综采工作面采煤机自动化控制技术研究

王 翔

（阳煤集团平定裕泰煤业有限公司，山西平定 045200）

0 引 言

综采工作面自动化采煤主要是为减轻人工强度，保障工人的身体健康[1]。采煤工作面采煤机实现自动化技术，主要实现割煤时的自动化，液压支架的移动能够自我实现，“三机”联动和安全控制能够互联互通，自我切换，自我保障。自动化并不是独立存在的，而是相互协调运转，统一控制，有机的结合快速采煤运行机械化[2]。

论文研究综采工作面采煤机自动化技术，主要从采煤机对割煤的路线的记忆，对采煤机随着煤层变化设定预定轨迹路线，采煤机的自动定位控制和定资控制，远程通过监控系统进行控制和反应，最后通过工业性实践，看采煤机实现自动化的程度。采煤机自动化的安全保障系统，主要在可视化视频监控观察，工作面瓦斯预防采煤速度，采煤机的定点技术以及相关设备机械判断上体现。

针对煤层的不断变化起伏，通过预设轨迹路线，控制采煤机自动记忆切割路线；为确保安全生产需对采煤机定位定资控制，在瓦斯含量超标时，自动做出判断停止开采；在地面监控室中视频画面实现远程控制采煤及机械设备维护。研究采煤机自动化控制可为矿山开采安全性提供一道有力屏障，为实现矿井高效生产提供理论与技术支撑。

1 自动控制截割技术

1.1 采煤机记忆切割路线

目前绝大多数矿井都是使用采煤机在综采工作面进行记忆切割。首先，由采煤机械师控制采煤机沿切眼面割上一刀，这一刀是示范刀，控制系统就会录入该割煤位置、高度、截深等信息，并保存在控制中心。在割煤的时候，通过控制中心安装的行程记录仪收集采集示范刀流程，识别煤岩交界面，遇煤则进行切割，若为岩石则停止切割或者转变位置，在视频监控下对实时工况作出相应反应，修正采煤速度、循环刀数等相关参数，采煤机在自动控制下记忆切割煤线示意图，如图1所示。

控制中心在控制采煤机切割煤时，遇到煤岩界面出现异常，则会通过收集的数据进行分析，及时修正记忆路线，并对采煤机前后滚筒做出调整，在采煤机定位和定资的帮助下迅速摆正切煤路线。

图1 采煤机记忆截割路线

1.2 截割轨迹预设

根据预设轨迹，在控制系统内嵌采煤机切割轨迹方程：

式中：γ为采煤机的最大仰角；M为煤层厚度。

根据煤层厚度、地质条件、煤质硬度、顶底板变化幅度等信息，预先在控制中心对采煤机截割轨迹路线进行设定。通过CT技术[3]，探测综采工作面煤层厚度、顶底板变化。把这些变化输入控制中心并存储，根据煤厚和顶底板变化预生成三维割煤示意图，如图2所示。

图2 预设采煤机随煤层变化三维截割路线示意图

控制中心中的割煤高度控制器是控制采煤机切割工作面高度控制设备，割煤高度控制器根据煤层厚度变化、高低起伏变化，负责调整采煤机截割割煤高度，并控制采煤机行走路线。控制器会判断矸石率，一旦矸石率偏高，立即自动化实施变化[4]，优化煤层煤厚变化异常区割煤轨迹，提出了“浮动采高”自动技术概念，也就是说可以控制采煤机沿倾向或者走向推进割煤，分区域设定割煤轨迹，分种类变换割煤方向。这样高度割煤控制器就能很好的预设采煤机的行为轨迹，实现采煤机滚筒顺利的自动化割煤的效果。

2 采煤机自动定位定资控制

2.1 自动定位控制

自动定位控制是为了准确定位采煤机截割位置，在采煤机上安装红外线发射器，通过红外定位，监测采煤机滚筒运行位置，控制采煤机割煤。另外液压支架上被装有红外接收仪器，随着采煤的前进，发射器上发射的红外线通过接受器接受，如图3所示。

图3 采煤机定位系统

采集红外信号，准确感知采煤机滚筒位置，位置传感器发出指令，命令采煤机准确定位。通过矿用防爆通讯电缆，把收集到的位置信息发送到集控中心和远程控制地面系统，工作员观测到采煤机的概况，利用控制台精准控位。为实现采煤机在工作面自动化采煤，不仅利用红外线定位原理，而且在采煤机机身上还装有形成检测器，出现偏差也会发出反馈，供操作员及时修正定位。

2.2 自动定资控制

采煤机在割煤时的定姿技术主要是对采煤机运行方向、加速、减速、启动、停止等进行控制，硬件主要控制采煤机滚筒、摇臂、截割电机、行走部等，硬件和软件共同作用，才使得采煤机实现自动定资控制。

1）硬件。主要控制箱便是PLC，PLC控制器可以控制采煤机运转和快慢，当然在控制的时候相关传感器也发挥着不可轻视的作用。具体是采煤机在采煤时的具体状况，是传感器收集数据、信息，信息反馈到控制中心，中心通过PLC控制器发出指令，调整采煤机滚动高度、割煤深度等。PLC控制器有接口与集中主控相连，实时采集的采煤信息通过顺槽、大巷传输到井下控制中心的主控制器上。

2）软件。在井下传感器收集到的信息，输入到集控软件上，软件识别采煤机是否按照煤厚、煤层起伏运行，做出判断，进而发出相应控制命令。集控软件主页面上会显示实时在线数据，这样有利于控制操作人员读取和辨别，如图4（a）所示。

