掘進機巷道成形及恒功率截割技術研究

李 杰

（陽泉煤業(yè)集團七元煤業(yè)有限責任公司，山西 壽陽 045400）

引言

煤礦生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)包括掘進和采煤，其中掘進環(huán)節(jié)對綜采工作面巷道的成形質(zhì)量、后期支護的操作方便性具有重要意義；而采煤環(huán)節(jié)直接決定綜采工作面的生產(chǎn)能力和采煤效率。目前，我國煤礦開采主要遵循“采掘并重、掘進先行”的原則，由此可見掘進環(huán)節(jié)在煤礦生產(chǎn)中的重要性。對于巷道掘進而言，主要存在的問題可總結(jié)為自動化、智能化水平較低，巷道掘進效率低，精度較低，勞動強度高等問題[1]。本文重點從掘進機姿態(tài)監(jiān)測、巷道的成形和恒功率截割三個關鍵技術進行研究，具體闡述如下：

1 掘進機巷道成形技術

1.1 掘進機位置、姿態(tài)測量及監(jiān)控系統(tǒng)

實現(xiàn)掘進機智能化、自動化控制的關鍵技術之一為對掘進機在實際掘進過程中位置及姿態(tài)的實時監(jiān)測，并根據(jù)實際掘進任務對其姿態(tài)及截割位置進行調(diào)整，保證巷道的成形精度。針對掘進機位置及姿態(tài)的測量目標，鑒于激光具有較好的亮度和方向性，將其應用于掘進機位置及姿態(tài)監(jiān)控測量系統(tǒng)中。掘進機位置及姿態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)主要由激光發(fā)射與測距分系統(tǒng)、標靶分系統(tǒng)、下位機控制分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)及上位機分系統(tǒng)五個部分組成。其中，激光發(fā)射與測距分系統(tǒng)以GBLM-07 模塊為主體，其主要任務是向標靶分系統(tǒng)發(fā)射激光，并對發(fā)射點和被測位置之間的間距進行精準測量；標靶分系統(tǒng)的主要任務是感應激光發(fā)射系統(tǒng)所發(fā)射的激光，為測距提供依據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)的主要功能是基于RS485 和RS232 轉(zhuǎn)換器對系統(tǒng)獲取的信息參數(shù)及控制指令進行傳輸；上位機的主要功能是根據(jù)下位機上傳的信息進行換算，繼而得出掘進機的實時位置及姿態(tài)[2]。

在上述系統(tǒng)的基礎上，為保證最終所測得掘進機實時位置和姿態(tài)的準確性，還需掌握影響測量精度的主要因素。通過試驗對比可知：在實際監(jiān)測中由于誤差的存在，掘進機的實際位置及姿態(tài)與監(jiān)測結(jié)果存在一定的偏差，但是偏差均在允許范圍之內(nèi)。其中，對于掘進機位置參數(shù)而言，當掘進距離固定時，隨著測量次數(shù)的增加，對應的誤差減小，所監(jiān)測的結(jié)果逐漸接近理論值；當測量次數(shù)一定時，隨著掘進距離的延伸所監(jiān)測結(jié)果的誤差增大[3]。因此，針對掘進機位置參數(shù)的監(jiān)測可在合理情況下盡可能地增加測量次數(shù)。針對掘進機姿態(tài)參數(shù)而言，隨著測量次數(shù)的增加，所獲取的結(jié)果幾乎接近理論值。

綜上，可通過增加實際測量次數(shù)，提升對掘進機位置及姿態(tài)的監(jiān)測精度。

1.2 巷道成形技術

巷道成形的關鍵技術是在對掘進機位置及姿態(tài)精確監(jiān)測和控制的基礎上實現(xiàn)。除此之外，還需對掘進機截割頭的空間規(guī)律進行研究，保證在巷道斷面尺寸及輪廓基本確定的情況對掘進機回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸活塞桿的精確控制，從而保證巷道的自動、精準、高效成形[4]。

