馬 英

（天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013）

?

基于尾梁振動信號采集的煤矸識別智能放煤方法研究

馬 英

（天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京100013）

通過在放頂煤液壓支架尾梁上安裝振動傳感器對煤矸沖擊產生的信號進行識別。基于液壓支架尾梁沖擊振動信號的數學建模，給出了振動傳感器型號，采用比對試驗方法確定對其最佳安裝位置。根據現(xiàn)場試驗驗證了該方法對煤矸差異的可辨識性和可控性。煤矸識別智能放煤方法結合了綜放工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)在經濟效益和安全作業(yè)兩方面的突出優(yōu)點。

煤矸識別；放頂煤；液壓支架；振動傳感器；智能化

當前放頂煤工作面智能化放煤尚處于初級階段，主要是應用電液控制系統(tǒng)來實現(xiàn)放煤動作，基本方法是在電液控制系統(tǒng)中嵌入預先設定好的放煤程序，按照預先設定好的放煤動作及放煤時間實現(xiàn)自動化放煤［1-3］。但在工作面煤層變化較大，無論是在相鄰支架之間還是在走向長度方向都存在較大差異。因此預先按照工作面全部支架設定統(tǒng)一的放煤程序完成自動化放煤存在較大的缺陷，由于煤層賦存條件隨時變化導致放煤口開閉時間也隨之變化，如若放煤口開閉時間一成不變，就必然導致放煤過程中出現(xiàn)過放或者欠放情況，使煤質下降或者資源遭受損失。根據頂煤賦存條件的變化實時自動調整放煤口開閉時間而實現(xiàn)自適應放煤，是實現(xiàn)真正意義上自動化智能化放煤的關鍵步驟［4］。

國外已經提出煤矸識別的方法有:人工或自然伽馬射線法、MIDAS法、截齒應力分析法、Pathfinder法、AME1008法、超聲波技術、視頻攝像、雷達掃描技術、X-射線瑩光法、紅外技術、振動技術等等將近20種，但是由于國外放頂煤采煤方法的停滯導致有關煤矸識別方法已停止研究［5］。通過大量文獻研究以及結合我國放頂煤發(fā)展的實際現(xiàn)狀，采用紅外技術和振動技術進行煤矸識別研究最具發(fā)展前景，尤其振動技術最為實用可行。

1　基于放頂煤液壓支架尾梁沖擊振動信號的數學建模

綜放工作面地質條件與設備等客觀存在情況導致工作面采集信號條件非常艱難，由于放頂煤液壓支架直接參與的放煤部件是支架尾梁，頂煤和矸石在下落過程中直接撞擊支架尾梁，因此準確地采集下落頂煤或矸石與液壓支架尾梁撞擊產生的振動信號是研究的重點。將采集到的振動信號加以分析處理，就可達到煤矸信號識別的目的［6］。

冒落的頂煤和矸石沖擊液壓支架放煤機構有較大的隨機性，該沖擊產生的振動信號具有統(tǒng)計意義，這樣為信號的分析、處理、識別奠定了理論基礎。

從放頂煤液壓支架結構來看，支架尾梁一端與支架掩護梁相連接，支架尾梁內安裝的插板能夠自由伸縮并處于懸空狀態(tài)，因此放頂煤液壓支架尾梁結構完全可以視為懸臂梁結構，設尾梁抗彎剛度為EI（x），其橫截面積為A（x），尾梁機構的振動位移為ω（x，t），滿足下式:

式中，ρ為尾梁材料密度。

將放頂煤液壓支架尾梁結構視為密度均勻部件，則式（1）可寫為:

由式（1），（2）兩式求得尾梁結構自由振動方程為:

式中，ω0為放頂煤尾梁機構固有振動的角頻率；φ（x）為放頂煤尾梁機構固有振型。

當放頂煤液壓支架尾梁機構受到下落頂煤矸或矸石沖擊時產生撞擊的響度取決于下落煤體和矸石的重量、碰撞的放頂煤液壓支架尾梁機構相對位置以及邊界條件，放頂煤液壓支架尾梁機構受到的分布載荷 p（ x，t）的作用時，產生的振動位移為ω（ x，t），模型如圖1所示。

圖1　支架尾梁振動模型

放頂煤液壓支架尾梁機構受迫振動微分方程為:

假設支架尾梁在x0處受到下落的頂煤和矸石的撞擊力為P（t），則p（x，t）=P（t）δ（x0），其中δ（x）為脈沖函數，那么式（4）可變?yōu)?

