適應于急傾斜煤層自動化綜采的關鍵控制技術研究與應用

毛迅 許增亮 陳均浩 張曉波 陳朝鮮

摘 要：本文針對急傾斜煤層機械化開采工作面飛矸易傷人、損壞設備，工作面設備防滑、防倒難度大，采場空間對設備性能要求高的突出問題，以重慶能投渝新能源有限公司逢春煤礦為研究對象，研究適用于急傾斜煤層的關鍵控制技術。以一般電液控制系統(tǒng)為基礎，結合急傾斜煤層的采煤工藝和開采關鍵難題進行深化研究，總結出急傾斜煤層電液控制系統(tǒng)的關鍵在于設備的精準控制和系統(tǒng)的良態(tài)控制，并成功研制應用。

關鍵詞：急傾斜煤層;關鍵控制技術;精準控制

引 言

近年來隨著礦井開采強度的增加，部分地區(qū)煤炭資源迅速枯竭，為保證礦井的可持續(xù)發(fā)展，越來越多的礦區(qū)不得不考慮急傾斜煤層開采，如山東兗州、河北邢臺和開灤、安徽淮南、江蘇徐州以及貴州、四川、重慶、云南、新疆、甘肅、寧夏等?。▍^(qū)）的礦區(qū)。特別是在我國西部地區(qū)，經(jīng)濟發(fā)展相對落后，煤炭資源的開采一直是其經(jīng)濟來源的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計西部礦區(qū)中50%以上礦井有急傾斜煤層，由于主要采用炮采、風鎬落煤等方式開采，以單體支柱或柔性掩護支架進行支護，機械化程度低、工人勞動強度大，支護系統(tǒng)不能及時封閉作業(yè)空間、穩(wěn)定性差，工作面安全可靠性差，煤炭產(chǎn)量低，用人多，開采方法相對落后。

進行急傾斜煤層機械化開采關鍵控制技術研究，對提高急傾斜煤層回采效率，實現(xiàn)礦井機械化、自動化具有重要價值，為急傾斜礦井安全生產(chǎn)提供可靠保障，對促進急傾斜煤層礦井的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1、關鍵控制技術的研究

1.1液壓支架精確控制防漏矸技術研究

在降柱拉架過程中，如果側護收的過多，會造成支架頂板與老塘的矸石大量的掉入支架內(nèi)，砸壞設備，因此在該過程中需要嚴格精確控制支架側護收回量，由于在側護油缸上安裝行程傳感器較為困難，因此無法通過行程閉環(huán)控制，在此我們引入了模糊控制理念，由于油缸動作距離是靠液體填充或排出有關，因此通過控制進入或者放出油缸的液體量來控制活塞桿的距離，原理如下：

A、油缸伸出

假設油缸面積為a平方厘米，活塞桿的面積為b平方厘米，泵站的流量為L升/分，如果我們需要將活塞桿推出h厘米，設動作時間是t秒，由于液體介質(zhì)主要成分是水，故我們認為1立方分米就為1升，則有下列算式：

t=（（（a/100）*（h/10）/L）*60;

由于油缸的面積a、泵站的流量L、需要控制的距離h都已知，故通過上式可以計算出控制時間t，通過控制器軟件控制動作時間即可以控制油缸伸出距離。

B、油缸收回

假設油缸面積為a平方厘米，活塞桿的面積為b平方厘米，泵站的流量為L升/分，如果我們需要將活塞桿收回h厘米，設動作時間是t秒，由于液體介質(zhì)主要成分是水，故我們認為1立方分米就為1升，則有下列算式：

t=（（（（a-b）/100）*（h/10））/L）*60;

由于油缸的面積a、活塞桿的面積b、泵站的流量L、需要控制的距離h都已知，故通過上式可以計算出控制時間t，通過控制器軟件控制動作時間即可以控制油缸伸出距離。

1.2液壓支架整體推移及防滑技術的自動控制研究

由于俯偽斜開采推移時，溜子始終有加速下移的趨勢，除液壓支架要有防下滑裝置外，控制程序的設計是關鍵。

該套自動控制系統(tǒng)創(chuàng)新性地提出了溜子相對整體推移，即工作面執(zhí)行整體推移時，從下往上依次推移，每臺支架推移的間隔啟動時間是200ms，最終實現(xiàn)整個工作面的整體推移。推移過程中，控制器程序不斷檢查推移行程傳感器，當推移行程傳感器的值達到目標值，則停止推移。推移完成后執(zhí)行溜子整體上提功能，完成溜子上提，整個整體推移動作完成。整體推移過程中由順槽主控計算機通過現(xiàn)場總線收集全部動作支架的位移傳感器數(shù)據(jù)、動作時間數(shù)據(jù)，采用現(xiàn)代控制技術，計算推移油缸位置和動作速度，對全部支架的推移進行協(xié)調(diào)控制，避免出現(xiàn)局部過快或過慢造成設備卡阻，同時保證刮板運輸機溜槽始終處于合理狀態(tài)（溜槽彎曲度、溜槽間隙）。

