智能综采机组控制目标及采煤机割煤高度控制方法_索永录.pdf

第 卷 第 期 年 月西安科技大学学报 .索永录 智能综采机组控制目标及采煤机割煤高度控制方法 西安科技大学学报，（）：，（）：收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）通信作者：索永录，男，陕西宝鸡人，教授，博士生导师，：智能综采机组控制目标及采煤机割煤高度控制方法索永录，（西安科技大学 能源学院，陕西 西安；西安科技大学 西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西 西安）摘 要：煤矿智能化是煤炭安全高效生产的发展方向，综采智能化是煤矿智能化的关键环节，但智能综采机组的控制目标目前并不明晰，这严重制约了智能综采的发展。在系统分析综采工作面采煤机、液压支架和刮板输送机这 个主要设备之间的空间动态联接特性基础上，通过分析采煤机滚筒割煤高度变化规律，揭示了采煤工艺过程中工作面顶底板不平自行加剧机理，提出了采煤机滚筒割煤高度误差估算方法；结合综采工艺过程调查和经验，明确提出综采机组控制基本目标是保证工作面工程质量，构建综采机组控制关键指标，指出煤岩界面并不是控制采煤机滚筒割煤高度的基本目标，建立一种以“顶底板平”为目标的采煤机割煤高度控制的非线性规划模型，为综采面采煤机自适应割煤控制提供了一种方法，为智能综采机组控制明确了目标。关键词：智能综采；机组控制目标；两平三直；采煤机；自适应割煤中图分类号：文献标志码：文章编号：（）：开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，）：，“”，：；引 言智能化采矿已经成为当前煤炭安全高效开采的发展方向与必然趋势，中国在煤矿开采智能化方面已经进行大量卓有成效的工作，但仍然处于智能化初级阶段。目前中国煤矿智能化综采以采煤机记忆截割和可视化远程干预为核心技术，并在黄陵一矿等应用取得良好效果。采煤机是综采工作面实现智能化开采的关键设备，苗曙光等对基于煤岩界面的地质雷达探测数据分析方法进行了研究，杨恩等对反射光谱煤岩界面感知进行了实验分析，许静研发一种采煤机煤岩截割模式识别系统，地面和井下实验中实现了采煤机煤岩截割模式的准确识别。葛世荣等提出基于地理信息系统的采煤机定位定姿技术，梁浩提出了综采机组机器人协同作业综采装备机器人化一种技术方案，刘俊峰等提出了一种大采高综采智能化开采过程煤壁片帮精准控制技术。高士岗等提出了在综合多源异构信息基础上的透明化自适应型综采智能开采模式，形成基于动态透明工作面智能化割煤技术。鲍永生针对特厚煤层综放开采提出了液压支架记忆放煤技术与放顶煤煤岩识别技术。任怀伟等提出基于全位姿测量及虚拟仿真控制的智能综采开采模式，对智能决策过程、综采装备全位姿测量和统一坐标描述等综采开采智能控制基础问题进行了研究。张守祥等提出基于惯性导航和里程仪的煤矿采掘设备定位。张帆等研究了智能综采工作面刮板输送机直线度监测方法，提出一种基于数字孪生的卡尔曼滤波刮板输送机位置状态估计方法，提高了智能综采工作面刮板输送机直线度的监测精度。黄曾华认为“智能化 装备”的智能协同模式是未来综采智能无人化开采的技术保障。王世博等提出综采工作面控制系统的 个目标任务是可靠割煤与装煤、保持工作面几何关系、围岩可靠支护，采煤机自动调高技术是综采工作面控制系统的关键技术之一。葛世荣等提出适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架，指出理想条件下采煤机的牵引路径应为直线、截割曲线适应煤层顶底板线自动调整，给出一种实现采煤机滚筒自适应调高方法。李首滨等在总结当前中国综采工作面智能感知与智能控制关键技术及应用现状基础上指出采煤工作面“三平两直”自动检测和自动控制问题还未解决，上窜下滑控制系统有待开发，目前还未开发出煤岩识别系统，在工作面顶板出现变化时，必须人工进行干预。