姚士茂

（國能神東煤炭布爾臺煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

近年來，自動化放煤技術(shù)得到飛速發(fā)展，雖然機(jī)械化程度不斷提高，但是放頂煤理論發(fā)展滯后嚴(yán)重，導(dǎo)致放頂煤工藝的粗糙性[1-2]。工程應(yīng)用中，放頂煤工藝的自動化控制需有效識別煤炭與矸石的差別，以避免矸石的大量放出，造成卡煤、堵煤以及設(shè)備損壞的狀況[3-6]。本文立足于研究此問題，通過對振動信號和特征信號的聯(lián)合分析，判斷煤炭下落過程和矸石下落特征的差異，并在現(xiàn)場得到成功應(yīng)用，彌補了理論研究不足的現(xiàn)狀。

1 煤矸信號特征

綜采工作面自動化放煤技術(shù)的核心是準(zhǔn)確識別煤炭與矸石特征，避免放矸石量太大造成設(shè)備的故障。實際工程中，工作人員大都根據(jù)實際經(jīng)驗進(jìn)行放煤，并沒有準(zhǔn)確嚴(yán)格的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)。在實際放頂煤過程中，煤炭和矸石下落特征有明顯的差異，可根據(jù)兩者聲波信號的差異進(jìn)行識別。以往的研究中，往往針對煤炭或者矸石的單一信號進(jìn)行特征的提取與識別，可粗略地分辨煤炭與矸石的差異，但是當(dāng)放煤量過大時，工作面巨大的噪音以及振動使得兩者的辨識度降低，對放頂煤過程中聲音信號、振動信號進(jìn)行同時提取，兩者數(shù)據(jù)的差異性很小，以此為依舊無法實現(xiàn)煤炭和矸石的準(zhǔn)確識別，在實際放頂煤過程中，煤炭及矸石和機(jī)械設(shè)備發(fā)生碰撞，對聲音信號的采集影響較大，因此這種分析方法不可取。

2.1 煤矸信號特征實驗

為了保證分析數(shù)據(jù)的精度和準(zhǔn)確性，通過集團(tuán)的物理模擬實驗平臺，采用相似模擬的手段，分析不同煤炭和矸石混合比例下，兩者之間信號的差異，通過信號特征的提取，判別煤炭和矸石，模擬實驗裝置如圖1 所示。

圖1 模擬實驗裝置

相似模擬實驗以及假設(shè)條件如下：

（1）共設(shè)置三組對比實驗，第一組為全煤炭的下落實驗，第二組為全矸石的下落實驗，第三組為一半煤炭、一半矸石的下落實驗。

（2）實驗過程中煤炭以及矸石為大小不一的顆粒，下落過程為顆粒的隨機(jī)運動，無人為干擾，與實際工程條件相似。

（3）實驗過程中分別在煤炭及矸石下落沖擊的位置和支架處安裝振動傳感器和聲波傳感器，信號采樣頻率均為5 000 Hz，采樣點數(shù)為3 000 次（每1.67 s 采集一次）。

（4）采用耐高溫的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行信號的采集，8 路數(shù)字量的輸入和輸出可滿足實驗條件。

（5）振動傳感器的工作電壓為10～24 V，工作電流需小于30 mA，環(huán)境最大溫度40℃；聲波傳感器的工作電壓為5～24 V，工作電流需小于65 mA，環(huán)境最大溫度50℃。

2.2 煤矸信號特征分析

根據(jù)設(shè)計實驗，對全煤炭下落、全矸石下落以及一半矸石、一半煤炭下落過程中的振動信號和聲波信號進(jìn)行采集，得到圖2 所示的原始聲音信號變化曲線和圖3 所示的原始振動信號變化曲線。從圖2 中全煤炭和全矸石下落實驗中，兩者聲音信號有明顯的差別。全煤炭下落實驗中，信號電壓最大幅值接近1.2 V，且普遍在0.62 V 左右上下浮動。全矸石下落實驗中，信號電壓最大幅值為0.49 V，且普遍在0.22 V 附近浮動。50%煤炭和50%矸石實驗中，信號電壓的最大幅值達(dá)到1.26 V，普遍在0.61 V 左右浮動。以上實驗無法準(zhǔn)確分辨煤炭和矸石的聲音信號。

圖2 原始聲音信號變化曲線

圖3 原始振動信號變化曲線

圖3 所示的原始振動信號變化曲線中，全煤炭下落實驗、50%煤炭50%矸石下落實驗、全矸石下落實驗中，振動信號變化規(guī)律相近，振動信號電壓最大幅值均介于0.6～0.7 V 之間，全煤炭實驗和50%煤炭50%矸石下落實驗的信號最小幅值介于0.1～0.2 V 之間，全矸石下落實驗的振動信號最小幅值介于0～0.1 V 之間。上述實驗依舊無法分辨全煤炭實驗和摻雜矸石下落實驗振動信號的差異。

2 煤矸信號特征的分析

已有的信號特征分析方法中，奇異值分解適用性最廣，往往用于工作面煤矸的粗略識別，不適用于精度較高的識別研究。為此，本文采用小波變換法對聲音信號和振動信號進(jìn)行特征的提取。小波變換法的處理過程如下： 基于基函數(shù)對提取的信號進(jìn)行多層分解，然后對于分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行系數(shù)的選擇，判定得到閾值，隨后對照原始信號曲線應(yīng)用閾值，得到重建的信號曲線。

以上過程都是基于計算機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn)的。根據(jù)小波變換對稱性、正交性的特征，選擇Haar 小波系，基于采樣點數(shù)，得到理論尺度數(shù)值，考慮到信號的連續(xù)性，將分解持續(xù)步數(shù)選擇為8，因此原始信號可分解為噪聲信號和離散信號。隨后利用VisuShrink 法對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行閾值的計算，具體可表示為以下公式：

