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的一个主要任务就是人为调整液压支架和采煤机工作状态。综采工作面生产工艺过程控制目标是多目标、多层次的，除综采机组控制目标外，还有机道运输、采高、通风等系统的目标制约。煤岩界面不是控制采煤机滚筒割煤高度的基本目标 采煤机滚筒沿煤岩界面截割可以尽可能减少资源损失，提高工作面回采率，因此，这可能是长期以来，一直以沿煤岩界面割煤作为采煤机滚筒调高基本目标的原因，并把煤岩界面识别技术作为采煤机实现自动割煤的关键技术进行了大量的研究工作。但是，目前煤岩界面识别技术本身还没有取得重要突破，也没有成功应用于采煤机割煤过程控制的有效例证。实际上煤岩界面并不是控制采煤机滚筒割煤高度的基本目标，主要理由如下。）综采工作面采煤工艺现场观测和大量调查表明，采煤机司机一般都不会以煤岩界面做为采煤机割煤高度的实时控制目标，控制采煤机滚筒沿煤岩界面截割与现场生产实际不符。）由于自然成煤过程的复杂性，一般来说煤岩界面都会存在一定的起伏不平。如果采煤机沿煤岩界面截割，则形成的工作面顶、底板也必然不会平整。工作面顶底板不平整，则刮板输送机和支架难以铺设平直，其本身工况和采煤机工况都会处于不断恶化的状态，必然会导致工作面故障率增大，生产安全不能保证，也必然影响生产效率。）综采采煤工艺过程是一个自开路的随机过程，工作面顶、底板不平整状况，包括工作面液压支架和刮板输送机的不齐直、煤壁不平直都是一个自动加剧的动态过程，也就说综采机组工况本身具有不断恶化的趋势，因此采煤工艺过程中需要不断调整以有效控制顶底板不平直、液压支架和刮板输送机不平直状况。）在综采设备选型配套时，一般根据该机组计划使用区域的煤层厚度及其变化情况，以资源回收率最大化来确定机组适用的采高，其中最大采高 一般根据煤层厚度均值 及均方差 确定，即 ，为不大于 的系数，而最小采高则主要取决于液压支架结构特征，一般采煤机难以完全沿煤岩界面割煤。煤岩界面不是控制采煤机滚筒割煤高度的基本目标，但这不影响煤岩界面技术研究科学意义。工作面采高控制采高与工作面采出率密切相关，是综采工作 面生产管理中一个重要指标。煤层厚度是确定工作面采高的重要依据，在综采机组选型配套时，根据机组计划使用范围的煤层厚度特征，以煤炭损失最小为目标确定合理采高，并据此选择液压支架、采煤机和刮板输送机。而在一个具体综采工作面，采煤工艺过程中实时采高不仅受煤层厚度，还受机组性能的限制，也受工作面巷道布置的影响。实际采煤工艺过程中，工作面推进过程每一刀煤的具体采高应该根据工作面当前煤层厚度及变化特征，结合设备性能参数和巷道布置综合确定。在采煤机每一刀割煤的具体过程中，工作面采高控制是相对宏观的目标，应当优先满足割平顶底板的要求。设计采高是工作面生产过程中采高控制的目标，但它不是采煤机割煤高度实时实际操控目标，因此生产实践中合理采高就是在努力割平顶底板的前提下尽量少割顶底板岩石，尽量增大采高。工作面巷道布置科学合理是实现安全高效生产的主要基础，实际中由于各种原因会出现工作面巷道顶、底板与工作面顶、底板不一致的特殊情况，一般采用一段弧线来过渡，但应严格控制过渡段顶底板的曲率，顶板也可采用台阶式过度。从采煤工艺角度，这种情况极不利于综采工作面实现安全高效生产，应当尽量避免。采煤机每刀煤的采高首选等采高，这样简单，易于控制，有利于保证工作面工程质量，当煤厚变化较大时，可采用分段线性变采高，但分段数要尽量少，每段长度不应过短，相邻段的采高不应相差过大，分段之间过度弧线半径满足式（）。采煤机滚筒自适应割平顶底板控制模型综采工作面向前推采过程中，努力割平顶底板是控制采煤机的基本要求。工作面顶底板平整程度控制原理相同，下面以工作面底板平整程度为主建立控制模型。综采工作面底板坡度及采煤机位置和姿态描述 采煤机是整个机组设备运动中的关键设备，其空间位置和姿态十分重要，它直接控制着工作面顶底板和煤壁形态，控制和调整着综采机组的整体运动方向和工作面工程质量。工作面底板坡度是调控综采机组所需的基础信息，综采工作面采煤机自适应割平底板控制时需要知道工作面底板坡度。由于刮板输送机直接铺设在地板上，因此可认为底板坡度与刮板输送机一般是一致的。