木瓜煤礦6.5 m大采高智能化工作面三角煤工藝現場實踐與優化

孫 亮

(山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦,山西 呂梁 033000)

1 工程概況

木瓜煤礦二盤所開采煤層為石炭系下統太原組的9+10#(合并層)煤層,煤層硬度為2～3,宏觀煤巖類型為半亮型、玻璃光澤、階梯狀斷口、中厚層狀;賦存較穩定,無明顯變化,綜采工作面煤層傾角3°～9°,平均6°。設備配套詳細參數如表1所示。

應用于綜采智能化工作面的乳化液智能供液技術、支架電液控制技術、采煤機智能化監控技術、視頻監控技術、設備遠程監控技術、綜采集中控制技術日漸成熟[1],綜采智能化工作面逐步向“有人巡視,無人操作”的方向進行探索。受現場地質條件、設備條件、應用環境、人員素質差異的影響,智能化開采技術現場應用情況參差不齊。在智能化開采過程中,采煤機自動截割率、支架自動跟機率[2]在中部割煤所受的外部條件影響相對較小時,可判定智能化率較高。但現階段,木瓜礦在割三角煤區域時智能化率較低,有些智能化綜采工作面在處理三角煤工藝時,中間段完成后進入端頭端尾時需要人工切換工藝段[3]。本文以智能化系統現場割煤為實驗基礎,通過深入分析端頭、端尾割三角煤時受工作面起伏、工作面支架直線度、工作面刮板上竄下滑、傳感器采樣累積誤差影響導致三角煤智能化率低的原因,并進行優化,同時應用于現場實踐,探討提高木瓜煤礦大采高智能化工作面三角煤工藝區域智能化率的可行性,并得出提高綜采工作面智能化率的具體方法。

2 三角煤工藝現場實踐現狀及問題分析

采煤機的自動截割原理:采煤機的行走軌跡是根據刮板輸送機的導軌走向來確定的[4],采煤機智能化系統記錄當前坐標下的采煤機的實時前后搖臂高度和速度等信息,以采煤機相對刮板輸送機的位置為X坐標軸,采煤機各類實時參數(包括搖臂高度、速度)為Y坐標軸建立坐標系。現場學習刀[5],即通過有經驗的采煤機司機進行示范割煤,采煤機智能化系統記錄相關參數(采煤機牽引速度、左搖臂高度、右搖臂高度)。記憶截割,即讀取采煤機智能化系統的相關參數進行自動割煤。木瓜煤礦智能化工作面平均采高為6.5 m,安裝有滾筒Φ3.2 m的大功率采煤機,工作面安裝有電液控支架,長壁式一次采全高模式開采。割三角煤區域期間較中部割煤期間的工藝更加復雜,具體見圖1和圖2所示。由于采煤機精準割透煤壁以及超前兩巷機械設備眾多,限制條件較多,需要較多的人工干預,現場采煤機自動截割率如圖3所示,支架自動跟機率如圖4所示。

1-中部自動移架過后切換為端尾斜切第一階段;2-采煤機到達機尾返刀后切換為第二階段;3-采煤機越過斜切架切換成第三階段;4-采煤機割透煤壁返回中部第四階段圖1 采煤機端尾割煤工藝Fig.1 Coal cutting process at the tail end of coal mining machine

1-中部自動移架過后切換為端頭斜切第一階段;2-采煤機到達機頭返刀后切換為第二階段;3-采煤機越過斜切架切換成第三階段;4-采煤機割透煤壁返回中部第四階段圖2 采煤機端頭割煤工藝Fig.2 Coal cutting process at the head end of coal mining machine

圖3 工藝優化前木瓜礦208工作面采煤機自動截割率Fig.3 Automatic cut-off rate of coal mining machine in 208 working face of Mugua Mine before process optimization

圖4 工藝優化前木瓜礦208工作面支架自動跟機率Fig.4 Automatic follow-up rate of support in 208 working face of Mugua Mine before process optimization

2.1 實踐中存在的問題

2.1.1采煤機與煤壁相對位置誤差

采煤機執行自動截割的精度取決于工作面刮板輸送機與煤壁的相對位置。智能化綜采工作面在執行記憶截割時,經多個循環后會出現在割三角煤過程中割不透煤壁或超挖等由于精度原因造成的誤差,如果不經過人工干預容易出現工作面煤壁沒有破開或出現采煤機滾筒割到設備的情況,而且這種誤差在記憶截割的割煤方式下會隨著工作面的推進,受地質條件變化、工作面平直度等因素的影響越來越明顯,需要人工干預的次數越來越多,且此時再錄入學習刀后,由于現場條件限制,記憶截割效果依舊不理想。

