溫 華

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 機(jī)電部，山西 太原 030024)

煤炭在我國能源結(jié)構(gòu)中的比重持續(xù)居高不下，其中薄煤層煤炭資源儲(chǔ)量豐富，超過80%以上的礦井擁有薄煤層工作面[1].在以綜合機(jī)械化為主流開采手段的現(xiàn)代化煤礦中，煤炭產(chǎn)量雖逐年提升，但由于薄煤層的自動(dòng)化控制技術(shù)還沒有得到廣泛推廣，導(dǎo)致薄煤層產(chǎn)量占比呈下降趨勢(shì)[2].為適應(yīng)薄煤層工作面少人無人的生產(chǎn)要求及建設(shè)智能礦山的發(fā)展要求，薄煤層綜采機(jī)電設(shè)備和與之相匹配的自動(dòng)化控制系統(tǒng)必須盡快完善。我國薄煤層液壓支架、采煤機(jī)和輸送機(jī)的自動(dòng)化控制研究已進(jìn)入實(shí)質(zhì)性階段，各子系統(tǒng)的協(xié)同工作與集中控制均取得很大的成功[3].相較于常見的中厚煤層開采，薄煤層工作面由于環(huán)境、適應(yīng)性等原因，自動(dòng)化控制技術(shù)推廣進(jìn)展緩慢，工作面設(shè)備無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程協(xié)同工作，仍然需要人工現(xiàn)場(chǎng)操作，造成部分薄煤層工作面出現(xiàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且產(chǎn)量不高的現(xiàn)狀[4].因此，針對(duì)薄煤層的自動(dòng)化控制技術(shù)展開研究，完善適用于薄煤層機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)控制技術(shù)，以使薄煤層工作面各設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)協(xié)同工作。

1 薄煤層液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)

1.1 基于采煤機(jī)位置的液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)

采煤機(jī)自身有一定的長(zhǎng)度，在采煤機(jī)采煤位置的液壓支架不能執(zhí)行任何動(dòng)作，只有采煤機(jī)滾筒前后的液壓支架執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。同時(shí)，為了使采煤機(jī)和液壓支架能夠協(xié)同動(dòng)作，液壓支架自動(dòng)跟機(jī)速度vz應(yīng)大于采煤機(jī)的牽引速度，即：

(1)

式中：

vc—采煤機(jī)牽引速度，m/s；

vz—液壓支架自動(dòng)跟機(jī)速度，m/s；

nz—同時(shí)移動(dòng)的液壓支架數(shù)；

tz—自動(dòng)跟機(jī)循環(huán)用時(shí)，s,現(xiàn)有控制方式下超過8.

bz—相鄰液壓支架中心距，m,取1.5.

采煤機(jī)割煤速度約為15 m/min，根據(jù)式(1)，則同時(shí)移動(dòng)的液壓支架數(shù)大于1架，在薄煤層自動(dòng)控制下，確保支架自動(dòng)跟機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，需要設(shè)置一定的移架范圍做為安全距離。

用Δxi表示第M架液壓支架與采煤機(jī)機(jī)身中心正對(duì)支架間的支架架數(shù)，根據(jù)定義可得：

Δxi=|M-N|

(2)

式中：

N—采煤機(jī)中心支架號(hào)；

M—執(zhí)行控制動(dòng)作的液壓支架編號(hào)。

采用MG2×160/710-AWD型薄煤層采煤機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度6.75 m，約占5架液壓支架寬度，則Δxi對(duì)應(yīng)值見表1.ZY3600/10/21D液壓支架自動(dòng)跟機(jī)特性見表2.

表1 薄煤層工作面Δxi對(duì)應(yīng)數(shù)值表

表2 ZY3600/10/21D液壓支架自動(dòng)跟機(jī)特性表

f1—f3為移架動(dòng)作，是“降-移-升”順序動(dòng)作的總稱，降柱后控制推移千斤頂移架，并且在移架完成后完成升柱動(dòng)作，及時(shí)支護(hù)頂板；f4為待命，確保移架和推溜之間具有一定安全距離；f2～f11為推溜過程，由于刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)特性，只能采用分步推移的方法，此區(qū)域段的液壓支架推移位移曲線將呈現(xiàn)“S形”。

