木瓜煤矿6.5m大采高智能化工作面三角煤工艺现场实践与优化.pdf

目前木瓜煤矿综采智能化工作面现场应用中部采煤机割煤、中部支架自动跟机，现场比较成熟，但在割三角煤区间时，由于工艺复杂及限制条件众多等原因，导致现场应用过程中自动化程度偏低，影响综采智能化工作面整体的自动化水平。为了提高智能化工作面整体的自动化水平，本文以木瓜矿综采工作面三角区割煤工艺的现场实践为依据，从各类设备的运行原理出发，结合现场各种条件按照分析、改进、实践的步骤进行优化。现场实践证明，改进后的工艺切实提高了三角区采煤机的智能化割煤率。为煤矿综采智能化的全国大面积普及深入推广提供了丰富的现场经验。关键词：智能化工作面；自动截割率；自动跟机率中图分类号：文献标识码：开放科学（资源服务）标识码（犗 犛 犐 犇）：犉 犻 犲 犾 犱犘 狉 犪 犮 狋 犻 犮 犲犪 狀 犱犗 狆 狋 犻 犿 犻 狕 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犜 狉 犻 犪 狀 犵 狌 犾 犪 狉犆 狅 犪 犾 犻 狀犐 狀 狋 犲 犾 犾 犻 犵 犲 狀 狋犠 狅 狉 犽 犻 狀 犵犉 犪 犮 犲狑 犻 狋 犺 犿犔 犪 狉 犵 犲犕 犻 狀 犻 狀 犵犎 犲 犻 犵 犺 狋 犻 狀犕 狌 犵 狌 犪犕 犻 狀 犲犛 犝 犖犔 犻 犪 狀 犵（犕 狌 犵 狌 犪犕 犻 狀 犲，犎 狌 狅 狕 犺 狅 狌犆 狅 犪 犾牔 犈 犾 犲 犮 狋 狉 犻 犮 犻 狋 狔犌 狉 狅 狌 狆，犛 犺 犪 狀 狓 犻 犆 狅 犽 犻 狀 犵犆 狅 犪 犾犌 狉 狅 狌 狆，犔 狔 狌 犾 犻 犪 狀 犵 ，犆 犺 犻 狀 犪）犃 犫 狊 狋 狉 犪 犮 狋：，犓 犲 狔狑 狅 狉 犱 狊：；收稿日期：作者简介：孙亮（），男，河北邯郸人，本科，工程师，从事煤矿智能化开采研究工作，：引文格式：孙亮木瓜煤矿 大采高智能化工作面三角煤工艺现场实践与优化山西煤炭，（）：，（）：，工程概况木瓜煤矿二盘所开采煤层为石炭系下统太原组的（合并层）煤层，煤层硬度为，宏观煤岩类型为半亮型、玻璃光泽、阶梯状断口、中厚层状；赋存较稳定，无明显变化，综采工作面煤层倾角 ，平均。设备配套详细参数如表所示。表智能化工作面设备配套 序号设备名称型号数量单位备注采煤机 台中间液压支架 架过渡支架 架机头、机尾各架端头支架 架机头、机尾各架正巷超前支架 套三架一组分体式副巷超前支架 套三架一组刮板输送机 套 转载机 套 破碎机 套 皮带自移机尾 套 胶带输送机 部 乳化液泵站 套三泵二箱、含水处理、控制系统等 负荷中心 台 变压器 （）台 变频器 台 设备列车套共 节 智能化设备套 喷雾泵 套两泵一箱应用于综采智能化工作面的乳化液智能供液技术、支架电液控制技术、采煤机智能化监控技术、视频监控技术、设备远程监控技术、综采集中控制技术日渐成熟，综采智能化工作面逐步向“有人巡视，无人操作”的方向进行探索。受现场地质条件、设备条件、应用环境、人员素质差异的影响，智能化开采技术现场应用情况参差不齐。在智能化开采过程中，采煤机自动截割率、支架自动跟机率在中部割煤所受的外部条件影响相对较小时，可判定智能化率较高。但现阶段，木瓜矿在割三角煤区域时智能化率较低，有些智能化综采工作面在处理三角煤工艺时，中间段完成后进入端头端尾时需要人工切换工艺段。本文以智能化系统现场割煤为实验基础，通过深入分析端头、端尾割三角煤时受工作面起伏、工作面支架直线度、工作面刮板上窜下滑、传感器采样累积误差影响导致三角煤智能化率低的原因，并进行优化，同时应用于现场实践，探讨提高木瓜煤矿大采高智能化工作面三角煤工艺区域智能化率的可行性，并得出提高综采工作面智能化率的具体方法。