煤巷自動化快速掘進(jìn) .doc

1、煤巷自動化快速掘進(jìn)自動糾偏與煤巖識別技術(shù)研究與實(shí)踐摘 要：王莊煤礦2008年建成全國首個自動化掘進(jìn)工作面.在此基礎(chǔ)上，王莊煤礦2009年繼續(xù)在煤巷自動化快速掘進(jìn)技術(shù)上進(jìn)行研究和實(shí)踐,成功研發(fā)了EBZ150D掘進(jìn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了在自動化快速掘進(jìn)過程中掘進(jìn)設(shè)備的自動糾偏與煤巖識別，使自動化掘進(jìn)技術(shù)得到進(jìn)一步鞏固和完善.關(guān)鍵詞：煤巷自動化 快速掘進(jìn) 自動糾偏 煤巖識別2008年，王莊煤礦在6207運(yùn)巷建成全國首個自動化掘進(jìn)工作面，煤巷自動化快速掘進(jìn)在自動截割、遠(yuǎn)程控制、自動化監(jiān)測、掘錨一體化等關(guān)鍵技術(shù)方面取得重大突破。在此基礎(chǔ)上，針對所使用的掘進(jìn)設(shè)備在煤巖識別和自動糾偏技術(shù)上的不足，2009年王莊煤礦重點(diǎn)

2、對掘進(jìn)機(jī)的自動糾偏功能和煤巖識別進(jìn)行了完善和升級,成功研發(fā)了EBZ150D掘進(jìn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)過程中姿態(tài)的自動調(diào)整和頂?shù)装迕簬r的自動識別，通過在該礦4341風(fēng)巷進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，再次取得了重大突破，也使該礦煤巷自動化快速掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)得到進(jìn)一步的鞏固與完善。1 工作面概況王莊煤礦4341風(fēng)巷地面位置位于屯留縣嶺上村南，井下位置位于+740水平43采區(qū)，掘進(jìn)3#煤層。該工作面賦存于二疊系山西組地層中部，為陸相湖泊型沉積；在本工作面范圍內(nèi),煤層厚度穩(wěn)定,煤厚7.4米，全煤含夾矸5層，其中上分層含夾矸2層，下分層含夾矸3層,總厚度0.41米。該巷道北為4339已采工作面,南為長邯高速公路保護(hù)煤柱,東接43

3、三下山南翼皮帶軌道，西臨43三下山探巷。煤層下部有一層夾矸較厚，為0.3米，工作面外部煤層較薄,里部較厚。東面及北面是嶺上村保護(hù)煤柱,西接630南翼巷道,南臨6205工作面。該巷采用5×3.5 米矩形斷面全錨網(wǎng)支護(hù),頂每排6根錨桿,每3排布置2根錨索;每幫4根錨桿.2 掘進(jìn)機(jī)自動糾偏技術(shù)研究2.1 總體思路掘進(jìn)機(jī)相對巷道中心自動糾偏就是掘進(jìn)機(jī)在截割落煤、裝煤、運(yùn)煤后進(jìn)行下一自動截割之前依靠掘進(jìn)機(jī)的左右履帶行走速度的變化及向前、向后的調(diào)整進(jìn)行調(diào)整掘進(jìn)機(jī)中心線與巷道中心線的相對位置，保證掘進(jìn)機(jī)在自動截割時掘進(jìn)機(jī)中心線與巷道中心線接近一致，從而保證掘進(jìn)機(jī)截割頭在截割時左右截割的距離一致，控

4、制掘進(jìn)機(jī)沿著巷道中心線沿直線前進(jìn),保證巷道的走向。2。2 必要設(shè)備方向執(zhí)行元件是三維電子羅盤儀，其主要檢測掘進(jìn)機(jī)行進(jìn)方向與地磁正北的方位夾角，計(jì)算機(jī)將以此為依據(jù)，恢復(fù)為掘進(jìn)機(jī)初始姿態(tài)坐標(biāo)值,使掘進(jìn)機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)施工時保證掘進(jìn)機(jī)中心線與巷道中線的設(shè)計(jì)走向保證一致,同時時刻跟蹤激光指向儀的指向，確保掘進(jìn)巷道按照設(shè)計(jì)目標(biāo)前進(jìn).相對巷道中心線偏移位置的執(zhí)行元件是三個超聲波距離傳感器,右面兩個，左面一個,根據(jù)檢測到的距離來判斷掘進(jìn)機(jī)在巷道中的位置情況,其采用超聲波回波測距原理，運(yùn)用精確的時差測量技術(shù)，檢測傳感器與目標(biāo)物之間的距離，小盲區(qū)超聲波傳感器,具有測量準(zhǔn)確、無接觸、防水、防腐蝕、低成本等優(yōu)點(diǎn)。掘進(jìn)機(jī)