2.1.2編碼器自身精度問題

由于現場使用的旋轉編碼傳感器多為機械結構編碼器(見圖5),采煤機通過旋轉編碼傳感器給出采煤機的相對位置與速度,工作面起伏、直線度均會影響相對位置的采集精度[6]。在端頭或端尾處是整刀煤精度的最終表現,如果存在正誤差,即出現超挖情況,這時候如果沒有人工干預可能會出現采煤機滾筒割到其他機械設備的可能;如果存在負誤差,即出現采煤機滾筒無法割透煤壁的情況,也需要增加人工干預。無論是正誤差還是負誤差都會增加理論上的人工干預次數,降低自動截割率。

圖5 采煤機編碼器布置圖Fig.5 Encoder layout of coal mining machine

2.1.3多個循環下的累積誤差

采煤機在長時間運行后可能會偏離其預定軌跡或操作區域,從而導致操作不準確,引發安全問題。采煤機自動截割過程中由于累積誤差的存在,會導致截割滾筒的高度和角度與煤壁的相對位置不匹配,影響截割效率和質量。由于采煤機在中部割煤時,煤壁的變化具有漸變的特點,累積誤差對記憶割煤的影響不大,采煤機在割端頭端尾時將存在一個極限位置,在極限位置時采煤機會遠遠超過煤壁,如果不加控制,滾筒會割到設備造成現場事故。

2.1.4記憶截割折返點的確定

在三角煤割煤工藝中,采煤機第一次到達端頭端尾為割透,采煤機向中部行進為掃底煤工藝,掃底煤工藝段完成后采煤機卸切進刀由中部折返回端頭端尾。由于每次采煤機折返回端頭端尾的架號不固定或者由于煤未掃干凈(影響刮板輸送機推進)需要多次往返掃底煤,引起三角煤割煤工藝區段的誤變化,在此情況下設置端頭端尾與中部分界點進行往返掃,會導致支架程序誤判為進入下一個三角煤工藝。

2.2 現場實踐分析

2.2.1采煤機定位精度

采煤機割煤期間以刮板輸送機為位置參考,工作面的起伏變化、工作面直線度、工作面推進過程中與上刀煤平行度的變化等,都會造成刮板輸送機相對于煤壁的位置發生偏移,這種偏移造成的采煤機記憶截割的定位誤差,將導致采煤機記憶截割參數中采煤機位置信息與采煤機牽引速度、左搖臂高度、右搖臂高度不匹配。在中部割煤期間,由于煤壁變化平緩,記憶截割現場效果影響不大,不構成影響智能化率的主要因素;而在割三角煤區域期間,刮板輸送機與煤壁相對位置的精度誤差會直接影響煤壁是否能割透或超挖造成機械事故。

2.2.2參照物定位精度

采煤機的電機軸與牽引編碼器相連,牽引編碼器以齒輪嚙合的方式計算并獲取采煤機相對于刮板輸送機的位置。采煤機在刮板輸送機上的位置確定精度較高[7],但刮板輸送機相對于煤壁的位置受地質條件等因素影響誤差較大,由此可知參照物定位容易出現問題。機械結構的編碼器無法根據現場條件進行在線校正,累積誤差易造成精度失控,編碼器本身并沒有問題,主要是地質條件等外部因素造成參照物定位精度誤差不可控。

2.2.3采煤機限位裝置

采煤機在端頭端尾割煤時,到達采煤機的限位裝置需要加設外在硬件限位裝置或軟限位裝置,保證在特殊情況下,采煤機不超過極限位置,并在限位裝置處對采煤機相對于機頭機尾的位置進行校準,從而保證采煤機的定位精度,防止機械事故發生。另外由于大采高工作面支架容易上竄下滑,刮板輸送機會隨著支架上竄下滑,極限位置也因工作面實際條件而發生變化;在極端情況下可采用采煤機與端頭端尾的實測距離為參考值,來抵消工作面起伏過大或直線度不高造成的誤差。

2.2.4采煤機折返點的判斷及支架自動跟機率

由于割三角煤期間支架進行自動跟機作業,而設定的端頭端尾的架號是一定的,現場實踐中割煤沒有割透或煤量較大需要掃煤時采煤機應及時折返作業,此時,采煤機將位置變化信息傳給支架,支架容易出現誤判,導致支架的跟機作業操作動作超前或滯后。由于采煤機折返點的變化,原定折返點也會發生變化,易產生采煤機沒有割到的情況,也易產生采煤機超過折返點多割的情況,工藝段的誤變化會導致出現刮板輸送機推不動的情況,發生這種情況的主要原因是掃煤不干凈,而多次往返掃煤或進行人工操作采煤機未到折返點時強行折返進入下一工藝段,導致產生折返點的變化與固定折返點的矛盾。

綜上分析,采煤機在割三角煤時位置的確定、誤差的消除、極限位置、折返點受制于工作面的起伏變化、工作面直線度等現場條件,采煤機與煤壁相對位置的確定基于開環控制,沒有對反饋信息進行及時修正。由于現場地質條件不斷發生變化以及累積誤差的存在,將會影響記憶截割精度,需要在關鍵點進行人工干預,降低了三角煤區域的智能化率。