從理論層面上講，掘進機在其距離、角度等參數(shù)的合理控制下，對應巷道成形的規(guī)律總結(jié)如下：

1）當掘進機在全范圍內(nèi)擺動時，對應巷道成形的形狀為空間曲面；當懸臂在水平方向橫向擺動截割時，對應所成形巷道的斷面寬度值最大。

2）當掘進機在實際截割時存在一定的俯仰角時，所成形巷道的頂板或底板會出現(xiàn)欠挖或超挖的現(xiàn)象。

3）當掘進機實際截割時，巷道底板導致其機身出現(xiàn)一定的橫滾角時，所成形巷道的斷面會出現(xiàn)傾斜的情況。

4）當掘進機未按照預定軌道執(zhí)行任務時，所成形巷道出現(xiàn)左右不對稱的情況。

5）當掘進機姿態(tài)能夠精準控制，而且位置出現(xiàn)偏移時，雖然所成形巷道的形狀達到預期效果，但是巷道的位置發(fā)生了偏移。

因此，掘進機在實際截割任務中，需根據(jù)巷道斷面的形狀、設備的實時位置及姿態(tài)參數(shù)對其回轉(zhuǎn)油缸活塞桿行程和升降油缸的活塞桿行程進行合理規(guī)劃與控制。

本文以EBZ200 型掘進機的結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎，根據(jù)七元礦井巷道成形的預期，設定回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸活塞桿的具體行程。

回轉(zhuǎn)油缸活塞桿行程控制為對其水平擺動結(jié)構(gòu)的控制，對應的機械原理如圖1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)油缸水平擺動結(jié)構(gòu)原理圖

結(jié)合七元礦井巷道成形的預期，對于回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的參數(shù)控制如下：回轉(zhuǎn)臺半徑設定為400 mm；O 與O1之間的距離控制為670 mm；A 與B 之間的距離設定為230 mm。

升降油缸活塞桿行程控制為對其垂直擺動結(jié)構(gòu)的控制，對應的機械原理如圖2 所示。

圖2 升降油缸垂直擺動結(jié)構(gòu)原理圖

結(jié)合七元礦井巷道成形的預期，對于升降油缸活塞桿的參數(shù)控制如下：O2與N 之間的間距設為1 250 mm，O2與M 之間的間距為390 mm，M 與N 之間的間距為941 mm。

2 掘進機恒功率截割技術

在實際截割過程中，由于煤層或巖層的硬度不均勻，其對應的截割載荷也處于動態(tài)變化中。為保證掘進機截割電機時刻處于滿載運行狀態(tài)，需根據(jù)煤層或巖層的硬度對懸臂擺速進行針對性的控制，在有效控制掘進機機身振動的同時實現(xiàn)了掘進機截割電機和截齒的保護。

實現(xiàn)掘進機恒功率的截割控制，其主要控制對象為回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的速度，本文結(jié)合模糊控制算法和PID 控制算法對回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的速度進行控制[5]。模糊PID 控制算法的核心為不斷對控制誤差e和誤差率ec進行檢測，并根據(jù)模糊控制原則對回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的速度進行在線控制。實際上，實現(xiàn)模糊PID 控制的關鍵在于對Kp、Ki及Kd三個參數(shù)的確定，其確定所采用的方法為試湊法。經(jīng)過多次試湊，確定Kp=0.01、Ki=0.004、Kd=0.02。

為驗證上述模糊PID 三個參數(shù)對系統(tǒng)控制的合理性和有效性，以方波信號為例，對模糊PID 控制算法和PID 控制算法進行對比，具體對比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制與PID 控制的效果對比

由圖3 可知，模糊PID 控制效果明顯優(yōu)于PID控制效果。總的來講，基于模糊PID 控制算法系統(tǒng)的響應特性更好、超調(diào)量更低及整體的穩(wěn)定性最佳，可滿足掘進機恒功率截割控制的需求。

3 結(jié)語

巷道掘進作為工作面開采的前期工作，其掘進效率直接影響后續(xù)工作面的開采進度；巷道的成形質(zhì)量直接影響后續(xù)開采的速度和安全性。為此，保證巷道的成形速度和質(zhì)量對于煤礦開采具有重要意義。本文重點對掘進機位置及姿態(tài)的控制、巷道的成形控制以及恒功率截割控制的關鍵技術進行研究，對保證綜采工作面安全、高效生產(chǎn)具有重要意義。