回采工作面采煤機(jī)及液壓支架協(xié)調(diào)自動(dòng)控制研究

＊郝武強(qiáng)

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉中有限公司 山西 030600）

回采工作面的采煤效率由液壓支架、采煤機(jī)以及刮板運(yùn)輸機(jī)的共同施工效率決定。目前，多數(shù)煤礦中“三機(jī)”之間均為獨(dú)立操作。三者之間獨(dú)立操作不僅需要大量的井下工人輔助作業(yè)，同時(shí)也降低了采煤效率[1]。煤炭開采過程中井下各單位之間通常采用擴(kuò)音電話、喊話的方式進(jìn)行通信，不僅導(dǎo)致信息傳遞慢，而且抗干擾能力差，該類配合方式效率低而且存在一定的安全隱患[2-3]。綜采智能化、協(xié)同化發(fā)展才是煤礦井下未來開采的發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與液壓支架的協(xié)同控制不僅可以減小井下施工人員數(shù)量，而且可以根據(jù)傳感器實(shí)時(shí)反饋的支護(hù)參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)及時(shí)調(diào)整煤炭開采與支護(hù)工藝，提高煤炭的高效開采與安全開采。因此，本文以采煤機(jī)與液壓支架協(xié)同控制技術(shù)為研究背景，通過優(yōu)化程序控制以及數(shù)據(jù)交互傳輸之間協(xié)同工作，最大程度的發(fā)揮井下綜采設(shè)備性能。

1.協(xié)調(diào)控制結(jié)構(gòu)

(1)協(xié)調(diào)控制要求

采煤機(jī)與液壓支座協(xié)調(diào)控制可以確保高效采煤效率。采煤機(jī)的預(yù)定位置決定著支架的推溜，在采煤掘進(jìn)過程中采煤機(jī)的牽引速度應(yīng)當(dāng)考慮刮板運(yùn)輸機(jī)的運(yùn)載能力，同時(shí)結(jié)合采煤機(jī)自身的切割能力、煤層硬度、滾筒割煤進(jìn)深以及支架的推移速度。目前，采煤機(jī)割煤牽引速度與液壓支架的推溜分布進(jìn)行，嚴(yán)重影響了整體的采煤效率[4]。為了提高綜采工作面的采煤效率，提出了采煤機(jī)與液化支架協(xié)同控制技術(shù)，可以通過式（1）進(jìn)行控制。

其中，cv為采煤機(jī)牽引速度，m/min；mQ為刮板輸送機(jī)運(yùn)載能力，kg/min；Kg為刮板輸送機(jī)運(yùn)載擾動(dòng)系數(shù)，取0.9～1.1；m為采煤高度，m；S為滾筒截割進(jìn)尺深度，mm；γ為煤層密度，kg/m3；C為煤炭采出率，取0.85～0.9。

利用傳感器裝置及時(shí)獲取采煤機(jī)的牽引速度、油箱儲(chǔ)量和溫度以及各機(jī)電的電流參數(shù)等，將上述參數(shù)上傳及存儲(chǔ)至主控制器，通過傳感器監(jiān)測采煤機(jī)位置，根據(jù)設(shè)定的控制流程完成液壓支架的升架、降架及推架等工序；在綜采工作面持續(xù)回采過程中液壓支架的移動(dòng)能力應(yīng)與采煤牽引力相匹配，確保采煤機(jī)與液化支架高效協(xié)同工作。采煤過程中應(yīng)當(dāng)在確保整個(gè)系統(tǒng)安全、可靠的情況下持續(xù)監(jiān)測刮板運(yùn)輸機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的功率。通過改變采煤機(jī)的牽引速度確保刮板運(yùn)輸機(jī)始終在額定的功率正常運(yùn)轉(zhuǎn)。各控制部分提取存儲(chǔ)采煤機(jī)控制器內(nèi)部的數(shù)據(jù)結(jié)合各自獨(dú)立的算法程序進(jìn)行處理計(jì)算，進(jìn)而控制各機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)、安全的工作。采煤機(jī)的主控制器與采煤機(jī)控制器相連接，可以相互傳遞數(shù)據(jù)。采煤機(jī)各部位傳感器采集到的數(shù)據(jù)也可以傳遞至主控制器，這樣就可以形成各機(jī)構(gòu)與主控制器之間的實(shí)時(shí)交互。有效地減少綜采工作面人員的數(shù)量，提高了采煤效率。

