基于记忆割煤的综采工作面自动化技术分析

金世明

(国能神东煤炭集团有限责任公司石圪台煤矿，陕西 榆林 719315)

0 引言

随着综采工作面自动化技术的发展，国内外主要煤矿装备制造商、煤炭生产商都投入了大量人力、物力、财力、精力开展综采工作面自动化技术的研发。神东煤炭集团公司以石圪台煤矿31203工作面作为试点，开展了多项科研攻关，在综采工作面自动化技术领域进行探索，和许多国内外先进煤炭集团一样，受到地质条件复杂多变等诸多因素影响，目前仍停留在实验和研究阶段。采煤机在综采工作面中一直处于复杂的运动状态，一切配套设备的自动化运行均需要以采煤机进行参考和控制，是综采工作面自动化发展的核心。

1 综采工作面自动化发展现状分析

制约综采工作面自动化技术发展最重要的部分，就是采煤机的自动化控制。目前，国内外采煤机多采用记忆割煤方式实现自动化，受煤层条件、设备协同配合、煤岩识别等因素的影响，制约的瓶颈是自动化控制的精度问题[1-3]。在石圪台煤矿31203工作面使用的久益7LS6C-LWS741采煤机，电控部分为青岛天信公司开发的国产化控制系统，该系统同样具备记忆割煤功能，为了解决自动化控制的误差问题，采取了记忆割煤和记忆割煤+人工干预的方式。煤层条件无法改变，煤岩识别技术尚不成熟，就必须以尽量提升煤机割煤精度，减少误差，以此提高设备协同配合效率，降低人工干预，尽可能实现综采工作面自动化控制精度。

1.1 采煤机记忆割煤

采煤机记忆割煤是在采煤机进行自动化割煤前，由煤机司机人工操作割煤一刀，控制部分自动采样和记录采煤机姿态，在其内部建立并存储包括机身位置、牵引速度、牵引方向、右截割摇臂位置、左截割摇臂位置、采煤机横向倾角、采煤机纵向倾角等煤机各项参数[4-6]。后续的割煤中，采煤机根据存储的数据完成自动割煤。为了确保煤机姿态不断适应条件变化，煤机司机可以随时进行人工干预，同时控制部分将存储数据进行更新。采煤机机身位置和姿态的确定、滚筒抬升高度的准确度，将直接影响其他配套设备的动作和工程质量，进而为下一步的割煤提供有利条件。液压支架采取的是跟机拉架，如果出现顶板漏矸、顶板来压等情况时，跟机拉架必须及时可靠，同时要兼具安全性，防止出现咬架、错架。液压支架跟随动作时，不具备自我调节能力，出现误差较大时，无法保证工作面的“三直一平”。

1.2 倾角测量的作用

在采煤机左右2个摇臂上各安装有一个倾角传感器，由于煤机摇臂的长度为固定值，通过角度的测量可以知道摇臂的高度[7-10]。在采煤机机身上安装倾角传感器测量并确定煤机姿态和俯仰情况，对摇臂倾角进行补偿。2个传感器的测量精度将直接影响控制部分存储参数的精确度。采煤机滚筒高度计算如图1所示，图中模拟煤机处于爬坡状态。

图1 采煤机右滚筒高度计算Fig.1 Calculation of the height of the right drum of the shearer

A=H+H1+H2+R

(1)

当采煤机右滚筒割顶板时

H右1=H+H1=H+sin(α-β)×L

(2)

当采煤机右滚筒割底板时

H右2=H1-H1=sin(α-β)×L-H

(3)

式中，A为工作面全采高；H为采煤机机身高度；R为滚筒半径；α为摇臂倾角；β为采煤机机身倾角；H2为采煤机滚筒距离顶板高度；H左为采煤机左滚筒中心点距离底板高度；H右为采煤机右滚筒中心点距离底板高度。同理，可计算出采煤机左滚筒割顶、割底的高度H左1和H左2。

由此可以看出，H、L为固定值，影响工作面采高、H2、H1值的，只有2个角度传感器的测量值α和β。同时可以得出，摇臂倾角α和采煤机机身倾角β稍有误差或调整就会影响到滚筒距离顶板高度H2。同理，会影响到滚筒距离底板的距离，直接影响割顶量和割底量。

