摘要：提出了一种新的采煤机智能截割控制系统。该系统采用了智能化的煤岩识别技术和位姿检测技术，能实现对采煤机综采作业过程中位姿状态和截割作业的自动监测、调整。实际应用表明，该系统能将井下综采作业效率提升14.1%，将采煤机的触顶异常降低96.4%，显著提升了井下综采速度和安全性。
关键词：采煤机；截割控制；位姿检测；煤岩识别
采煤机是煤矿井下“三机一架”的核心，主要通过截割滚筒将煤炭从煤壁上截割下来。由于煤矿井下地质条件复杂而且不同区域的煤壁特性差异较大，目前主要通过人工控制采煤机在井下进行截割作业，虽然灵活性较高，但人工控制下的采煤机截割质量差异性较大，而且易发生触顶导致截齿截断。因此发展井下采煤机自动截割作业是提升综采安全性和一致性的基础，目前实现自动化截割作业的瓶颈在于控制对采煤机位姿检测的准确性和对煤岩识别的准确性。结合智能化控制和监测技术的发展，本文提出了一种新的采煤机控制系统，其采用了智能化的煤岩识别技术和位姿检测技术，能实现对采煤机综采作业过程中的位姿状态和截割作业的自动监测、调整，具有监测精确度高、调节及时性好的优点。在煤矿井下的实际应用表明该系统能将井下综采作业效率提升14.1%，将采煤机的触顶异常降低96.4%，显著提升了井下综采作业的效率和经济性，为实现井下综采作业的“无人化”打下了基础。
1采煤机智能截割控制系统
根据采煤机的实际工作状况和智能化截割控制需求，采煤机智能截割控制系统的整体结构如图1所示[1]。该智能截割控制系统整体包括4个部分：位于采煤机上的位姿运行状态监测单元（姿态位置采集板、液压水路采集板、传动系统采集板、电气系统采集板、本地控制采集板）、中央处理控制单元（采煤机主控板）、执行控制单元（执行板）和远程操控单元（通信控制器）。位姿运行状态监测单元主要用于对采煤机运行状态进行动态监测，将监测结果通过数据总线传输到中央处理控制单元，为采煤机状态调整提供基础数据。中央处理单元主要用于分析监测数据，结合采煤机目前状态输出调节控制指令。执行控制单元主要用于接收中央处理单元发送的控制指令，控制采煤机的截割高度、进给速度等，满足截割安全性和稳定性的需求。远程操控单元主要通过控制中心发出远程调控指令，该指令通过中央处理单元传输给执行控制单元，满足特殊情况下的人工远程控制截割作业需求，提升井下作业灵活性和效率。
2位姿运行状态监测单元
位姿运行状态监测单元是整个智能截割控制系统的“眼睛”，主要包括本地控制模块、电气系统模块、传动系统模块、液压水路模块、姿态位置模块，分别用于对采煤机的控制系统、电气系统、传动系统、液压系统及位姿系统进行监测[2]。a)传动系统模块。在前后牵引箱外壳处各设置1个温度变送器，研究外壳温度和箱内传动机构处温度的相对关系，实现通过监测外壳温度来获取传动轴处的温度。该处经常受到落煤的冲击作用，因此采用WS9050型传感器，在传感器外侧设置保护外壳，避免其受到意外损害。对截割部轴承温度和行星头处的温度采用相同的监测方案，将温度传感器设置到对应截割外壳上，进行间接监控，能提升传动系统的使用寿命。b)姿态位置模块。主要是用于对采煤机的机身倾角、滚筒高度和采煤机的作业位置进行监测。对机身倾角的监测主要是通过在采煤机的机身上设置双轴倾角监测仪，获取采煤机在纵轴和横轴上的偏角，进而计算出机身的倾斜度。对采煤机截割滚筒高度的监测主要是通过在采煤机摇臂的铰链轴处设置编码器，通过旋转编码的形式获取截割滚筒高度。对采煤机截割位姿的监测主要是通过在牵引机构的减速轮上设置绝对值旋转编码器，通过编码器的计数即可确定采煤机相对起始点的位置。
3煤岩识别及智能控制
为了克服传统的以截割阻力为基础的煤岩识别技术识别效率低、波动大的缺陷，提出了一种新的双重控制煤岩识别方案，以截割驱动电机的工作电流和调高执行油缸的工作压力为调节控制信号。截割滚筒在触顶后截割电流和执行油缸的工作压力均会发生较大的变化，通过对这2个参数的监测即可判断采煤机的运行状态。滚筒的受力变化如图2所示。当检测到截割电流突然增加，执行油缸的工作压力会超过预设值。此时控制系统将降低采煤机的进给速度，同时减小采煤机的截割转速，适当将截割滚筒的截割高度降低，确保截割安全性的需要。采煤机的截割高度降低后系统继续对截割电流和工作压力进行监测，若截割电流和工作压力恢复到正常工作范围，则系统保持当前截割高度进行稳定运行。以井下复杂煤层地质条件为对象进行研究。其综采面煤层分别为松软、硬质、松软的复合煤层结构，煤层高约为3.1m，倾角约为3.2°，煤层的基本顶为硬质砂岩结构。利用该智能截割控制系统控制采煤机的综采作业。实际运行表明，该系统能将井下综采作业效率提升14.1%，将采煤机的触顶异常降低96.4%，显著提升了井下综采作业效率和安全性，对提升煤矿井下综采作业经济性具有十分重要的意义。
4结语
针对目前采煤机截割作业过程中截割效率低、易触顶的难题，提出了一种新的采煤机智能截割控制系统，其采用了智能化的煤岩识别技术和位姿检测技术，能实现对采煤机综采作业过程中位姿状态和截割作业的自动监测、调整。实际应用表明：a)智能截割控制系统具有扩展性好、稳定性高的优点；b)位姿运行状态监测系统能满足对采煤机整体运行状态的监控；c)双重控制煤岩识别方案，以截割驱动电机的工作电流和调高执行油缸的工作压力为调节控制信号，能实现对煤岩的智能识别；d)该系统显著提升了井下综采作业效率和安全性，对提升煤矿井下综采作业经济性具有十分重要的意义。
参考文献：
［1］赵丽娟，李苗.采煤机自动调高系统的模糊PID控制仿真［J］.辽宁工程技术大学学报，2016(10)：1075-1080.
［2］符世琛.基于UWB测距的悬臂式掘进机位姿检测方法研究［D］.北京：中国矿业大学(北京)，2018：39-60.
作者:李文亮 单位:晋城蓝焰煤业有限公司古书院矿