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1、掘进自动化工作面研究及应用赵学雷 屈小兵 李卫涛（潞安环能股份公司王庄煤矿，山西 长治046031）摘 要：王庄煤矿于2008年8月份建成全国第一个掘进自动化工作面。该工作面系统由自动化掘进机、掘进机前配套设备、离心式除尘系统等组成，实现了掘锚联合作业、掘进机自动化控制等功能，极大的降低了工人的劳动强度，改善了作业环境，提高了生产效率。关键词：掘进自动化工作面 掘进机自动化技术 掘进机前配套技术 矿用离心式除尘系统 工艺设备自动化技术1 6207掘进自动化工作面概况1.1 地质条件6207工作面地面位置位于山西省长治市屯留县岭上村南，井下位置位于+630水平62采区，地面标高为924-927m
2、，工作面标高626-675m，工作面埋深300m左右。开采3#煤层，在本工作面范围内，煤层厚度稳定，煤层下部有一层夹矸较厚，为0.3m，工作面外部煤层较薄，里部较厚。该工作面整体为一个向西南方向倾斜的单斜构造，煤层倾角15度，工作面里段煤层倾角36度，外段煤层倾角13度，工作面内无其它地质构造。煤层平均厚度为6.5m，含矸05层，一般含夹矸45层。6207工作面回采巷道沿煤层底板掘进，巷道断面尺寸：宽高=53.5m2，顶部尚有3m左右的煤层，并含有夹矸。直接顶为厚2.95m的泥岩，节理发育，含植物化石。老顶为厚层灰白色的细粒砂岩，致密坚硬，抗压强度高，不易冒落。巷道两帮为强度较低的3#煤层。底
3、板为厚3.1m强度较小的泥岩。由于巷道围岩整体强度较低，直接顶又为易破碎、冒落的泥岩，与顶煤形成复合顶板，不稳定煤、岩复合顶板厚度达6m左右，加之巷道断面尺寸又大，巷道维护较困难。1.2 支护设计1.2.1顶板支护锚杆长度为2.4m，锚杆间排距为11501000mm，每排采用22的高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆5根，树脂药卷加长锚固。巷道顶板采用锚索加强支护，每3排锚杆打一排2根锚索，锚索参数为17.8mm8300mm。1.2.2两帮支护锚杆长度2000mm，锚杆间排距为9001000mm，每排采用22的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆8根，左右帮各4根，两帮均铺设金属网和两根14mm长3300mm圆钢焊
4、制的钢筋梯子梁。2 掘进自动化工作面的系统组成掘进工作面自动化控制技术的研究就是要实现掘进工作面生产过程的自动化，以减轻工人劳动强度，提高生产效率；实现对主要生产设备工况的实时在线监测，及时发现故障隐患，及时采取措施避免设备损坏，提高设备正常开机率；将掘进工作面的相关信息及时传输到地面，并通过计算机网络实现共享，达到生产管理的信息化。2.1 掘进机自动化系统关键技术介绍2.1.1 掘进机控制系统设计为实现掘进机的自动控制，采用嵌入式工业控制计算机与可编程控制器相结合的数据收集和处理模式。系统组成框图如图2-1所示。图 2-1 系统原理框图嵌入式工业控制计算机采用研华TPC-1070，该工控机的
5、CPU为Celeron M（1.0GHz），固态电子式硬盘，具有2个RS-232、一个RS-485串行接口，以及2个以太网接口。PLC采用松下电工FP型可编程控制器，该控制器采用模块化扩展方式， CPU采用32位精简指令处理器，指令丰富。具体分工为：一块FPG-C32T2 CPU模块，带有16数字输入/16数字输出，程序容量为32K； 2块FPG-XY64D2T数字量扩展模块，有32数字输入/32数字输出，完成遥控输入、操作箱信号、各电机、电磁阀的输出控制等；3块FPG-A80模拟量输入模块，具有 8路模拟量输入，采集精度12位，完成各电机的电流、工作电压、漏电、油缸行程、机身俯仰角、侧倾角、