液壓支架與執(zhí)行動(dòng)作的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：

fi?M

即工作面第M架液壓支架執(zhí)行動(dòng)作為fi，當(dāng)采煤機(jī)中心位于第N架液壓支架時(shí)，執(zhí)行fi動(dòng)作的為第M架支架，即表達(dá)式為：

fi=M=N-yΔxi

(3)

當(dāng)采煤機(jī)在工作面內(nèi)執(zhí)行記憶截割時(shí)，隨著采煤機(jī)中心支架號(hào)N的變化，液壓支架控制器時(shí)刻檢測(cè)當(dāng)前支架與采煤機(jī)的距離Δxi，并判斷當(dāng)前液壓支架應(yīng)該執(zhí)行的指令fi，按照上述規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)化跟機(jī)控制，見圖1.

圖1 液壓支架自動(dòng)跟機(jī)控制圖

當(dāng)薄煤層液壓支架與采煤機(jī)相對(duì)距離處于Δx1—Δx3架時(shí)，距機(jī)身中心處后方第3架液壓支架已完成當(dāng)前刀的截割，為保證頂板能夠得到及時(shí)支護(hù)，應(yīng)該立即完成“降-移-升”的順序動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)液壓支架的移架。

當(dāng)液壓支架與采煤機(jī)相對(duì)距離處于Δx5—Δx14架時(shí)，即機(jī)身中心處后方第5—14架液壓支架應(yīng)將刮板輸送機(jī)中部槽推移到下一刀的工作所在位置，此區(qū)域內(nèi)分別執(zhí)行推溜1/10～1個(gè)行程，形成S彎，此區(qū)域內(nèi)的液壓支架進(jìn)行推溜動(dòng)作時(shí)，將直接決定推移位姿的直線度。

1.2 基于液壓支架位姿的“降-移-升”調(diào)控技術(shù)

1)“降-移-升”調(diào)控技術(shù)研究。

液壓支架在自動(dòng)控制模式下進(jìn)行自動(dòng)跟機(jī)時(shí)，主要完成“降-移-升”動(dòng)作和推移刮板輸送機(jī)工作，“降-移-升”過程的執(zhí)行時(shí)間決定了液壓支架的支護(hù)質(zhì)量，薄煤層液壓支架自動(dòng)跟機(jī)的過程中，“降-移-升”過程應(yīng)盡可能縮短[5].因此，提出基于液壓支架位姿的“降-移-升”調(diào)控方法。

薄煤層液壓支架當(dāng)前支護(hù)高度H是反映支架當(dāng)前支護(hù)狀態(tài)的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)定義，液壓支架“降-移-升”過程中立柱降柱高度ΔH為：

ΔH=Hmax-H

(4)

式中：

Hmax—液壓支架完全撐起時(shí)的支護(hù)高度，m.

則傳統(tǒng)控制方式在參數(shù)化后，液壓支架脫離頂板時(shí)降柱高度ΔH1為：

ΔH1=Hmax-Hmin

(5)

式中：

Hmin—液壓支架脫離頂板時(shí)的支護(hù)高度，m.

以此為依據(jù)的“降-移-升”過程只能在降柱動(dòng)作執(zhí)行完成后開始拉架動(dòng)作，耗時(shí)較長(zhǎng)，適應(yīng)性較差?，F(xiàn)從Hmin—Hmax中取得臨界支護(hù)高度Hc，當(dāng)H=Hc時(shí)，支架推移千斤頂提供的拉架力Tc等于支架與頂?shù)装宓哪Σ亮χ停藭r(shí)液壓支架剛好能被拉動(dòng)，見圖2.

圖2 液壓支架臨界狀態(tài)受力圖

根據(jù)平衡條件，此時(shí)推移千斤頂拉架力Tc為：

Tc=pmfs+(pm+G)fx

(6)

式中：

pm—頂板壓力，MPa；

fs—支架與頂板的摩擦系數(shù)；

fx—支架與底座的摩擦系數(shù)；

G—液壓支架重力，kN.

