李寧

摘要：目前礦井刮板輸送機(jī)直線度檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)精度差，在監(jiān)測(cè)、執(zhí)行、控制等環(huán)節(jié)的智能化程度不足，影響了采煤工作面的生產(chǎn)效率。某礦致力于現(xiàn)代化智能煤礦開采設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用工作，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開采情況，對(duì)刮板輸送機(jī)直線度感知技術(shù)進(jìn)行分析研究，利用FBG光纖光柵技術(shù)并結(jié)合應(yīng)變傳感原理，研制出采用三維曲率技術(shù)方法的傳感器。通過有限元技術(shù)分析方法得出光纖光柵曲率感知技術(shù)能夠有效對(duì)刮板輸送機(jī)的直線度進(jìn)行感應(yīng)，并具有可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智能工作面;刮板輸送機(jī);直線度感知技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1009—9492（2021）03—0186—03

0引言

煤礦企業(yè)不斷運(yùn)用新型智能技術(shù)管理煤礦開采。刮板機(jī)直線度感知技術(shù)也是智能技術(shù)的發(fā)展方向，是對(duì)煤礦開采產(chǎn)業(yè)的高度智能融合。雖然目前煤炭行業(yè)也采取了感知技術(shù)應(yīng)用于礦井中，研究人員也開展了刮板機(jī)直線度感知技術(shù)研究：牛劍鋒等通過在液壓支架頂梁上安裝測(cè)距儀和角度傳感器，結(jié)合液壓支架的推溜動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了刮板運(yùn)輸機(jī)直線度控制;余佳鑫等提出在液壓支架推移千斤頂跟液壓支架上安裝行程傳感器，實(shí)現(xiàn)刮板輸送機(jī)及液壓支架的直線度控制。但是上述方法是間接性調(diào)節(jié)方法，具有極大的誤差，在實(shí)際工程中實(shí)用性較小。目前的刮板機(jī)直線度感知技術(shù)最為重要的是需要在礦井內(nèi)實(shí)現(xiàn)“三直兩平”的標(biāo)準(zhǔn)和直接性調(diào)節(jié)，保證刮板輸送機(jī)在運(yùn)輸煤炭物料時(shí)的平穩(wěn)可靠。因?yàn)楣伟遢斔蜋C(jī)除了運(yùn)輸煤炭物料以外，還會(huì)對(duì)采煤機(jī)的位移軌道進(jìn)行控制，提高刮板輸送機(jī)的直線度，有助于提升煤炭開采工作效率。通過調(diào)研相關(guān)資料，某礦不斷探索刮板機(jī)直線度感知技術(shù)，破解原有感知技術(shù)難題，采用目前傳輸速率以及抗干擾性非常強(qiáng)的光纖傳感技術(shù)作為刮板輸送機(jī)直線度傳感器設(shè)計(jì)的基本數(shù)據(jù)通訊線路。利用光纖光柵作為刮板輸送機(jī)直線度傳感器的靈敏元件，以直接性調(diào)節(jié)方法實(shí)現(xiàn)了直線度檢測(cè)。采用數(shù)值模擬分析的方法得出了光纖光柵作為靈敏元件時(shí)能夠極大提升感知傳輸精確性的結(jié)論。研究成果對(duì)推動(dòng)礦井智能工作面建設(shè)開發(fā)提供了思路。

1智能系統(tǒng)

1.1智能系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)模型

刮板輸送機(jī)的智能感知系統(tǒng)應(yīng)用傳輸速率很快的光纖作為通訊線路，通過光速傳播，可高效地將地上與井下的實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行互通互聯(lián)?；谠摴ぷ髟?，以光纖光柵三維曲率傳感器作為數(shù)據(jù)采集感知的基本硬件結(jié)構(gòu)。光纖光柵可通過環(huán)境的不同，改變傳播波長以適應(yīng)環(huán)境的變化，從而達(dá)到抗干擾性較強(qiáng)的目的。光纖光柵將數(shù)據(jù)傳送至地面的基站服務(wù)器，通過濾波處理方法形成數(shù)字信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)在煤礦管理室的終端服務(wù)器。根據(jù)某煤礦現(xiàn)有的通訊線路架構(gòu)，設(shè)計(jì)出智能系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

1.2智能系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)模型

利用FC/APC通訊協(xié)議，配套相關(guān)的硬件接線盒及接線端頭，在礦井中需建立千兆規(guī)格的網(wǎng)絡(luò)線路，將智能工作面“三機(jī)”進(jìn)行聯(lián)合通訊，“三機(jī)”主要包括采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及液壓支架。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況條件，采用在刮板輸送機(jī)的工作槽內(nèi)設(shè)置電纜，用于感應(yīng)刮板輸送機(jī)的彎曲狀態(tài)并結(jié)合液壓支架的高度調(diào)整，對(duì)刮板輸送機(jī)的工作面進(jìn)行智能調(diào)直，每個(gè)液壓支架都有一個(gè)基準(zhǔn)面，通過在每個(gè)基準(zhǔn)面的推移完成對(duì)液壓支架的拉溜動(dòng)作，工作面的智能調(diào)直是建立在液壓支架調(diào)直平衡的基礎(chǔ)之上。工作面的調(diào)直作業(yè)示意圖如圖2所示。