集控软件能够真实准确地及时显示采煤机采煤状况和工况参数，显示屏上对于滚筒位置、割煤速度、采高这些数据及时更新和识别，如图4（b）所示，就像图中所示，不仅显示采煤机在工作面的具体液压支架处和采煤机牵引速度准备表达出来，而且对于采煤机左右滚筒的割煤机身温度、采煤机电流等也会显示在主控界面上。

图4 定位软件系统

3 地面远程视频监控

3.1 地面监控系统简介

井下作业环境恶劣、地质条件复杂多变，更好地了解井下具体情况，为自动采煤提供准确的数据，在采煤工作面安装了矿用视频监控系统，监控简图如图5所示。

图5 地面监控系统示意图

为观察工作面状况，在采煤机滚筒上安装矿用摄像器；为观察电缆、采煤机具体位置，采煤机机体上也安装矿用的摄像头。想要了解整个工作面的情况，在工作面分组安装摄像头，在每隔一定的距离，在液压支架上安装矿用摄像头，保证全方位、无死角的监测、观察整个综采面情况。摄像头连接矿用通讯电缆，实时把监测到的具体情况传送到集控中心，在预设割煤轨迹路线下，自动控制系统根据工作面内的情况转换到地面视频监控系统，操作人员则根据变化进行调整。

3.2 追踪切换监控技术

采煤机在自动化开采中，利用有序自动化开采技术进行截割工作面，采煤机割煤工况被追踪监控系统实时跟进。被装在液压支架摄像仪随时监控采煤机动态，采煤机割煤被完全掌控着，为了高效监控与自动化调控，视频监控系统采用切换技术，有利于视频监控系统不至于存储不够而卡死。

1）画面无缝拼接。采用动态画面无缝拼接技术，用大视角的方式监测采煤机工作，对于不同情况、不同位置和不同场景的画面进行录制拍摄，采煤机工作的远近视频无差异化相逢连接，设计的作用主要是使视频前的操作员身临其境，有助于操作员进行跟机管理采煤机自动采煤。

2）视频跟踪调换。综采工作面空间有限，煤尘严重，可视化不强，为清晰拍摄工作面采煤机运转情况，采用无线技术与有线技术相结合的手段采集采煤机工况，通讯器将采集到的信息迅速传到自动控制中心，为控制软件跟随采煤机实现切换监控。不断切换采煤机定位、采煤机速度、滚筒高度等，跟机控制系统的切换视频无死角的显示工作面概况。采煤机和液压支架上的摄像仪采集采煤工作面信息，采集到的信息通过分别建立与无线交换机的连接实现远程输送信息。红外定位是实现采煤机定位的手段，定位装置接收到采煤机位置，会把信息传输到集中控制系统，在切换功能作用下，视频软件就会随着采煤机变化而显示出来。

3）瓦斯监控。瓦斯在煤矿生产中是一重大危险源，采煤工程中为避免发生瓦斯保障，对于采煤机自动化采煤也设计了瓦斯监控[5]。工作面上隅角最为容易积聚瓦斯，所以在综采工作面上隅角布设了瓦斯监测站。根据瓦斯监测站检测到的瓦斯浓度，自动控制系统进行识别，瓦斯浓度若在在安全范围内，采煤机以正常的速度进行割煤，一旦瓦斯浓度高于限定值，采煤机立即停止割煤，自动控制系统警报响起，视频监控界面提示请先处理瓦斯，现在不利于割煤动作。另外，自动控制系统通过瓦斯监控收集到的瓦斯浓度，不断调整采煤机运行速度，例如瓦斯稍大，则采煤机速度相应就会减小。

4 工业性实践

1）煤厚变化试验。某区六矿1502工作面煤层厚度变化较大，为了研究采煤机自动割煤效果和原煤含矸率，在该工作面进行了试验，其结果如图6所示。现场试验表明，采用自动化控制采煤机割煤，原煤含矸率大为降低，而且采煤机故障排出率也提高了，另外节省了大量没必要的时间，显著提高了煤矿采煤的经济性与可靠性。

图6 自动控制前和自动控制后对比图

2）瓦斯工作面试验。在某矿高瓦斯2305工作面进行自动化控制采煤试验，研究不同瓦斯浓度与采煤机的运行速度关系。自动控制采煤机采煤的原理在与根据瓦斯浓度情况，其自身就在不断调整采煤机速度。上隅角瓦斯浓度分别设置0.3%、0.7%、0.8%、0.9%五个区间，在这五个区间段内，观测采煤机割煤速度。根据井下实测和监控系统的数据收集，通过整理得到了瓦斯浓度与自动控制下采煤机采煤的速度关系表，详见表1。

从表1看出，自动控制采煤机采煤能够较好的根据瓦斯浓度进行速度调整。瓦斯浓度较低时，采煤机运行速度，快速为矿井产煤；在瓦斯浓度高于安全范围时，自动控制系统立即迫使采煤机运转。自动化控制采煤机采煤，自动调控为工作面的安全高效开采保驾护航。

表1 瓦斯存在时自动控制割煤速度

5 结 论

从采煤机记忆切割路线、控制中心预设轨迹、采煤机自动定位定资以及监控系统几个方面研究，通过工业性实践，说明采煤机自动化控制技术具有可利用性。在集控中心控制下，采煤机能够识别煤层厚度、煤层起伏变化、工作面瓦斯情况。综采工作面采煤机在控制系统操作下，自动割煤，不仅降低了原煤含矸率，还有利于工作面生产安全。