郭庄煤业液压支架自主跟机控制系统的应用研究.pdf

1512019 年第 7 期 郭庄煤业液压支架自主跟机控制系统的应用研究 武良杰 山西潞安郭庄煤业有限责任公司，山西 长治 046100 摘 要 为了改变郭庄煤业井下综采作业面液压支架完全靠人工根据采煤机、刮板输送机的位置进行调节，劳动强度大、 效率低下、定位精度差的难题，本文提出了一种液压支架的自主跟机控制系统，根据在郭庄煤业 11412 综采工作面的实际 验证，表明其具有定位精度高、自动化程度好的优点，极大地提升了郭庄煤业井下综采作业的效率。 关键词 煤矿井下 液压支架 自主跟机 控制系统 中图分类号 TD355.4 文献标识码 B doi10.3969/j.issn.1005-2801.2019.07.057 Application Research on Autonomous Tracking Control System of Hydraulic Support in Guozhuang Coal Industry Wu Liang-jie Shanxi Lu’an Guozhuang Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Changzhi 046100 Abstract The hydraulic support of fully mechanized mining face in Guozhuang Coal Mine is manually adjusted according to the position of shearer and scraper conveyor, which is characterized by high labor intensity, low efficiency and poor positioning. In order to solve the difficult problem, the paper puts forward an autonomous tracking control system of hydraulic support. After being verified in the 11412 fully mechanized mining face of Guozhuang Coal mine, it has perfect accuracy of positioning and high degree of automation, which greatly improves the mining efficiency. Key words underground coal mine hydraulic support autonomous tracking control system 收稿日期 2019-01-16 作者简介 武良杰（1986-），男，山西临汾人，2014 年毕业于 大同大学采矿工程专业，本科，现从事煤矿机电管理工作，助理 工程师，研究方向综采机电设备。 潞安集团郭庄煤业有限责任公司开拓采用立井 单水平方式，在井下进行综采作业时需要随着采煤 机、刮板输送机的运行不断调整液压支架的支护站 位，以确保井下综采作业的安全。目前郭庄煤业对 液压支架的调整完全依靠人工根据采煤机、刮板输 送机的位置来对其支护位置进行调节，劳动强度大， 效率低，支护定位精度差，严重影响了井下综采作 业的安全性和效率。为了克服这种现状，郭庄煤业 成立了专门的技术攻关小组，对液压支架的跟机自 动化技术进行研究，经过近 3 年的技术攻关，研究 了一种新的液压支架自主跟机控制系统，其能够根 据刮板输送机和采煤机的井下位置，自动对液压支 架支护组各个支架的动作方式、动作时间等进行调 节，完全实现了液压支架的自主跟机控制，目前其 已经在 11412 综采工作面投入了使用，表现出了极 高的稳定性。 1 液压支架自主跟机原理 在煤矿井下进行综采作业时，液压支架的核心 的支护姿态主要包括支护的高度、支架顶梁的支护 角度以及液压支架护帮板的收放时机，液压支架需 要根据采煤机和刮板输送机的位置进行自主决策， 完成对护帮板的收放、液压支架的升降、移位等动 作，且其支护时的姿态也需要根据综采作业的进行 而不断地进行调整。