为减少煤机机身倾斜对倾角测量带来的误差影响，除倾角传感器外在机身布置一个双轴倾角传感器，用以计算机身俯仰角与摇摆角，从而对摇臂倾角进行补偿计算。在安装双轴传感器时，必须保证“两面”和“两线”的正确安装。“两面”指传感器的安装面与被测物体的安装面完全紧靠(被测物体的安装面要尽可能水平)，不能有夹角产生；“两线”指传感器轴线与被测面轴线平行，两轴线不能有夹角产生。安装时应保持传感器的安装面与被测目标面平行。

1.3 陀螺仪的使用

使用陀螺仪是测量倾角的最主要手段，陀螺仪能够测量物体绕各个轴转动的角速度，通过对角速度进行积分运算，就能得到物体旋转的角度。短时间内，陀螺仪测量具有较高的精度，但陀螺仪容易受振动等因素的影响而引入测量噪声，且陀螺仪的输出存在漂移。漂移随着时间、温度及其他随机因素而变化，通过积分会使测量误差变大。必须采取手段降低这些因素对陀螺仪精度的影响。

煤机的运行需要与其他配套设备协同配合，并互相传送数据，才可以进行自动化控制。煤机在割煤过程中，在煤壁上会产生振动，当遇到岩石和其他构造时，更会加剧振动，再加上受到刮板输送机的振动影响，整体的振动影响会对陀螺仪测量角度过程产生非常大的影响。

1.4 加速度传感器的使用

加速度传感器可以检测交流信号以及物体的振动，当被测量物体产生一定规律性的振动时，加速度传感器可以检测振动的过零点，再通过计算得出设备的振动情况和煤机的位移情况。

加速度传感器的应用还可以避免煤机滚筒与液压支架顶梁发生碰撞。液压支架的动作受到乳化液质量、液体内杂质的影响，阀芯堵塞或者电控系统出现故障时，支架动作慢甚至无法动作，都会对采煤机的通过造成影响，虽然采煤机滚筒扭矩轴会发生断裂，若没有受力的传导分析，采煤机无法停机，会对煤机牵引系统造成影响。根据牛顿第二运动定律瞬时性，加速度和力同时产生、同时变化、同时消失，在加速度和质量一定的情况下，物体加速度的大小与作用力成正比，与物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比。加速度的方向跟作用力的方向相同，即

F=m×a

(4)

式中，F为煤机所受外力；m为煤机质量；a为煤机的瞬时加速度。

使用加速度传感器测得煤机滚筒受到的瞬时矢量加速度，通过程序计算出煤机受到的力，大于设定值时，使煤机停止牵引，滚筒停止转动。通过加速度对采煤机滚筒受力的计算分析，应该与采煤机速度结合更加紧密，进行初步的煤岩识别，当煤机处于割岩石状态时，自动调整采煤机牵引速度，具备判断是全滚筒割岩石，还是处于割顶板状态需要降低滚筒高度。如果处于割岩石状态，需要采煤机降低牵引速度，防止整机处于长期的过载阶段，起到保护作用。

1.5 陀螺仪和加速度传感器的互补

陀螺仪和加速度传感器具有互补性。加速度传感器可以测量静止物体的倾角并具有较高的准确性；陀螺仪可以测量动态物体的角速度并在短时间内具有较高的准确性。

采用三轴加速度传感器安装在煤机内部，用以测量振动情况，补偿滚筒倾角测量时的振动，提高滚筒倾角测量精度。此外，可以通过加速度传感器检测煤机位移情况，结合安装在煤机和液压支架上的红外发射器和红外接收器确定煤机在综采工作面的位置，为包括支架拉架、推溜等在内的动作提供位置对照依据。

2 采煤机参数准确性的意义

美国JOY公司制造的煤机多采用D齿轮传感器，用安装在D齿轮上的传感器检测D齿轮转动圈数，确定煤机行程，从而检测煤机位置。艾柯夫公司则利用位移、速度编码器确定煤机位置。国内很多煤机装备制造商，在改造电控系统时2种方法均有涉及，以实际应用情况来看，并不十分理想。如果在确定煤机过程中，出现偏差较大，或检测不准确，由于煤机和支架间自动化应用时有联动，就会导致支架的误动作，对安全生产造成影响。在记忆割煤的同时，必须进行人工干预，若人工干预较多，就无法实现综采工作面减人甚至无人化的目的。

