自動化技術(shù)在礦山機(jī)電控制中的實(shí)際應(yīng)用研究

卞澤宇， 喬 芳

（潞安職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 長治 046000）

0 引言

近幾年，我國的煤炭產(chǎn)量依舊持續(xù)上漲，在未來的幾年煤炭資源仍然作為國內(nèi)主要能源地位不會改變。由于煤礦機(jī)電設(shè)備較為落后，從而就導(dǎo)致了低生產(chǎn)率、高勞動強(qiáng)度以及高作業(yè)風(fēng)險等問題。因此，盡量提升井下工作面的自動化程度、降低一線工人的數(shù)量，最終形成井下“無人值守”的目標(biāo)，將成為未來煤炭行業(yè)主要的發(fā)展方向。以山西某礦一次采全高工作面為對象，將自動化技術(shù)應(yīng)用到采煤機(jī)的控制工作以及監(jiān)測系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了工作面生產(chǎn)的自動化，在一定程度上提升了該企業(yè)的生產(chǎn)效率。

1 采煤機(jī)自動控制技術(shù)改進(jìn)

1.1 傳統(tǒng)記憶截割技術(shù)

記憶截割技術(shù)就是采煤機(jī)的滾筒在運(yùn)行過程中可自行調(diào)整，隨著回采工作面的推進(jìn)可進(jìn)行上升或下降的動作[1]。主要原理如圖1 所示，將回采空間看作是一個立體的三維模型，X 方向為采煤機(jī)牽引方向，Y方向為采煤工作面推進(jìn)方向，Z 方向為截割滾筒高度調(diào)整方向，依照坐標(biāo)記錄滾筒截割軌跡，并自動控制采煤機(jī)循環(huán)上一次的截割動作，這個過程被稱作記憶截割。但是，目前應(yīng)用到實(shí)際中的記憶截割技術(shù)還有很多的不足，主要有以下原因：現(xiàn)有的記憶截割技術(shù)無法適應(yīng)煤層賦存的復(fù)雜地質(zhì)條件；再者，由于煤層頂?shù)装宕嬖谙鄬σ苿拥那闆r，這會導(dǎo)致滾筒在截割第二刀的時候與第一刀的軌跡不一致，甚至?xí)斐山佚X的損壞。

圖1 采區(qū)煤層分布示意圖

綜合以上分析，傳統(tǒng)的記憶截割技術(shù)還有一定的局限性，不能準(zhǔn)確地識別煤巖層的分界，所以有必要對現(xiàn)有的記憶截割技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

1.2 記憶截割自動調(diào)高系統(tǒng)

在采煤機(jī)的截割過程中，要對記憶截割信號進(jìn)行采集，若相鄰兩次采樣間隔時間過短，會降低系統(tǒng)控制器的處理速度，如果相鄰兩次采樣時間過長，又會使得計算的誤差過大。因此，當(dāng)完整記憶采煤機(jī)的截割軌跡后，從第j（j=i+1）個循環(huán)算起，之后的工作循環(huán)都讓采煤機(jī)保持自動控制狀態(tài)。依照其自身存在的地點(diǎn)Xi，采煤機(jī)會對搖臂的高度以及機(jī)組的牽引速度進(jìn)行自動化調(diào)節(jié)，從而重復(fù)上一個循環(huán)留下的截割軌跡。且若采煤機(jī)在截割過程中遇到矸石，系統(tǒng)會對矸石的尺寸進(jìn)行判斷，如果矸石尺寸過大就會采用截割躲避策略，經(jīng)由多種傳感器的數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)展開檢測，同時更改此循環(huán)的截割軌跡；如果尺寸過小則會對矸石進(jìn)行強(qiáng)行切割動作。

2 采煤機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)的自動化設(shè)計

2.1 采煤機(jī)位置檢測

該技術(shù)主要采用光柵技術(shù)原理，位移檢測可由光柵感應(yīng)。通常，采煤機(jī)位置測量控制系統(tǒng)主要由光柵感應(yīng)器和光柵位移傳感器所構(gòu)成。在這種處理過程中，主燈與指示燈之間可彼此重疊融合，產(chǎn)生強(qiáng)大的重疊光。再經(jīng)過相干疊加后光源的輻射，形成較強(qiáng)的莫爾條紋，接著再經(jīng)過相應(yīng)排列的電子光學(xué)元件接收條紋，再轉(zhuǎn)換成相互正交的電壓信號。這兩個電壓信號作為后期處理所需的原始信號，最后通過傳感器對信號進(jìn)行電路進(jìn)一步分析，確定采煤機(jī)的具體位置。

2.2 采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控

在判斷采煤機(jī)的位置后，有必要對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。其運(yùn)行是否安全穩(wěn)定，直接關(guān)系到煤礦企業(yè)的整體經(jīng)濟(jì)收入。因此，采煤機(jī)要相對較強(qiáng)的適應(yīng)性以及運(yùn)行平穩(wěn)性。一般情況下，采煤機(jī)監(jiān)控參數(shù)對象大致可分為內(nèi)部參數(shù)和外部參數(shù)。其中，內(nèi)部參數(shù)的監(jiān)測主要是關(guān)于機(jī)器運(yùn)行的一些數(shù)據(jù)參數(shù)，如采煤機(jī)的溫度；外部參數(shù)的監(jiān)測主要是通過設(shè)置在采煤機(jī)外部的傳感器來獲得某些數(shù)據(jù)參數(shù)的具體信息，如瓦斯?jié)舛萚2]，如圖2 所示，為采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)示意圖。