5、的姿態(tài)位置狀態(tài)元件采用二軸傾角傳感器，主要檢測掘進(jìn)機(jī)機(jī)身沿著行進(jìn)方向與水平面的俯仰角、機(jī)身的側(cè)傾角,給超聲波傳感器提供有利的位置角度數(shù)據(jù).掘進(jìn)機(jī)調(diào)整元件為行走馬達(dá)、比例電磁閥、比例電磁閥PLVC控制單元。PLVC控制單元控制比例電磁閥的開度，比例電磁閥控制行走馬達(dá)的轉(zhuǎn)速,從而控制左右行走的速度，擺正掘進(jìn)機(jī)的位置。2.3 位置分析掘進(jìn)巷道中掘進(jìn)機(jī)與巷道中線的位置關(guān)系有以下幾種情況：1）無位置偏差 巷道中心線與掘進(jìn)機(jī)中線重合,位置無偏差,這也是掘進(jìn)機(jī)位置糾偏的目標(biāo).掘進(jìn)機(jī)與中線無偏差 2）方向角偏差 掘進(jìn)機(jī)的中線與巷道中線存在一定的夾角掘進(jìn)機(jī)中線與巷道中線存在偏角 3）位置偏差 掘進(jìn)機(jī)中線與巷道中

6、線平行,但存在著一定的位置偏差 掘進(jìn)機(jī)中線與巷道中線存在偏距4）混合偏差這種情況也是實(shí)際過程中經(jīng)常遇到的情況，掘進(jìn)機(jī)與巷道中線既存在偏角也存在偏距，可認(rèn)為其是由位置情況2與位置情況3的組合而成 分為四種情況2.4 糾偏策略 根據(jù)掘進(jìn)機(jī)與巷道的位置情況,下面給出不同位置關(guān)系下掘進(jìn)機(jī)的糾偏控制策略:1）方向角偏差糾正圖中為轉(zhuǎn)臺中心，為機(jī)身行走部的中心，分別為對稱分布在行走中心的超聲波傳感器測得的傳感器至煤墻的距離.掘進(jìn)機(jī)方向角偏差抽象圖此時經(jīng)過測距后的滿足關(guān)系式式 通過上式可以判斷掘進(jìn)機(jī)與巷道在位置上存在方向角偏差,反之亦成立.指定糾偏措施如下: （1)如果則說明掘進(jìn)機(jī)向左偏離巷道中心線,此時，控

7、制通過比例電磁閥控制掘進(jìn)機(jī)左、右液壓馬達(dá)向相反的方向行進(jìn),并有，保持兩個馬達(dá)運(yùn)行直到 （2）如果則說明掘進(jìn)機(jī)向右偏離巷道中心線，此時，控制通過比例電磁閥控制掘進(jìn)機(jī)左、右液壓馬達(dá)向相反的方向行進(jìn),并有，保持兩個馬達(dá)運(yùn)行直到。 2）位置偏差糾正掘進(jìn)機(jī)位置偏差抽象圖此時經(jīng)過測距后的滿足式 通過上式可以判斷掘進(jìn)機(jī)與巷道中心線存在位置偏差,反之亦成立.設(shè)計(jì)糾偏策略如下： (1)如果則說明掘進(jìn)機(jī)向右偏離巷道中心線，此時，控制通過比例電磁閥控制掘進(jìn)機(jī)左、右液壓馬達(dá)同向行進(jìn),并有，保持兩個馬達(dá)運(yùn)行直到,此時掘進(jìn)機(jī)的位置情形變?yōu)榉较蚪瞧?按照前文所述方向角偏差糾正的策略糾偏即可，最后控制使掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行至指定定位

