智能化工作面采煤機(jī)與液壓支架協(xié)同控制技術(shù)研究

高 鵬

（山西焦煤霍州煤電木瓜煤礦，山西呂梁 033100）

礦井智能化協(xié)同開采技術(shù)是未來(lái)我國(guó)煤礦高效開采的發(fā)展趨勢(shì)?；夭晒ぷ髅嬗刹擅簷C(jī)割煤、液壓支架維護(hù)頂板并創(chuàng)造安全生產(chǎn)空間、刮板輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)煤炭外運(yùn)并為采煤機(jī)往返移動(dòng)提供軌道，現(xiàn)階段采煤機(jī)、液壓支架操作相互獨(dú)立。煤炭開采需相關(guān)人員相互配合，由于噪聲大需要通過(guò)擴(kuò)音電話進(jìn)行通信，從而在一定程度降低煤炭生產(chǎn)效率。綜合自動(dòng)化、智能化控制是采煤工作面煤炭開采設(shè)備主要發(fā)展方向，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架協(xié)調(diào)自動(dòng)控制，可減少采煤工作面人員數(shù)量，提高煤炭生產(chǎn)效率及安全保障水平。為此，文中就對(duì)采煤機(jī)、液壓支架協(xié)調(diào)自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行研究，并通過(guò)優(yōu)化通信及控制方式，最大程度發(fā)揮綜采設(shè)備性能。

1 綜采工作面協(xié)調(diào)自動(dòng)控制結(jié)構(gòu)

在采煤機(jī)、液壓支架協(xié)調(diào)控制中，采煤機(jī)位置決定支架推溜。采煤機(jī)在正常割煤過(guò)程中，牽引速度以刮板輸送機(jī)運(yùn)載能力為基礎(chǔ)，并綜合考慮支架推移速度、自身截割能力等，具體可通過(guò)下述公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Vc——牽引速度，m/min；

Qm——刮板輸送機(jī)運(yùn)載能力，kg/min；

Kg——刮板輸送機(jī)運(yùn)載擾動(dòng)系數(shù)，取1.1；

m——采煤高度，m；

S——滾筒截割進(jìn)尺深度，mm；

γ——開采煤體密度，kg/m3；

C——煤炭采出率，取0.9。

在工作面回采過(guò)程中，采煤機(jī)位置與液壓支架動(dòng)作有密切關(guān)聯(lián)，通過(guò)采用技術(shù)方法檢測(cè)采煤機(jī)位置并按照預(yù)先設(shè)定邏輯控制方式完成降架、推架以及升架等；為確保工作面煤炭持續(xù)回采，支架移架能力應(yīng)與采煤機(jī)牽引能力相匹配。在生產(chǎn)過(guò)程中，為確保生產(chǎn)安全、可靠，應(yīng)持續(xù)監(jiān)測(cè)刮板輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置電流、功率，通過(guò)調(diào)整采煤機(jī)牽引速度確保刮板輸送機(jī)負(fù)載始終在額定負(fù)載之內(nèi)[1]。

1.2 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)控制方案

具體協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)分為終端控制層、巷道控制層以及井上監(jiān)控層3個(gè)層級(jí)，具體結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。終端控制層用設(shè)備包括傳感器、控制器等，用以負(fù)責(zé)信息采集以及運(yùn)行動(dòng)作控制；巷道控制層核心組件為集中控制器，實(shí)現(xiàn)采集參數(shù)分析并完成采煤機(jī)、液壓支架協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制；井上監(jiān)控層主要顯示回采工作面設(shè)備狀態(tài)。

圖1 協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)主要功能為：遠(yuǎn)程監(jiān)控采煤機(jī)、液壓支架等狀態(tài)，通過(guò)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)獲取采煤機(jī)位置、工作情況，液壓支架立柱壓力、姿態(tài)及動(dòng)作順序；同時(shí)通過(guò)攝像頭直觀掌握設(shè)備狀態(tài)，便于工作人員遠(yuǎn)程控制；采面設(shè)備啟?？刂疲凑疹A(yù)先設(shè)定的邏輯控制方式，在生產(chǎn)時(shí)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)等按照順序進(jìn)行啟動(dòng)、動(dòng)作控制；采煤機(jī)、液壓支架自動(dòng)控制，具體控制內(nèi)容包括采煤機(jī)截割控制、液壓支架跟機(jī)移架控制等[2]。

2 采煤機(jī)和液壓支架協(xié)調(diào)控制策略

2.1 采煤機(jī)精準(zhǔn)控制技術(shù)

依據(jù)液壓支架編號(hào)信息獲取采煤機(jī)位置，具體方式為：在采煤機(jī)、支架上布置紅外發(fā)射、接收裝置，依據(jù)支架接紅外信號(hào)、編號(hào)即可確定采煤機(jī)位置。采煤機(jī)運(yùn)行姿態(tài)控制以采煤工藝編號(hào)為基礎(chǔ)開展，通過(guò)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)位置，確定采煤機(jī)處于當(dāng)前工藝段位置及編號(hào)，當(dāng)一個(gè)工藝段接收后采煤機(jī)停止運(yùn)行并在下一工藝段自動(dòng)調(diào)整截割滾筒位置，待姿態(tài)調(diào)整好后開展割煤工作。具體采煤機(jī)自動(dòng)控制流程如圖2所示。對(duì)采煤機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，自動(dòng)確定采煤機(jī)牽引速度、方向，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)自動(dòng)牽引控制[3]。