1.3智能系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模型

通過C#編程語言對(duì)智能系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊及應(yīng)用程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，軟件中需設(shè)定數(shù)據(jù)提取、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析等相關(guān)功能，軟件系統(tǒng)應(yīng)滿足以下功能：（1）數(shù)據(jù)讀取應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖光柵三維曲率數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，對(duì)于正交方向上的數(shù)據(jù)應(yīng)有更高的靈敏度;（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)對(duì)光纖光柵三維曲率數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，合理分欄設(shè)置，便于后期管理以及查閱;（3）數(shù)據(jù)分析主要對(duì)后期采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合重建，內(nèi)置Matlab軟件的數(shù)據(jù)分析模塊，降低數(shù)據(jù)干擾，提高數(shù)據(jù)分析結(jié)果的精確性。

智能系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)保證軟件系統(tǒng)與硬件系統(tǒng)相互之間的有效連接以及匹配，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2智能感知傳感器

2.1感知機(jī)理

傳感器作為智能工作面采集環(huán)境模擬信號(hào)的重要關(guān)鍵部件，其工作性能的好壞將決定工作面智能化程度的可靠性，并將對(duì)刮板輸送機(jī)直線度模擬量感應(yīng)產(chǎn)生影響。傳感器必須要根據(jù)該地層環(huán)境惡劣的變化，實(shí)時(shí)調(diào)整自身工作性能，才能滿足實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用要求。

基于FBG光柵技術(shù)原理，采用全息法在光纖內(nèi)部進(jìn)行光路探索，通過反射光譜滲透至光纖電路的外部表面，可分析其變化規(guī)律，對(duì)內(nèi)部的傳感情況進(jìn)行掌握。光纖光柵傳感原理如圖4所示。

2.2傳感器材質(zhì)

由于礦井巷道里的工作面錯(cuò)綜復(fù)雜，應(yīng)保證傳感器具有一定的彎曲程度，刮板輸送機(jī)的實(shí)際彎曲半徑為30～1500 m，因此所采用的光纖光柵三維曲率傳感器的彎曲半徑不得小于25m。從微觀方面對(duì)傳感器的應(yīng)變規(guī)定為1200微應(yīng)變。傳感器采用橡膠材料包裹制作，泊松比為1.59、屈張力為8.59。

此外，為了提高傳感器的抗干擾能力，應(yīng)對(duì)傳感器的各個(gè)縫隙之間采用適宜的填充物進(jìn)行填充。填充物應(yīng)具備一定的柔軟性并且滿足工作實(shí)際的強(qiáng)度要求。通過調(diào)研資料分析可知，采用硅膠材料作為填充物比較適宜，具有工作強(qiáng)度高、固化時(shí)間長的特點(diǎn)。

3傳感器仿真模型

根據(jù)擬定的光纖光柵三維曲率傳感器的設(shè)計(jì)構(gòu)想，對(duì)傳感器的三維模型進(jìn)行設(shè)立，在X、Y、Z3個(gè)方向上對(duì)傳感器進(jìn)行模型拉伸，設(shè)定傳感器的外環(huán)半徑為90 mm、圓環(huán)寬度為20mm。為提高仿真計(jì)算的精確性，將模型結(jié)構(gòu)的長度設(shè)置為1m，光纖光柵串裸纖部分直徑為0.0625 mm，涂覆層外徑為0.9mm。將設(shè)立的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元為1886214個(gè)，節(jié)點(diǎn)為401188個(gè)，仿真模型如圖5所示。

對(duì)已建立起的三維模型施加載荷及邊界條件約束，在柔性基材一端添加固定約束，另一端沿X軸方向偏轉(zhuǎn)一定的角度，使光纖光柵三維曲率傳感器模型彎曲部分常見的曲率半徑為100、200、300、400、500 m。

4數(shù)值模擬分析

根據(jù)實(shí)際工況條件，刮板輸送機(jī)的常見工作曲率半徑為100、200、300、400、500 m。為檢測(cè)光纖光柵感知技術(shù)在最為惡劣條件下是否能夠滿足工作要求，選取曲率半徑最小而彎曲程度最大的工作情況進(jìn)行研究，因此以100 m曲率半徑為代表作為研究對(duì)象。如果光纖光柵感知技術(shù)能夠滿足此條件下的工況條件，就能對(duì)刮板輸送機(jī)直線度感知傳感的工作要求，圖6所示為曲率半徑為100m狀態(tài)下光纖光柵串軸向、徑向點(diǎn)應(yīng)變?cè)茍D。

由圖6可知，光纖光柵串能夠跟隨刮板輸送機(jī)的中部槽電纜進(jìn)行實(shí)時(shí)彎曲，并對(duì)彎曲程度數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行感知，軸上的光纖光柵串在刮板輸送機(jī)輸煤過程中不同曲率狀態(tài)下的最大壓縮應(yīng)變分別可達(dá)0.00041、0.000205、0.000137、0.0001、0.0000807。試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果與該煤礦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀察結(jié)果基本保持一致，證明了傳感器研制理論光纖光柵曲率感知原理的正確性。

5結(jié)束語

為了更好地搭建現(xiàn)代礦井智能工作面的平臺(tái)，提高生產(chǎn)開采的工作效率，采用光纖光柵應(yīng)變傳感原理，對(duì)刮板輸送機(jī)直線度感知技術(shù)在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用進(jìn)行研究，并對(duì)感知技術(shù)傳感器的研制進(jìn)行了探討。通過數(shù)值模擬分析軟件對(duì)光纖光柵傳感器實(shí)際工作檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析可知，基于光纖光柵曲率感知技術(shù)的直線度感知檢測(cè)原理能夠應(yīng)用于刮板輸送機(jī)的直線度感知檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)。