基于慣性導(dǎo)航的智能化工作面自動(dòng)調(diào)直流程的探究

姚恩廣

（平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十礦，河南 平頂山 467000）

一、概況

（一）工作面概況

平煤股份十礦是中國(guó)平煤神馬集團(tuán)大型骨干礦井之一。己15、16-33010 綜采工作面是河南省首個(gè)智能化綜采工作面，2019 年6 月投產(chǎn)，該工作面位于-320 水平己四采區(qū)東翼下段，工作面標(biāo)高-663m～-728m，主采煤層為己15、16 合層煤層，平均厚度3.4m；工作面有效走向長(zhǎng)792m，傾向平均長(zhǎng)度307m，平均傾角9°，圈定儲(chǔ)量約130 萬噸,屬厚煤層、超長(zhǎng)傾向、Y 型通風(fēng)采煤工作面。將以此智能化工作面為背景進(jìn)行基于慣性導(dǎo)航的工作面調(diào)直流程的探究。

（二）設(shè)備概況

己15、16-33010 智能化綜采工作面以鄭煤機(jī)電液控及智能化集成系統(tǒng)為主，融合多家企業(yè)相互配合共同完成，主要設(shè)備如下表1。

表1 智能化綜采工作面主要設(shè)備

二、自動(dòng)調(diào)直系統(tǒng)組成

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)也稱作慣性參考系統(tǒng)，是一種不依賴于外部信息、也不向外部輻射能量（如無線電導(dǎo)航那樣）的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。基于慣性導(dǎo)航的自動(dòng)調(diào)直系統(tǒng)主要硬件有慣導(dǎo)模塊、機(jī)載天線、無線基站等。

（一）慣導(dǎo)模塊、機(jī)載天線

慣性導(dǎo)航的基本工作原理是以牛頓力學(xué)定律為基礎(chǔ)，通過測(cè)量載體在慣性參考系的加速度，將它對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，且把它變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，就能夠得到在導(dǎo)航坐標(biāo)系中的速度、偏航角和位置等信息。

慣導(dǎo)模塊安裝在采煤機(jī)內(nèi)部，通過防爆外殼防護(hù)，從采煤機(jī)上引入220v 電源進(jìn)行供電，為了慣導(dǎo)數(shù)據(jù)傳輸?shù)郊刂行模瑫r(shí)安裝在采煤機(jī)上的還有無線發(fā)射模塊和天線（12v），其作用是與安裝在支架上的無線基站進(jìn)行通訊。

（二）無線基站

無線基站一般在工作面端頭和端尾各安裝一個(gè)即可覆蓋全工作面，由于此采面長(zhǎng)310m 左右，而且為了保證通訊的良好效果，在中間巷位置增加一個(gè)無線基站。無線基站用于接收慣導(dǎo)模塊發(fā)出的位置數(shù)據(jù)并進(jìn)行傳輸。

（三）通訊方式

無線基站之間、無線基站與集控中心之間通過光纖連接，主要實(shí)現(xiàn)集控中心與慣導(dǎo)模塊的高速通訊。無線基站與慣導(dǎo)之間采用無線通訊。采煤機(jī)和集控中心采用載波通訊方式，利用采煤機(jī)編碼器向集控中心上傳里程信息，用于輔助慣導(dǎo)進(jìn)行導(dǎo)航。

三、工作面自動(dòng)調(diào)直流程探究

采煤工作面要求“三直一平”，所謂“三直”是指支架、運(yùn)輸機(jī)、煤壁直。由于支架鏈接運(yùn)輸機(jī)，而采煤機(jī)座落在運(yùn)輸機(jī)上，支架的推移會(huì)帶動(dòng)運(yùn)輸機(jī)及采煤機(jī)向前運(yùn)動(dòng)，而且在智能化控制中，通過電液控系統(tǒng)調(diào)整支架便于記錄和控制，因此我們采用以調(diào)整支架的方式最終達(dá)到“三直”的目的。

自動(dòng)調(diào)直技術(shù)的實(shí)現(xiàn)大致分為3 個(gè)步驟，一是工作面輪廓線測(cè)量，二是測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算，三是工作面的調(diào)直，通過此三步不斷往復(fù)進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)工作面調(diào)直的目的。