由于采煤机沿刮板输送机行走，故其空间位姿与刮板输送机位姿直接关联，目前已经可以通过多种方法得到工作面底板坡度，采煤机的位置和姿态参数可以通过采煤机惯导系统等直接求出；也可通过采煤机和刮板输送机之间的接触和运动关系计算出采煤机在各个方向上的位置和角度，从而得到工作面底板坡度；还可通过工作面空间形态激光扫描等技术得到沿工作面倾向刮板输送机铺设坡度；当然通过专门监测刮板输送机溜槽或电缆槽坡度也可以得到工作面坡度。不同方法相互校验可以提高采煤机位置姿态参数及工作面坡度确定精度。文献建立了以工作面底板平面、煤壁和过刮板输送机机头链轮轴线竖平面构成综采工作面全局坐标系。采煤机滚筒自适应“底板平”的割煤高度控制 从机组运行来说，理想的综采工作面底板应为一条直线，底板曲率半径 越大，机组工况越好，应不小于刮板输送机允许的最小曲率半径。与底板起伏状态参数、采煤机几何特征参数关联。由式（）可以推导出，底板曲率半径 与滚筒底板割煤高度误差 的关系，见式（）。（）（）以底板曲率半径 最大化为目标函数，以式（）及综采工作面底板允许的最小曲率半径 为约束条件，综采工作面采煤机割平底板非线性规划控制方程组，见式（）。（）（）以当前实测 值为自变量，以 为因变量，可以求解出使工作面底板不断趋平的采煤机底板割煤高度理论调整量。为实现“底板平”的目标，需要根据采煤机所在位置及附近顶底板起伏弯曲变化特征，及时调整滚筒割煤高度，使得割煤过程至少应该挤消由于滚筒外伸引起的底板起伏误差，自适应调整滚筒割煤高度，以便至少不加剧顶底板起伏变化程度，这是采煤机割煤过程控制的最低要求，也就是滚筒割煤高度自适应调整量下限值。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为实现“底板平”的目标，割煤过程必须进行“削凸留凹”的修正，即在底板凸起段加大割煤卧底量，在凹陷段增大割煤留底量，才能使工作面底板逐步从不平整向平整转化。修正量 应根据底板凸凹起伏程度确定，但单刀修正量不能过大，以免沿工作面推进方向倾斜坡度变化过大或顶底板上出现过大台阶而影响移架推溜。根据现场经验可确定出一个合理上限值，一般取 为宜。各凸起、凹陷段中心点的凸凹幅度 可用式（）估算。|（）实际工作面采煤机割煤控制中，可以选取以采煤机为中心附近一定长度范围来计算顶底板凸凹起伏量、坡度变化 和，长度范围一般取（）。工作面某点处采煤机滚筒割煤高度每刀的总修正值 就等于割煤误差再加上进一步调平工作面顶底板的“削凸留凹”值，即 （）式中 为底板凸起段，为底板凹下段。同时应满足：，联立式（）式（）就是采煤机割煤高度控制模型。顶板调整同理。据此，持续对工作面局部顶底板坡度进行不断地调控，从而使得工作面顶底板坡度变化能控制在一定范围内，即，。结 论）综采工作面的采煤机、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的有机整体，综采工作面向前推进的采煤工艺过程是一个自开路、不重复的随机过程。）采用底板坡度曲线的曲率半径描述底板综采工作面底板平整程度，由于采煤机摇臂的外伸作用，采煤机割煤高度误差引起的工作面顶底板不平会不断加剧，工作面液压支架和刮板输送机的不齐直、煤壁不平直也都是一个自动加剧的过程。）综采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是采煤工艺过程中控制（驾驶）综采机组的基本目标；工作面工程质量控制是综采工作面生产工艺过程中综采机组操作控制的具体目标，沿煤岩界面不是采煤机滚筒割煤控制的具体目标，综采机组（驾驶）控制中，采煤机割平底板目标应该优先满足。）提出了底板起伏变化引起的采煤机滚筒割煤高度误差计算方法，给出了一种采煤机自适应“顶底板平”的割煤高度控制模型。参考文献（）：王国法，赵国瑞，任怀伟 智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析 煤炭学报，（）：，（）：武强，涂坤，曾一凡，等 打造我国主体能源（煤炭）升级版面临的主要问题与对策探讨 煤炭学报，（）：，（），（）：王国法，张德生 煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望 中国矿业大学学报，（）：，（）：王国法，刘峰，孟祥军，等 煤矿智能化（初级阶段）研究与实践 煤炭科学技术，（）：，（），（）：范京道，王国法，张金虎，等 黄陵智能化无人工作面开采系统集成设计与实践 煤炭工程，（）：，（）：唐恩贤，张玉良，马骋 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