郭莊煤業(yè)液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

武良杰

(山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100)

潞安集團(tuán)郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司開拓采用立井單水平方式，在井下進(jìn)行綜采作業(yè)時(shí)需要隨著采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的運(yùn)行不斷調(diào)整液壓支架的支護(hù)站位，以確保井下綜采作業(yè)的安全。目前郭莊煤業(yè)對液壓支架的調(diào)整完全依靠人工根據(jù)采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的位置來對其支護(hù)位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，勞動強(qiáng)度大，效率低，支護(hù)定位精度差，嚴(yán)重影響了井下綜采作業(yè)的安全性和效率。為了克服這種現(xiàn)狀，郭莊煤業(yè)成立了專門的技術(shù)攻關(guān)小組，對液壓支架的跟機(jī)自動化技術(shù)進(jìn)行研究，經(jīng)過近3年的技術(shù)攻關(guān)，研究了一種新的液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)，其能夠根據(jù)刮板輸送機(jī)和采煤機(jī)的井下位置，自動對液壓支架支護(hù)組各個(gè)支架的動作方式、動作時(shí)間等進(jìn)行調(diào)節(jié)，完全實(shí)現(xiàn)了液壓支架的自主跟機(jī)控制，目前其已經(jīng)在11412綜采工作面投入了使用，表現(xiàn)出了極高的穩(wěn)定性。

1 液壓支架自主跟機(jī)原理

在煤礦井下進(jìn)行綜采作業(yè)時(shí)，液壓支架的核心的支護(hù)姿態(tài)主要包括支護(hù)的高度、支架頂梁的支護(hù)角度以及液壓支架護(hù)幫板的收放時(shí)機(jī)，液壓支架需要根據(jù)采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)的位置進(jìn)行自主決策，完成對護(hù)幫板的收放、液壓支架的升降、移位等動作，且其支護(hù)時(shí)的姿態(tài)也需要根據(jù)綜采作業(yè)的進(jìn)行而不斷地進(jìn)行調(diào)整。具體來說當(dāng)采煤機(jī)沿前進(jìn)方向靠近液壓支架時(shí)，液壓支架需要在指定的距離開始收回護(hù)幫板，避免其影響采煤機(jī)的截割作業(yè)，而位于采煤機(jī)后方的液壓支架則需要在采煤機(jī)遠(yuǎn)離一定的距離后控制護(hù)幫板的打開。同時(shí)在采煤機(jī)最后側(cè)的液壓支架需要在指定的距離上完成“降架-移架-升架-支護(hù)”，當(dāng)液壓支架完成移架后，由液壓支架上的推移液壓缸將其推入刮板輸送機(jī)的中部槽處，進(jìn)行下一組的支護(hù)。液壓支架自主跟機(jī)與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)的動作原理如圖1所示[1]，圖中箭頭方向表示采煤機(jī)的運(yùn)動方向，0號液壓支架的位置表示正對液壓支架的采煤機(jī)的中心位置，Δx3表示需要進(jìn)行收護(hù)幫板的液壓支架的區(qū)域，Δx1表示距離采煤機(jī)中心后側(cè)需要伸出護(hù)幫板的第一個(gè)液壓支架的位置。Δx2表示第一個(gè)需要進(jìn)行推溜作業(yè)的液壓支架距離Δx1位置的距離。

圖1 液壓支架的自主跟機(jī)動作示意圖

2 液壓支架自主跟機(jī)控制方法研究

液壓支架的自主跟機(jī)決策的實(shí)質(zhì)是根據(jù)采煤機(jī)的截割作業(yè)位置和狀態(tài)決定執(zhí)行何種跟機(jī)動作。由于煤礦井下地質(zhì)條件復(fù)雜，采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)多變，若完全靠傳感器設(shè)備對采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷則極易造成截割作業(yè)過程中截割滾筒與液壓支架頂梁產(chǎn)生干涉。因此為提高液壓支架自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的控制精確度，本文引入了紅外攝像機(jī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)[2]，通過對采煤機(jī)搖臂上的信標(biāo)的監(jiān)控來實(shí)現(xiàn)對采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的精確判斷，其自主跟機(jī)決策流程如圖2所示。

