李寧

摘要：目前礦井刮板輸送機(jī)直線度檢測技術(shù)檢測精度差，在監(jiān)測、執(zhí)行、控制等環(huán)節(jié)的智能化程度不足，影響了采煤工作面的生產(chǎn)效率。某礦致力于現(xiàn)代化智能煤礦開采設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用工作，根據(jù)現(xiàn)場開采情況，對刮板輸送機(jī)直線度感知技術(shù)進(jìn)行分析研究，利用FBG光纖光柵技術(shù)并結(jié)合應(yīng)變傳感原理，研制出采用三維曲率技術(shù)方法的傳感器。通過有限元技術(shù)分析方法得出光纖光柵曲率感知技術(shù)能夠有效對刮板輸送機(jī)的直線度進(jìn)行感應(yīng)，并具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能工作面;刮板輸送機(jī);直線度感知技術(shù)

中圖分類號：TD528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1009—9492（2021）03—0186—03

0引言

煤礦企業(yè)不斷運(yùn)用新型智能技術(shù)管理煤礦開采。刮板機(jī)直線度感知技術(shù)也是智能技術(shù)的發(fā)展方向，是對煤礦開采產(chǎn)業(yè)的高度智能融合。雖然目前煤炭行業(yè)也采取了感知技術(shù)應(yīng)用于礦井中，研究人員也開展了刮板機(jī)直線度感知技術(shù)研究：牛劍鋒等通過在液壓支架頂梁上安裝測距儀和角度傳感器，結(jié)合液壓支架的推溜動作，實(shí)現(xiàn)了刮板運(yùn)輸機(jī)直線度控制;余佳鑫等提出在液壓支架推移千斤頂跟液壓支架上安裝行程傳感器，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)及液壓支架的直線度控制。但是上述方法是間接性調(diào)節(jié)方法，具有極大的誤差，在實(shí)際工程中實(shí)用性較小。目前的刮板機(jī)直線度感知技術(shù)最為重要的是需要在礦井內(nèi)實(shí)現(xiàn)“三直兩平”的標(biāo)準(zhǔn)和直接性調(diào)節(jié)，保證刮板輸送機(jī)在運(yùn)輸煤炭物料時的平穩(wěn)可靠。因?yàn)楣伟遢斔蜋C(jī)除了運(yùn)輸煤炭物料以外，還會對采煤機(jī)的位移軌道進(jìn)行控制，提高刮板輸送機(jī)的直線度，有助于提升煤炭開采工作效率。通過調(diào)研相關(guān)資料，某礦不斷探索刮板機(jī)直線度感知技術(shù)，破解原有感知技術(shù)難題，采用目前傳輸速率以及抗干擾性非常強(qiáng)的光纖傳感技術(shù)作為刮板輸送機(jī)直線度傳感器設(shè)計的基本數(shù)據(jù)通訊線路。利用光纖光柵作為刮板輸送機(jī)直線度傳感器的靈敏元件，以直接性調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)了直線度檢測。采用數(shù)值模擬分析的方法得出了光纖光柵作為靈敏元件時能夠極大提升感知傳輸精確性的結(jié)論。研究成果對推動礦井智能工作面建設(shè)開發(fā)提供了思路。

1智能系統(tǒng)

1.1智能系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)模型

刮板輸送機(jī)的智能感知系統(tǒng)應(yīng)用傳輸速率很快的光纖作為通訊線路，通過光速傳播，可高效地將地上與井下的實(shí)時參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行互通互聯(lián)?；谠摴ぷ髟恚怨饫w光柵三維曲率傳感器作為數(shù)據(jù)采集感知的基本硬件結(jié)構(gòu)。光纖光柵可通過環(huán)境的不同，改變傳播波長以適應(yīng)環(huán)境的變化，從而達(dá)到抗干擾性較強(qiáng)的目的。光纖光柵將數(shù)據(jù)傳送至地面的基站服務(wù)器，通過濾波處理方法形成數(shù)字信號，最終實(shí)現(xiàn)在煤礦管理室的終端服務(wù)器。根據(jù)某煤礦現(xiàn)有的通訊線路架構(gòu)，設(shè)計出智能系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.2智能系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模型

利用FC/APC通訊協(xié)議，配套相關(guān)的硬件接線盒及接線端頭，在礦井中需建立千兆規(guī)格的網(wǎng)絡(luò)線路，將智能工作面“三機(jī)”進(jìn)行聯(lián)合通訊，“三機(jī)”主要包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際工況條件，采用在刮板輸送機(jī)的工作槽內(nèi)設(shè)置電纜，用于感應(yīng)刮板輸送機(jī)的彎曲狀態(tài)并結(jié)合液壓支架的高度調(diào)整，對刮板輸送機(jī)的工作面進(jìn)行智能調(diào)直，每個液壓支架都有一個基準(zhǔn)面，通過在每個基準(zhǔn)面的推移完成對液壓支架的拉溜動作，工作面的智能調(diào)直是建立在液壓支架調(diào)直平衡的基礎(chǔ)之上。工作面的調(diào)直作業(yè)示意圖如圖2所示。