(2)協(xié)調(diào)控制方案與布局

采煤機(jī)與液化支架協(xié)調(diào)控制可以分為地面主控制層、巷道控制層以及設(shè)備控制，整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)與總體布局如圖1所示。地面的主控制系統(tǒng)主要根據(jù)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，并將處理的數(shù)據(jù)以及遠(yuǎn)程操縱指令下達(dá)給各個(gè)機(jī)構(gòu)，確保采煤機(jī)的牽引速度與液壓支架的移動(dòng)速度相吻合。航道數(shù)據(jù)控制層的作用是實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與控制命令的實(shí)時(shí)交互，將地面主控制層的指令下達(dá)給各個(gè)機(jī)構(gòu)，同時(shí)將各個(gè)機(jī)構(gòu)采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并上傳至地面主控制器，通過這種方式實(shí)現(xiàn)對各設(shè)備的聯(lián)動(dòng)控制。終端設(shè)備即為液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)和采煤機(jī)的各類控制機(jī)構(gòu)及其相應(yīng)的傳感器，主要的功能是負(fù)責(zé)工作面的掘進(jìn)、數(shù)據(jù)的監(jiān)測、傳輸以及執(zhí)行巷道控制器下達(dá)的動(dòng)作指令。

圖1 協(xié)同控制系統(tǒng)總體布局圖

2.采煤與液壓支架協(xié)調(diào)控制原理

(1)采煤機(jī)協(xié)調(diào)控制

采煤機(jī)是綜采工作面的主要設(shè)備，負(fù)責(zé)將煤層切割。運(yùn)行在工作面最前端，采煤機(jī)的運(yùn)行效率直接影響著綜采工作面的產(chǎn)量。因?yàn)楣ぷ髅姝h(huán)境復(fù)雜，偶爾有瓦斯噴涌、運(yùn)行載荷較大，運(yùn)行時(shí)關(guān)鍵部位極易出現(xiàn)過載現(xiàn)象。最主要的是采煤機(jī)與液壓支架的分布操作也導(dǎo)致了工作面采煤效率低下。對原有的液壓支架進(jìn)行編號，確定采煤機(jī)具體的位置信息與牽引速度，將紅外傳感器安裝在采煤機(jī)與各個(gè)液壓支架上面。采煤掘進(jìn)過程中液壓支架上面?zhèn)鞲衅鞅O(jiān)測的數(shù)據(jù)傳遞到主控制器，結(jié)合綜采工作面煤層傾角、煤厚和頂板巖石硬度，相應(yīng)的提出不同的綜采施工工藝。巷道控制層將各個(gè)工藝進(jìn)行編號，記錄并反饋各個(gè)施工工藝。當(dāng)前面一個(gè)施工工藝完成后，采煤機(jī)及相應(yīng)的設(shè)備暫停確認(rèn)下一步操作工藝，根據(jù)指令調(diào)整切割位置以及切割深度和速度。

(2)液壓支架電液控制協(xié)同控制

液壓支架與刮板運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)結(jié)合使用，確保綜采工作面頂板的穩(wěn)定，確保工作面工人與采煤機(jī)械有足夠的工作空間。防止頂板上部巖層發(fā)生蠕變或坍塌進(jìn)入工作面，并為整個(gè)巷道提高充足的通風(fēng)斷面，實(shí)現(xiàn)頂板支護(hù)、切頂、移架、升架和降架等支護(hù)操作。液壓支架通過主控制器得到采煤機(jī)的位置、施工工藝、掘進(jìn)參數(shù)等信息后，將獲取的數(shù)據(jù)傳輸至主控制器進(jìn)行計(jì)算整合，接著控制器向液壓支架發(fā)送指令，位于綜采工作面的終端液壓支架液壓油缸完成升架或移架的指令。