（一）工作面輪廓線測(cè)量

對(duì)工作面進(jìn)行調(diào)直的前提是能夠?qū)ぷ髅娈?dāng)前的彎曲程度進(jìn)行測(cè)量，慣導(dǎo)是實(shí)現(xiàn)工作面彎曲程度測(cè)量的關(guān)鍵設(shè)備。慣導(dǎo)原來主要用于衛(wèi)星、火箭和導(dǎo)彈發(fā)射等軍工領(lǐng)域，原理是通過其內(nèi)部安裝的陀螺儀和加速度計(jì)來檢測(cè)設(shè)備的當(dāng)前方位和姿態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)在沒有任何外部輔助的情況下對(duì)飛行器的軌跡進(jìn)行精確測(cè)量。將慣導(dǎo)安裝在采煤機(jī)上后，同樣可以測(cè)量出采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡，采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡代表了運(yùn)輸機(jī)的彎曲形狀，同時(shí)也是工作面輪廓曲線。

慣導(dǎo)在測(cè)量軌跡時(shí)有兩種模式：純慣性導(dǎo)航和組合導(dǎo)航。其中純慣性導(dǎo)航是指慣導(dǎo)不依賴任何外部輸入，僅靠自身陀螺儀和加速度計(jì)感知物體運(yùn)行方向和速度的變化而測(cè)量出物體的坐標(biāo)，這種模式所測(cè)量的軌跡誤差較大。另一種是組合導(dǎo)航，在該模式下，慣導(dǎo)只需要依賴一個(gè)外部參數(shù)，即物體的行走距離，慣導(dǎo)將自身感知到的運(yùn)動(dòng)方向與外部輸入的行走距離相結(jié)合后得到物體的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)，通過這種方式得到的運(yùn)動(dòng)軌跡精度較高，慣導(dǎo)測(cè)量采煤機(jī)運(yùn)行軌跡時(shí)采用的也是這種方式，其過程如圖1 所示：

（二）測(cè)量數(shù)據(jù)的計(jì)算

1.自動(dòng)調(diào)直計(jì)算工藝流程

準(zhǔn)確的說，慣導(dǎo)所測(cè)量的是采煤機(jī)的行走軌跡，并不是運(yùn)輸機(jī)的彎曲形狀，因?yàn)閺木聦?shí)際的采煤工藝來看，往往是采煤機(jī)過后幾架就要開始移架推溜了，而推溜后運(yùn)輸機(jī)的形狀就改變了，因此慣導(dǎo)所測(cè)量的運(yùn)輸機(jī)形狀永遠(yuǎn)不是最新的，也就是說上一刀形成的實(shí)際輪廓只能在下一刀進(jìn)行測(cè)量。

基于以上情況，軟件在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)直時(shí)，采用一刀測(cè)量、一刀矯直的方式完成。在測(cè)量刀中，所有的支架按照滿量程移架推溜，當(dāng)測(cè)量刀完成后，雖然運(yùn)輸機(jī)的形狀被改變了，但由于支架是滿量程移架推溜，因此運(yùn)輸機(jī)的彎曲形狀應(yīng)該和慣導(dǎo)所測(cè)量形狀是相同的，相當(dāng)于向前平移了一個(gè)移架步距，可以認(rèn)為慣導(dǎo)測(cè)量的形狀就是運(yùn)輸機(jī)的彎曲形狀，并基于此計(jì)算下一刀（矯直刀）的移架推溜參數(shù)。

測(cè)量刀完成后，系統(tǒng)能夠得到一條工作面輪廓曲線，根據(jù)該曲線計(jì)算出每一個(gè)支架的移架距離，并將移架距離發(fā)送到工作面的每一個(gè)控制器，在下一刀割煤過程中，支架移架時(shí)按計(jì)算出的移架距離進(jìn)行移架，不再按最大量程移架，因此稱為矯直刀，推溜時(shí)仍按最大量程推溜，矯直刀完成后，慣導(dǎo)會(huì)測(cè)得一條新的工作面輪廓曲線，按照之前的分析，這條輪廓曲線是上一刀滿量程移架推溜后工作面的實(shí)際輪廓，本次矯直刀完成后所形成的實(shí)際的工作面輪廓，只能在下一個(gè)測(cè)量刀進(jìn)行。

