劉清， 韓秀琪， 徐蘭欣， 秦文光

(1.北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司， 北京 100013；2.西安科技大學 管理學院， 陜西 西安 710054；3.中煤華晉集團有限公司 王家?guī)X礦， 山西 河津 043300)

0 引言

目前，國內(nèi)外大多數(shù)煤礦綜采工作面已廣泛應用自動化技術，通過使用自動化開采、支護設備，極大降低了工人勞動強度、提高了安全生產(chǎn)系數(shù)[1-4]。但現(xiàn)有的綜采工作面基本以單機自動化為主，如采煤機通過學習示范刀進行記憶割煤[5-7]，液壓支架通過電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)跟機自動化[8-11]。在實際生產(chǎn)過程中，受綜采工作面生產(chǎn)作業(yè)工藝的約束，仍然需要通過人工調(diào)度或實時干預采煤機和液壓支架的作業(yè)工序[12]，采煤機和液壓支架協(xié)同控制效率較低[13]。本文在采煤機記憶割煤技術和液壓支架跟機自動化技術的基礎上，提出了一種綜采工作面采煤機和液壓支架協(xié)同控制技術(以下簡稱機架協(xié)同控制技術)，可實現(xiàn)綜采工作面采煤機和液壓支架按照綜采工作面生產(chǎn)作業(yè)工藝協(xié)同作業(yè)，減少人工調(diào)度干預，提高綜采工作面自動化水平。

1 綜采工作面自動化控制技術

1.1 采煤機記憶割煤

采煤機記憶割煤按照操作流程可分為學習示范刀和自動截割2個階段。在學習示范刀階段，操作人員按照綜采工作面生產(chǎn)作業(yè)工藝(一般采用全截深雙向割煤工藝)手動控制采煤機，采煤機實時記錄人工操作指令及采煤機位移傳感器、角度傳感器、高度傳感器數(shù)據(jù)，將記錄的操作指令和傳感器數(shù)據(jù)合成為記憶割煤數(shù)據(jù)并存儲。在自動截割階段，采煤機按照學習示范刀階段的記憶數(shù)據(jù)進行割煤，實時調(diào)整截割軌跡。

1.2 液壓支架跟機自動化

液壓支架跟機自動化按照割煤工藝流程可分為工作面中部區(qū)域支架跟機(以下簡稱中部跟機)自動化和工作面三角煤區(qū)域支架跟機(以下簡稱三角煤跟機)自動化[14-15]。

中部跟機自動化主要動作包括跟機移架和跟機推刮板輸送機。中部跟機支架動作區(qū)域分布如圖1所示。執(zhí)行跟機移架動作的支架距離采煤機后滾筒3～5臺支架寬度，有1～3臺支架同時動作；執(zhí)行跟機推刮板輸送機動作的支架距離采煤機后滾筒10～15臺支架寬度，有5～10臺支架同時動作。

圖1 中部跟機支架動作區(qū)域分布Fig.1 Movement area distribution of following support in the middle of fully-mechanized coal mining face

三角煤跟機自動化主要由3個階段組成：采煤機到達工作面端頭后，采煤機后滾筒后部支架跟機補充移架和斜切進刀段支架跟機推刮板輸送機形成彎曲段；斜切進刀過程中跟機移架，采煤機斜切進刀后從端頭支架至斜切進刀段支架跟機推刮板輸送機，將刮板輸送機推直；采煤機割三角煤前，端頭支架跟機推轉載機、跟機移架，割三角煤過程中三角煤區(qū)域支架閉鎖。

以工作面機頭為例，三角煤跟機支架動作區(qū)域分布如圖2所示。斜切進刀段執(zhí)行跟機推刮板輸送機動作的支架距離機頭18臺支架寬度，約12臺支架同時動作；執(zhí)行跟機補充移架動作的支架距離采煤機后滾筒1～3臺支架寬度，有1～3臺支架同時動作；斜切進刀完成后，從機頭1號架開始，約30臺支架依次執(zhí)行推刮板輸送機動作；割三角煤過程，從斜切進刀段至機頭1號架，約30臺支架同時動作閉鎖。