在采煤机割三角煤期间，煤机的速度相对较低，对工程质量要求更高，支架成组动作更少，支架动作相对更复杂，且支架动作时想要实现记忆割煤功能难度更大。加上采煤机割至两端头时，必须保证煤机位置的可靠。位置太靠外，滚筒会割在刮板输送机的挡煤板上，位置太靠内，煤无法割透。在煤机记忆割煤时，需要的人工干预会更多，想要实现无人化的难度可想而知。

3 集中控制的发展

3.1 发展概述

尚在研发和实验阶段的综采工作面自动化，多以集中控制、远程控制、视频信号传输、改变通信协议等为主。能够实现煤机司机远程操控煤机，调整割煤状态，以减少工作面作业人员劳动强度，远离危险、粉尘和空间受限的工作面条件。从画面信号传输到改变煤机运行状态，期间采集的视频、煤机运行、支架状态、三机运行等各类参数信号多采用通过专用协议或通用TCP/IP、UDP等传输控制协议传输到移变列车上安设的防爆计算机中，获得工作面设备运行的实时数据和视频画面，并通过防爆计算机中的程序实现远程控制，调整工作面设备运行状态。再通过Internet网络将数据传输至地面，实现对井下综采工作面的异地远程监控和控制，从原理上可以实现。以石圪台煤矿31203工作面的实际应用情况来看，数据传输和设备远程控制的可靠性、及时性、安全性会受到数据传输信号延迟的影响，想要实现远程控制仍然需要有信号采集和传输上的巨大突破。集中远程控制只能作为综采工作面自动化发展的辅助手段，用以监测和适度调整补偿，并不能作为完全控制手段。

3.2 集中控制现状及存在问题

在数据传输过程中，煤机装备制造商为了保护自己的技术，相互之间不能提供有效的数据进行共享，为了实现数据的采集汇总，数据传输中需要经过多个中转环节，改变通信协议，本就庞大的系统加上兼容性差，直接导致数据传输效率，影响自动化技术发展速度。

3.3 人工干预对自动化技术发展的影响

即便以人工干预为主的少人模式成功得到应用，在自动化研究方面的设备、资金投入，信息化设备的维护量，人员素质等要求更大。减少一个煤机司机和一个支架工人，在安装、维护设备，调整控制系统等方面需要投入的人员要远多于此。实际应用前景等诸多方面来看，仍需要突破一些关键技术才能实现。

4 记忆割煤发展方向

采煤机的姿态、速度和位置的确定对于采煤机自动化运行是关键所在。以300 m工作面为例，以上参数稍有变化，会对工作面的整体开采情况造成巨大影响。假设地质条件简单，压力稳定，煤层没有任何变化的理想型工作面，想要实现完全自动化，都必须解决信号采集和传输的准确性。在极为复杂的工作面中，实现自动化的难度可想而知。目前国内装备制造商和煤炭生产商所采用的记忆割煤基本处于短时间运行，甚至只能是演示作用。在自动化工作面的技术发展和实际应用中，有大量的技术需要不断探索和完善。

其次，记忆割煤在保证安全可靠的基础上，必须确保甚至提高割煤速度，才能真正实现减员提效，具有自动化发展的必要性，实现煤炭的安全高效开采。

当采煤机自动化技术发展成熟以后，将向着智能化发展，届时配套的液压支架、组合开关、液压泵站、运输机、转载机、计算机通信系统、视频监测系统等也将趋于完善，真正实现综采工作面自动化，使井工煤矿向着安全、高效、绿色、和谐发展。

5 结论

(1)综采工作面自动化技术的核心部分是采煤机自动化技术，采煤机自动化技术的关键点是陀螺仪和加速度传感器的稳定、可靠、及时、准确。

(2)陀螺仪和加速度传感器的技术开发需要继续提升，突破关键技术，降低误差影响，提高抵抗振动和地质条件变化的能力。

(3)陀螺仪和加速度传感器的应用需要有大量的数据分析能力，对控制系统的要求比较高，剔除干扰、提供有效数据是陀螺仪和加速度传感器应用开发的目的。

(4)采煤机自动化技术集智能化、自动化、集成化、信息化、机电一体化等，研发工作任重道远，需要耐心和技术支持，不可急功近利。

(5)煤岩识别技术、数据传输交换、视频图像应用和分析、大数据整理等方面同样存在短板，需要不断发展完善、创新突破。

(6)真正实现综采自动化技术的实质性突破，需要改变研发设计理念，不能只注重短期效益，要在基础上下功夫，从细节入手，从采煤机自动化技术作为突破，一步一步实现综采工作面的自动化。