在執(zhí)行整體推移過程中，當按下整體推移健后，系統(tǒng)自動檢測每臺支架的壓力，如有支架立柱下腔壓力低于設定值時，則執(zhí)行中的補壓功能（連續(xù)補壓不超過三次），補壓完成后支架推移雙向鎖依次從下到上執(zhí)行解鎖功能，解鎖完成，開始執(zhí)行從下往上執(zhí)行整體推移，具體流程如1圖所示。

圖1推移流程圖

1.3紅外線煤機定位系統(tǒng)容錯控制技術研究

由于采煤機在工作面的位置是通過紅外定位系統(tǒng)定位，工作面控制器根據(jù)采煤機的位置和運動方向執(zhí)行運動前方距滾筒兩架收防護板和伸縮梁、運行后方距滾筒兩架伸防護板和伸縮梁，因此位置信息至關重要，一旦位置信息有誤，可能會造成安全事故，故需對紅外位置做容錯功能。

①干擾容錯

根據(jù)目前的紅外定位原理，只要采樣口有大于紅外閥值的采樣值，則會認為是紅外位置，由于該系統(tǒng)是工作在高電壓等復雜電磁環(huán)境、工作面的電纜又很容易遭擠壓（造成絕緣不夠或者短路），都有可能造成紅外采樣口有采樣值，所以需要對干擾做容錯處理，具體如下：

煤機聯(lián)動是指支架或者溜子根據(jù)采煤機的位置而做出的動作。煤機聯(lián)動有（以逢春煤礦為例）采煤機運行前方自動收伸縮梁和收防護板（不防護）、采煤機運行后方自動伸伸縮梁和伸防護板（防護），設計原理如圖2所示：

圖2煤機容錯處理設計原理

根據(jù)上圖關系，采煤往機尾割煤，采煤機運行前方收防護板（不防護）的動作支架是：煤機位置9+機尾偏移數(shù)2+前方間隔數(shù)2，即14號支架收防護板（不防護）;采煤機運行后方伸防護（起防護）和伸伸縮梁的動作支架是：煤機位置9-機頭偏移數(shù)4-后方間隔數(shù)2，即2號支架伸防護和伸伸縮梁。

a、采煤機位置不連續(xù)

如果某臺或某些臺紅外接收器故障，導致該臺控制器不能感受紅外發(fā)射器，從而采煤機位置不連續(xù)。

正常采煤機位置是（采煤機向機尾運動，假設起始位置是4）：4、5、6…，這樣連續(xù)的;不連續(xù)的采煤機位置是（采煤機向機尾運動，假設起始位置是4）：4、5、7、8…，這樣6號控制器就未接收到采煤機位置。

假設前方間隔數(shù)設為2如圖2所示，那么距采煤機運行前滾筒第3架支架開始動作（收防護板等），由于采煤機運行一臺支架大約需要30秒鐘，而收防護板和收伸縮梁只需10秒鐘，故可以距采煤機運行前方滾筒第2架支架動作（收防護板等），因此如果前方間隔數(shù)設為2，則可以距前滾筒第2、3架一起動作。故如果前方間隔數(shù)設為2，只準某臺控制器檢查不到煤機位置，不允許連續(xù)兩架或兩架以上檢查不出煤機位置。

b、采煤機位置跳變

如果工作面紅外電纜被擠壓，造成紅外電纜采樣線短路，使紅外傳感器有一個值，從而使控制器誤認為是采煤機的位置。如40號紅外電纜時短時斷，那么紅外位置就會在正確與40之間來回跳變。如果軟件不能判斷這種錯誤，則危害是十分嚴重的。因此需要對紅外位置的正確性作濾波處理，把不符合邏輯的、常理的數(shù)據(jù)去除掉。

初始位置確定：在每次煤機（采煤機與支架）聯(lián)動之前，需要先確定采煤機的初始位置，因為如果出現(xiàn)某根紅外電纜短路或者其他原因，則會出現(xiàn)采煤機位置不正確或者無法確定采煤機的正確位置。該位置可以通過順槽計算機、遙控器、任意一臺支架控制器輸入。