由力矩平衡得出臨界支護(hù)高度下立柱支撐力Fc，另外通過支架壓力傳感器反饋的立柱底腔壓力確定的立柱支撐力Fc進(jìn)行匹配，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)礦壓情況確定Hc的具體數(shù)值，此時(shí)的降柱高度ΔH2為：

ΔH2=Hmax-Hc

式中:

ΔH2—臨界狀態(tài)下液壓支架降柱高度，m.

因ΔH2<ΔH1，以ΔH2作為觸發(fā)移架動(dòng)作條件，由傾角傳感器解算出ΔH=ΔH2時(shí)，液壓支架在降柱的同時(shí)開始執(zhí)行移架命令，實(shí)現(xiàn)邊降邊移，有效縮短“降-移”總時(shí)間，提高自動(dòng)跟機(jī)效率。根據(jù)液壓支架力學(xué)特性，此時(shí)液壓支架工作在帶壓移架狀態(tài)，推移千斤頂承受的移架力大于正常工作狀態(tài)，因推移千斤頂參數(shù)在液壓支架選型設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定，長(zhǎng)時(shí)間工作在此狀態(tài)會(huì)拉斷推移千斤頂，為保證推移千斤頂使用壽命，在移架過程中立柱繼續(xù)保持降柱動(dòng)作，直至液壓支架脫離頂板使支架高度降到Hmin，以減輕推移千斤頂負(fù)荷。薄煤層液壓支架“降-移-升”調(diào)控過程見圖3.

圖3 薄煤層液壓支架“降-移-升”調(diào)控過程圖

2)“降-移-升”工作特性分析。

為研究薄煤層液壓支架分段式“降-移-升”控制與基于液壓支架位姿的“降-移-升”調(diào)控的支護(hù)適應(yīng)性，對(duì)兩種控制方式下的液壓支架工作特性進(jìn)行分析。薄煤層液壓支架的降柱、移架、升柱動(dòng)作均由各千斤頂實(shí)現(xiàn)，各千斤頂動(dòng)作時(shí)間t可按下式計(jì)算：

(7)

式中：

V—千斤頂所需排出的液體體積，L；

q—供液流量，L/min.

ΔS=ΔHcosδ

(8)

式中：

ΔS—立柱動(dòng)作行程，m；

δ—立柱與豎直方向的夾角，(°).

ZY6000/10/21D液壓支架立柱缸徑320 mm，降柱時(shí)最大流量出現(xiàn)在立柱底腔，根據(jù)壓力損失取回液流量140 L/min.根據(jù)工作面的工況條件，得頂梁脫離頂板時(shí)立柱降柱行程為ΔS1=100 mm，處于臨界支護(hù)高度Hc時(shí)立柱的降柱行程ΔS2=50 mm，則采用分段“降-移-升”時(shí)液壓支架立柱降柱ΔS1需要時(shí)間t1為：

(9)

(10)

(11)

ZY600/10/21D液壓支架推移千斤頂無桿腔d160 mm，推桿d105 mm，流量300 L/min，根據(jù)式(9)、(10)，液壓支架移架800 mm所需要液體體積V2、移架時(shí)間t2為：

(12)

(13)

立柱升柱過程最大流量出現(xiàn)在進(jìn)油，則完成整個(gè)升柱過程所需進(jìn)液體積V3、升柱時(shí)間t3為：

(14)

(15)

(16)

(17)

薄煤層液壓支架分段“降-移-升”及基于液壓支架位姿進(jìn)行調(diào)控的“降-移-升”總時(shí)間見表3.

表3 “降-移-升”過程耗時(shí)對(duì)比表

采用基于液壓支架位姿的 “降-移-升”調(diào)控后，液壓支架可實(shí)現(xiàn)降柱卸載和移架工序的同步化，液壓支架“降-移-升”循環(huán)時(shí)間相較于分段控制縮短了30%，降低了自動(dòng)跟機(jī)過程中頂板破碎的可能性，有利于頂板管理，提高了薄煤層液壓支架的支護(hù)適應(yīng)性。

2 基于采煤機(jī)速度的刮板輸送機(jī)推移控制技術(shù)