圖2 采煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測參數(shù)示意圖

2.3 采煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)測及監(jiān)測目標(biāo)

2.3.1 外部參數(shù)的監(jiān)測

1）工作面的瓦斯?jié)舛却笮?。主要?jīng)由技術(shù)較為完備的瓦斯?jié)舛葌鞲衅?，將采集到的輸出電信號或者光信號傳輸?shù)絇LC 控制器中，通過控制器的處理將其反饋到地面遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，以便工作人員及時處理。

2）工作面的傾角大小。工作面推進(jìn)方向和推進(jìn)方向有一定的傾角。然而，在自動監(jiān)測系統(tǒng)中，主要監(jiān)測以下兩個角度，即采煤機(jī)的搖臂中心軸線與水平面夾角α、采煤機(jī)作業(yè)面沿前進(jìn)方向的傾角β。利用采煤機(jī)高調(diào)整的計算公式和已知設(shè)備參數(shù)相結(jié)合，即可得出更準(zhǔn)確的采煤機(jī)采高H 的推導(dǎo)式[3]，如圖3 所示，為采煤機(jī)在一定水平條件下的調(diào)高模型。

圖3 采煤機(jī)在水平條件下的調(diào)高模型

但在工程實(shí)踐中，工作面底板巖層往往處于不理想的水平狀態(tài)，且存在一定的傾角即β，同時角θ 的大小難以測量，所以要換一種思路：經(jīng)由實(shí)際測量可以得到搖臂與水平面夾角α，當(dāng)搖臂處于水平面之上時該角度為正，反之則為負(fù)，所以α=θ+β，進(jìn)而推出θ=α-β。因此，采煤機(jī)采高H 的表達(dá)公式如下：

式中：ΔL 為搖臂與機(jī)身的連接點(diǎn)到支腿中心的水平距離，mm；H1、ΔH1、L、ΔL、R 均表示采煤機(jī)的固定結(jié)構(gòu)，通過核對采煤機(jī)型號獲得，ΔH1一般取0；α、β 的取值可正可負(fù)，都是通過監(jiān)測系統(tǒng)相對地標(biāo)水平測量獲得。

2.3.2 內(nèi)部參數(shù)監(jiān)測

1）采煤機(jī)電機(jī)電流監(jiān)測?？紤]到電流流經(jīng)電機(jī)時會出現(xiàn)熱效應(yīng)，此現(xiàn)象能夠使得電機(jī)表面的溫度上升從而燒毀電機(jī)。因此要對采煤機(jī)運(yùn)行過程中的電流大小進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。采用電流傳感器收集牽引部及截割部電機(jī)的電流模擬量，并將其傳輸?shù)絇LC 控制器中進(jìn)一步處理，從而可得知電流量的大小，以便于工作人員及時處理。

2）高速軸溫度監(jiān)測。考慮到電機(jī)運(yùn)行空間小，當(dāng)驅(qū)動電機(jī)為牽引部分和切割部分供電時，產(chǎn)生的功率往往比較大，進(jìn)而電機(jī)的高速軸就會產(chǎn)生較高的溫度。所以要在該位置增設(shè)溫度傳感器，實(shí)時采集電機(jī)主軸的溫度大小保障軸承不會由于溫度高而損壞。

3 應(yīng)用效果分析

山西某礦901 工作面為9 號煤層三采區(qū)大采高綜采工作面，走向長1 084 m，傾斜長220 m。工作面地質(zhì)儲量210 萬t，煤層可采儲量180 萬t。其中9 號煤層最大煤層厚度6.52 m，最小煤層厚度6.25 m，平均厚度6.43 m，煤層平均傾角7°，賦存地質(zhì)條件相對穩(wěn)定，構(gòu)造簡單。然而，煤層的結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，其中存在不穩(wěn)定的矸石3 層，上層矸石厚度為0.13 m，中間矸石厚度為0.12 m，下部矸石厚度為0.13 m，如圖4 所示，為工作面的布置示意圖。

圖4 工作面的布置示意圖

901 工作面應(yīng)用的采煤機(jī)型號為SL-1000，這種型號的采煤機(jī)其功率可達(dá)2 390 kW，一次采全高可達(dá)7.2 m?？紤]到煤層的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，因此采用傳統(tǒng)的記憶截割技術(shù)達(dá)不到生產(chǎn)要求，因此，將本文改進(jìn)后的記憶截割技術(shù)以及運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用到該型號采煤機(jī)中。它可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計切割軌跡，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時調(diào)整開采高度，真正實(shí)現(xiàn)了采煤機(jī)的全自動操作。

4 結(jié)語

本文將自動化技術(shù)應(yīng)用到了采煤機(jī)的控制工作中，在對傳統(tǒng)控制技術(shù)改進(jìn)之后，又對采煤機(jī)的監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計，在一定程度上減少了井下的工作人員數(shù)量的同時又增加了工作面的回采率。此技術(shù)的成功應(yīng)用，為相關(guān)企業(yè)提供了很好的實(shí)踐模型，為從事相關(guān)研究的專家學(xué)者指明了研究方向。