综采工作面顶板底板位置探测方法研究

石文利

摘要：在提高综采工作面单位时间有效产量，综采工作面自动化水平和采煤的劳动生产效率，的自动化采煤，无人化采煤，智能化采煤方案设计中，一个不可能绕开的系统性课题就是如何探知综采工作面顶板和底板的准确位置。需要设计一套可以有效检测综采工作面顶板、底板位置的传感系统，区分采煤机割煤或者割岩动态状态。将此状态发给智能化采煤或者自动化采煤决策系统，实现多割煤少割岩的目标，进而提高综采工作面单位时间有效产量。

关键词：综采工作面 采煤机 顶板 底板

引言

综采生产方式，通过采煤机滚筒旋转，带动截割头旋转采煤，截割头由摇臂控制采煤方位。当摇臂控制截割头向上运动，会与综采工作面顶板接触;当摇臂控制截割头向下运动，会与综采工作面地板接触。一般的，綜采工作面顶板与底板由岩石构成，并且岩石硬度大于煤层硬度。

综采生产，需要尽可能多的截割煤层，尽量少或者不截割顶板与底板。不仅因为截割岩石会降低煤炭有效产量和增加选煤工作量，更重要的是，由于岩石的硬度大于煤，截割岩石会缩短截割头和截割头上安装的截齿的寿命，降低截齿更换周期，每次跟换截齿，都会影响正常生产。

在实践中，有经验的采煤机司机可以直观判断顶板与底板的位置。

首先，截割岩石与截割煤壁，截齿发出的声音不同;其次，截割岩石与截割煤壁会引起采煤机截割头不同程度的抖动;再次，岩石与煤壁之间，可以通过颜色直观地区分出煤岩分界线。

综采自动化生产，还可以通过读取截割滚筒电流的方式，判断截割头当前是在割煤，还是已经截割顶板岩石或者截割底板岩石。

在综采生产普遍智能化需求要求的背景之下，需要通过智能传感系统，替代煤机司机的经验，自动智能感知综采工作面顶板和底板岩石的位置。

系统方案

综采工作面煤壁上下由围岩构成，中间是煤层，普遍的，煤层普式硬度小于5f，通常小于4f（f，普式硬度，单位为抗压强度MPa的十分之一，无量纲），而一般围岩的硬度大于6f。

以下各种方法中，除超前探测法之外，均是通过感知截割煤壁的普式硬度，来判断煤岩分界线的。

声音识别法

通过采煤机司机的一般经验，在采煤过程中可通过截割煤壁的声音判断当前截割头是在截割煤层、夹矸层或者岩层。

通过对不同普式硬度矿岩样本的分析，可以得出初步结果，截割煤壁噪声的频率随着截割煤壁硬度的提高而增大。为了检测截割煤壁的硬度，可以通过对截割煤壁的噪声做检测，当检检测到频率较高的噪声，可以认为截割煤壁部分的普式硬度增大。

通过实际生产过程中的数据积累，可以实现一定水平上的煤岩识别。

然而，声音识别法识别煤岩分界线，包含两个方面的问题。

第一个方面，综采工作面噪声干扰，除了截割煤壁的噪声，还有截割滚筒，采煤机行走机构，液压支架移动等多种设备运行产生的噪声，这些噪声随机且不在已确定范围内，会造成对截割触及煤岩分界线产生的噪声的判断造成干扰。

第二个方面，煤壁下放通常会堆积煤块，截割煤壁扫底煤时，由于截割滚筒被部分掩埋，截割头与底板产生的噪声将不易检测。

电流法

截割不同普式硬度的煤壁，截割滚筒的阻力矩也不相同，通过分析截割滚筒电流的变化，可以感知截割滚筒阻力矩的变化，通过截割滚筒阻力矩的变化，可以感知截割煤壁是煤层、夹矸层、岩石层的普式硬度。

感知截割滚筒阻力矩变化，首先需要建立截割滚筒阻力矩数学模型。阻力矩数学模型是根据采煤机生产时截割头动作特点结合采煤层、夹矸层、岩石层的阻力特征，分别建立的。

阻力矩数学模型分类间，可以通过阻力特征，结合截割滚筒机械结构特征，建立分类力矩转换关系。

通过滚筒电流测量，可以推倒截割滚筒阻力矩数值，再结合当前采煤机截割头动作特点，可以推倒当前采煤机动作的阻力特征。根据阻力特征，可以推倒当前采煤是处在煤层、夹矸层还是岩石层。

