馮 星

（西山煤電屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

目前，我國(guó)已經(jīng)初步形成安全、高效、節(jié)能生產(chǎn)的煤炭工業(yè)體系，突破了采煤專業(yè)的核心技術(shù)，并重點(diǎn)提升了綜采裝備的自動(dòng)化水平和智能控制水平。采煤機(jī)作為綜采工作面關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能對(duì)工作面煤壁進(jìn)行截割、落煤；液壓支架為綜采工作面的安全生產(chǎn)提供了安全場(chǎng)所；二者在煤炭開采過程中起著相輔相成的作用[1]。在實(shí)際采煤操作中，由于液壓支架護(hù)幫未收回或未按照安全行程收回，導(dǎo)致出現(xiàn)采煤機(jī)滾筒截割液壓支架護(hù)幫板的問題，不僅會(huì)損壞綜采設(shè)備，而且還會(huì)影響煤礦生產(chǎn)的安全。因此，針對(duì)智能化綜采采煤機(jī)滾筒與液壓支架護(hù)幫板的干涉現(xiàn)象設(shè)計(jì)一款監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 智能化綜采設(shè)備的結(jié)構(gòu)及協(xié)同作業(yè)研究

采煤機(jī)、液壓支架以及刮板輸送機(jī)為綜采工作面協(xié)同配套運(yùn)行的關(guān)鍵設(shè)備，其中，解決液壓支架護(hù)幫板與采煤機(jī)截割滾筒的干涉問題是確保“三機(jī)”安全、高效運(yùn)行，保證綜采工作面高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。一般的綜采工作面的“三機(jī)”協(xié)同配套運(yùn)行如圖1所示。

本文主要對(duì)液壓支架護(hù)幫板與采煤機(jī)截割滾筒的干涉問題進(jìn)行研究。因此，本節(jié)將重點(diǎn)研究采煤機(jī)與液壓支架協(xié)同運(yùn)行的機(jī)理。

圖1 綜采工作面“三機(jī)”協(xié)同配套運(yùn)行示意圖

在實(shí)際生產(chǎn)中，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架三者是協(xié)同作業(yè)，各個(gè)設(shè)備的功能不同。其中，刮板輸送機(jī)為采煤機(jī)的推進(jìn)提供軌道；液壓支架為采煤機(jī)和整個(gè)工作面提供支護(hù)，并實(shí)現(xiàn)采煤工作面的推進(jìn)。液壓支架在實(shí)際生產(chǎn)的主要?jiǎng)幼靼ㄓ惺兆o(hù)幫板、移架、推溜以及伸護(hù)幫板一個(gè)循環(huán)[2]。液壓支架與采煤機(jī)的協(xié)同運(yùn)行原理如圖2所示：

圖2 采煤機(jī)與液壓支架系統(tǒng)作業(yè)原理示意圖

如圖2所示，當(dāng)采煤機(jī)截割完成后，液壓支架護(hù)幫板處于支護(hù)狀態(tài)，與此同時(shí)，隨著采煤機(jī)的推進(jìn)，液壓支架根據(jù)操作流程完成推溜操作和移架操作，實(shí)現(xiàn)工作面的推進(jìn)。采煤機(jī)到達(dá)即將截割煤層，對(duì)應(yīng)液壓支架的護(hù)幫板被收回；而且，正在截割煤層對(duì)應(yīng)液壓支架的護(hù)幫板已經(jīng)收回。因此，液壓支架護(hù)幫板與采煤機(jī)滾筒出現(xiàn)干涉問題主要發(fā)生在采煤機(jī)即將達(dá)到截割煤層時(shí)，對(duì)應(yīng)液壓支架的護(hù)幫板未完全收回或者完全未收回，即液壓支架護(hù)幫板收回狀態(tài)不滿足生產(chǎn)要求[3]。為此，需對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中采煤機(jī)滾筒的位置和液壓支架護(hù)幫板的收回狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2 采煤機(jī)截割滾筒干涉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由上述研究可知，導(dǎo)致采煤機(jī)截割滾筒干涉發(fā)生的本質(zhì)為采煤機(jī)滾筒與液壓支架護(hù)幫板出現(xiàn)機(jī)體設(shè)備的重合所導(dǎo)致。因此，為實(shí)現(xiàn)采煤機(jī)截割滾筒干涉的監(jiān)測(cè)，需精確、實(shí)時(shí)掌握采煤機(jī)截割滾筒的位置與液壓支架護(hù)幫板的狀態(tài)等信息。

2.1 采煤機(jī)截割滾筒干涉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

為確保所設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠解決采煤機(jī)截割滾筒與液壓支架護(hù)幫板干涉問題，特對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提出如下要求：

1）確保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不影響采煤機(jī)與液壓支架的正常工作；

2）要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)@取到的液壓支架護(hù)幫板狀態(tài)的信息實(shí)時(shí)傳送機(jī)控制中心；