综上可以看出，目前已经开始关注综采工作面支架和刮板输送机调直和顶底板调平问题，但对综采工作面主要设备控制基本目标仍然不够清晰，特别是采煤机滚筒调高还是以截割曲线适应顶底板煤岩分界面为基本目标，这与综采工作面生产工艺过程中多数采煤机司机实际控制目标并不相符。文中在系统分析综采工作面采煤机、液压支架和刮板输送机即综采机组“三机”之间空间动态联接特性和综采工作面采煤工艺过程特点基础上，结合综采工艺过程调查和经验，明确提出综采机组控制基本目标是保证工作面工程质量，建立了一种以“顶底板平”为目标的采煤机自适应割煤高度优化控制非线性规划模型，为综采面生产过程采煤机长时自主自适应割煤控制提供了一种方法。西 安科技大学学报 年第 卷第 期索永录：智能综采机组控制目标及采煤机割煤高度控制方法 综采工作面采煤工艺过程基本特点 综采工作面“三机”动态协调关系特点在综采工作面内，采煤机、刮板输送机及液压支架是一个相互联结、有严格空间配合和动态协调关系、相互依存、相互配合联动的有机整体，也称为综采机组。刮板输送机是采煤机运行的“轨道”，各个支架和对应溜槽相互联结，推移刮板输送机时以其对应的支架为锚固点，而拉架时通过溜槽传递作用力并以其邻架为锚固点，拉架距和推溜距都受推移千斤顶活柱行程限制，支架与刮板输送机推移互为支撑点，拉架步距和推移刮板输送机步距互相限制，并直接制约采煤机截深和工作面支架、刮板输送机及煤壁的平直程度。由于刮板输送机是采煤机沿工作面运动的导轨，刮板输送机的平直状况对采煤机的运动影响很大，也直接制约着采煤机割出顶底板和煤壁的平直状况。刮板输送机铺设不平不直，则采煤机运行阻力增大、机身受力状况变差，不但机电故障会增多，而且割出的顶底板和煤壁也不平直。液压支架和刮板输送机铺设在工作面底板上，而采煤机割出的工作面顶底板平直状况及煤壁平直状况对刮板输送机及液压支架的推移及运行又存在很大影响。底板不平，则液压支架和刮板输送机放置不平稳，受力状况差，推移难度加大，刮板输送机运行阻力增大，机电故障增多，机械故障增多，而且支架工作状态变差，对采场围岩控制能力降低，工作面发生冒顶片帮事故概率增大。同样液压支架和刮板输送机的推移也相互影响和制约，只有移架和推移刮板输送机都到位了，采煤机截深才能保证，而只有采煤机截深到位了，才为推移刮板输送机和移架到位创造条件。因此，采煤机割出的工作面顶底板平整及煤壁平直状态是顺利移架推溜的基础。综采机组的自开路前进特点综采工作面整体向前推进是通过采煤机沿工作面煤壁一刀一刀割煤和液压支架及刮板输送机的一步一步向前推移来实现机组整体即综采工作面的不断向前推采。在综采工作面及综采机组整体向前推进过程中，工作面上下两巷控制着工作面前进的大方向，但是上下两巷之间的工作面前进的“道路”需要综采机组自己通过采煤机一刀一刀割煤来自行“开”出来。综采机组前进“道路”的状况主要取决于采煤机割出的底板顶板煤壁平直状况，综采机组要一边前进一边自行开路，开出来的前进道路的状况对工作面安全高效生产具有基础性作用。因此采煤机割煤是综采工作面工艺过程中最关键的工序，采煤机司机是综采队最关键的技术岗位。根据多个综采工作面现场生产工艺全过程跟班观察及大量综采队调查，综采工作面生产过程中，采煤机司机操作的技术要领就是要注意观测判断工作面空间形态和工作面顶底板起伏变化状况，仔细观察滚筒新截割出的工作面顶板或底板的平整状况，分析判断前后滚筒割煤高度合理性及其出现的偏差大小，估算滚筒割煤高度的修正值，及时修正滚筒截割高度，以努力实现顶板底板平整，为采煤机本身及刮板输送机和液压支架持续正常运行创造良好条件。综采工作面采煤工艺过程的随机性近年来，随着“透明”地质等新技术的发展，人们对综采工作面煤层赋存状况的掌握越来越精准，但无论如何精准仍然都是预测。煤层在地下的赋存状况是非常复杂的，综采工作面煤层赋存状况是不可能完全预知的。综采工作面的工作地点是不断推移变化的，因此，综采机组向前推采中不同位置遇到的煤层赋存状况，特别是煤体截割阻力不会完全一样。煤体非均质状况、滚筒截齿磨损状况、底板浮煤状况、底板不平整状况等都具有很大的随机性，甚至偶然性。