液壓支架電液控制系統(tǒng)可以確保液壓支架在得到主控制器的指令后完成相應(yīng)的支護(hù)工序。電液控制系統(tǒng)主要包含壓力傳感器、位移傳感器、液壓油缸、支架控制器、電磁閥驅(qū)動(dòng)器和液壓支架臂等。通過對各個(gè)支架以及相應(yīng)的支架控制器進(jìn)行編號可以完成相應(yīng)的支架控制，通過與主控制器的總線互聯(lián)通，形成綜采工作面液壓支架電液控制。協(xié)同工作時(shí)傳感器首先將采煤機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)、煤層參數(shù)采集并上傳至主控制器，主控制器根據(jù)采集的參數(shù)采掘及煤層參數(shù)，通過相應(yīng)的控制算法得到相應(yīng)的支護(hù)工藝及支護(hù)方法[5]。液壓支架控制系統(tǒng)工作時(shí)，通過電磁驅(qū)動(dòng)器控制液壓油缸的壓力，推移千斤頂?shù)耐七M(jìn)距離和采煤機(jī)的具體位置信息。

在此期間，位移傳感器、壓力傳感器和視頻攝像機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控液壓油缸的支護(hù)壓力，千斤頂?shù)耐七M(jìn)距離、支架的支護(hù)形態(tài)，傳感器實(shí)時(shí)的將位移、壓力與液壓支架的支護(hù)形態(tài)信息傳遞給主控制器，處理器根據(jù)液壓支架傳感器反饋的支護(hù)參數(shù)與發(fā)出指令進(jìn)行對比分析，判斷發(fā)出的支護(hù)指令與接收支護(hù)指令之間的差異。通過傳感器與處理器之間的交互數(shù)據(jù)，可以現(xiàn)場支護(hù)參數(shù)的動(dòng)態(tài)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了煤層情況與頂板巖層硬度實(shí)時(shí)調(diào)整的支護(hù)方法。支架控制器是整個(gè)協(xié)同控制系統(tǒng)的核心內(nèi)容，根據(jù)預(yù)定的編程控制系統(tǒng)控制電磁閥的工作，從而控制液壓支架完成相應(yīng)的支護(hù)工藝。布置在液壓支架的傳感器獲得的信息經(jīng)過數(shù)據(jù)與圖像處理與分析，然后控制液壓支架完成設(shè)定的支護(hù)壓力與支護(hù)動(dòng)作。這樣就實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)與液壓支架的協(xié)同工作。地面顯示器可以實(shí)時(shí)的反映液壓支架的支護(hù)參數(shù)與支護(hù)姿態(tài)，液壓支架的支護(hù)數(shù)據(jù)通過巷道控制層可以傳輸至地面控制層與工作面控制中心，地面調(diào)度人員也可以實(shí)時(shí)的監(jiān)視綜采面的掘進(jìn)與支護(hù)工作。