3）要求監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)所獲取液壓支架護(hù)幫板的狀態(tài)信息和采煤機(jī)的截割速度和滾筒位置推算出是否會(huì)發(fā)生截割滾筒與護(hù)幫板的干涉；

4）根據(jù)上述判斷通過PLC控制器對(duì)存在的干涉隱患進(jìn)行報(bào)警[4]。

根據(jù)上述功能要求，采煤機(jī)截割滾筒干涉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)如圖3所示。

如圖3所示，所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括有遠(yuǎn)程監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)交換與傳輸中心以及綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集中心。其中，地面監(jiān)控中心通過光纖連接電纜實(shí)現(xiàn)與煤礦井下環(huán)網(wǎng)的通信；綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)通過采煤機(jī)機(jī)載PLC控制器、液壓支架電液控制器以及護(hù)幫板監(jiān)控防爆攝像頭進(jìn)行采集，所采集的信息分別通過無線MESH通訊、CAN通訊電纜以及以太網(wǎng)通信電纜上傳至數(shù)據(jù)交換與傳輸中心。

圖3 采煤機(jī)滾筒截割干涉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框圖

防爆攝像頭安裝與液壓支架頂梁下方，主要獲取液壓支架護(hù)幫板的位置和姿態(tài)參數(shù)；采煤機(jī)截割滾筒的高度信息通過其搖臂內(nèi)安裝的傾角傳感器獲取的傾角信息換算所得；液壓支架電液控制器可獲得采煤機(jī)截割深度和當(dāng)前支護(hù)高度等信息。

2.2 采煤機(jī)滾筒監(jiān)測(cè)流程設(shè)計(jì)

鑒于綜采工作面環(huán)境惡劣，光線較暗、濕度較大導(dǎo)致攝像頭所采集的圖像質(zhì)量較差，從而導(dǎo)致所獲取液壓支架護(hù)幫板的姿態(tài)信息誤差較大，最終影響了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的精確性。為此，在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基本功能的基礎(chǔ)上，采用圖像增強(qiáng)算法對(duì)實(shí)際獲取護(hù)幫板的圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理；并基于已增強(qiáng)處理圖像信息結(jié)合采煤機(jī)滾筒高度、截割深度以及液壓支架的支護(hù)高度等數(shù)據(jù)建立滾筒與護(hù)幫板的空間位置模型，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)滾筒與護(hù)幫板截割狀態(tài)的干涉監(jiān)測(cè)[5]。具體監(jiān)測(cè)流程如圖4所示：

圖4 滾筒與采煤機(jī)滾筒干涉監(jiān)測(cè)流程框圖

3 采煤機(jī)滾筒截割干涉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的試驗(yàn)

采煤機(jī)滾筒截割干涉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的核心硬件為攝像頭、傾角傳感器、位移傳感器等。為驗(yàn)證上述所設(shè)計(jì)干涉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室搭建干涉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)平臺(tái)的主要設(shè)備及裝置如表1所示：

表1 干涉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)組成

基于本試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)液壓支架護(hù)幫板的位置、姿態(tài)進(jìn)行采集，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

其中，對(duì)液壓支架護(hù)幫板位置及姿態(tài)的信息采集分為：人工調(diào)整護(hù)幫板傾角時(shí)，對(duì)位置和傾角信號(hào)進(jìn)行采集；隨機(jī)調(diào)整護(hù)幫板伸縮位移和傾角時(shí)對(duì)實(shí)時(shí)位移和傾角信號(hào)進(jìn)行采集。

數(shù)據(jù)分析處理主要是對(duì)攝像頭所得護(hù)幫板的圖像通過監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的圖像增強(qiáng)算法解算得出護(hù)幫板的伸縮位移和傾角，并通過傳感器所得護(hù)幫板的伸縮位移和傾角機(jī)型對(duì)比，以驗(yàn)證監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和可靠性。

經(jīng)對(duì)試驗(yàn)平臺(tái)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理可知；本文所設(shè)計(jì)基于圖像增強(qiáng)所得的護(hù)幫板的位移及傾角與實(shí)際通過位移傳感器與傾角傳感器所得參數(shù)之間的誤差如下：平均位移誤差為0.051 m，平均傾角誤差為1.3°。

4 結(jié)語

智能化綜采采煤機(jī)滾筒截割干涉監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)截割滾筒與護(hù)幫板的實(shí)時(shí)位置進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可實(shí)時(shí)、直觀地獲取二者的相對(duì)位置關(guān)系。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過高清防爆攝像頭和圖像增強(qiáng)算法實(shí)時(shí)掌握護(hù)幫板的位置和姿態(tài)，結(jié)合采煤機(jī)的實(shí)時(shí)位置綜合判斷是否會(huì)在后續(xù)開采中發(fā)生干涉問題。