李 杰

（陽(yáng)泉煤業(yè)集團(tuán)七元煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 壽陽(yáng) 045400）

引言

煤礦生產(chǎn)的主要環(huán)節(jié)包括掘進(jìn)和采煤，其中掘進(jìn)環(huán)節(jié)對(duì)綜采工作面巷道的成形質(zhì)量、后期支護(hù)的操作方便性具有重要意義；而采煤環(huán)節(jié)直接決定綜采工作面的生產(chǎn)能力和采煤效率。目前，我國(guó)煤礦開(kāi)采主要遵循“采掘并重、掘進(jìn)先行”的原則，由此可見(jiàn)掘進(jìn)環(huán)節(jié)在煤礦生產(chǎn)中的重要性。對(duì)于巷道掘進(jìn)而言，主要存在的問(wèn)題可總結(jié)為自動(dòng)化、智能化水平較低，巷道掘進(jìn)效率低，精度較低，勞動(dòng)強(qiáng)度高等問(wèn)題[1]。本文重點(diǎn)從掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)監(jiān)測(cè)、巷道的成形和恒功率截割三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，具體闡述如下：

1 掘進(jìn)機(jī)巷道成形技術(shù)

1.1 掘進(jìn)機(jī)位置、姿態(tài)測(cè)量及監(jiān)控系統(tǒng)

實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)智能化、自動(dòng)化控制的關(guān)鍵技術(shù)之一為對(duì)掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中位置及姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)任務(wù)對(duì)其姿態(tài)及截割位置進(jìn)行調(diào)整，保證巷道的成形精度。針對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置及姿態(tài)的測(cè)量目標(biāo)，鑒于激光具有較好的亮度和方向性，將其應(yīng)用于掘進(jìn)機(jī)位置及姿態(tài)監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)中。掘進(jìn)機(jī)位置及姿態(tài)監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)主要由激光發(fā)射與測(cè)距分系統(tǒng)、標(biāo)靶分系統(tǒng)、下位機(jī)控制分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)及上位機(jī)分系統(tǒng)五個(gè)部分組成。其中，激光發(fā)射與測(cè)距分系統(tǒng)以GBLM-07 模塊為主體，其主要任務(wù)是向標(biāo)靶分系統(tǒng)發(fā)射激光，并對(duì)發(fā)射點(diǎn)和被測(cè)位置之間的間距進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量；標(biāo)靶分系統(tǒng)的主要任務(wù)是感應(yīng)激光發(fā)射系統(tǒng)所發(fā)射的激光，為測(cè)距提供依據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)的主要功能是基于RS485 和RS232 轉(zhuǎn)換器對(duì)系統(tǒng)獲取的信息參數(shù)及控制指令進(jìn)行傳輸；上位機(jī)的主要功能是根據(jù)下位機(jī)上傳的信息進(jìn)行換算，繼而得出掘進(jìn)機(jī)的實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)[2]。

在上述系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，為保證最終所測(cè)得掘進(jìn)機(jī)實(shí)時(shí)位置和姿態(tài)的準(zhǔn)確性，還需掌握影響測(cè)量精度的主要因素。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比可知：在實(shí)際監(jiān)測(cè)中由于誤差的存在，掘進(jìn)機(jī)的實(shí)際位置及姿態(tài)與監(jiān)測(cè)結(jié)果存在一定的偏差，但是偏差均在允許范圍之內(nèi)。其中，對(duì)于掘進(jìn)機(jī)位置參數(shù)而言，當(dāng)掘進(jìn)距離固定時(shí)，隨著測(cè)量次數(shù)的增加，對(duì)應(yīng)的誤差減小，所監(jiān)測(cè)的結(jié)果逐漸接近理論值；當(dāng)測(cè)量次數(shù)一定時(shí)，隨著掘進(jìn)距離的延伸所監(jiān)測(cè)結(jié)果的誤差增大[3]。因此，針對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置參數(shù)的監(jiān)測(cè)可在合理情況下盡可能地增加測(cè)量次數(shù)。針對(duì)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)參數(shù)而言，隨著測(cè)量次數(shù)的增加，所獲取的結(jié)果幾乎接近理論值。

綜上，可通過(guò)增加實(shí)際測(cè)量次數(shù)，提升對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置及姿態(tài)的監(jiān)測(cè)精度。

1.2 巷道成形技術(shù)

巷道成形的關(guān)鍵技術(shù)是在對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置及姿態(tài)精確監(jiān)測(cè)和控制的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)。除此之外，還需對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割頭的空間規(guī)律進(jìn)行研究，保證在巷道斷面尺寸及輪廓基本確定的情況對(duì)掘進(jìn)機(jī)回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸活塞桿的精確控制，從而保證巷道的自動(dòng)、精準(zhǔn)、高效成形[4]。

從理論層面上講，掘進(jìn)機(jī)在其距離、角度等參數(shù)的合理控制下，對(duì)應(yīng)巷道成形的規(guī)律總結(jié)如下：

1）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在全范圍內(nèi)擺動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)巷道成形的形狀為空間曲面；當(dāng)懸臂在水平方向橫向擺動(dòng)截割時(shí)，對(duì)應(yīng)所成形巷道的斷面寬度值最大。