1.3智能系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模型

通過C#編程語言對智能系統(tǒng)的各個功能模塊及應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)計，軟件中需設(shè)定數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)存儲分析等相關(guān)功能，軟件系統(tǒng)應(yīng)滿足以下功能：（1）數(shù)據(jù)讀取應(yīng)當(dāng)實(shí)時地實(shí)現(xiàn)對光纖光柵三維曲率數(shù)據(jù)的自動采集，對于正交方向上的數(shù)據(jù)應(yīng)有更高的靈敏度;（2）數(shù)據(jù)存儲應(yīng)對光纖光柵三維曲率數(shù)據(jù)進(jìn)行自動存儲，合理分欄設(shè)置，便于后期管理以及查閱;（3）數(shù)據(jù)分析主要對后期采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合重建，內(nèi)置Matlab軟件的數(shù)據(jù)分析模塊，降低數(shù)據(jù)干擾，提高數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精確性。

智能系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)保證軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)相互之間的有效連接以及匹配，軟件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2智能感知傳感器

2.1感知機(jī)理

傳感器作為智能工作面采集環(huán)境模擬信號的重要關(guān)鍵部件，其工作性能的好壞將決定工作面智能化程度的可靠性，并將對刮板輸送機(jī)直線度模擬量感應(yīng)產(chǎn)生影響。傳感器必須要根據(jù)該地層環(huán)境惡劣的變化，實(shí)時調(diào)整自身工作性能，才能滿足實(shí)際現(xiàn)場的應(yīng)用要求。

基于FBG光柵技術(shù)原理，采用全息法在光纖內(nèi)部進(jìn)行光路探索，通過反射光譜滲透至光纖電路的外部表面，可分析其變化規(guī)律，對內(nèi)部的傳感情況進(jìn)行掌握。光纖光柵傳感原理如圖4所示。

2.2傳感器材質(zhì)

由于礦井巷道里的工作面錯綜復(fù)雜，應(yīng)保證傳感器具有一定的彎曲程度，刮板輸送機(jī)的實(shí)際彎曲半徑為30～1500 m，因此所采用的光纖光柵三維曲率傳感器的彎曲半徑不得小于25m。從微觀方面對傳感器的應(yīng)變規(guī)定為1200微應(yīng)變。傳感器采用橡膠材料包裹制作，泊松比為1.59、屈張力為8.59。

此外，為了提高傳感器的抗干擾能力，應(yīng)對傳感器的各個縫隙之間采用適宜的填充物進(jìn)行填充。填充物應(yīng)具備一定的柔軟性并且滿足工作實(shí)際的強(qiáng)度要求。通過調(diào)研資料分析可知，采用硅膠材料作為填充物比較適宜，具有工作強(qiáng)度高、固化時間長的特點(diǎn)。

3傳感器仿真模型

根據(jù)擬定的光纖光柵三維曲率傳感器的設(shè)計構(gòu)想，對傳感器的三維模型進(jìn)行設(shè)立，在X、Y、Z3個方向上對傳感器進(jìn)行模型拉伸，設(shè)定傳感器的外環(huán)半徑為90 mm、圓環(huán)寬度為20mm。為提高仿真計算的精確性，將模型結(jié)構(gòu)的長度設(shè)置為1m，光纖光柵串裸纖部分直徑為0.0625 mm，涂覆層外徑為0.9mm。將設(shè)立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元為1886214個，節(jié)點(diǎn)為401188個，仿真模型如圖5所示。

對已建立起的三維模型施加載荷及邊界條件約束，在柔性基材一端添加固定約束，另一端沿X軸方向偏轉(zhuǎn)一定的角度，使光纖光柵三維曲率傳感器模型彎曲部分常見的曲率半徑為100、200、300、400、500 m。

4數(shù)值模擬分析

根據(jù)實(shí)際工況條件，刮板輸送機(jī)的常見工作曲率半徑為100、200、300、400、500 m。為檢測光纖光柵感知技術(shù)在最為惡劣條件下是否能夠滿足工作要求，選取曲率半徑最小而彎曲程度最大的工作情況進(jìn)行研究，因此以100 m曲率半徑為代表作為研究對象。如果光纖光柵感知技術(shù)能夠滿足此條件下的工況條件，就能對刮板輸送機(jī)直線度感知傳感的工作要求，圖6所示為曲率半徑為100m狀態(tài)下光纖光柵串軸向、徑向點(diǎn)應(yīng)變云圖。

由圖6可知，光纖光柵串能夠跟隨刮板輸送機(jī)的中部槽電纜進(jìn)行實(shí)時彎曲，并對彎曲程度數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行感知，軸上的光纖光柵串在刮板輸送機(jī)輸煤過程中不同曲率狀態(tài)下的最大壓縮應(yīng)變分別可達(dá)0.00041、0.000205、0.000137、0.0001、0.0000807。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與該煤礦現(xiàn)場實(shí)際觀察結(jié)果基本保持一致，證明了傳感器研制理論光纖光柵曲率感知原理的正確性。

5結(jié)束語

為了更好地搭建現(xiàn)代礦井智能工作面的平臺，提高生產(chǎn)開采的工作效率，采用光纖光柵應(yīng)變傳感原理，對刮板輸送機(jī)直線度感知技術(shù)在實(shí)際現(xiàn)場的應(yīng)用進(jìn)行研究，并對感知技術(shù)傳感器的研制進(jìn)行了探討。通過數(shù)值模擬分析軟件對光纖光柵傳感器實(shí)際工作檢測結(jié)果進(jìn)行分析可知，基于光纖光柵曲率感知技術(shù)的直線度感知檢測原理能夠應(yīng)用于刮板輸送機(jī)的直線度感知檢測現(xiàn)場。