3 三角煤工藝現場優化設計

1)對采煤機傳感器增加動態校正功能。通過在采煤機割透位置、固定位置等關鍵點增加額外傳感器[8],對采煤機相對于煤壁的位置進行多點校正,消除采煤機因工作面的起伏變化、工作面直線度、工作面推進過程中上刀煤平行度等變化造成的累積誤差。在采煤機智能化系統中增加在線校正功能,保證能夠及時調整可預見誤差。

2)對編碼器進行優化。一是使用電子式位置傳感器,可以在采煤機割煤期間在線進行調整,也可以對刮板輸送機與煤壁的相對位置進行人工校正,在采煤機進端頭端尾之前對采煤機與煤壁的相對位置進行再一次校正,保證端頭端尾精度的要求。二是可以使用更先進的編碼器,例如磁性旋轉編碼器,這種編碼器具有更高的精度和可靠性,能夠更好地適應采煤機的工作環境。三是優化編碼器的機械結構,使其對采煤機工作面起伏和直線度等因素的影響降到最低。四是增加編碼器的冗余度,使用多個編碼器對相對位置進行測量,以提高精度和可靠性。五是通過使用自適應算法對編碼器的測量數據進行處理和糾正,以提高其精度和可靠性。

3)安裝采煤機限位裝置。在采煤機身和擋煤板上安裝對位傳感器,當傳感器對位時給采煤機發出極限位置信號,采煤機停止行進,保證采煤機不會因為誤差造成超挖而割到端頭端尾的機械設備。擋煤板的對位傳感器可以根據現場實際條件人工調整傳感器的位置,消除因各類因素造成的極限位置誤差,避免重大設備事故的發生。

4)設置折返點多重判斷機制,優化支架跟機動作流程。對于折返點不在固定位置,設置折返點的判斷區間。設置折返點區間與采煤機行進方向的聯合判斷機制。如果折返點與采煤機行進方向一致可以認為是掃煤階段,需將三角煤工藝段退后一個階段。

增加三角煤工藝的折返點多重判斷機制的變化,支架跟機流程也需要相應做出變化,折返點不同造成刮板輸送機推送的起點不同,支架跟機拉架的起點也發生變化。三角煤工藝的折返點多重判斷機制會動態判斷三角煤工藝的實際折返點、實際工藝階段。

三角煤工藝現場優化設計后得到的采煤機自動截割率如圖6所示,支架自動跟機率如圖7所示。由圖可知,采煤機自動截割率和支架自動跟機率均出現上升,通過優化使采煤機自動截割率由44.40%上升至88.58%,支架自動跟機率由45.00%上升至87.54%。

4 三角煤工藝探索方向

1)增加采煤機定位傳感器,要求傳感器具備在線校正功能,未來可結合透明工作面提供的詳細精準的數據為支撐,對采煤機位置進行實時校正或給定,以適應復雜的地質條件。精準實時的傳感器數據是實現采煤機精準定位的基礎。

2)在采煤機控制方面,增加人機交互功能及可視化調試參數頁面的功能,現場操作人員可以根據工作面的條件進行數據調整,并結合現場工作面起伏變化、工作面直線度及其他地質因素,進行實時模擬,優化記憶截割各類參數,保證數據真實性。

3)增加信息采集系統數量,收集采煤機執行操作后的結果,并根據數據結果生成指令指導下次操作,即形成對采煤機的閉環控制系統,提高數據采集率和執行精度。

4)設備安裝環境優化。采煤機是運行設備,傳感器的安裝、在線調試都需要一定的空間,在運行中容易受到外物,如煤塊墜落的影響,應注意安裝位置的合理性,必要時可增加保護裝置以適應復雜的地質條件。

5)增加智能判斷邏輯,現場受地質條件、作業環境及人員操作習慣的影響,不可能執行簡單重復一致的操作,可通過多參數預處理,智能判斷設備的當前運行狀態、下一步運行狀態及狀態切換點,實現多人操作習慣與設備的通用磨合,以增加智能設備的適用性。

圖6 工藝優化后木瓜礦208工作面采煤機自動截割率Fig.6 Automatic cut-off rate of coal mining machine in 208 working face of Mugua Mine after process optimization

圖7 工藝優化后木瓜礦208工作面支架自動跟機率Fig.7 Automatic follow-up rate of support in 208 working face of Mugua Mine after process optimization

5 結論

相比于智能化大采高綜采工作面采煤機的中部自動截割,三角煤工藝復雜,受外部限制條件較多。通過對三角煤工藝限制條件的討論和優化,智能化工作面的自動截割率和支架自動跟機率分別提升44.18%和42.54%,極大提高了三角煤工藝現場的可實施性,解決了智能化大采高綜采工作面制約三角煤自動截割率較低、人工干預過多的問題,在智能化工作面“有人巡視,無人操作”方向進行了積極的探索。