如果支架尾梁初始狀態(tài)處于靜止時，上述解析式的解為:

當支架尾梁受到連續(xù)撞擊后產生的位移為:

通過式（3）和（7）可以看出，放頂煤液壓支架尾梁機構的響應特征是系統(tǒng)各階模態(tài)響應的綜合因素所致，在不同的激勵條件下，能激起不同模態(tài)的響應。頂煤和矸石下落撞擊支架尾梁是無序多變的隨機過程，找不到適合該過程的數學模型，對此應對不同地質條件工作面的多次實驗進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)該工作面的冒落規(guī)律。

2　放煤過程振動傳感器選型與安裝

2.1放煤過程監(jiān)測傳感器選型

采用振動感知方法，在液壓支架的尾梁上安裝振動傳感器，通過對煤塊或矸石砸在液壓支架尾梁上產生的振動信號進行感知，從而辨識放煤過程中的煤塊和矸石，該方法較為直接［7］。

綜合考慮放頂煤工作面實際情況以及頂煤或矸石沖擊尾梁機構產生振動特點來選擇合理的傳感器十分重要。頂煤冒落時沖擊放煤機構而產生振動信號，與該信號同時存在的干擾信號較多，由于系統(tǒng)對振動信號相位和頻率相應都有很高的要求，對信號的采集采用慣性傳感器，且伴隨現(xiàn)場地質條件的不同導致振動信號的頻率會有很大的變化，也需要一個寬帶寬的傳感器進行采集，基于上述考慮本系統(tǒng)選擇ADXL001iMEMS?高性能加速計［8］。液壓支架尾梁機構與加速度計傳感器連接采用強力磁鐵吸附方式，采取這種安裝方式會有效地避免由于安裝而產生的共振頻率，能夠使最高可用頻率保持在2kHz，其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2　振動傳感器功能框圖

現(xiàn)場沖擊信號所產生的信號幅值范圍適合選擇檢測范圍為±25g，且其具有高線性度:0.2%滿量程，其靈敏軸位于芯片平面內；傳感器內采用全差分信號處理，較好的抗電磁干擾（EMI）與射頻干擾（RFI），完全的機電自檢；其低功耗（3.5mA（典型值））以及5mm LCC陶瓷封裝的設計為系統(tǒng)硬件設計的小型化及系統(tǒng)低功耗開發(fā)提供了很好支持，并且已被廣泛應用于制造機械監(jiān)控、沖擊檢測、振動檢測等領域。

2.2放煤過程監(jiān)測傳感器安裝位置選擇

將煤矸識別傳感器安裝在支架尾梁腹部或側面某一合適位置是理想的選擇，為了對比煤矸識別傳感器安裝在支架尾梁側面和腹板處采集到振動信號的不同效果，在地面進行了模擬實驗［9-10］。

將兩個相同煤矸識別傳感器分別安裝在支架尾梁側面和腹板處，采集到的安裝在尾梁側面振動信號如圖3所示，尾梁腹板處的振動信號見圖4。

圖3　支架尾梁側面振動信號

圖4　支架尾梁腹板處振動信號

通過對比以上兩振動波形可以看出，將煤矸識別傳感器布置在支架尾梁腹板處采集的振動信號振幅明顯大于布置在支架尾梁側面振動信號，并且采集振動信號的密集程度也好于布置在支架尾梁側面的振動信號。該現(xiàn)象主要原因在于支架尾梁安裝煤矸識別傳感器的對應面即為尾梁的大背板，該處是直接與煤層上部冒落的頂煤和矸石產生撞擊的部位，因此支架尾梁腹板處產生的振動信號較支架尾梁側面更能實時精確地反映支架尾梁受冒落頂煤和矸石撞擊的真實狀態(tài)。

3　煤矸識別智能放煤井下工業(yè)性試驗

3.1煤矸差異的可辨識性

孫家溝煤礦放頂煤工作面的巖石主要以砂巖為主，呈白色，巖石硬度大，與煤塊的顏色硬度區(qū)別明顯，巖石撞擊到支架后不易破碎，對支架的沖擊力強。煤塊跌落到支架鋼板上時容易碎化，對支架的沖擊力相對較小。圖5是試驗中測試得巖石垮落時的典型振動信號波形，t=280s處是較多砂巖垮落的時間點，從振動信號波形上能明顯判斷出巖石沖擊信號與煤塊沖擊信號的能量差別。經過處理后的振動信號在手持終端屏幕上的圖形能反映出矸石下落的時刻。兩次試驗中得到的數據整體都能表現(xiàn)出煤塊與砂巖的沖擊信號能量值區(qū)別度大的特性。因此孫家溝煤礦的砂巖與煤塊硬度區(qū)別明顯，煤矸放落過程是可辨識的。