(a) 斜切進刀

(b) 跟機推刮板輸送機

(c) 支架動作閉鎖

2 機架協(xié)同控制技術

2.1 工藝協(xié)同

按照綜采工作面生產(chǎn)作業(yè)工藝，將采煤機和液壓支架的作業(yè)工序分別詳細劃分成子工序(表1、表2)，重新匹配采煤機和液壓支架作業(yè)子工序，使采煤機和液壓支架的作業(yè)工序對應統(tǒng)一。

以上行工藝為例，將采煤機作業(yè)子工序與液壓支架跟機作業(yè)子工序進行對應，重新定義并生成機架協(xié)同工序，見表3。

表1 采煤機作業(yè)子工序Table 1 Operation sub-process of shearer

表2 液壓支架跟機作業(yè)子工序Table 2 Operation sub-process of hydraulic support

2.2 協(xié)同控制邏輯

根據(jù)機架協(xié)同工序，生產(chǎn)作業(yè)過程中仍會出現(xiàn)采煤機速率與支架動作效率不同步、刮板輸送機姿態(tài)制約采煤機牽引方向改變的及時性等控制問題(例如：中部跟機時，采煤機速率過快容易造成支架跟機移架區(qū)域與跟機推刮板輸送機區(qū)域重合；三角煤跟機時，刮板輸送機在斜切進刀段的姿態(tài)完全形成后才允許采煤機進刀割煤；當采煤機斜切進刀完成后，三角煤區(qū)域的刮板輸送機完全推直后才允許采煤機割三角煤)，因此機架協(xié)同工序中需增加協(xié)同控制邏輯。本文提出的協(xié)同控制邏輯由工序中的采煤機牽引方向限定條件、支架跟機動作情況、判定規(guī)則三部分組成。每個工序的協(xié)同控制邏輯如下。

表3 機架協(xié)同工序Table 3 Cooperative process of shearer and hydraulic support

機架協(xié)同工序1控制邏輯：采煤機上行割煤，到達觸發(fā)機頭推轉載機的位置前，判斷機頭端頭支架行程是否均小于移架到位臨界值。若是則判定機頭端頭支架全部移架到位，采煤機繼續(xù)牽引，否則判定機頭端頭支架未移架到位，采煤機停止牽引。

機架協(xié)同工序2控制邏輯：采煤機上行割煤，到達觸發(fā)機頭端頭支架跟機移架的位置前，判斷機頭端頭支架行程是否均大于推轉載機到位臨界值。若是則判定機頭端頭支架全部推轉載機到位，采煤機繼續(xù)牽引，否則判定機頭端頭支架推轉載機未到位，采煤機停止牽引。

機架協(xié)同工序3控制邏輯：采煤機上行割煤，判斷同一時刻跟機移架數(shù)量是否大于設定值。若是則判定未及時完成跟機移架，采煤機減速，否則判定及時完成跟機移架，采煤機正常牽引或加速。

機架協(xié)同工序4控制邏輯：采煤機到達機尾后，判斷跟機補充移架區(qū)域內(nèi)支架行程是否均小于移架到位臨界值。若是則判定跟機補充移架區(qū)域內(nèi)支架全部移架到位，采煤機向機頭方向牽引，否則判定支架未移架到位，采煤機停止牽引。

機架協(xié)同工序5控制邏輯：采煤機在機尾三角煤區(qū)域往返牽引清浮煤，機尾三角煤區(qū)域支架動作閉鎖。

機架協(xié)同工序6控制邏輯：采煤機上行斜切進刀，到達觸發(fā)推轉載機位置前，判斷三角煤區(qū)域支架行程是否均小于移架到位臨界值。若是則判定三角煤區(qū)域支架完成跟機移架，采煤機繼續(xù)牽引，否則判定三角煤區(qū)域支架未完成跟機移架，采煤機停止牽引。

機架協(xié)同工序7控制邏輯：采煤機上行割三角煤，到達觸發(fā)機尾端頭支架跟機移架的位置前，判斷機尾端頭支架行程是否均大于推轉載機機到位臨界值。若是則判定推轉載機到位，采煤機繼續(xù)牽引，否則判定推轉載機未到位，采煤機停止牽引。