具体来说当采煤机沿前进方向 靠近液压支架时，液压支架需要在指定的距离开始 收回护帮板，避免其影响采煤机的截割作业，而位 于采煤机后方的液压支架则需要在采煤机远离一定 的距离后控制护帮板的打开。同时在采煤机最后侧 的液压支架需要在指定的距离上完成“降架 - 移架 - 升架 - 支护”，当液压支架完成移架后，由液压支 架上的推移液压缸将其推入刮板输送机的中部槽 处，进行下一组的支护。液压支架自主跟机与采煤 机、刮板输送机的动作原理如图 1 所示 [1]，图中箭 1522019 年第 7 期 头方向表示采煤机的运动方向，0 号液压支架的位 置表示正对液压支架的采煤机的中心位置，∆ x3表 示需要进行收护帮板的液压支架的区域，∆ x1表示 距离采煤机中心后侧需要伸出护帮板的第一个液压 支架的位置。∆ x2表示第一个需要进行推溜作业的 液压支架距离∆ x1位置的距离。 图 1 液压支架的自主跟机动作示意图 2 液压支架自主跟机控制方法研究 液压支架的自主跟机决策的实质是根据采煤机 的截割作业位置和状态决定执行何种跟机动作。由 于煤矿井下地质条件复杂，采煤机运行状态多变， 若完全靠传感器设备对采煤机的运行状态进行判断 则极易造成截割作业过程中截割滚筒与液压支架顶 梁产生干涉。因此为提高液压支架自主跟机控制系 统的控制精确度，本文引入了红外摄像机的视频监 控系统 [2]，通过对采煤机摇臂上的信标的监控来实 现对采煤机运行状态的精确判断，其自主跟机决策 流程如图 2 所示。 图 2 液压支架自主跟机决策流程示意图 由图 2 可知，当进行液压支架自主跟机决策控 制时，系统首先对视频系统的内部参数进行归零处 理，对视频监控设备在液压支架顶梁上的位置及采 煤机摇臂上信标的位置参数进行校核，然后通过视 频系统对 ArUco 信息图像进行监控，从而获得一些 3D-2D 信息图像的匹配参数，然后控制系统对获得 的信息参数进行求解转换，同时再结合红外监测机 各类传感器设备的监测数据即可求得采煤机与液压 支架的相对位置关系，及采煤机的下一步运行动作， 最后即可对液压支架的运行状态进行控制，实现自 主跟机控制。 3 液压支架自主跟机监测系统 在该自主跟机控制系统中以双 CAN 总线为基 础 [3]，建立了井下综采作业监控和井上控制中心的 数据信息监测与远程控制平台。将各监测设备监测 到的液压支架和采煤机的位置状态信号实时传输到 地面上的监测控制中心，由监测人员对其运行状态 进行监控，并根据运行情况及时进行人工控制干预 [4]，确保井下采煤机和液压支架协同运行的可靠性 与稳定性。井上监测控制中心的监测实时画面如图 3 所示。 图 3 井上远程监测控制中心实时监测画面 4 液压支架的自主跟机控制系统的应用 该液压支架自主决策系统已应用在郭庄煤业 11412 综采工作面，各类传感器设备在液压支架和 采煤机上的布置结构如图 4 所示 [4]。 图 4 液压支架自主跟机决策系统传感器布置结构示意图 利用该自主决策控制系统对井下截割作业时采 煤机的跟机控制过程进行监测，结果如图 5 所示。 图 5 液压支架自主跟机监控结果 由监测结果分析可知，该图所示为采煤机位于 19 号液压支架对应位置时液压支架的支护高度、顶 梁位置及支架联动推移曲线。当液压支架完成一个 完整的降架 - 移架 - 升架动作后，各个液压支架的 支护高度均保持在 16991702mm 之间，其顶梁的 支护角度的变化范围均维持在了 -1.8～ 0.8之 间，各液压支架支护状态维持性较好。液压支架执 行自主决策根据控制的实际运行曲线和理论分析的 液压支架的运行位置曲线基本重合，弯曲满足井下 自主跟机控制的要求。 （下转第 162 页） 1622019 年第 7 期 二叠系上石盒子组底部 K10 砂岩含水层、二叠系下 统山西组 K7 砂岩含水层、二叠系下统山西组 3 号 煤层顶板砂岩含水层。含水层特征如下 第四系及基岩风化带含水层厚3550m 左右， 由破碎的泥岩、砂岩组成，富水性差异较大。