現(xiàn)有的薄煤層刮板輸送機(jī)推移方式多為成組推移，即采煤機(jī)機(jī)身安全距離后8～10架液壓支架為一組，同時(shí)向煤壁側(cè)推移刮板輸送機(jī)。當(dāng)?shù)谝唤M刮板輸送機(jī)推移到位后，第二組刮板輸送機(jī)的彎曲段被動(dòng)生成，導(dǎo)致各節(jié)中部槽的推移狀態(tài)不受控制，將會(huì)影響推移過后的直線度[6].因此，提出一種基于采煤機(jī)速度的刮板輸送機(jī)順序推移控制方法，實(shí)現(xiàn)各節(jié)中部槽的自動(dòng)、可控推移，減少每節(jié)中部槽在推移過程中的反復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)。

刮板輸送機(jī)兩節(jié)中部槽由啞鈴銷連接，中間有間距，使得在液壓支架控制推移千斤頂對(duì)刮板輸送機(jī)進(jìn)行推移的過程中，刮板輸送機(jī)會(huì)產(chǎn)生一段彎曲區(qū)間，見圖4.

圖4 刮板輸送機(jī)彎曲段圖

刮板輸送機(jī)的彎曲段長(zhǎng)度可按下式計(jì)算：

(18)

每節(jié)中部槽的位移量y為：

(19)

式中：

Ng—行成彎曲段的中部槽節(jié)數(shù)；

αg—中部槽之間允許的最大水平轉(zhuǎn)角,(°)；

L1—中部槽寬度，m；

lg—中部槽長(zhǎng)度，m；

bg—相鄰中部槽之間夾角所對(duì)應(yīng)的弦長(zhǎng)，m.

代入薄煤層刮板輸送機(jī)參數(shù)可知，行成彎曲段的中部槽節(jié)數(shù)Ng為10節(jié)。

為使刮板輸送機(jī)推移速度匹配采煤機(jī)運(yùn)行速度，需要多臺(tái)支架同時(shí)執(zhí)行推溜動(dòng)作，由液壓支架控制器向目標(biāo)支架發(fā)送控制指令，第一架液壓支架開始推溜后經(jīng)延時(shí)T后，第二架液壓支架開始動(dòng)作。同理，一個(gè)彎曲段內(nèi)后續(xù)液壓支架經(jīng)延時(shí)后相繼開始推溜，并不斷行成新的彎曲段，則目標(biāo)支架收到推移控制指令頻率及延時(shí)為：

(20)

(21)

式中：

t4—刮板輸送機(jī)推移時(shí)間，s，取7.3.

代入得T=0.81 s，即在采煤機(jī)速度為15 m/min時(shí)，每隔0.81 s觸發(fā)一節(jié)中部槽，才能匹配采煤機(jī)的運(yùn)行速度。

執(zhí)行推移刮板輸送機(jī)命令的支架范圍Ns～Ne為：

Ns=N-Δx2+1

(22)

Ne=N-Δx2-Nz+1

(23)

則從推移開始到第一個(gè)彎曲段結(jié)束，有薄煤層工作面刮板輸送機(jī)自動(dòng)推移動(dòng)作時(shí)序圖見圖5.

圖5 刮板輸送機(jī)彎曲段推移時(shí)序圖

3 采煤機(jī)滾筒自適應(yīng)調(diào)高技術(shù)

以采煤機(jī)右滾筒為例，采煤機(jī)的姿態(tài)信息包括機(jī)身傾角和搖臂傾角，因底板狀態(tài)發(fā)生變化造成機(jī)身傾角和高度變化時(shí)，需要對(duì)搖臂傾角進(jìn)行調(diào)節(jié)，使?jié)L筒高度滿足控制要求[7-10].第i-1刀j點(diǎn)采煤機(jī)姿態(tài)圖見圖6.

圖6 第i-1刀j點(diǎn)采煤機(jī)姿態(tài)圖

由圖6可知，當(dāng)采煤機(jī)中心處于第i-1刀j點(diǎn)時(shí)，底板傾角為β1，右滾筒搖臂與機(jī)身平面的夾角為α1，以第i-1刀的采煤機(jī)位姿為基準(zhǔn)建立坐標(biāo)系，則當(dāng)前采煤機(jī)右滾筒高度h1為：

(24)

式中：

a—機(jī)身長(zhǎng)度，m；

b—機(jī)身高度，m；

l—搖臂長(zhǎng)度，m.

