智能化綜采采煤機滾筒截割干涉監測系統的設計

馮 星

（西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

目前，我國已經初步形成安全、高效、節能生產的煤炭工業體系，突破了采煤專業的核心技術，并重點提升了綜采裝備的自動化水平和智能控制水平。采煤機作為綜采工作面關鍵設備，其主要功能對工作面煤壁進行截割、落煤；液壓支架為綜采工作面的安全生產提供了安全場所；二者在煤炭開采過程中起著相輔相成的作用[1]。在實際采煤操作中，由于液壓支架護幫未收回或未按照安全行程收回，導致出現采煤機滾筒截割液壓支架護幫板的問題，不僅會損壞綜采設備，而且還會影響煤礦生產的安全。因此，針對智能化綜采采煤機滾筒與液壓支架護幫板的干涉現象設計一款監測系統。

1 智能化綜采設備的結構及協同作業研究

采煤機、液壓支架以及刮板輸送機為綜采工作面協同配套運行的關鍵設備，其中，解決液壓支架護幫板與采煤機截割滾筒的干涉問題是確保“三機”安全、高效運行，保證綜采工作面高效生產的基礎。一般的綜采工作面的“三機”協同配套運行如圖1所示。

本文主要對液壓支架護幫板與采煤機截割滾筒的干涉問題進行研究。因此，本節將重點研究采煤機與液壓支架協同運行的機理。

圖1 綜采工作面“三機”協同配套運行示意圖

在實際生產中，采煤機、刮板輸送機、液壓支架三者是協同作業，各個設備的功能不同。其中，刮板輸送機為采煤機的推進提供軌道；液壓支架為采煤機和整個工作面提供支護，并實現采煤工作面的推進。液壓支架在實際生產的主要動作包括有收護幫板、移架、推溜以及伸護幫板一個循環[2]。液壓支架與采煤機的協同運行原理如圖2所示：

圖2 采煤機與液壓支架系統作業原理示意圖

如圖2所示，當采煤機截割完成后，液壓支架護幫板處于支護狀態，與此同時，隨著采煤機的推進，液壓支架根據操作流程完成推溜操作和移架操作，實現工作面的推進。采煤機到達即將截割煤層，對應液壓支架的護幫板被收回；而且，正在截割煤層對應液壓支架的護幫板已經收回。因此，液壓支架護幫板與采煤機滾筒出現干涉問題主要發生在采煤機即將達到截割煤層時，對應液壓支架的護幫板未完全收回或者完全未收回，即液壓支架護幫板收回狀態不滿足生產要求[3]。為此，需對實際生產中采煤機滾筒的位置和液壓支架護幫板的收回狀態進行實時監測。

2 采煤機截割滾筒干涉監測系統的設計

由上述研究可知，導致采煤機截割滾筒干涉發生的本質為采煤機滾筒與液壓支架護幫板出現機體設備的重合所導致。因此，為實現采煤機截割滾筒干涉的監測，需精確、實時掌握采煤機截割滾筒的位置與液壓支架護幫板的狀態等信息。

2.1 采煤機截割滾筒干涉監測系統的總體設計

為確保所設計監測系統能夠解決采煤機截割滾筒與液壓支架護幫板干涉問題，特對監測系統提出如下要求：

1）確保監測系統不影響采煤機與液壓支架的正常工作；

2）要求監測系統能夠將獲取到的液壓支架護幫板狀態的信息實時傳送機控制中心；

3）要求監測系統根據所獲取液壓支架護幫板的狀態信息和采煤機的截割速度和滾筒位置推算出是否會發生截割滾筒與護幫板的干涉；

4）根據上述判斷通過PLC控制器對存在的干涉隱患進行報警[4]。

根據上述功能要求，采煤機截割滾筒干涉監測系統的總體框架設計如圖3所示。

如圖3所示，所設計的監測系統包括有遠程監控中心、數據交換與傳輸中心以及綜采工作面現場信號采集中心。其中，地面監控中心通過光纖連接電纜實現與煤礦井下環網的通信；綜采工作面現場信號通過采煤機機載PLC控制器、液壓支架電液控制器以及護幫板監控防爆攝像頭進行采集，所采集的信息分別通過無線MESH通訊、CAN通訊電纜以及以太網通信電纜上傳至數據交換與傳輸中心。

圖3 采煤機滾筒截割干涉監測系統總體框圖

防爆攝像頭安裝與液壓支架頂梁下方，主要獲取液壓支架護幫板的位置和姿態參數；采煤機截割滾筒的高度信息通過其搖臂內安裝的傾角傳感器獲取的傾角信息換算所得；液壓支架電液控制器可獲得采煤機截割深度和當前支護高度等信息。

2.2 采煤機滾筒監測流程設計

鑒于綜采工作面環境惡劣，光線較暗、濕度較大導致攝像頭所采集的圖像質量較差，從而導致所獲取液壓支架護幫板的姿態信息誤差較大，最終影響了監測數據的精確性。為此，在監測系統基本功能的基礎上，采用圖像增強算法對實際獲取護幫板的圖像進行增強處理；并基于已增強處理圖像信息結合采煤機滾筒高度、截割深度以及液壓支架的支護高度等數據建立滾筒與護幫板的空間位置模型，從而實現對滾筒與護幫板截割狀態的干涉監測[5]。具體監測流程如圖4所示：

圖4 滾筒與采煤機滾筒干涉監測流程框圖

3 采煤機滾筒截割干涉監測系統的試驗

采煤機滾筒截割干涉監測系統的核心硬件為攝像頭、傾角傳感器、位移傳感器等。為驗證上述所設計干涉監測系統的性能，在實驗室搭建干涉監測系統試驗平臺，試驗平臺的主要設備及裝置如表1所示：

表1 干涉監測系統試驗平臺組成

基于本試驗平臺對液壓支架護幫板的位置、姿態進行采集，并對所采集的數據進行分析處理。

其中，對液壓支架護幫板位置及姿態的信息采集分為：人工調整護幫板傾角時，對位置和傾角信號進行采集；隨機調整護幫板伸縮位移和傾角時對實時位移和傾角信號進行采集。

數據分析處理主要是對攝像頭所得護幫板的圖像通過監測系統的圖像增強算法解算得出護幫板的伸縮位移和傾角，并通過傳感器所得護幫板的伸縮位移和傾角機型對比，以驗證監測系統的精度和可靠性。

經對試驗平臺所得數據進行分析處理可知；本文所設計基于圖像增強所得的護幫板的位移及傾角與實際通過位移傳感器與傾角傳感器所得參數之間的誤差如下：平均位移誤差為0.051 m，平均傾角誤差為1.3°。

4 結語

智能化綜采采煤機滾筒截割干涉監測系統對截割滾筒與護幫板的實時位置進行監測，可實時、直觀地獲取二者的相對位置關系。該監測系統通過高清防爆攝像頭和圖像增強算法實時掌握護幫板的位置和姿態，結合采煤機的實時位置綜合判斷是否會在后續開采中發生干涉問題。