三角煤工艺现场实践现状及问题分析采煤机的自动截割原理：采煤机的行走轨迹是根据刮板输送机的导轨走向来确定的，采煤机智能化系统记录当前坐标下的采煤机的实时前后摇臂高度和速度等信息，以采煤机相对刮板输送机的位置为犡坐标轴，采煤机各类实时参数（包括摇臂高度、速度）为犢坐标轴建立坐标系。现场学习刀，即通过有经验的采煤机司机进行示范割煤，采煤机智能化系统记录相关参数（采煤机牵引速度、左摇臂高度、右摇臂高度）。记忆截割，即读取采煤机智能化系统的相关参数进行自动割煤。木瓜煤矿智能化工作面平均采高为 ，安装有滚筒 的大功率采煤机，工作面安装有电液控支架，长壁式一次采全高模式开采。割三角煤区域期间较中部割煤期间的工艺更加复杂，具体见图和图所示。由于采煤机精准割透煤壁以及超前两巷机械设备众多，限制条件较多，需要较多的人工干预，现场采煤机自动截割率如图所示，支架自动跟机率如图所示。第期孙亮：木瓜煤矿 大采高智能化工作面三角煤工艺现场实践与优化中部自动移架过后切换为端尾斜切第一阶段；采煤机到达机尾返刀后切换为第二阶段；采煤机越过斜切架切换成第三阶段；采煤机割透煤壁返回中部第四阶段图采煤机端尾割煤工艺 中部自动移架过后切换为端头斜切第一阶段；采煤机到达机头返刀后切换为第二阶段；采煤机越过斜切架切换成第三阶段；采煤机割透煤壁返回中部第四阶段图采煤机端头割煤工艺 图工艺优化前木瓜矿 工作面采煤机自动截割率 图工艺优化前木瓜矿 工作面支架自动跟机率 实践中存在的问题 采煤机与煤壁相对位置误差采煤机执行自动截割的精度取决于工作面刮板输送机与煤壁的相对位置。智能化综采工作面在执行记忆截割时，经多个循环后会出现在割三角煤过程中割不透煤壁或超挖等由于精度原因造成的误山西煤炭第 卷差，如果不经过人工干预容易出现工作面煤壁没有破开或出现采煤机滚筒割到设备的情况，而且这种误差在记忆截割的割煤方式下会随着工作面的推进，受地质条件变化、工作面平直度等因素的影响越来越明显，需要人工干预的次数越来越多，且此时再录入学习刀后，由于现场条件限制，记忆截割效果依旧不理想。编码器自身精度问题由于现场使用的旋转编码传感器多为机械结构编码器（见图），采煤机通过旋转编码传感器给出采煤机的相对位置与速度，工作面起伏、直线度均会影响相对位置的采集精度。在端头或端尾处是整刀煤精度的最终表现，如果存在正误差，即出现超挖情况，这时候如果没有人工干预可能会出现采煤机滚筒割到其他机械设备的可能；如果存在负误差，即出现采煤机滚筒无法割透煤壁的情况，也需要增加人工干预。无论是正误差还是负误差都会增加理论上的人工干预次数，降低自动截割率。图采煤机编码器布置图 多个循环下的累积误差采煤机在长时间运行后可能会偏离其预定轨迹或操作区域，从而导致操作不准确，引发安全问题。采煤机自动截割过程中由于累积误差的存在，会导致截割滚筒的高度和角度与煤壁的相对位置不匹配，影响截割效率和质量。由于采煤机在中部割煤时，煤壁的变化具有渐变的特点，累积误差对记忆割煤的影响不大，采煤机在割端头端尾时将存在一个极限位置，在极限位置时采煤机会远远超过煤壁，如果不加控制，滚筒会割到设备造成现场事故。记忆截割折返点的确定在三角煤割煤工艺中，采煤机第一次到达端头端尾为割透，采煤机向中部行进为扫底煤工艺，扫底煤工艺段完成后采煤机卸切进刀由中部折返回端头端尾。由于每次采煤机折返回端头端尾的架号不固定或者由于煤未扫干净（影响刮板输送机推进）需要多次往返扫底煤，引起三角煤割煤工艺区段的误变化，在此情况下设置端头端尾与中部分界点进行往返扫，会导致支架程序误判为进入下一个三角煤工艺。现场实践分析 采煤机定位精度采煤机割煤期间以刮板输送机为位置参考，工作面的起伏变化、工作面直线度、工作面推进过程中与上刀煤平行度的变化等，都会造成刮板输送机相对于煤壁的位置发生偏移，这种偏移造成的采煤机记忆截割的定位误差，将导致采煤机记忆截割参数中采煤机位置信息与采煤机牵引速度、左摇臂高度、右摇臂高度不匹配。