2）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際截割時(shí)存在一定的俯仰角時(shí)，所成形巷道的頂板或底板會(huì)出現(xiàn)欠挖或超挖的現(xiàn)象。

3）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)實(shí)際截割時(shí)，巷道底板導(dǎo)致其機(jī)身出現(xiàn)一定的橫滾角時(shí)，所成形巷道的斷面會(huì)出現(xiàn)傾斜的情況。

4）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)未按照預(yù)定軌道執(zhí)行任務(wù)時(shí)，所成形巷道出現(xiàn)左右不對(duì)稱的情況。

5）當(dāng)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)能夠精準(zhǔn)控制，而且位置出現(xiàn)偏移時(shí)，雖然所成形巷道的形狀達(dá)到預(yù)期效果，但是巷道的位置發(fā)生了偏移。

因此，掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際截割任務(wù)中，需根據(jù)巷道斷面的形狀、設(shè)備的實(shí)時(shí)位置及姿態(tài)參數(shù)對(duì)其回轉(zhuǎn)油缸活塞桿行程和升降油缸的活塞桿行程進(jìn)行合理規(guī)劃與控制。

本文以EBZ200 型掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)，根據(jù)七元礦井巷道成形的預(yù)期，設(shè)定回轉(zhuǎn)油缸和升降油缸活塞桿的具體行程。

回轉(zhuǎn)油缸活塞桿行程控制為對(duì)其水平擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的控制，對(duì)應(yīng)的機(jī)械原理如圖1 所示。

圖1 回轉(zhuǎn)油缸水平擺動(dòng)結(jié)構(gòu)原理圖

結(jié)合七元礦井巷道成形的預(yù)期，對(duì)于回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的參數(shù)控制如下：回轉(zhuǎn)臺(tái)半徑設(shè)定為400 mm；O 與O1之間的距離控制為670 mm；A 與B 之間的距離設(shè)定為230 mm。

升降油缸活塞桿行程控制為對(duì)其垂直擺動(dòng)結(jié)構(gòu)的控制，對(duì)應(yīng)的機(jī)械原理如圖2 所示。

圖2 升降油缸垂直擺動(dòng)結(jié)構(gòu)原理圖

結(jié)合七元礦井巷道成形的預(yù)期，對(duì)于升降油缸活塞桿的參數(shù)控制如下：O2與N 之間的間距設(shè)為1 250 mm，O2與M 之間的間距為390 mm，M 與N 之間的間距為941 mm。

2 掘進(jìn)機(jī)恒功率截割技術(shù)

在實(shí)際截割過(guò)程中，由于煤層或巖層的硬度不均勻，其對(duì)應(yīng)的截割載荷也處于動(dòng)態(tài)變化中。為保證掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)時(shí)刻處于滿載運(yùn)行狀態(tài)，需根據(jù)煤層或巖層的硬度對(duì)懸臂擺速進(jìn)行針對(duì)性的控制，在有效控制掘進(jìn)機(jī)機(jī)身振動(dòng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)和截齒的保護(hù)。

實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)恒功率的截割控制，其主要控制對(duì)象為回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的速度，本文結(jié)合模糊控制算法和PID 控制算法對(duì)回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的速度進(jìn)行控制[5]。模糊PID 控制算法的核心為不斷對(duì)控制誤差e和誤差率ec進(jìn)行檢測(cè)，并根據(jù)模糊控制原則對(duì)回轉(zhuǎn)油缸活塞桿的速度進(jìn)行在線控制。實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)模糊PID 控制的關(guān)鍵在于對(duì)Kp、Ki及Kd三個(gè)參數(shù)的確定，其確定所采用的方法為試湊法。經(jīng)過(guò)多次試湊，確定Kp=0.01、Ki=0.004、Kd=0.02。

為驗(yàn)證上述模糊PID 三個(gè)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)控制的合理性和有效性，以方波信號(hào)為例，對(duì)模糊PID 控制算法和PID 控制算法進(jìn)行對(duì)比，具體對(duì)比結(jié)果如圖3 所示。

圖3 模糊PID 控制與PID 控制的效果對(duì)比

由圖3 可知，模糊PID 控制效果明顯優(yōu)于PID控制效果?？偟膩?lái)講，基于模糊PID 控制算法系統(tǒng)的響應(yīng)特性更好、超調(diào)量更低及整體的穩(wěn)定性最佳，可滿足掘進(jìn)機(jī)恒功率截割控制的需求。

3 結(jié)語(yǔ)

巷道掘進(jìn)作為工作面開(kāi)采的前期工作，其掘進(jìn)效率直接影響后續(xù)工作面的開(kāi)采進(jìn)度；巷道的成形質(zhì)量直接影響后續(xù)開(kāi)采的速度和安全性。為此，保證巷道的成形速度和質(zhì)量對(duì)于煤礦開(kāi)采具有重要意義。本文重點(diǎn)對(duì)掘進(jìn)機(jī)位置及姿態(tài)的控制、巷道的成形控制以及恒功率截割控制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，對(duì)保證綜采工作面安全、高效生產(chǎn)具有重要意義。