钻孔 单位涌水量为 0.0510.079L/sm，水质类型 HCO3- Ca 型，为富水性弱的裂隙含水层。 二叠系下石盒子组底部 K8 砂岩含水层层 厚 1.57.4m，平均 4.7m，位于下石盒子组底部， 下距 3 号煤层平均 31.3m。岩性一般为中、粗粒砂 岩，局部为细粒砂岩，厚度变化较大。单位涌水量 0.000033L/sm，为富水性弱的砂岩裂隙含水层。 二叠系下石盒子组中部砂岩含水层层厚 3.715.1m左右， 平均7.8m， 岩性以中细粒砂岩为主。 钻孔过程中冲洗液消耗量一般不大，为富水性弱的 砂岩裂隙含水层。 二叠系上石盒子组底部 K10 砂岩含水层层厚 2.813.2m，平均 4.8m，下距 3 号煤层平均 97.2m。 全区普遍发育，岩性一般为中、粗粒砂岩，裂隙较 发育。水动态比较稳定，为富水性中等的砂岩裂隙 含水层。 二叠系下统山西组 K7 砂岩含水层层厚 1.36.9m，平均 3.7m，位于山西组底部，上距 3 号 煤层 4.818.3m，平均 9.78m，岩性一般为中粒砂岩。 岩层整体性较好，钻孔单位涌水量 0.0201L/sm，渗 透系数 0.097m/d，为富水性弱的砂岩裂隙含水层。 二叠系下统山西组 3 号煤层顶板砂岩含水层 层厚3.8～9.9m， 平均6.4m， 位于3号煤层顶板以上， 下距 3 号煤层平均 8.4m，是 3 号煤层顶板直接充水 含水层。岩性为中、细粒砂岩，内部裂隙发育较少。 （5）瓦斯及地温 检查钻孔内 3 号煤层瓦斯含量为 5.1313.88m3/ t， 相 对 瓦 斯 涌 出 量 0.615.02m3/min， 瓦 斯 压 力 0.410.79MPa。 恒 温 带 深 度 为 55m， 温 度 为 11.7℃，地温梯度为 1.21℃ /100m，为地温正常区。 根据两检查钻孔内的勘查结果，矿井整个区域 内的地质条件变化较小，仅在地层厚度与岩性方面 存在一定的差异。 4 结论 本文以余吾矿新建风井工程为背景，对矿井检 查钻孔作用以及施工工艺进行了叙述，同时对矿井 地层、构造、煤层、含水层、瓦斯及地温等地质条 件进行了勘察。该勘察结果可为之后矿井煤层生产 提供地质基础，有利于风井井筒的施工。 【参考书目】 ［1］ 蒋胜文，郭子源，彭东 . 马城铁矿提前出矿技术 方案 [J]. 矿业工程，2015（3）19-21. ［2］ 胡良 . 漳村煤矿水文地质条件分析 [J]. 煤，2009 （9）24-27. ［3］ 冯军 . 利用抽压水确定水文地质参数的野外试验 研究 [J]. 科技创业家，2011（6）117-118. 通过在郭庄煤业一年多的应用，实现井下综采 面直接减员 5 人，液压支架支护效率提升 4.4 倍， 支护可靠性和稳定性也得到了显著的提升。目前该 项目已完成验收，计划推广到潞安集团其他煤矿。 5 结论 （1）采用红外摄像机的视频监控系统能够提 高对采煤机和液压支架相对位置与工作姿态判断的 准确性。 （2）在该自主控制系统作用下液压支架完成 一个完整的降架 - 移架 - 升架动作后，各个液压支 架的支护高度均保持在 16991702mm 之间，其顶 梁的支护角度的变化范围均维持在了 -1.8 0.8 之间，控制精度高。 （3）自动化程度高，实现井下综采面直接减 员 5 人，液压支架支护效率提升了 4.4 倍，支护可 靠性和稳定性也得到了显著的提升。 【参考文献】 ［1］ 汪佳彪，王忠宾，张霖，等 . 基于以太网和 CAN 总线的液压支架电液控制系统研究[J].煤炭学报， 2016，41（06）1575-1581． ［2］ 葛世荣，苏忠水，李昂，等 . 基于地理信息系统 GIS 的采煤机定位定姿技术研究 [J]. 煤炭学报， 2015，40（11）2503-2508． ［3］ 葛祥旭 . 基于嵌入式系统的煤矿综采自动化通信 控制系统设计与实现方法研究 [D]. 济南山东大 学，2013． ［4］ 杨海，李威，罗成名，等 . 基于捷联惯导的采煤 机定位定姿技术实验研究 [J]. 煤炭学报，2014， 39（12）2550-2556． （上接第 152 页）