2.移架參數(shù)計(jì)算

計(jì)算移架目標(biāo)值時(shí)主要考慮兩個(gè)參數(shù)：最大移架距離和最小移架距離。其中最大移架距離是指支架滿量程移架推溜時(shí)每個(gè)支架的最大移架行程，等于采煤機(jī)的滾筒截深，對(duì)于特定的工作面，該參數(shù)是固定不變的。最小移架距離是人為設(shè)定的一個(gè)參數(shù)，意思是調(diào)直過程中每一個(gè)支架的最小移架距離，該參數(shù)的目的是保證工作面的正常推進(jìn)，防止因?yàn)樽詣?dòng)調(diào)直而嚴(yán)重影響產(chǎn)量。下圖2 說明了最小移架距離對(duì)工作面推進(jìn)度的影響。

一個(gè)工作面輪廓（藍(lán)色線條所示）中最大偏差A(yù) 點(diǎn)與B 點(diǎn)之間的距離為700mm，工作面最大移架距離為800mm，如果不考慮最小移架距離，使A 點(diǎn)向前移100mm，B點(diǎn)移800mm，其他位置移架距離介于100 和800 之間，則只需一刀就能將工作面調(diào)直。只要A 點(diǎn)和B 點(diǎn)之間的偏差小于最大移架步距都可以實(shí)現(xiàn)一刀調(diào)直。如果設(shè)置了最小移架距離為500mm，則說明每個(gè)支架在下次移架時(shí)至少要前移500mm，這種情況下，B點(diǎn)就無法在1 刀內(nèi)追趕上A 點(diǎn)，無法實(shí)現(xiàn)一刀調(diào)直，可能需要兩刀甚至更多刀。

因此，最小移架距離是自動(dòng)調(diào)直中的關(guān)鍵參數(shù)，最小移架距離等于0，則可以用最少的刀數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)直，但對(duì)工作面的推進(jìn)速度影響最大；最小移架距離等于最大移架距離，則相當(dāng)于關(guān)閉了自動(dòng)調(diào)直功能。在實(shí)際應(yīng)用過程中，需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整最小移架距離。

（三）工作面的調(diào)直

自動(dòng)調(diào)直采用的是移架調(diào)直而不是推溜調(diào)直。所謂移架調(diào)直，是指系統(tǒng)通過控制每一個(gè)支架的移架量而不是推溜量進(jìn)行調(diào)直，這就要求支架在移架時(shí)必須按照指定的行程，也就是第2 步計(jì)算出來的移架目標(biāo)值進(jìn)行移架，達(dá)到目標(biāo)值后停止移架，推溜時(shí)按滿量程進(jìn)行推溜，從而在經(jīng)過移架-推溜后使運(yùn)輸機(jī)的形狀達(dá)到預(yù)期效果。

采用移架調(diào)直的主要原因是控制移架行程比控制推溜行程要容易的多，因?yàn)橐萍苓^程中每一個(gè)支架與相鄰支架是相對(duì)獨(dú)立的，兩個(gè)支架支架不存在相互制約，可以通過行程傳感器精確控制每一個(gè)支架的移架距離。但推溜不同，推溜一般是多架成組推溜，受運(yùn)輸機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)限制，支架可能無法按照設(shè)定的目標(biāo)值進(jìn)行推溜，因此也就無法實(shí)現(xiàn)最終的調(diào)直效果。

四、實(shí)例分析

如圖3 所示，結(jié)合己15、16—33010 工作面慣導(dǎo)曲線圖進(jìn)行分析，黃色為測(cè)量刀，綠色為矯直刀，圖例顯示第50 架至140 架共計(jì)90 架支架長(zhǎng)度約150 米，最大推移距離差為：最大推移量625mm -最小推移量601mm=24mm，24÷150000=0.00016，在如此工作面長(zhǎng)度下的推移距離差為萬分之一點(diǎn)六，近似一條直線，因此次此自動(dòng)調(diào)整達(dá)到了調(diào)直的目的。

五、結(jié)束語(yǔ)

由于綜采工作面的生產(chǎn)條件復(fù)雜多變，工作面自動(dòng)調(diào)直在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中會(huì)遇到這樣那樣的問題，需要長(zhǎng)期深入研究，由于利用支架推移行程傳感器較多，采集和處理的數(shù)據(jù)較大，下一步需要多存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入地二次開發(fā)和挖掘，同時(shí)，經(jīng)過分析之后要及時(shí)跟蹤現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行更深入研究，逐步完善和優(yōu)化工作面自動(dòng)調(diào)直控制系統(tǒng)，通過自動(dòng)方式代替人工方式將工作面直線度控制在允許的范圍內(nèi)，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。