第i刀j點(diǎn)采煤機(jī)姿態(tài)圖見圖7.由圖7可知，當(dāng)采煤機(jī)中心處于第i刀j點(diǎn)時(shí)，采煤機(jī)機(jī)身傾角和高度因底板起伏發(fā)生變化[11-12]，此時(shí)底板傾角為β2，右滾筒搖臂與機(jī)身之間的夾角為α2，則此時(shí)采煤機(jī)右滾筒中心距底板高度h2為：

圖7 第i刀j點(diǎn)采煤機(jī)姿態(tài)圖

式中：

Δβ—第i-1刀和第i刀底板傾角的變化量，Δβ=β2-β1.

理想狀態(tài)下，采煤機(jī)第i刀和i-1刀在j點(diǎn)出的滾筒高度應(yīng)相等，即：

h1=h2+Δh

式中：

Δh—第i-1刀和第i刀底板高度的變化量。

則Si,j處右搖臂傾角值α2為：

α2=-Δβ+arcsin

(25)

則相對(duì)于第i-1刀右搖臂傾角變化值Δα為：

Δα=α2-α1

(26)

考慮底板高度變化Δh和底板傾角變化Δβ對(duì)采煤機(jī)記憶截割執(zhí)行效果的影響，當(dāng)采煤機(jī)處于狀態(tài)Si,j時(shí)的右滾筒搖臂傾角αi,j應(yīng)為：

αi,j=-Δβ+arcsin

(27)

執(zhí)行記憶截割時(shí)，采煤機(jī)前滾筒實(shí)際高度hi.j為：

(28)

當(dāng)薄煤層采煤機(jī)機(jī)身傾角變化Δβ或底板高度變化Δh時(shí)，采煤機(jī)可調(diào)整當(dāng)前前滾筒搖臂傾角αi,j來實(shí)現(xiàn)截割高度的自動(dòng)適應(yīng)，滾筒高度自動(dòng)補(bǔ)償方法見圖8.

圖8 薄煤層采煤機(jī)記憶截割滾筒高度自動(dòng)補(bǔ)償方法圖

通過滾筒高度自動(dòng)補(bǔ)償，可使薄煤層采煤機(jī)在底板任意起伏的情況下實(shí)現(xiàn)搖臂的自適應(yīng)調(diào)整，其執(zhí)行效果見圖9.

圖9 滾筒高度自動(dòng)補(bǔ)償效果圖

如圖9所示，采煤機(jī)前滾筒的截割高度能夠適應(yīng)底板高度和傾角的變化，當(dāng)?shù)装鍫顟B(tài)發(fā)生變化時(shí)，通過薄煤層采煤機(jī)滾筒自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)調(diào)整搖臂角度實(shí)現(xiàn)滾筒高度自動(dòng)適應(yīng)，輸出新的理論截割高度[13]，并以此為依據(jù)，調(diào)節(jié)采煤機(jī)滾筒的實(shí)際截割高度，使?jié)L筒實(shí)際截割高度與新的理論高度一致。

4 結(jié) 語

1)為實(shí)現(xiàn)薄煤層自動(dòng)化控制功能，以自動(dòng)化控制模型為依據(jù)，對(duì)薄煤層的自動(dòng)化控制關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。以液壓支架位姿和采煤機(jī)位置信息為基礎(chǔ)，確定了基于液壓支架位置姿態(tài)的自動(dòng)跟機(jī)過程“降-移-升”調(diào)控技術(shù)，并通過理論計(jì)算得到了調(diào)控后的移架循環(huán)時(shí)間為原有方法的70%.

2)根據(jù)采煤機(jī)、液壓支架和刮板輸送機(jī)三者間的配合關(guān)系，提出刮板輸送機(jī)順序控制方法，通過分析中部槽推移頻率得出刮板輸送機(jī)推移延時(shí)，以實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)位移精確控制。

3)通過薄煤層采煤機(jī)滾筒自動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)調(diào)整搖臂角度實(shí)現(xiàn)滾筒高度自動(dòng)適應(yīng)，輸出新的理論截割高度，調(diào)節(jié)采煤機(jī)滾筒的實(shí)際截割高度，使?jié)L筒實(shí)際截割高度與新的理論高度一致，使采煤機(jī)搖臂能夠自動(dòng)適應(yīng)底板的起伏。