6、地磁偏角的检测。为实现煤巷断面掘进的自动控制，控制阀采用德国哈威进口比例电液阀组，并在主要的油缸内增加抗震动抗冲击等级极强的直线位移传感器，在电控箱里增加高精度两轴倾角传感器和三维电子罗盘等。通过采用先进的检测技术、数据处理技术、PLC编程技术及电液控制技术等，使掘进机具备了定位自动截割、远程遥控、姿态调整及煤矸初步识别、掘进机自动化监控等功能。2.1.2掘进机断面自动截割技术根据安装在回转油缸、升降油缸、伸缩油缸、铲板油缸的位移传感器确定的动态行程变化得出的位移量变化值，运用传导运算函数，得出截割头切割中心在计算机虚拟切割平面的直角坐标（x,y），如图2-2所示。由（x，y）组成的坐标集合就
7、构成了与设定截割断面的坐标信息（x0，y0）的联系。以截割矩形断面为例，在进行截割时，计算机与PLC按照导航的方式进行截割控制。其过程为：系统启动后，首先我们选择了所要截割断面的设定曲线信息，即图中的矩形断面曲线。掘进断面形状就是掘进机在选择了所要掘进的断面设定曲线后，计算机内的控制运算程序就自动的将矩形断面数据集合（X0，Y0）调用，所以就限定了截割头所截割的（外围）边界，截割断面形状信息马上被提取到系统中，截割头将沿着图中右下角A位置开始向右做水平截割，截割头坐标点（X，Y）中X值变化，Y值保持不变化。当截割头到达右下角B附近时，为了使截割出的巷道形状更加理想，回转台油缸在系统控制下，做流
8、量减速控制，到达B点后，截割部举升油缸上行电磁阀导通，通过系统对其实施的流量控制，截割部举升油缸上行一个截割头的直径距离后停止，Y值向上增加一个截割直径后停止变化，截割头移动到位置C，截割回转台左右两油缸电磁阀反向导通，截割回转油缸亦反向动作，此时X值连续变化（变小），Y值保持不变，当（X，Y）逐渐靠近D点时，回转台油缸在系统控制下，做流量减速控制，到达D点后，截割部举升油缸上行电磁阀导通，通过系统对其实施的流量控制，截割部举升油缸上行一个截割头的直径距离后停止，Y值向上增加一个截割直径后停止变化，就这样循环下去，当截割头截割到位置E时（E的位置是随机的），一个完整规则的煤巷断面就打出来了。截
9、割头将恢复到初始位置，这里所说的导航方式，就是由A-B-C-D，直到E的一个处理过程。. 图2-2 截割曲线图掘进机在自动化截割过程中实际的截割轨迹图和程序流程图如图2-3和2-4所示：图2-3 截割跟踪轨迹图图2-4 自动截割程序流程图2.1.3掘进机自动纠偏技术探索（理论研究）在煤矿作业环境下，目前大多数的巷道掘进施工都是采用人工的方式，即人工操纵掘进设备，然后不时的观察掘进方向与激光指向仪的方向是否保持一致，这种施工模式无法发挥出掘进设备的最大功效。因此只有让掘进机准确的跟紧激光指向仪的激光指向进行定位，才能使掘进机的效率得到有效发挥。而掘进机定位的关键是建立起掘进机自身的位置坐标，有了
10、这个坐标，就可以确定掘进的方向以及对方向进行控制。掘进机定位技术的研究将使掘进机有了自身的行进导航。为此，研究采用两轴高精度倾角传感器与三维电子罗盘仪相匹配的定位技术，通过两轴高精度倾角传感器检测掘进方向相对于水平面形成的俯仰 角（横滚），机身与水平面的倾斜角（侧倾），然后再与三维电子罗盘仪的N（地磁北极）级形成的方位夹角，通过这三个方向的角度测量及检测，掘进机的位置三维坐标系统就完全地建立起来了，如图2-5所示。调整和控制系统三维参数并和激光指向仪的方向一致，掘进机就可以沿着巷道方向进行施工。图2-5 掘进设备三维坐标系掘进机是在调整好三维参数信息后才进行掘进施工的，而在掘进施工过程中，三维
11、参数是理想的,当一个掘进进程结束后，需要对三维参数进行调整，以水平巷道掘进施工为例，如图2-6所示：图2-6 掘进机三维坐标调整图中A表示，掘进行进方向上2小于初始设定时，掘进断面向上调整；图中B表示，掘进行进方向上3大于初始设定时，掘进断面向左调整；图中C表示，掘进机身侧倾方向上1大于0时，掘进断面顺时进行调整；当三个角都发生变化时，所掘进的断面在三个方向均做调整，目的是为了使掘进端面符合施工要求，既“机身传感器检测，截割头进行断面校准”。直线AB是掘进机参照激光的设定掘进施工方向，直线ON是地磁北极（N），正常情况下，掘进施工方向与地磁北极的夹角是AON，当完成一个施工过程后，因掘进机自身