在中部割煤期间，由于煤壁变化平缓，记忆截割现场效果影响不大，不构成影响智能化率的主要因素；而在割三角煤区域期间，刮板输送机与煤壁相对位置的精度误差会直接影响煤壁是否能割透或超挖造成机械事故。参照物定位精度采煤机的电机轴与牵引编码器相连，牵引编码器以齿轮啮合的方式计算并获取采煤机相对于刮板输送机的位置。采煤机在刮板输送机上的位置确定精度较高，但刮板输送机相对于煤壁的位置受地质条件等因素影响误差较大，由此可知参照物定位容易出现问题。机械结构的编码器无法根据现场条件进行在线校正，累积误差易造成精度失控，编码器本身并没有问题，主要是地质条件等外部因素造成参照物定位精度误差不可控。采煤机限位装置采煤机在端头端尾割煤时，到达采煤机的限位装置需要加设外在硬件限位装置或软限位装置，保证在特殊情况下，采煤机不超过极限位置，并在限位装置处对采煤机相对于机头机尾的位置进行校准，从而保证采煤机的定位精度，防止机械事故发生。另外由于大采高工作面支架容易上窜下滑，刮板输送机会随着支架上窜下滑，极限位置也因工作面实际条件而发生变化；在极端情况下可采用采煤机与端头端尾的实测距离为参考值，来抵消工作面起伏过大或直线度不高造成的误差。采煤机折返点的判断及支架自动跟机率由于割三角煤期间支架进行自动跟机作业，而设定的端头端尾的架号是一定的，现场实践中割煤没有割透或煤量较大需要扫煤时采煤机应及时折返作业，此时，采煤机将位置变化信息传给支架，支架容易出现误判，导致支架的跟机作业操作动作超前或滞后。由于采煤机折返点的变化，原定折返点也会发生变化，易产生采煤机没有割到的情况，也易产第期孙亮：木瓜煤矿 大采高智能化工作面三角煤工艺现场实践与优化生采煤机超过折返点多割的情况，工艺段的误变化会导致出现刮板输送机推不动的情况，发生这种情况的主要原因是扫煤不干净，而多次往返扫煤或进行人工操作采煤机未到折返点时强行折返进入下一工艺段，导致产生折返点的变化与固定折返点的矛盾。综上分析，采煤机在割三角煤时位置的确定、误差的消除、极限位置、折返点受制于工作面的起伏变化、工作面直线度等现场条件，采煤机与煤壁相对位置的确定基于开环控制，没有对反馈信息进行及时修正。由于现场地质条件不断发生变化以及累积误差的存在，将会影响记忆截割精度，需要在关键点进行人工干预，降低了三角煤区域的智能化率。三角煤工艺现场优化设计）对采煤机传感器增加动态校正功能。通过在采煤机割透位置、固定位置等关键点增加额外传感器，对采煤机相对于煤壁的位置进行多点校正，消除采煤机因工作面的起伏变化、工作面直线度、工作面推进过程中上刀煤平行度等变化造成的累积误差。在采煤机智能化系统中增加在线校正功能，保证能够及时调整可预见误差。）对编码器进行优化。一是使用电子式位置传感器，可以在采煤机割煤期间在线进行调整，也可以对刮板输送机与煤壁的相对位置进行人工校正，在采煤机进端头端尾之前对采煤机与煤壁的相对位置进行再一次校正，保证端头端尾精度的要求。二是可以使用更先进的编码器，例如磁性旋转编码器，这种编码器具有更高的精度和可靠性，能够更好地适应采煤机的工作环境。三是优化编码器的机械结构，使其对采煤机工作面起伏和直线度等因素的影响降到最低。四是增加编码器的冗余度，使用多个编码器对相对位置进行测量，以提高精度和可靠性。五是通过使用自适应算法对编码器的测量数据进行处理和纠正，以提高其精度和可靠性。）安装采煤机限位装置。在采煤机身和挡煤板上安装对位传感器，当传感器对位时给采煤机发出极限位置信号，采煤机停止行进，保证采煤机不会因为误差造成超挖而割到端头端尾的机械设备。挡煤板的对位传感器可以根据现场实际条件人工调整传感器的位置，消除因各类因素造成的极限位置误差，避免重大设备事故的发生。）设置折返点多重判断机制，优化支架跟机动作流程。对于折返点不在固定位置，设置折返点的判断区间。设置折返点区间与采煤机行进方向的联合判断机制。