機架協(xié)同工序8控制邏輯：采煤機在機尾三角煤區(qū)域往返牽引清浮煤，機尾三角煤區(qū)域支架動作閉鎖。

下行工藝對應的機架協(xié)同工序和協(xié)同控制邏輯與上行工藝相同，此處不再贅述。

3 應用效果

為驗證機架協(xié)同控制技術的可行性，在陜西某礦綜采工作面進行了應用。工作面共160臺液壓支架(支架編號為1—160號)，其中機頭、機尾各5臺端頭支架，其余均為中間支架，支架推移最大行程為900 mm。采煤機機身寬度約占10臺支架寬度。根據(jù)礦方生產(chǎn)作業(yè)工藝，滯后采煤機后滾筒第2架開始跟機移架，滯后采煤機后滾筒第17架開始跟機推刮板輸送機。

以上行工藝為例，機架協(xié)同工序切換點分布如圖3所示，在任意相鄰工序切換點之間根據(jù)機架協(xié)同控制邏輯控制采煤機和液壓支架作業(yè)。

圖3 機架協(xié)同工序切換點分布Fig.3 Distribution of cooperative process switching points of shearer and hydraulic support

機架協(xié)同工序1控制邏輯：采煤機上行割煤，到達35號支架時，判斷1—5號支架推移行程是否均小于200 mm。若是則采煤機向機尾牽引，否則采煤機停止牽引。

機架協(xié)同工序2控制邏輯：采煤機上行割煤，到達40號支架時，判斷1—5號支架推移行程是否均大于750 mm。若是則采煤機向機尾牽引，否則采煤機停止牽引。

機架協(xié)同工序3控制邏輯：采煤機上行割煤，判斷同一時刻跟機移架數(shù)量是否大于3臺。若是則采煤機減速至6 m/min以下，否則采煤機以不高于8 m/min的速度正常牽引。

機架協(xié)同工序4控制邏輯：采煤機上行割煤，到達153號支架時，判斷146—148號支架推移行程是否均小于200 mm。若是則采煤機向機頭牽引，否則采煤機停止牽引。

機架協(xié)同工序5控制邏輯：采煤機在141—160號支架范圍內(nèi)清浮煤時，該范圍內(nèi)所有支架動作閉鎖。

機架協(xié)同工序6控制邏輯：采煤機下行割煤，到達131號支架前，判斷146—160號支架推移行程是否均小于200 mm。若是則采煤機繼續(xù)牽引，否則采煤機停止牽引。

機架協(xié)同工序7控制邏輯：采煤機上行割煤，到達136號支架前，判斷135—160號支架推移行程是否均大于750 mm。若是則采煤機繼續(xù)牽引，否則采煤機停止牽引。

機架協(xié)同工序8控制邏輯：采煤機在141—160號支架范圍內(nèi)清浮煤時，該范圍內(nèi)所有支架動作閉鎖。

應用機架協(xié)同控制技術前后，采煤機和液壓支架作業(yè)用時對比如圖4所示，圖中曲線表示采煤機作業(yè)軌跡，散點表示支架動作信號，02:05—03:23時間段采用人工干預控制模式，04：26—05：41時間段采用機架協(xié)同控制模式。從圖4看出，2種控制模式下生產(chǎn)作業(yè)工藝基本一致；斜切進刀完成后，采煤機在130號支架附近停止牽引，人工干預控制模式下，02：36—02：54 時間段操作人員前往135—160號支架處確認支架行程是否均大于750 mm，而機架協(xié)同控制模式下采煤機和液壓支架動作根據(jù)工序7控制邏輯自動協(xié)同，可節(jié)省18 min，生產(chǎn)作業(yè)連續(xù)性更強，作業(yè)效率更高。

圖4 采煤機作業(yè)軌跡和液壓支架動作信號分布Fig.4 Distribution of shear operation track and hydraulic support movement signals

4 結語

依據(jù)綜采工作面生產(chǎn)作業(yè)工藝，將采煤機和液壓支架的作業(yè)工序詳細劃分成子工序，重新匹配子工序生成支架協(xié)同工序，并增加協(xié)同控制邏輯，形成機架協(xié)同控制技術，實現(xiàn)了采煤機和液壓支架作業(yè)工序的對應統(tǒng)一。該技術降低了采煤機和液壓支架控制對人工干預的依賴性，提高了生產(chǎn)效率，為實現(xiàn)綜采工作面無人化開采提供了技術支撐。