軟件濾波設計：支架與采煤機的參數(shù)：支架的寬度為1420mm（側護全收）至1680mm（側護全伸），采煤機最快采煤機速度為3米/分。我們假設支架最窄、采煤機割煤運行最快時，采煤機運行一個支架的時間（最快）為28.4s。

以采煤機初始輸入位置為基準Pj，采煤機當前位置P=Pj，尋得當前位置的時間為t;設采煤機下一個采煤機位置為Pn，尋得采煤機下一個位置的時間為tn;采煤機下一個位置Pn減當前位置P的絕對值為d;設采煤機運行方向前端間隔為dj，則設計如下：

如果dj=>d>1，且時間差tn-t小于（d-1）*28.4s，則采煤機位置Pn不正確;

如果d>dj，則采煤機位置Pn視為不正確;

如果d=1，且當前位置為基準位置Pj，則采煤機位置視為正確;如果d=1，且當前位置不為基準位置，且時間差tn-t大于等于28.4s，則采煤機位置正確;此時需將當前位置P和時間t更新為下一位置Pn和下一個時間tn;即P= Pn，t= tn;

如果d=1，當前位置不為基準位置，時間差tn-t小于28.4s，則采煤機位置視為不正確;

如果dj=>d>1，且時間差tn-t大于等于（d-1）*28.4s，則采煤位置視為正確，此時需將當前位置P和時間t更新為下一位置Pn和下一個時間tn;即P= Pn，t= tn;

如果采煤機位置在5分鐘內(nèi)（暫定）沒有變化后，視為采煤機已停止，煤機聯(lián)動功能自動關閉，需要在聯(lián)動前，輸入采煤機的初始位置后啟動聯(lián)動功能（必需要煤機聯(lián)動開關開啟）。

c、轉向處理

通過紅外位置判斷采煤機運行方向，需要知道采煤機下一個位置，通過下一個位置與當前位置比較獲得，如果下一個位置Pn>P，則采煤機往機尾運行，如果下一個位置Pn

根據(jù)圖2原理，采煤機向機尾運行，位置在20時，收防護板（不防護）的支架是24、25;伸防護板（防護）和伸縮梁的支架是13、12;如果采煤機轉向，即向機頭運行，但是控制器要在19號才能感知采煤機已轉向，則收防護板和伸縮梁的支架是12、13，伸防護板和伸縮梁是24、25;這樣按照采煤機位置不連續(xù)原理來處理即可。

2、應用情況

2.1工作面概況

N2721工作面對應地表位于紅椿樹以東南198.10m，岡上以南263.38m，石包灣以西61.11m，木耳山以東北426.80m。N2721工作面井下位置：上順槽井下位于+460mN1平石門與+460mN2平石門之間，下順槽位于+380mN1抬高石門與+380mN2抬高石門之間。階段標高：+380m～+460m，工作面標高：392.57m～463.07m，工作面埋深為421.53m～581.94m。 工作面相鄰關系：上部為+523m～+460m階段隔離煤柱（垂高70m），上覆M6-3煤層已回采，下伏M11、M8煤層未回采，以南N2711工作面已回采，以北+460mN2731上順槽正在掘進，其余區(qū)域M7-2煤層未布置工作面。

2.2應用效果

急傾斜煤層機械化自動化開采關鍵控制技術的成功研制應用，增加了逢春煤礦原煤產(chǎn)量4.8萬噸/年，根據(jù)市場條件計算，平均電煤噸煤單價360元/t，公司新增經(jīng)營收入1728萬元/年，綜采隊員工減少45人。

3、結語

急傾斜煤層綜合機械化開采關鍵控制技術的應用，極大的改善了工作面的勞動環(huán)境，大大降低了員工勞動強度，有效遏制了頂?shù)装迨鹿实陌l(fā)生，提高了工作面安全水平。新技術的使用，成功解決了急傾斜薄煤層俯偽斜工作面設備的防倒、防滑、防飛矸問題，綜合機械化開采大大減少了工作面人數(shù)，提高了工作面回采效率，實現(xiàn)了企業(yè)減人提效的目標。

為我國急傾斜綜采工作面的推廣應用提供了技術支撐，成功奠定了我國急傾斜煤層智能化開采的基礎，具有廣闊的市場應用前景。

參考文獻

[1] 陳朝鮮，沈大富.急傾斜薄煤層綜合機械化采煤技術研究與應用[j].煤礦機電.2017

[2] 漆興文.液壓支腿式柔性掩護支架在急傾斜中厚煤層開采中的應用研究，防護工程.2017

[3] 霍小寶.煤礦急傾斜煤層綜合機械化開采，科學技術創(chuàng)新.2018

作者簡介：毛迅（1985-），四川仁壽人，機械院副院長，從事綜采工藝和設備研究工作。