(3)液壓支架控制系統(tǒng)通訊

協(xié)同控制系統(tǒng)需要諸多設(shè)備協(xié)同工作，采取地面與井下兩種通信形式可以實(shí)現(xiàn)“液壓支架、刮板運(yùn)輸機(jī)和采煤機(jī)”協(xié)同工作井下通信。采用RS485交叉、串口通信，協(xié)調(diào)控制器與運(yùn)輸機(jī)、支架及采煤機(jī)等系統(tǒng)通信，可以將各設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸與整合。地面通信：地面與井下通訊通過以太網(wǎng)互聯(lián)，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞，實(shí)現(xiàn)地面與井下設(shè)備交互傳輸。通信總線：總線通訊距離決定總線的選擇形式，實(shí)際施工過程中因存在瓦斯突涌、強(qiáng)電設(shè)備干擾等因素，通信信息指令的相應(yīng)時(shí)間應(yīng)為毫秒數(shù)量級。重要的是通信總線應(yīng)確保安全可靠，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定具有一定的抗干擾能力?？偩€的選擇應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮獨(dú)立供電方式，可以保證數(shù)據(jù)傳輸不會(huì)間斷，接線方式簡單維修便捷，系統(tǒng)資源占用少，同時(shí)具備很好的校錯(cuò)能力，接口簡潔而且開放性較好。使用者僅需要在用戶層面開發(fā)通訊程序，不需要復(fù)雜的編程工作，方便礦井地面操作人員的使用與日常維護(hù)。使用現(xiàn)場總線作為液壓支架電液控制協(xié)同系統(tǒng)的總線，CAN的節(jié)點(diǎn)線路之間不分主次即可實(shí)現(xiàn)多主線通訊。

(4)協(xié)同工作控制程序

采煤機(jī)與液壓支架及刮板運(yùn)輸機(jī)的控制程序?yàn)槟K化結(jié)構(gòu)。啟停程序可以控制刮板運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)與液壓支架等的順序啟停。采煤機(jī)的牽引程序可以控制采煤機(jī)的割煤深度、牽引速度和姿態(tài)調(diào)整；液壓支架可以根據(jù)主程序中采煤機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)、位置進(jìn)行輔助支護(hù)作業(yè)，確保采煤機(jī)掘進(jìn)后液壓支架及時(shí)進(jìn)行支護(hù)處理，提高綜采工作面采煤效率。支架控制程序也是協(xié)同控制系統(tǒng)的重要部分，主要是完成數(shù)據(jù)的采集、傳輸和報(bào)警等子程序。主控制器和支架控制器之間可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通，可以實(shí)現(xiàn)地面控制層對終端采煤機(jī)的控制。圖2為協(xié)同控制程序邏輯關(guān)系圖。

圖2 協(xié)同控制邏輯關(guān)系圖

(5)工作效率評價(jià)

將采煤機(jī)、液壓支架協(xié)調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用到某煤礦3506綜采工作面，現(xiàn)場應(yīng)用過程中取得了良好的應(yīng)用效果。在未使用協(xié)同自動(dòng)控制協(xié)同時(shí)，綜采工作面需要安排至少6名現(xiàn)場作業(yè)人員輔助施工，采用協(xié)同控制自動(dòng)控制后輔助人員僅僅2名即可滿足要求。同時(shí)通過采煤機(jī)與液壓支架的協(xié)同作用，將煤炭的日開采效率提升了5.2%。降低施工人員數(shù)量的同時(shí)提高了回采工作面的安全性以及開采效率。該煤礦3506綜采工作面系統(tǒng)應(yīng)用前，采面煤炭產(chǎn)量約為10.3萬噸/月，應(yīng)用后煤炭產(chǎn)量增至12.8萬噸/年，可明顯提高采面生產(chǎn)效率。

3.結(jié)語

采煤機(jī)與液壓支架協(xié)同高效作業(yè)時(shí)提高煤炭開采效率的有效技術(shù)手段，提高設(shè)備協(xié)同控制能力對煤炭的高效安全開采具有非常重要的意義。為了提高綜采工作面的開采效率提出了一種采煤機(jī)與液壓支架協(xié)同控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了位移傳感器、壓力傳感器、紅外攝像頭等可以實(shí)時(shí)的將采煤掘進(jìn)數(shù)據(jù)傳輸至地面主控制器；通過相應(yīng)的控制程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，提供相應(yīng)的支護(hù)參數(shù)。地面控制層、巷道控制層以及回采工作面設(shè)備終端通過控制器、RS485通信方式將采煤機(jī)與液壓支架系統(tǒng)之間協(xié)同工作。系統(tǒng)應(yīng)用前，采面煤炭產(chǎn)量約為10.3萬噸/月，應(yīng)用后煤炭產(chǎn)量增至12.8萬噸/年，可明顯提高采面生產(chǎn)效率。