圖5　煤矸識別時刻的信號處理后波形

3.2煤矸放落過程的可控性

砂巖撞擊支架后，經過多長時間掉落到后部運輸機上也是試驗測試的重要內容。圖6所示為煤矸滑落時間，從圖中能粗略反映煤矸撞擊支架到掉落到后部運輸機上的Δt的時間分布。圖中Δt起止線是放煤工人看到矸石落到后部運輸機上時所做的時間標簽。試驗后再經過語音信號的確認，得到圖6中矸石落下標記對應的巖石撞擊時刻。

圖6　支架煤矸滑落時間測試

從圖6中的數據可以得出，Δt1=2.4s，Δt2=2.2s，Δt3=4.1s，滑落時間基本在2s以上。在安裝有電液控制器的工作面，電液控制器能夠控制尾梁在2s時間內往回收縮，能防止大尺寸石塊落下，從而保證后部運輸機和破碎機的安全，煤矸放落過程是可控的。

4　結 論

通過在支架尾梁上安裝振動信號傳感器以實現(xiàn)煤矸識別的方法結合了綜放工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)在經濟效益和安全作業(yè)兩方面的突出優(yōu)點，通過液壓支架電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能化放頂煤，為解決自動化放煤困難的問題提出解決方案，為綜放開采實現(xiàn)放煤的自動化智能化提供新途徑，對促進我國數字化礦井建設具有重要意義。

［1］《綜采技術手冊》編委會.綜采技術手冊［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2001.

［2］陳炎光，徐永圻.中國采煤方法［M］.徐州:中國礦業(yè)大學出版社，1991.

［3］許永江.無源紅外線煤巖界面探測系統(tǒng)［J］.煤炭科學技術，2003，31（1）:42-45.

［4］趙宏珠.綜采高產高效途徑及其成套設備可靠性研究［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，1993.

［5］秦劍秋.煤巖界面識別傳感技術［J］.煤礦機電，2003（26）:26-29.

［6］G L Mowrey.Horizon Control Holds Key to Automation［J］.COAL，1992，97（1），47-48.

［7］李守智，田敬民.智能傳感器技術及相關工藝的研究進展［J］.傳感器技術，2002，21（4）:61-64.

［8］王 祁，于 航.略談智能傳感器的設計與制造［J］.傳感器技術，1998，17（2）:50-53.

［9］白雪峰，廉自生.掩護式支架姿態(tài)監(jiān)測與控制的研究［D］.太原:太原理工大學，2003.

［10］周喜章.熱釋電紅外傳感器原理與應用［J］.傳感器世界，1996（7）:19-20.

［責任編輯：徐亞軍］

Intelligent Coal Caving with Gangue Identification Based on Tail Beam Vibration Signal Collection

MA Ying
（Coal Mining&Designing Department，Tiandi Science&Technology Co.，Ltd.，Beijing 00013，China）

The signal that induced by coal gangue impact was detected by vibrating sensors that installed on tail beam of top coal caving hydraulic supports.On the basis of math model of impact vibration signal of tail beam of hydraulic supports.Then sensors model was promoted out，the optimal installation position was confirmed by comparable experiments.The identifiability and controlability of gangue difference was verified by in practical.Intelligent coal caving with gangue identification include two side merits，its about economic benefits and working safety of electrohydraulic control system of hydraulic supports of fully mechanized coal caving working face.

gangue identification；top coal caving；hydraulic support；vibrating sensor；intelligent

TD823.4 9

A

1006-6225（2016）04-0040-03

2015-10-27

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.04.010

國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）：兩柱式超強力放頂煤液壓支架研制（2012AA06AA407）

馬 英（1982-），男，遼寧海城人，助理研究員，博士，主要從事煤礦開采、裝備技術研究。

［引用格式］馬 英.基于尾梁振動信號采集的煤矸識別智能放煤方法研究［J］.煤礦開采，2016，21（4）：40-42，25.