綜采工作面采煤機煤巖自適應截割技術研究

褚晉陽

（山西煤炭運銷集團能源投資開發有限公司， 山西 太原 030053）

引言

我國煤炭資源儲量豐富，統計表明，我國在2017 年煤炭產量高達35 億t，排名世界第一。在我國眾多的能源消耗中，煤炭資源的消耗一直占據極大的比重，煤炭行業的發展也直接制約著我國各行各業的發展。在我國由于煤層賦存地質較為復雜，在煤炭開采過程中極易出現煤礦事故，造成礦井人員及財產的損失。為了提升礦井開采的安全性，解決井下作業人員勞動強度大等問題，提出智能化工作面建設目標。通過智能化管理、自動化操作使得工作面人員大幅度降低，同時提升了工作面操作的規范程度，有效保證了礦井生產的安全。采煤機作為我國最重要的煤礦開采設備，其性能直接制約著礦井的開采，目前我國采煤機截割工作大部分靠滾筒來完成，當截割滾筒在截割過程中遇到硬煤時，此時滾筒截割參數無法自動變化，造成滾筒截齒發生損壞，嚴重影響采煤機工作效率[1-2]，所以對采煤機自適用截割狀態控制進行研究是十分有必要的。此前較多的學者對此進行過一定的研究[3-4]，本文在前人研究的基礎上對采煤機記憶截割原理及煤炭識別技術進行探討，為采煤機自適應控制的發展作出一定的貢獻。

1 截割控制策略

在采煤機運行過程中，主要包含三個方向的位移動作，分別為牽引、升高、推溜，其中牽引速度及滾筒的調高是最為重要的兩個工作，牽引調速是對牽引電機進行控制，而滾筒調高主要是通過對調高油缸的伸縮量進行控制。當采煤機滾筒截割遇到堅硬巖層時，此時自適應控制系統會自動調整搖臂位置，避免出現硬碰撞，同時采煤機會立刻匹配與巖層硬度相使用的截割速度及截割強度，再次進入工作面，按照對應關系，當遇到硬巖時，此時采煤機降低滾筒高度撤離，當遇到硬度較小的巖層時，此時采煤機會降低牽引速度，提升滾筒運行速度。采煤機自適應截割控制流程如圖1 所示。

圖1 采煤機自適應截割控制流程

由圖1 可以看出，采煤機的自適應控制流程可以分為路徑記憶、自適應控制、路徑跟蹤三個階段。在系統運行前，需要手動操作讓采煤機記住自身行走路徑。完成后再調整為自動運行模式，在此階段采煤機會對事前記住的路徑進行讀取，開始自動運行。在采煤機運行過程中如果遇到截割負載狀態異常時，系統會迅速啟動自適應控制模式，根據遇到的情況及時進行自動調整。系統調整有兩種方式識別異常煤巖硬度，如遇到一般硬度的巖石，降低牽引速度、加大滾筒轉速，進行強行切割；當巖石硬度過大時，調低滾筒高度避開。路徑記憶的生成方式可以分為兩種，一種是數據記憶，另一種是人工模式。在人工模式下，此時系統會對操作員的每個控制過程、處理情況及采煤機位置、姿態、動作等信息進行及時的記錄，信息的記錄主要是依據采煤機工作面的空間坐標，姿態信息是通過采煤機傾斜角度及滾筒的空間坐標進行記錄。狀態信息通過采煤機機械部件及電氣部件的狀態參數進行記錄;，采煤機將以上信息進行存儲和處理，從而形成一套人工操作動作體系，達到指導采煤機的自動操作的目的。但對人工要求較為嚴格，所以常用的是數據記憶，通過對截割過程數據的采集及自適應算法的處理，從而形成狀態調整命令，達到自適應控制。

自適應控制系統采用七大模塊，分別為手動控制模塊、數據處理模塊、路徑追蹤模塊、路徑存儲模塊、狀態檢測模塊、自適應控制模塊、故障處理模塊，通過加裝傳感器對采煤機運行各種狀態進行檢測，達到數據收集及監控目的。

2 截割狀態識別

在采煤機截割過程中，控制器端會收到大量的傳感器傳輸數據，但由于控制器本身具有的內存無法全部存儲，所以要對接收數據中重復或者無效的數據進行及時清理，這就需要對記憶點的結構及選取方案進行選擇。采煤機的控制器每個掃描周期時長為10 ms，所以可收集100 個/s 數據，其中大部分為無效數據，切割路徑中記憶點大致可分為三種，分別為特殊記憶點、常規記憶點和關鍵記憶點。其中常規記憶點就是采煤機在正常運行過程中存儲的記憶點，常規記憶點收集間隔太小會對控制器內存要求較大，而間隔太大會造成關鍵信息的缺失，所以本文將常規記憶點的間距設定為1 m；關鍵記憶點是在采煤機接收到外部命令后對現有的運行姿態及位置進行記錄的記憶點，其主要集中在采煤機運行拐點及運行狀態發生變化的位置；特殊記憶點則是記錄采煤機在正常運行過程中出現故障的實時記憶點或者由故障轉化為正常工作狀態的記憶點。常見的有電流、電壓、溫度等異常，本文設定當電流連續10 s 出現大于1.2 倍運行額定功率時發生電流報警，當溫度連續10 s 超過130 ℃時，發生溫度報警，電壓超過額定電壓10 s 時發出電壓報警。

在采煤機向前推進過程中，由于頂底板巖層屬性發生變化，采煤機動作也必須作出相應的調整，避免出現滾筒和傳動系統的損壞。所以，根據頂底板巖性變化對截割滾筒的徑向作用力、阻力矩、截割電機、牽引電機等作出適應性調整，調整的依據來源于傳感器接收到的信息。自適應修正控制原理如圖2 所示。

圖2 自適應修正控制原理圖

利用Matlab 軟件對采煤機運行過程進行仿真模擬，對采煤機運行前后扭矩載荷進行分析，優化前后采煤機運行扭矩載荷曲線如圖3 所示。

從圖3 可以看出，在無自適應控制系統時，采煤機在運行過程中扭矩載荷隨時間增大呈現先增大后波動的情況，這是由于在運行前期巖層較軟，此時采煤機受到的扭矩載荷較為平穩，當采煤機運行至堅硬巖層時，此時采煤機扭矩載荷快速增大，并在較大載荷下出現較大波動，最大載荷為132 kN·m，此時極易損壞采煤機截割部。當給出采煤機自適應控制系統后，此時采煤機運行扭矩載荷隨時間的增大呈現先增大后減小的趨勢，在截割巖性較軟的巖層時，扭矩載荷逐步增大，當截割至堅硬巖層時，此時采煤機自適應控制系統會立刻作出處理，降低滾筒高度，此時采煤機扭矩載荷逐步降低，最大扭矩載荷為105 kN·m，可以看出自適應控制系統能夠實現煤巖狀態識別并作出相應的反應。

圖3 優化前后采煤機運行扭矩載荷曲線

3 結論

為了解決采煤機截割滾筒在截割過程中遇到硬煤時，無法自動變化截割參數，造成滾筒截齒發生損壞的問題，本文通過對采煤機自適應截割控制流程、控制策略及煤巖狀態識別等進行分析，設計了采煤機自適應控制系統，并通過仿真軟件對自適應控制系統進行驗證發現，經過優化后采煤機在遇到硬巖時會迅速降低滾筒高度，有效保證了截割部位的使用壽命。