采煤機(jī)高精度軌跡跟蹤控制系統(tǒng)數(shù)字模型設(shè)計(jì)

琚素英

（山西焦煤西山煤電官地礦，山西 太原 030022）

引言

我國工作面開采設(shè)備仍處于機(jī)械化開采階段，對(duì)于采煤機(jī)定位技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)高精度軌跡跟蹤控制即“記憶截割”“人工遠(yuǎn)程干預(yù)”技術(shù)是未來智能工作面乃至智能礦井的發(fā)展方向。目前紅外信號(hào)定位、超聲波信號(hào)定位、無線信號(hào)定位、里程計(jì)定位等是比較常用的采煤機(jī)定位技術(shù)。這些技術(shù)各有優(yōu)點(diǎn)，但也存在著定位信號(hào)較差、慣導(dǎo)影響等使采煤機(jī)定位出現(xiàn)誤差或姿態(tài)偏移的現(xiàn)象。因此，建立綜采工作面三維數(shù)字模型進(jìn)行采煤機(jī)動(dòng)態(tài)模擬截割煤層，是實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)智能開采的重要途徑?，F(xiàn)建立一種基于三維數(shù)字煤層模型的精準(zhǔn)開采系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)高精度軌跡跟蹤控制。

1 采煤機(jī)運(yùn)行軌跡跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀

采煤機(jī)運(yùn)行軌跡跟蹤技術(shù)是智能化工作面實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，目前該項(xiàng)技術(shù)研究重點(diǎn)大多基于煤與巖石的物理特性，現(xiàn)對(duì)這些技術(shù)進(jìn)行簡要分析：

1）EMD 方法進(jìn)行煤巖界面識(shí)別方法：全稱經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解，是一種自動(dòng)化信息分解技術(shù)，根據(jù)矸石與煤聲波反射頻率的不同，在兩者下落時(shí)可進(jìn)行自動(dòng)化識(shí)別分離，但該方法具有很大的局限性，只能應(yīng)用在矸石含量較低的煤層，且只在截割頂?shù)装鍘r石后才能進(jìn)行使用，對(duì)其它巖體無法識(shí)別。

2）粉塵監(jiān)測(cè)法：通過采煤機(jī)開采過程中截割煤炭與巖石產(chǎn)生粉塵的不同特性，測(cè)算出煤巖界面。但該方法在實(shí)際操作中無法應(yīng)用。

3）震動(dòng)監(jiān)測(cè)法：該技術(shù)基于煤與其他巖石普氏系數(shù)上存在差異，因此采煤機(jī)在截割過程中的震動(dòng)頻率是不同的，可進(jìn)行煤巖界面的判別，但技術(shù)局限于必須保證巖石普氏系數(shù)與煤體差異值達(dá)到監(jiān)測(cè)范圍，且必須在采煤機(jī)已經(jīng)切割到巖體時(shí)才能監(jiān)測(cè)到。

4）基于多傳感器信息融合的煤巖界面識(shí)別：該項(xiàng)技術(shù)是通過測(cè)算滾筒電機(jī)軸的扭矩、振動(dòng)，測(cè)油缸的壓力、測(cè)變頻器后的定子電流等，依據(jù)傳感器進(jìn)行徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別融合，從而進(jìn)行煤巖識(shí)別。

5）雷達(dá)探測(cè)法：當(dāng)煤層透過電磁波時(shí)，由于煤體不同于其它巖石，因此發(fā)射出不同的電磁反射波，厚度不同反射波也會(huì)有所差異。因此，可以通過反射波的滯后時(shí)間來計(jì)算煤層厚度，這種方法得到普遍應(yīng)用，但在煤厚度不斷增加時(shí)，反射波信號(hào)大幅衰減，監(jiān)測(cè)也極難進(jìn)行。

6）支持向量機(jī)的煤巖界面識(shí)別技術(shù)：通過小波包分解對(duì)采煤機(jī)割煤與切割巖石的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行收集，然后應(yīng)用該技術(shù)進(jìn)行煤體與巖石界面識(shí)別，同時(shí)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器進(jìn)行對(duì)比。