12、在截割过程会发生振动，使机身沿掘进施工方向发生偏差，此时掘进施工方向变成直线CD，掘进施工方向与地磁北极的夹角变成CON，从而出现一个与实际掘进走向左偏的偏差角AOC（非常微小）。掘进机通过二轴倾角传感器与三维电子罗盘仪，检测此时的三维参数信息，调整截割头在下一个截割断面信息的原点中心与初始截割断面的原点中心在激光指向的平行线上，即：“机身传感器检测，截割头截割断面校正”，只要打出的巷道原点中心点连线总是在激光方向的平行线上，则掘进出来的巷道就是符合施工要求的。2.1.4掘进机煤矸识别技术探索煤岩识别，简单通俗的说就是将煤层与岩石（矸石）进行有效区分的过程。有很多种方法可以达到可靠识别区分的效
13、果，比如通过某些分析仪器，对岩层的内部进行射线扫描，得出岩层的断面扫描图像光谱，根据对比，得出结论。这种方法属于直接检测，只使用于实验室，而要用于采掘（掘进机）设备，做实时检测就无法进行。要在采掘设备上实现煤岩的自动识别，需要在不同煤层硬度工作面进行长期的负荷试验，才会得出一个比较有说服力的结论，这当然是一个理论与实践相结合的过程，尤其是工业实践的过程，需要很长的时间对不同硬度的煤层做差异化处理，所以现场试验的数据就显得尤为重要，它对于完善整个过程的数学模型，建立参变量相互关系体系，非常关键，否则很难达到较好的识别效果。我们探索和尝试采用间接方法对煤岩进行初步的识别，但这种方法在实际的应用中还
14、存在不少的问题，需要有待于进一步的探讨。具体说来是这样进行的：根据不同硬度的煤层（f3、f4、f5、f6、f7、f8）与岩层（f8以上硬度），它反映在掘进机截割头上的负载特性是有差异的，为了保证掘进机的工作效率，一般我们从设计角度均让截割头（截割电机）工作在高效区间，一个是为了提高机器掘进功效，二是为了提高电机的效率比，有效节省电能。在切割作业中，我们让截割电机工作在恒功率区间，即不管煤层的硬度从f3 动态变化到f8，只要掘进机的截割电机不过载，我们就认为系统是在进行连续有效的切割作业。当煤层的硬度突破f8以上时，这种连续切割状态被破坏，系统经一个短延时处理，仍然不能恢复到有效的切割状态，控制
15、系统就会认为截割头已经切割到矸石（岩石）了，此时截割头就会自动停止下来，等待处理。这也只能确定是切割到岩石了。在自动切割中，怎样判断是切割到底板、顶板或者是夹矸呢，我们的掘进机具有截割头位置姿态检测系统，可以连续的检测截割头运行的空间位置。通过煤矸识别与截割头位置处理，控制系统就很容易判断出掘进进程中截割到的是顶底板，还是中间夹矸。煤岩识别技术是个世界性的难题，我国将其列为863项目，能够在该项目实现突破，对于研究真正意义的自动化和智能化采煤机械，实现工作面的无人值守作业有着非常重要的意义。王庄矿在该技术领域所进行的探索，为煤矸识别技术的进一步研究奠定了基础，也积累了很好的经验。2.1.5 掘
16、进机远程遥控技术远程遥控操作是掘进机系统的常态操作，它的安全性、稳定性、可靠性是最为关键的。为此，本系统采用FYS-35、FYF-35无线遥控装置，工作原理如图2-7。 图 2-7 （a） FY-35遥控发射机原理框图 图 2-7 （b） FYS-35遥控接收机的原理框图该遥控系统可实现掘进机所有功能的全遥控操作，遥控装置具有下列优势，FYS-35矿用本安型遥控接收机是专门为煤矿井下设备的遥控控制设计的。FYF-35矿用本安型遥控发射机遥控操作按键信号通过接口电路输入到内部微控制器中进行编码和加密，随后进行高频调制、锁相环石英稳频、放大后由天线发出。同时在内部软件控制下，无线收发单元周期性接收由安装在被控设