式中：T 為閾值，V；W 為小波系數(shù)；N 為信號長度，V。

對原始信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到重構(gòu)后的振動信號和聲音信號，重構(gòu)聲音信號變化曲線如圖4所示，重構(gòu)振動信號變化曲線如圖5 所示。

圖4 重構(gòu)聲音信號變化曲線

圖5 重構(gòu)振動信號變化曲線

圖4 重構(gòu)聲音信號變化曲線中，消除了冗雜的相似數(shù)據(jù)，全煤炭下落實驗中，聲音信號的平均值為0.6 V，最大值為1.2 V，最小值為0.1 V。全矸石實驗中，聲音信號的平均值為0.23 V，最大值為0.47 V，最小值為0.19 V。50%煤炭50%矸石實驗中，聲音信號的平均值為0.58 V，最大值為1.21 V，最小值為0.08 V。根據(jù)聲音信號可快速分辨出煤炭和矸石的特征，高幅值的聲音電壓信號為煤炭，低幅值的聲音電壓信號為矸石。在煤炭和矸石的混合實驗中，高幅值信號由煤炭下落產(chǎn)生，低幅值信號由矸石下落產(chǎn)生，這種聲音信號的大范圍反復(fù)性高低變化，造成了煤炭、矸石下落實驗中聲音信號的復(fù)雜性，因此可將聲音信號為0.23 V，0.6 V 作為參考，當(dāng)放煤過程中聲音信號頻繁出現(xiàn)高于0.6 V 和低于0.23 V 的信號時，認(rèn)為有矸石的參與。

圖5 反映了重構(gòu)振動信號變化規(guī)律。全煤炭下落實驗中，振動信號的平均值為0.41 V，最大值為0.67 V，最小值為0.16 V。全矸石實驗中，振動信號的平均值為0.35 V，最大值為0.65 V，最小值為0.05 V。50%煤炭50%矸石實驗中，振動信號的平均值為0.39 V，最大值為0.65 V，最小值為0.13 V。不同下落實驗中振動信號的變化幅值差異較小，不同的是，全煤炭下落過程中振動信號幅值的最大值和最小值差值較小，為0.51 V；全矸石下落過程中振動信號幅值的最大值和最小值差值較大，達(dá)到0.6 V，煤炭矸石下落過程中振動信號幅值的最大值和最小值差值為0.52 V。因此可根據(jù)振動信號的幅值差值變化判斷煤炭與矸石，差值超過0.55 V，判斷為矸石為主的下落過程，此外，當(dāng)振動信號電壓幅值變化頻率較大時，判斷為有矸石的摻雜。

通過對煤矸信號的特征分析，可在理論上實現(xiàn)煤炭與矸石的精確判別，可作為放頂煤開采的理論依據(jù)，提高放煤量，防止卡煤等現(xiàn)象的發(fā)生。

3 自動化放煤技術(shù)應(yīng)用

隨著機(jī)械化自動化水平的不斷發(fā)展，礦井生產(chǎn)設(shè)備的智能化控制、在線監(jiān)測以及故障診斷均向著數(shù)字化、無人化方向發(fā)展。在放頂煤開采工藝中亦是這樣，基于智能化系統(tǒng)以及設(shè)備的數(shù)字化，實現(xiàn)了煤炭與矸石的識別，使得智能化放煤成為現(xiàn)實。

布爾臺煤礦42204 工作面采用綜采放頂煤工藝開采，工作面傾角范圍1°～3°，煤層平均厚度6.28 m。工作面刮板運輸機(jī)每小時可運輸500 t 煤炭，設(shè)備運行過程中功率為265 kW，最大額定電流為200 A。根據(jù)實際開采條件，采煤機(jī)截割工作面上半段煤體時，對工作面下半段煤體進(jìn)行放頂煤，當(dāng)截割下半段煤體時，對上半段煤體進(jìn)行放頂煤，這意味著每次放頂煤的時候，都必須有兩次拉架。實際放頂煤過程中，并非一次性放完，而是按照頂煤的20%～30%范圍逐漸進(jìn)行，循環(huán)往復(fù)，直至頂煤放完。

圖6 為放頂煤過程中聲音振動信號的變化規(guī)律。從圖中可以看出，聲音信號中偶爾伴隨有小于0.23 V 的振動信號，但并沒有形成高幅值和低幅值頻繁變化的趨勢，這是由于煤層中矸石所致，少量矸石的出現(xiàn)，導(dǎo)致在放頂煤4 min、6.1 min、9.6 min、11.9 min、14.2 min、15.9 min、17.1 min以及22 min 時出現(xiàn)矸石下落聲音振動信號的特征，整個聲音振動信號的變化規(guī)律符合前述討論的煤炭下落特征，對工作面刮板輸送機(jī)下落巖石進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)有少量矸石存在，大部分為煤塊，說明此方法在放頂煤工藝中適用。

圖6 放頂煤過程中聲音振動信號變化規(guī)律

4 結(jié)論

1）放頂煤過程中聲音信號頻繁出現(xiàn)高于0.6 V和小于0.23 V 的信號時，認(rèn)為有矸石的參與。

2）放頂煤過程中根據(jù)振動信號的幅值差值變化判斷煤炭與矸石，差值超過0.55 V，判斷為矸石為主的下落過程，且振動信號電壓幅值變化頻率較大時，判斷為有矸石的摻雜。

3）基于煤矸特征信號的識別，現(xiàn)場得到了成功應(yīng)用，該方法可靠、可行。