7）γ 射線探測(cè)：煤體中由于其特性放射性元素是比較低的，且這種性質(zhì)隨著煤層厚度的增加也更加明顯。因此，通過測(cè)算穿透后γ 射線即可推算出煤層的厚度，該技術(shù)擁有無放射源、無損耗、管理方便等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)夾矸較多的煤層無法適用。

8）紅外探測(cè)技術(shù)：采煤機(jī)在截割煤與巖石后會(huì)產(chǎn)生不同的溫度，基于這種現(xiàn)象，可利用紅外探測(cè)法對(duì)采煤機(jī)滾筒溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以此來推算煤巖界面，當(dāng)然這項(xiàng)技術(shù)的缺點(diǎn)也是在已經(jīng)截割巖石之后才能進(jìn)行推算，且當(dāng)巖石與煤普氏系數(shù)相近時(shí)，即便截割到巖石，也無法進(jìn)行區(qū)分。

9）圖像識(shí)別的多信息融合煤巖界面識(shí)別技術(shù)：這項(xiàng)技術(shù)近年來應(yīng)用較為廣泛，操作也較為簡單可靠，通過拍攝工作面煤層圖片來識(shí)別界面。同一種巖層具有相同的顏色、紋理、斷裂形狀，因此較為容易區(qū)分。根據(jù)可見光圖像識(shí)別監(jiān)測(cè)方法，這項(xiàng)技術(shù)又分為黑白、彩色兩種區(qū)分方式，黑白圖像著重于灰度、紋理形狀上煤巖區(qū)別，彩色則可對(duì)色彩、灰度、紋理等進(jìn)行區(qū)分。但當(dāng)工作面粉塵過大時(shí)，圖像的可判別性較低。

因?yàn)樯鲜黾夹g(shù)大多處于理論階段，并未在煤礦得到應(yīng)用，因此基于這種困境，開發(fā)數(shù)字模型下的采煤機(jī)高精度截割系統(tǒng)，對(duì)上述技術(shù)加以應(yīng)用，為解決煤礦自動(dòng)化開采提供理論支撐具有重要意義。

2 系統(tǒng)研發(fā)

該系統(tǒng)數(shù)字模型的搭建分為四個(gè)階段，包括煤層搭建、采煤機(jī)動(dòng)態(tài)感知、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及采煤機(jī)控制系統(tǒng)。其原理是先對(duì)煤礦實(shí)際地質(zhì)數(shù)據(jù)，以及工作面生產(chǎn)過程中數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，利用三次樣條插值的方法建立煤層模型；利用慣導(dǎo)技術(shù)、里程計(jì)、雷達(dá)等對(duì)采煤機(jī)的截割軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)感知；最后將煤層截割情況及采煤機(jī)信息采集情況傳入監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及采煤機(jī)控制系統(tǒng)，并指導(dǎo)采煤機(jī)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)高及自動(dòng)截割。

2.1 煤層搭建

對(duì)于數(shù)字模型煤層搭建，一般是應(yīng)用三維地震波探測(cè)技術(shù)，對(duì)鉆孔測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，得到初步的煤層模型且精確度較高，后續(xù)通過對(duì)綜采工作面實(shí)際煤層的數(shù)據(jù)與模型進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，從而優(yōu)化模型建立基本情況與實(shí)際相近的數(shù)字三維煤層模型。該煤層內(nèi)嵌CT 切片，可實(shí)時(shí)記錄煤層受截割情況。該煤層與實(shí)際工作面截割煤層具有極高的相似度，1 m 以上的煤層厚度相似度可高達(dá)90%。

2.2 采煤機(jī)動(dòng)態(tài)感知

采煤機(jī)在開采過程中的狀態(tài)能夠精準(zhǔn)傳送回控制臺(tái)是此系統(tǒng)成功的核心技術(shù)，其動(dòng)態(tài)感知主要通過其行走軌跡進(jìn)行判斷。通過對(duì)煤層內(nèi)嵌入CT 切片，對(duì)采煤機(jī)截深的步距進(jìn)行信息錄入，并進(jìn)行實(shí)時(shí)路程顯現(xiàn)，如圖1 所示。該系統(tǒng)可精確實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，CT 切片可將采煤機(jī)截割煤層的軌跡上傳至采煤機(jī)控制系統(tǒng)，如圖2 所示。通過該系統(tǒng)的輸出信號(hào)對(duì)搖臂進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)滾筒運(yùn)行高度的改變，具體操作為：根據(jù)采煤機(jī)模型與煤層模型之間的接觸信號(hào)反饋，監(jiān)測(cè)到采煤機(jī)及滾筒運(yùn)行高度，并向控制系統(tǒng)進(jìn)行傳輸，通過計(jì)算需調(diào)整量進(jìn)行調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)滾筒高度的自動(dòng)調(diào)整[1]。