大量研究证明，割煤过程中，采煤机的瞬时牵引速度、滚筒截割速度、滚筒割煤高度和截深等运行参数都是服从某种分布的随机变量，即采煤机割煤过程是一个随机过程。同理，工作面支架和刮板输送机的推移过程也是一个随机过程，综采工作面开采中底板起伏、煤壁和液压支架及刮板输送机不直具有自行加剧趋势。综采工作面生产工艺过程是一个自开路的不重复工艺过程，他与一般的工业自动化生产线上的重复工艺过程存在明显不同。目前应用的采煤机记忆截割技术实际类似于一般的自动化工业生产线上的重复工艺过程，与综采生产工艺过程是不相适应的，因此需要采用可视化远程干预技术进行人工调控。采煤机割煤高度误差积累 综采工作面顶底板平直程度综采工作面顶、底板平直程度可以采用多种方法进行量化表征。文中采用煤壁与工作面顶、底板交线在煤壁所在平面上的投影曲线的曲率半径来定量描述工作面顶、底板平直程度。设，为工作面的底板、顶板曲线某处的曲率半径，则根据三角函数关系有 （）（）（）（）式中，分别为顶板或底板曲线某一单调起伏弯曲段的长度，可以取采煤机两滑靴间距的 倍；为该段两端点处对应的坡度差，（），它应不大于刮板输送机允许的最大弯曲角度。采煤机滚筒割煤高度误差计算采煤机割煤过程中，由于采煤机摇臂的外伸影响，滚筒在底板凹陷段会多割底煤，而在凸起段又少割底煤。根据工作面各处底板坡度，结合采煤机定位数据和摇臂姿态参数可以计算出由于底板起伏变化引起的滚筒割煤高度误差值。假设工作面底板沿倾向方向存在起伏不平，则某一弯曲段及其与采煤机空间关系如图 所示。为工作面采高，；为采煤机两滑靴特征点的间距，滑鞋特征点为滑鞋在刮板输送机溜槽接触线的中点；和 分别为割底煤和割顶煤滚筒外伸投影长度，可以根据采煤机摇臂尺寸及其旋转角度计算得到；及 分别为由于滚筒外伸引起的底板和顶板割煤高度误差值，。（）当采煤机从底板平整段进入起伏弯曲段后，由于滚筒摇臂的外伸影响，采煤机滚筒截割切点不再沿着原底板线割煤，会出现在底板凸起段少割煤，而在底板凹下段超割煤现象，从而使底板凸凹起伏程度进一步加剧。同样，在顶板凸凹起伏段也会出现凸凹起伏加剧现象。图 综采工作面顶底板起伏变化及滚筒割煤误差示意 图 中，与 的 边公用，因此有|（）|图 采煤机滚筒外伸引起割底板误差量计算 （）（）同理，可得（）（）如取 ，则 ；取 ，计算得 。如果每班割 刀，积累留底量达到 。如取 ，计算得 ，如果每班割 刀，最大积累留底量达到 。根据计算结果，割煤高度误差积累其实不小，其影响是不可忽视的，这也进一步揭示了采煤机割煤过程中滚筒割煤高度变化的机理。采煤工艺过程综采机组控制目标 综采机组控制目标及关键指标采煤工艺过程中控制综采机组的基本目标：要使机组持续处于良好工况状态，使采场围岩持续得到有效控制，工作面持续维持正常工作状态，从而保证工作面产量和回采率等主要生产指标达到设计要求。如果综采机组工况不能持续处于良好状态，则机组故障必然多发，采场围岩难以有效 西 安科技大学学报 年第 卷第 期索永录：智能综采机组控制目标及采煤机割煤高度控制方法控制，工作面难以安全正常生产。综采工作面开采中顶底板起伏、煤壁和液压支架及刮板输送机不直具有自行加剧趋势，因此综采工作面采煤工艺过程实际是人为不断调控以维持机组处于良好工况的动态过程。长期以来中国综采工作面生产实践中，工作面工程质量管理一直是保证安全高效生产的一个重要手段。综采工作面工程质量管理的实质就是调控综采机组使其处于良好工况，采场围岩得到有效控制。综采工作面工程质量管理包括工作面支护等多方面内容，其中底板平、顶板平、煤壁直、刮板输送机直和液压支架直（简称“两平三直”）实际就是机组工况控制的关键内容和具体目标。综采机组控制目标及关键指标如图 所示。图 综采机组控制目标及关键指标 根据综采工艺过程特点，工作面顶底板平直状态对整个综采机组运行具有基础性影响，在采煤机控制目标中，底板平程度的控制更为重要。后面给出一种采煤机自适应割平底板的控制方法。在综采机组各主要设备控制中，液压支架的控制技术难度最大，不仅与顶底板平直程度、采高有关，更重要的是与采场围岩控制密切关联，保证和提高支架围岩系统稳定性才是液压支架控制的核心，目前智能综采面可视化远程干预