的有效技術手段，提高設備協同控制能力對煤炭的高效安全開采具有非常重要的意義。為了提高綜采工作面的開采效率提出了一種采煤機與液壓支架協同控制系統，該系統包含了位移傳感器、壓力傳感器、紅外攝像頭等可以實時的將采煤掘進數據傳輸至地面主控制器；通過相應的控制程序對數據進行分析處理，提供相應的支護參數。地面控制層、巷道控制層以及回采工作面設備終端通過控制器、RS485通信方式將采煤機與液壓支架系統之間協同工作。系統應用前，采面煤炭產量約為10.3萬噸/月，應用后煤炭產量增至12.8萬噸/年，可明顯提高采面生產效率。