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)及采煤機(jī)控制系統(tǒng)

通過對(duì)傳入信息進(jìn)行分析，實(shí)際采煤機(jī)截割曲線與規(guī)劃的截割曲線差別在2%以內(nèi)，基本達(dá)到一致，如圖1 所示。因此，此數(shù)字模擬系統(tǒng)規(guī)劃的采煤機(jī)截割技術(shù)具有極高的精度。采煤機(jī)截割單刀信息也在系統(tǒng)中得以顯示，圖2 可以顯示采煤機(jī)自動(dòng)截割的執(zhí)行情況，對(duì)采煤工作面進(jìn)行多刀截割作業(yè)后，對(duì)采煤機(jī)進(jìn)行模型內(nèi)自動(dòng)截割實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2 所示，可以看出該實(shí)驗(yàn)中人工干預(yù)率為0，采煤機(jī)基本實(shí)現(xiàn)了整刀的自動(dòng)截割。圖中采煤機(jī)從3：32～4：35 這一段的截割時(shí)間大約為1 h，也就表明整刀截割的時(shí)間損耗為1 h；而圖示4：35～5：06 這段時(shí)間為0.5 h，也就表明采煤機(jī)在三角煤割煤時(shí)間花費(fèi)為0.5 h 時(shí)長[2]。

圖1 煤層規(guī)劃截割曲線與實(shí)際截割曲線對(duì)比

圖2 采煤機(jī)自動(dòng)截割執(zhí)行情況

3 系統(tǒng)技術(shù)分析

該數(shù)字模型中關(guān)鍵在于采煤機(jī)截割過程中對(duì)煤厚變換的感知并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)高。利用鉆探或三維地震技術(shù)得到的煤層模型等信息構(gòu)建起綜采工作面，隨著采煤機(jī)對(duì)煤層進(jìn)行截割，激光雷達(dá)可進(jìn)行采煤機(jī)截割軌跡的掃描采集，而CT 切片可對(duì)采煤機(jī)滾筒刀片的截割軌跡進(jìn)行記錄，并通過建模軟件對(duì)煤層的截割情況進(jìn)行顯示。煤層中每個(gè)截割點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)的位置以及滾筒刀片的位置信息，這些信息即可應(yīng)用與采煤機(jī)的自動(dòng)調(diào)高。通過慣導(dǎo)、里程計(jì)等技術(shù)監(jiān)測(cè)到采煤機(jī)的位置及滾筒刀片高度[3]。通過對(duì)實(shí)際監(jiān)測(cè)值與規(guī)劃值的對(duì)比，對(duì)超出規(guī)劃點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，即通過控制搖臂調(diào)整滾筒高度進(jìn)行調(diào)高控制，以達(dá)到采煤機(jī)自動(dòng)調(diào)高技術(shù)，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)按規(guī)劃路線進(jìn)行自動(dòng)截割。

4 結(jié)論

1）通過對(duì)煤礦地質(zhì)及工作面實(shí)際開采數(shù)據(jù)的采集，建立三維數(shù)字模型，利用CT 切片、慣導(dǎo)、雷達(dá)等對(duì)采煤機(jī)工作軌跡及截割軌跡進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，指導(dǎo)采煤機(jī)適應(yīng)煤層厚度并進(jìn)行自動(dòng)調(diào)高、煤層自動(dòng)截割技術(shù)。

2）該系統(tǒng)實(shí)測(cè)的精度較高?？刂撇擅簷C(jī)進(jìn)行截割的誤差在2%左右，且自動(dòng)調(diào)高以及自動(dòng)截割技術(shù)較為成熟，全程無需人工進(jìn)行干預(yù)。

3）對(duì)整個(gè)工作面進(jìn)行自動(dòng)化割煤時(shí)長花費(fèi)1 h，生產(chǎn)效率可觀，三角煤的截割時(shí)長為0.5 h。