采煤機位置監測系統的優化

王 樂

（潞安化工集團司馬煤業有限公司，山西 長治 046000）

隨著科學技術的發展，煤礦現有的采煤機、液壓支架、刮板輸送機為核心的井下綜采作業設備的自動化程度得到了顯著的提升。井下自動化綜采通過采煤機上安裝的位置監測裝置可實現對采煤機收放護板和液壓支架的移架等作業，提高了煤礦井下綜采作業的安全性。由于井下粉塵濃度高、作業環境惡劣，原有傳統的編碼器判斷方案存在著可靠性差、使用壽命短、累積誤差大等缺陷，無法滿足安全可靠的高精度定位需求；激光定位方案在高粉塵環境中衰減大、定位精度低，同樣也無法滿足液壓支架和采煤機高精度定位的需求。結合煤礦井下實際情況，本文提出了一種新的采煤機位置監測系統，該監測系統以紅外線定位為核心，利用紅外線衰減少、抗干擾能力強的特點對采煤機位置實現精確判斷。根據現場應用，表明該監測系統的定位精度達到了0.1 m，其具有定位精度高、連續性好的特點，極大地提升了井下采煤機和液壓支架聯動運行作業的可靠性。

1 采煤機位置監控系統總體結構

結合煤礦井下綜采工作面采煤機和液壓支架的相對位置關系和井下實際工作環境，該采煤機位置監控系統主要包括設置在采煤機上的紅外線發射裝置和設置在液壓支架上的紅外線接收裝置[1]。每個支架上的紅外線接收裝置均和液壓支架的編號關聯，隨著采煤機的運行其發射的紅外線信號會被不同的液壓支架接收到，通過檢測支架的編號即可推算出采煤機相對于液壓支架組的位置關系。采煤機位置監測系統整體結構見圖1。

圖1 采煤機位置監測系統結構

在該控制系統中還設置有間架控制器，其主要作用是對各個液壓支架的間距進行監測和調整，在運行過程中采煤機位置監測系統會將監測結果先傳遞給間架控制器，通過間架控制器來作為液壓支架動作調整的基準。端頭控制器主要用于對調整信號進行分析和發送，控制間架控制器來對液壓支架的動作進行調整，同時通過間架控制器來對各個液壓支架的調整情況進行監控，將監測結果傳輸到控制中心，便于監測人員對采煤機和液壓支架的相互工作狀態進行實時監測和調整。

2 紅外定位裝置設計

紅外線定位裝置是該采煤機位置監測系統的核心，其監測的準確性和穩定性直接決定了該位置監測系統的應用穩定性，結合煤礦井下液壓支架和采煤機的相對運行關系，該采煤機紅外線定位裝置的定位原理見圖2[2]。

圖2 采煤機紅外線定位原理

由圖2可知，該定位裝置在運行時，液壓支架上的紅外線接收裝置首先接收到采煤機處傳輸過來的紅外線信號，在系統內對信號進行濾波和信號調理然后傳輸到系統的A/D 轉換接口，對數字信號進行增強處理。為了實現對采煤機和液壓支架相對位置關系的精確判斷，在控制中心設置了數據判別的標準值，當接收到的信號高于該標準值后系統即可判斷該采煤機和液壓支架相對應，若接收到的信號低于該標準值則表明該采煤機和液壓支架處于一定的偏位，需進一步調整。

由于煤礦井下粉塵濃度大，工作環境惡劣，傳統的紅外線定位方案無法滿足惡劣環境下的精確定位需求。因此本文提出了一種新的紅外線發射裝置，其采用了增強型的紅外線發射管，在系統中設置了穩壓電路，用于確保輸出的紅外線信號的穩定性，避免出現誤判。系統中還設置了恒流源電路，從而有效的確保了紅外線發射裝置工作時的可靠性，該增強型紅外線發射裝置的結構見圖3。

圖3 增強型紅外線發射裝置原理

在實際應用過程中增強型的紅外線發射裝置只能確保所發出的紅外線信號的強度，但無法保證接收裝置對紅外線信號接收的范圍和穩定性。因此在紅外線發射裝置處還采用了廣角發射頭[3]，確保接收裝置能夠準確接收到偏位狀態下的采煤機紅外線信息。通過井下多次試驗驗證，最終確定廣角發射頭包括36 個紅外線發射單元，其共分為9 組，每組均由固定的恒流源供電，發射角呈矩形排列，從而確保了在偏位狀態下數據信息接收的準確性，實現了采煤機和液壓支架相對位置狀態的精確判斷。

3 采煤機位置監測裝置應用效果

為了對該采煤機位置監測裝置的實際應用情況進行驗證，本文以某礦井下采煤機和液壓支架的聯動運行控制系統為基礎，對其進行位置監測改造，用紅外線定位系統替代了原有的編碼器定位裝置，對運行過程中采煤機和液壓支架的相對位置監測精度進行驗證，結果見圖4。

圖4 不同定位方案精度對比

由圖4可知，當采用傳統的編碼器定位[4]方案時隨著推進距離的增大其誤差迅速增大，當距離為300 m 時，位置定位誤差達到了約0.32 m，已經超出了編碼器偏位信號的接收范圍，無法進行正常的運行調整，需要人工對編碼器進行復位。而采用新的紅外線定位方案后，在運行300 m 后其定位精度依舊達到了約0.1 m，完全滿足煤礦井下的高精度定位需求，而且定位精度高、穩定性好，對確保井下采煤機、液壓支架的聯動運行穩定性具有十分重要的意義。

4 結論

針對現有監測系統在使用用中存在的可靠性差、監測誤差大，無法滿足聯動綜采作業監測需求的現狀，提出了一種新的采煤機位置監測系統，以紅外線定位為基礎，實現在井下綜采工作面采煤機與液壓支架位置的精確測量，根據實際應用表明：

1）采煤機位置監控系統主要包括設置在采煤機上的紅外線發射裝置和設置在液壓支架上的紅外線接收裝置，通過檢測支架的變化即可推算出采煤機相對于液壓支架組的位置關系。

2）紅外線定位裝置采用了增強型信號發生端子和廣角發生端頭，有效確保了煤礦井下惡劣環境下信號發射的穩定性及發射范圍，確保了對采煤機、液壓支架相對位置判斷的精確性。

3）該監測系統的定位精度達到了0.1 m，定位精度高、連續性好，極大的提升了井下綜采工作面采煤機和液壓支架聯動運行作業的可靠性。