自動化技術在礦山機電控制中的實際應用研究

卞澤宇， 喬 芳

（潞安職業技術學院， 山西 長治 046000）

0 引言

近幾年，我國的煤炭產量依舊持續上漲，在未來的幾年煤炭資源仍然作為國內主要能源地位不會改變。由于煤礦機電設備較為落后，從而就導致了低生產率、高勞動強度以及高作業風險等問題。因此，盡量提升井下工作面的自動化程度、降低一線工人的數量，最終形成井下“無人值守”的目標，將成為未來煤炭行業主要的發展方向。以山西某礦一次采全高工作面為對象，將自動化技術應用到采煤機的控制工作以及監測系統中，實現了工作面生產的自動化，在一定程度上提升了該企業的生產效率。

1 采煤機自動控制技術改進

1.1 傳統記憶截割技術

記憶截割技術就是采煤機的滾筒在運行過程中可自行調整，隨著回采工作面的推進可進行上升或下降的動作[1]。主要原理如圖1 所示，將回采空間看作是一個立體的三維模型，X 方向為采煤機牽引方向，Y方向為采煤工作面推進方向，Z 方向為截割滾筒高度調整方向，依照坐標記錄滾筒截割軌跡，并自動控制采煤機循環上一次的截割動作，這個過程被稱作記憶截割。但是，目前應用到實際中的記憶截割技術還有很多的不足，主要有以下原因：現有的記憶截割技術無法適應煤層賦存的復雜地質條件；再者，由于煤層頂底板存在相對移動的情況，這會導致滾筒在截割第二刀的時候與第一刀的軌跡不一致，甚至會造成截齒的損壞。

圖1 采區煤層分布示意圖

綜合以上分析，傳統的記憶截割技術還有一定的局限性，不能準確地識別煤巖層的分界，所以有必要對現有的記憶截割技術進行優化改進。

1.2 記憶截割自動調高系統

在采煤機的截割過程中，要對記憶截割信號進行采集，若相鄰兩次采樣間隔時間過短，會降低系統控制器的處理速度，如果相鄰兩次采樣時間過長，又會使得計算的誤差過大。因此，當完整記憶采煤機的截割軌跡后，從第j（j=i+1）個循環算起，之后的工作循環都讓采煤機保持自動控制狀態。依照其自身存在的地點Xi，采煤機會對搖臂的高度以及機組的牽引速度進行自動化調節，從而重復上一個循環留下的截割軌跡。且若采煤機在截割過程中遇到矸石，系統會對矸石的尺寸進行判斷，如果矸石尺寸過大就會采用截割躲避策略，經由多種傳感器的數據集成系統展開檢測，同時更改此循環的截割軌跡；如果尺寸過小則會對矸石進行強行切割動作。

2 采煤機監測系統的自動化設計

2.1 采煤機位置檢測

該技術主要采用光柵技術原理，位移檢測可由光柵感應。通常，采煤機位置測量控制系統主要由光柵感應器和光柵位移傳感器所構成。在這種處理過程中，主燈與指示燈之間可彼此重疊融合，產生強大的重疊光。再經過相干疊加后光源的輻射，形成較強的莫爾條紋，接著再經過相應排列的電子光學元件接收條紋，再轉換成相互正交的電壓信號。這兩個電壓信號作為后期處理所需的原始信號，最后通過傳感器對信號進行電路進一步分析，確定采煤機的具體位置。

2.2 采煤機運行狀態的實時監控

在判斷采煤機的位置后，有必要對其運行狀態進行實時監控。其運行是否安全穩定，直接關系到煤礦企業的整體經濟收入。因此，采煤機要相對較強的適應性以及運行平穩性。一般情況下，采煤機監控參數對象大致可分為內部參數和外部參數。其中，內部參數的監測主要是關于機器運行的一些數據參數，如采煤機的溫度；外部參數的監測主要是通過設置在采煤機外部的傳感器來獲得某些數據參數的具體信息，如瓦斯濃度[2]，如圖2 所示，為采煤機的運行狀態監測參數示意圖。