圖2 采煤機(jī)自動(dòng)控制流程

2.2 液壓支架控制技術(shù)

在協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中，液壓支架紅外接收裝置將接收到的紅外信號(hào)傳輸給集中控制器，實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)；控制器整合采煤機(jī)位置、采煤工藝等信息，向液壓支架發(fā)出控制指令，液壓支架控制系統(tǒng)按照控制指令、設(shè)定控制程序完成移降架、移架及升架等動(dòng)作。支架控制系統(tǒng)設(shè)備包括隔離耦合器、傳感器、電磁閥、支架控制器、驅(qū)動(dòng)器等，其中隔離耦合器布置在鄰近支架間，避免電磁干擾相互影響；控制器控制電磁閥通閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)千斤頂、液壓支架立柱動(dòng)作控制?？刂葡到y(tǒng)中有視頻監(jiān)控系統(tǒng)，有助于操作人員實(shí)時(shí)、直觀掌握采煤機(jī)、液壓支架的狀態(tài)、位置，輔助采煤機(jī)、液壓支架控制[4]。系統(tǒng)控制器選用S7-300PLC，具體設(shè)備型號(hào)為CPU317-2PN/D、配套供電電源模塊為PS307。紅外傳感器包括紅外發(fā)射及接收裝置，型號(hào)為GUH5，有效工作距離為3.5m。

2.3 通信系統(tǒng)

由于回采工作面設(shè)備繁多、空間狹小，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)、液壓支架有效控制，降低通信網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜程度，將整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)分為井下、井上兩個(gè)部分。井下部分采用RS485通信方式，通信內(nèi)容主要包括數(shù)據(jù)采集、各設(shè)備間通信、下發(fā)控制指令，協(xié)調(diào)控制器與液壓支架系統(tǒng)、采煤機(jī)系統(tǒng)通信等；井上部分采用工業(yè)以太網(wǎng)通信，并通過(guò)交換機(jī)將井下、井上通信系統(tǒng)連接，確保井下控制指令可及時(shí)、可靠地傳輸給協(xié)調(diào)控制器[5-6]。

2.4 控制程序

控制程序?yàn)槟K化結(jié)構(gòu)，具體控制程序運(yùn)行流程如圖3所示。啟?？刂瞥绦蛴靡钥刂撇擅簷C(jī)、刮板輸送機(jī)等設(shè)備順序啟停；采煤機(jī)牽引控制程序用以采煤機(jī)牽引速度、運(yùn)行姿態(tài)及牽引方向控制；支架跟機(jī)程序依據(jù)采煤機(jī)位置、姿態(tài)等進(jìn)行決策，控制液壓支架動(dòng)作實(shí)現(xiàn)跟機(jī)動(dòng)作以及順序移架[7-8]。

圖3 控制程序運(yùn)行流程

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐選定霍州煤電集團(tuán)木瓜礦10-206綜采工作面為工程背景，通過(guò)對(duì)工作面設(shè)備升級(jí)改造，實(shí)現(xiàn)三維精準(zhǔn)地質(zhì)模型下工作面智能化開采。10-206工作面開采的山西組10#煤，煤層平均厚度4.5m，礦井地質(zhì)構(gòu)造良好，非常適合建設(shè)智能化綜采工作面。工作面配套如圖4所示。

圖4 工作面配套示意圖

將采煤機(jī)、液壓支架協(xié)調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用到礦井10-206 回采工作面，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用取得較好效果。在協(xié)調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用前，煤炭開采時(shí)需要安排至少5名作業(yè)人員輔助控制，系統(tǒng)應(yīng)用后輔助人員降低為2名，預(yù)計(jì)年可直接節(jié)省人力資源成本約55萬(wàn)元；應(yīng)用前，采面煤炭產(chǎn)量約為12.3×104t/月，應(yīng)用后煤炭產(chǎn)量增至13.8×104t/月，可明顯提高采面生產(chǎn)效率[9-10]。

4 結(jié)論

采煤機(jī)、液壓支架等是回采工作面主要生產(chǎn)設(shè)備，提高設(shè)備協(xié)調(diào)控制能力對(duì)提高煤炭開采效率及安全保障能力具有顯著的促進(jìn)意義。為此，依據(jù)回采工作面生產(chǎn)需要，提出一種采煤機(jī)、液壓支架協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)位置監(jiān)測(cè)；采煤機(jī)以及液壓支架孔系統(tǒng)各自動(dòng)實(shí)現(xiàn)采煤、移架等操作；通過(guò)控制器、RS485通信方式將采煤機(jī)系統(tǒng)、液壓支架系統(tǒng)相聯(lián)通，并依據(jù)監(jiān)測(cè)采煤機(jī)位置實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制。對(duì)協(xié)調(diào)自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、控制方案進(jìn)行分析，并給出采煤機(jī)、液壓支架協(xié)調(diào)控制方案，通信方式以及協(xié)調(diào)自動(dòng)控制程序。在10-206 回采工作面現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，回采工作面煤炭產(chǎn)量較應(yīng)用前提升約1.5×104t/月，作業(yè)人員使用量減少3人，取得較好的應(yīng)用效果。