通过电流分析推倒煤岩分界线，其优点是无需布置多余的传感器，通过采煤机行走编码器、采煤机摇臂传感器和电流值，即可分析当前采煤是否触及煤岩分界线。

然而，电流法不能有效感知当前煤岩分界线的走向。例如中部采煤过程中，采煤机摇臂垂直向上割煤，遇到相同大小的截割滚筒电流突变，可判断得出两个不同的煤岩分界线走向，如图1所示。

温度检测法

为了确定由电流法确定的煤岩分界线的走向，可以增加截齿的温度检测和截割头旋转角度检测。

在截割头与截齿之间预埋带无线通讯功能的温度传感器，并根据截齿的位置为每一个温度传感器编号。温度传感器的编号与截割头旋转角度具备对应关系，通过检测截割头温度传感器温度的突然变化，该温度传感器的编号和此时截割头旋转角度，可以确定产生温度变化截齿的具体位置，即可推断煤岩分界线的走向。

超前探测法

超前探测方法，对综采工作面的影响角度上，分为破坏性探测与非破坏性探测两种。

钻探法属于破坏性探测，是一种传统方法，用钻探设备向掘进面前方钻探一定深度并取岩芯。通过观察和分析岩芯的构造情况，对巷道掘进工作面前方的灾害性含、导水体，陷落柱和断层等进行准确定位。

非破坏性探测，又根据探测原理不同，分为地震法、瞬变电磁法和直流电法。

其中，瞬变电磁法和直流电法，主要通过空间电磁环境变化探测内部。所以，通常瞬变电磁法和直流电法，主要应用于煤层内水体探测或者或者含水体的空间与混合物探测。

地震法，即通过外部物理震动，产生低频的振动波，通过检波器检测振动波的传输、反射、频率、相位、叠加等特性判断地质结构分布的方法。优点为探测距离长，分辨率高，信息丰富，对地质异常特别是断层反映较灵敏、定位较准确。

通过地震法可以比较准确地探测大顶板和底板的煤岩分界线，然而使采煤机自动识别煤岩分界线的位置，还需要给采煤机增加定位和定姿功能。

通过UWB室内定位技术，可以实现采煤机定位定姿功能。UWB无线室内定位体系使用先进的超窄脉冲精确丈量飞行时刻技能，完成了底层的精确测距/计时;结合方位解算算法，完成了上层的精确定位。UWB技能是一种传输速率高，发射功率较低，穿透才能较强并且是根据极窄脉冲的无线技能，无载波。正是这些长处，使它在室内定位领域得到了较为精确的成果。超宽带室内定位技能常选用TDOA演示测距定位算法，便是经过信号抵达的时刻差，经过双曲线交叉来定位的超宽带体系包含发生、发射、接纳、处理极窄脉冲信号的无线电体系。

系统方案总结

从顶底板探测的准确性角度讲，超前探测法的系统方案优于其他方案，超前探测法还可以通过软件建模的方式，将顶底板煤岩分界线以更加直观的3D模型方式通过可视化的方式呈现出来。

然而从直接指导采煤的角度讲，超前探测法没有采煤机定位与定姿系统的辅助，就没有实际利用价值，只有在定位系统辅助下，才可以实现指导采煤的目的。

超前探测法加定位定姿系统，毕竟需要投入巨大的人力、物力与财力。而电流法依托当前采煤机已有的检测传感器，在温度检测法的辅助下，不增加过多的物力投入，仅通过软件算法，即可实现一定程度上的煤岩识别并直接指导自动化，智能化采煤。可见，电流法加温度检测法相比超前探测法，更具性价比优势，未来可以更多的应用于性价比要求高的智能化开采场景。

结束语

电流法加温度检测法依托常用采煤机系统配备的检测硬件设备，再少量增加温度传感器即可通过数学模型软件算法感知顶板与底板。这个方法可以可靠使用的前提是硬件可靠性，特别是温度传感器在截齿处的安装方式，需要既满足无线传输需求，还应当比较准确地检测截齿温变，所以仍是需要不断改进的。

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