如果折返点与采煤机行进方向一致可以认为是扫煤阶段，需将三角煤工艺段退后一个阶段。增加三角煤工艺的折返点多重判断机制的变化，支架跟机流程也需要相应做出变化，折返点不同造成刮板输送机推送的起点不同，支架跟机拉架的起点也发生变化。三角煤工艺的折返点多重判断机制会动态判断三角煤工艺的实际折返点、实际工艺阶段。三角煤工艺现场优化设计后得到的采煤机自动截割率如图所示，支架自动跟机率如图所示。由图可知，采煤机自动截割率和支架自动跟机率均出 现 上 升，通 过 优 化 使 采 煤 机 自 动 截 割 率 由 上 升 至 ，支 架 自 动 跟 机 率 由 上升至 。三角煤工艺探索方向）增加采煤机定位传感器，要求传感器具备在线校正功能，未来可结合透明工作面提供的详细精准的数据为支撑，对采煤机位置进行实时校正或给定，以适应复杂的地质条件。精准实时的传感器数据是实现采煤机精准定位的基础。）在采煤机控制方面，增加人机交互功能及可视化调试参数页面的功能，现场操作人员可以根据工作面的条件进行数据调整，并结合现场工作面起伏变化、工作面直线度及其他地质因素，进行实时模拟，优化记忆截割各类参数，保证数据真实性。）增加信息采集系统数量，收集采煤机执行操作后的结果，并根据数据结果生成指令指导下次操作，即形成对采煤机的闭环控制系统，提高数据采集率和执行精度。）设备安装环境优化。采煤机是运行设备，传感器的安装、在线调试都需要一定的空间，在运行中容易受到外物，如煤块坠落的影响，应注意安装位置的合理性，必要时可增加保护装置以适应复杂的地质条件。）增加智能判断逻辑，现场受地质条件、作业环境及人员操作习惯的影响，不可能执行简单重复一致的操作，可通过多参数预处理，智能判断设备的当前运行状态、下一步运行状态及状态切换点，实现多人操作习惯与设备的通用磨合，以增加智能设备的适用性。山西煤炭第 卷图工艺优化后木瓜矿 工作面采煤机自动截割率 图工艺优化后木瓜矿 工作面支架自动跟机率 结论相比于智能化大采高综采工作面采煤机的中部自动截割，三角煤工艺复杂，受外部限制条件较多。通过对三角煤工艺限制条件的讨论和优化，智能化工作面的自动截割率和支架自动跟机率分别提升 和 ，极大提高了三角煤工艺现场的可实施性，解决了智能化大采高综采工作面制约三角煤自动截割率较低、人工干预过多的问题，在智能化工作面“有人巡视，无人操作”方向进行了积极的探索。参考文献：李首滨智能化开?研究进展与发展趋势煤炭科学技术，（）：，（）：（下转第 页）第期孙亮：木瓜煤矿 大采高智能化工作面三角煤工艺现场实践与优化 ，（）：潘森林，高瑾永磁同步电机无速度传感器控制技术综述微电机，（）：，（）：张蔚，王家乐，梁惺彦，等混合励磁轴向磁通切换永磁电机全速域无位置传感器控制中国电机工程学报，（）：，（）：夏立峰基于滑模观测器的永磁同步电机转子角度估算的研究现代机械，（）：，（）：乔铭永磁同步电机直接转矩控制仿真现代制造技术与装备，（）：，（）：郑大坤，周云山，李航洋，等基于 的无传感器永磁同步电机控制器设计微电机，（）：，（）：，：，（）：叶鹏电动汽车用 无速度传感器控制研究淮南：安徽理工大学，（编辑：安娜）（上接第 页）王国法，杜毅博，徐亚军，等中国煤炭开采技术及装备 年发展与创新实践：纪念 煤炭科学技术 创刊 周年煤炭科学技术，（）：，：，（）：王碧荣综采工作面三角煤回采工艺研究山西冶金，（）：，（）：，葛世荣，王忠宾，王世博互联网采煤机智能化关键技术研究煤炭科学技术，（）：，（）：詹召伟煤矿综采工作面智能化开采关键技术和发展方向能源与节能，（）：，（）：王国锋，沈飞，程立严，等顾桥煤矿智能化综采工作面建设关键技术及改进方向中国煤炭，（）：，（）：佟化洲，鲁玉龙，李洪阳煤矿采煤机智能化关键技术探讨中国设备工程，（）：夏护国采煤机位置监测装置的原理与应用矿山机械，（）：（编辑：安娜）山西煤炭第 卷