机电自动化技术在煤矿掘进工作面中的应用研究

2023-02-17

目前, 煤矿掘进和回采装备技术都得到较快发展, 但是在自动化发展方面, 综掘工作面落后于综采工作面, 而且这种情况已影响到煤矿生产的整体效率。为此必须加大对综掘工作面自动化技术的研究和开发力度。煤矿掘进工作面自动化应包括生产高效和安全可靠两方面。生产高效主要解决掘锚机组自动化、运输自动化以及系统集成等问题, 安全可靠则应实现工作面振动、瓦斯、粉尘、煤尘以及探水、通风等监控自动化。

1. 掘进机自动截割技术

掘进机自动截割可通过实时获取截割头空间位置坐标、自动截割导航和截割轨迹实时调整来完成, 并利用数控加工技术、运动控制技术和传感器技术来实现[1,2]。掘进机在巷道中的工作位置分为对心和偏心两种状态, 处于后一种状态时掘进机受到不平衡倾覆力矩影响, 振动和噪声都很大, 故应采用前一种状态。通过合理设置截割断面参数和切割轨迹参数确保截割头按照预设轨迹完成截割。再利用DSP运动控制器实现闭环控制, 以提高系统控制精度。例如截割断面尺寸的确定, 首先根据理论截割范围, 即以回转台为中心的切削球面在巷道横断面上的投影, 也就是一个圆形, 只要实际截割范围在该圆形内, 掘进机都能在改变工作位置情况下完成一个工作循环的截割。将截割参数存于DSP内, 就能确定工作路线及工作循环次数。

2. 掘进机自动纠偏技术

掘进机在完成截割落煤、装煤和运煤一个循环, 进行下一个自动截割之前要进行自动纠偏操作, 使掘进机沿巷道中心线前进[3]。掘进机前行是否满足设计要求, 主要通过方向和位置进行判别。判断掘进机方向的元件是三维电子罗盘仪, 通过检测掘进机行进方向与地磁正北方向的夹角, 即可确定掘进机中性线与巷道设计中心线角度偏差, 再利用激光指示仪指向, 可控制掘进机沿设计目标前进。判断掘进机中性线与巷道设计中性线位置偏离的执行元件是超声波测距传感器, 左面设置2个, 右面设置3个。利用超声波回声测距以及精确测量时差就能够测出传感器与目标之间的距离, 再通过二轴倾角传感器检测机身与水平面之间的俯仰角以及机身侧倾角控制掘进机沿有利位置前进。利用行走马达、比例电磁阀及PLVC控制单元可调整掘进机行进方向和位置。

3. 掘进机煤岩识别技术

煤层和岩石硬度上的差别反映在掘进机截割负荷的差异, 具体到截割作业, 截割煤层与截割岩层时截割电机的电流、旋转油缸压力、升降油缸压力以致速度等参数都会发生改变, 依据同一巷道截割不同层面下煤与岩石的参数值, 就可以对煤、岩界面进行判别[4]。截割过程中底板、顶板和两帮可依据这个原则进行识别。例如沿底板截割时, 如果截割轨迹在底板以上范围遇到的岩石可判断为夹矸, 这种情况下可通过控制电磁比例阀降低进给速度继续截割;而在底板以下范围遇到岩石可判断为底板, 可不断抬高截割头进行水平截割尝试, 直至发现煤层。

4. 掘进机监控技术

掘进作业过程中, 通过对施工现场进行实时监控, 可及时而准确掌握工作面信息 (如孔隙水压力、掘进速度等) , 再经过计算机模拟, 为工作人员作出合理决策创造条件[5]。自动监测一般依靠上位机采集可编程控制器数据, 再由组态软件实现监测, 其功能包括参数显示、数据存储与处理、屏幕显示等。上位机采用PC机, 下位机采用现场从站和PLC控制系统。再利用相关软件实现人机交互、地表沉降量预测等功能。

5. 掘锚一体化技术

传统临时支护施工采用“一掘一支”即掘进与支护分开进行的方法, 严重影响综掘效率, 而且工人劳动强度大, 操作安全系数低。掘锚一体化技术就是在掘进机上配套锚护装置, 不退机完成顶帮锚杆 (锚索) 支护。该装置由顶架、升降油缸、伸缩油缸、分流集油阀、换向阀及管路等组成, 利用掘进机自身的液压系统, 通过液压阀切换到支护油路完成支护操作。支护完成后, 再通过液压阀切换到掘进作业油路[6]。支护操作不干扰掘进作业, 切换简捷可靠。

6. 运输自动化技术

一般在掘进工作面工作室对输送机进行集中控制, 由控制器对掘进机状态、带式输送机电机开关、除尘风机开关等信号进行联锁控制, 利用多功能终端采集输送机机尾跑偏、堆煤、电机电流、温度、速度等数据, 根据设定的控制模式, 出现故障时控制器自动作出包括急停、扩音电话通知等控制功能, 实现运输自动自动化。

7. 通风监控系统

掘进工作面通风安全是煤矿安全生产中的重要环节, 为了在地面就能及时准确地了解各工作面的通风状况, 并进行实时监控, 需要应用自动化控制技术。控制模式有多种, 现举一例说明。监控系统分为地面集控中心、智能通风控制子站、终端设备三个层级。地面集控中心作为控制系统的核心, 主要负责各工作面通风设备相关监测数据的分析和处理, 并实时显示工作面瓦斯浓度分布信息以及通风风量、风速信息。智能通风控制子站由光纤交换机、隔爆光端机、PLC控制器等组成, 可以进行数据采集、通信和对通风机进行控制。终端设备用来采集工作面温度、风量、风速、瓦斯浓度以及通风机电压、电流等信息, 并根据智能通风控制子站的指令控制通风机开度或电机转速等。

8. 自动探水、排水技术

透水事故是重大恶性事故, 危害十分严重。在巷道掘进到断层、裂隙、溶洞时可能发生突然大量涌水现象, 所以掘前要对可能突水地段进行探测。探测之后, 可以掘进一定距离, 然后再进行探测和掘进。这个过程对生产效率影响较大, 若能自动测距、自动启停作业, 对提高掘进效率和作业安全性是有帮助的。在掘进机上安装激光追踪仪, 距掘进机一定距离的支架上安装3D传感器, 再在控制柜内设置PLC控制系统。根据设定的探水距离和掘进距离, 每掘进到设定距离掘进机自动停止作业, 探水并重启掘进程序后才能继续下一轮作业[7]。这个技术可能算不上自动化程度很高的技术。下面这个例子可实现无人值守自动排水, 其原理是设计由隔爆型液位控制器、电极、低压防爆开关和水泵组成的排水系统。电极用于探测液位, 并始终没于水中。当水位达到液位上限后, 液位控制器动作, 延时后自动启动水泵抽水。同时设置各种保护动作和紧急情况下手动操作功能, 防止排干水后电机继续运转而损坏水泵。