圖2 采煤機的運行狀態監測參數示意圖

2.3 采煤機狀態監測及監測目標

2.3.1 外部參數的監測

1）工作面的瓦斯濃度大小。主要經由技術較為完備的瓦斯濃度傳感器，將采集到的輸出電信號或者光信號傳輸到PLC 控制器中，通過控制器的處理將其反饋到地面遠程監控中心，以便工作人員及時處理。

2）工作面的傾角大小。工作面推進方向和推進方向有一定的傾角。然而，在自動監測系統中，主要監測以下兩個角度，即采煤機的搖臂中心軸線與水平面夾角α、采煤機作業面沿前進方向的傾角β。利用采煤機高調整的計算公式和已知設備參數相結合，即可得出更準確的采煤機采高H 的推導式[3]，如圖3 所示，為采煤機在一定水平條件下的調高模型。

圖3 采煤機在水平條件下的調高模型

但在工程實踐中，工作面底板巖層往往處于不理想的水平狀態，且存在一定的傾角即β，同時角θ 的大小難以測量，所以要換一種思路：經由實際測量可以得到搖臂與水平面夾角α，當搖臂處于水平面之上時該角度為正，反之則為負，所以α=θ+β，進而推出θ=α-β。因此，采煤機采高H 的表達公式如下：

式中：ΔL 為搖臂與機身的連接點到支腿中心的水平距離，mm；H1、ΔH1、L、ΔL、R 均表示采煤機的固定結構，通過核對采煤機型號獲得，ΔH1一般取0；α、β 的取值可正可負，都是通過監測系統相對地標水平測量獲得。

2.3.2 內部參數監測

1）采煤機電機電流監測。考慮到電流流經電機時會出現熱效應，此現象能夠使得電機表面的溫度上升從而燒毀電機。因此要對采煤機運行過程中的電流大小進行實時監測。采用電流傳感器收集牽引部及截割部電機的電流模擬量，并將其傳輸到PLC 控制器中進一步處理，從而可得知電流量的大小，以便于工作人員及時處理。

2）高速軸溫度監測。考慮到電機運行空間小，當驅動電機為牽引部分和切割部分供電時，產生的功率往往比較大，進而電機的高速軸就會產生較高的溫度。所以要在該位置增設溫度傳感器，實時采集電機主軸的溫度大小保障軸承不會由于溫度高而損壞。

3 應用效果分析

山西某礦901 工作面為9 號煤層三采區大采高綜采工作面，走向長1 084 m，傾斜長220 m。工作面地質儲量210 萬t，煤層可采儲量180 萬t。其中9 號煤層最大煤層厚度6.52 m，最小煤層厚度6.25 m，平均厚度6.43 m，煤層平均傾角7°，賦存地質條件相對穩定，構造簡單。然而，煤層的結構極其復雜，其中存在不穩定的矸石3 層，上層矸石厚度為0.13 m，中間矸石厚度為0.12 m，下部矸石厚度為0.13 m，如圖4 所示，為工作面的布置示意圖。

圖4 工作面的布置示意圖

901 工作面應用的采煤機型號為SL-1000，這種型號的采煤機其功率可達2 390 kW，一次采全高可達7.2 m。考慮到煤層的復雜結構，因此采用傳統的記憶截割技術達不到生產要求，因此，將本文改進后的記憶截割技術以及運行狀態監測系統應用到該型號采煤機中。它可以根據實際情況設計切割軌跡，并通過監測數據實時調整開采高度，真正實現了采煤機的全自動操作。

4 結語

本文將自動化技術應用到了采煤機的控制工作中，在對傳統控制技術改進之后，又對采煤機的監測系統進行了設計，在一定程度上減少了井下的工作人員數量的同時又增加了工作面的回采率。此技術的成功應用，為相關企業提供了很好的實踐模型，為從事相關研究的專家學者指明了研究方向。