圖2 液壓支架自主跟機(jī)決策流程示意圖

由圖2可知，當(dāng)進(jìn)行液壓支架自主跟機(jī)決策控制時(shí)，系統(tǒng)首先對視頻系統(tǒng)的內(nèi)部參數(shù)進(jìn)行歸零處理，對視頻監(jiān)控設(shè)備在液壓支架頂梁上的位置及采煤機(jī)搖臂上信標(biāo)的位置參數(shù)進(jìn)行校核，然后通過視頻系統(tǒng)對ArUco信息圖像進(jìn)行監(jiān)控，從而獲得一些3D-2D信息圖像的匹配參數(shù)，然后控制系統(tǒng)對獲得的信息參數(shù)進(jìn)行求解轉(zhuǎn)換，同時(shí)再結(jié)合紅外監(jiān)測機(jī)各類傳感器設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)即可求得采煤機(jī)與液壓支架的相對位置關(guān)系，及采煤機(jī)的下一步運(yùn)行動作，最后即可對液壓支架的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)自主跟機(jī)控制。

3 液壓支架自主跟機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)

在該自主跟機(jī)控制系統(tǒng)中以雙CAN總線為基礎(chǔ)[3]，建立了井下綜采作業(yè)監(jiān)控和井上控制中心的數(shù)據(jù)信息監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制平臺。將各監(jiān)測設(shè)備監(jiān)測到的液壓支架和采煤機(jī)的位置狀態(tài)信號實(shí)時(shí)傳輸?shù)降孛嫔系谋O(jiān)測控制中心，由監(jiān)測人員對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并根據(jù)運(yùn)行情況及時(shí)進(jìn)行人工控制干預(yù)[4]，確保井下采煤機(jī)和液壓支架協(xié)同運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。井上監(jiān)測控制中心的監(jiān)測實(shí)時(shí)畫面如圖3所示。

圖3 井上遠(yuǎn)程監(jiān)測控制中心實(shí)時(shí)監(jiān)測畫面

4 液壓支架的自主跟機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

該液壓支架自主決策系統(tǒng)已應(yīng)用在郭莊煤業(yè)11412綜采工作面，各類傳感器設(shè)備在液壓支架和采煤機(jī)上的布置結(jié)構(gòu)如圖4所示[4]。

圖4 液壓支架自主跟機(jī)決策系統(tǒng)傳感器布置結(jié)構(gòu)示意圖

利用該自主決策控制系統(tǒng)對井下截割作業(yè)時(shí)采煤機(jī)的跟機(jī)控制過程進(jìn)行監(jiān)測，結(jié)果如圖5所示。

圖5 液壓支架自主跟機(jī)監(jiān)控結(jié)果

由監(jiān)測結(jié)果分析可知，該圖所示為采煤機(jī)位于19號液壓支架對應(yīng)位置時(shí)液壓支架的支護(hù)高度、頂梁位置及支架聯(lián)動推移曲線。當(dāng)液壓支架完成一個(gè)完整的降架-移架-升架動作后，各個(gè)液壓支架的支護(hù)高度均保持在1699～1702mm之間，其頂梁的支護(hù)角度的變化范圍均維持在了-1.8°～0.8°之間，各液壓支架支護(hù)狀態(tài)維持性較好。液壓支架執(zhí)行自主決策根據(jù)控制的實(shí)際運(yùn)行曲線和理論分析的液壓支架的運(yùn)行位置曲線基本重合，彎曲滿足井下自主跟機(jī)控制的要求。

通過在郭莊煤業(yè)一年多的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)井下綜采面直接減員5人，液壓支架支護(hù)效率提升4.4倍，支護(hù)可靠性和穩(wěn)定性也得到了顯著的提升。目前該項(xiàng)目已完成驗(yàn)收，計(jì)劃推廣到潞安集團(tuán)其他煤礦。

5 結(jié)論

（1）采用紅外攝像機(jī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)能夠提高對采煤機(jī)和液壓支架相對位置與工作姿態(tài)判斷的準(zhǔn)確性。

（2）在該自主控制系統(tǒng)作用下液壓支架完成一個(gè)完整的降架-移架-升架動作后，各個(gè)液壓支架的支護(hù)高度均保持在1699～1702mm之間，其頂梁的支護(hù)角度的變化范圍均維持在了-1.8°～0.8°之間，控制精度高。

（3）自動化程度高，實(shí)現(xiàn)井下綜采面直接減員5人，液壓支架支護(hù)效率提升了4.4倍，支護(hù)可靠性和穩(wěn)定性也得到了顯著的提升。