8、點(diǎn)。 （2）如果則說明掘進(jìn)機(jī)向左偏離巷道中心線，此時，控制通過比例電磁閥控制掘進(jìn)機(jī)左、右液壓馬達(dá)同向行進(jìn),并有，保持兩個馬達(dá)運(yùn)行直到，此時掘進(jìn)機(jī)的位置情形變?yōu)榉较蚪瞧?，按照前文所述方向角偏差糾正的策略糾偏即可,最后控制使掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行至指定定位點(diǎn)。3)混合偏差糾正掘進(jìn)機(jī)多種位置偏差抽象圖此時經(jīng)過測距后的滿足式 通過式可以判斷此時掘進(jìn)機(jī)與巷道中心線存在著多種偏差,反之亦然。制定糾偏策略如下： （1）如果則說明掘進(jìn)機(jī)機(jī)身向左偏離巷道，控制通過比例電磁閥控制掘進(jìn)機(jī)左、右液壓馬達(dá)向相反的方向行進(jìn)，并有,保持兩個馬達(dá)運(yùn)行直到，此時，掘進(jìn)的位置狀態(tài)變?yōu)槲恢闷睿凑瘴恢闷畹募m正策略對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制即可。（

9、2)如果則說明掘進(jìn)機(jī)機(jī)身向右偏離巷道，控制通過比例電磁閥控制掘進(jìn)機(jī)左、右液壓馬達(dá)向相反的方向行進(jìn)，并有,保持兩個馬達(dá)運(yùn)行直到，此時，掘進(jìn)的位置狀態(tài)變?yōu)槲恢闷?按照位置偏差的糾正策略對掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行控制即可。2.5減小誤差的措施由于掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)時會遇到很多特殊的情況,因而在實(shí)際中會存在一定的偏差。方向的偏差，掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)方向與巷道中心線會存在偏差，一是掘進(jìn)機(jī)的機(jī)載電子羅盤儀的與地磁北極的夾角誤差，二是電子羅盤儀本身由于地磁場以及電感應(yīng)磁場引起偏差。解決方向偏差是調(diào)整電子羅盤儀與地磁北極的角度和實(shí)際角度調(diào)整偏差進(jìn)行方向修正，從而與實(shí)際角度接近，保證掘進(jìn)的方向與實(shí)際規(guī)定的方向保持一致.掘進(jìn)機(jī)中心線實(shí)際位

10、置與巷道中心的偏差，由于巷道兩幫不規(guī)則或是不平整，勢必引起掘進(jìn)機(jī)位置相對不正確，因此會造成掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道會發(fā)生偏移.為了保證掘進(jìn)的方向不發(fā)生太大的誤差，在巷道兩幫安裝兩個輕便的定位導(dǎo)向板，保證掘進(jìn)機(jī)機(jī)載超聲波傳感器測量位置的準(zhǔn)確性。但此亦不能完全保證,因此規(guī)定超聲波傳感器也有一定的誤差，給出2050mm的誤差,同時對超聲波傳感器的測量距離進(jìn)行數(shù)值修正。為了保證巷道的走向及成型，在進(jìn)行換班截割時進(jìn)行人為糾偏。為了保證掘進(jìn)機(jī)的正確位置，在巷道中安設(shè)攝像頭，攝像頭監(jiān)視到的實(shí)際信息傳到控制室，通過控制室內(nèi)的監(jiān)視器以及工控機(jī)獲取的模擬信息,對掘進(jìn)機(jī)的各種狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和控制,如果出現(xiàn)與預(yù)期目的不同的情況，

11、可以通過控制室進(jìn)行人為遙控修正，保證掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)方向，從而保證掘進(jìn)的正常施工.3 煤巖自動識別技術(shù)研究3.1總體思路掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行截割作業(yè)時,截割電機(jī)帶動截割頭旋轉(zhuǎn)，同時回轉(zhuǎn)油缸作用于回轉(zhuǎn)臺，通過帶動截割頭按照截割軌跡左右擺動，升降油缸推動懸臂進(jìn)行上下擺動.當(dāng)掘進(jìn)機(jī)由空轉(zhuǎn)到截割煤層再到截割巖石時，截割電機(jī)的電流、旋轉(zhuǎn)油缸的壓力、升降油缸的壓力、速度等均產(chǎn)生變化，所以可以根據(jù)截割電機(jī)和回轉(zhuǎn)、升降油缸的變化來確定掘進(jìn)機(jī)截割的是煤還是巖石.煤巖識別的主要目的是為了尋找頂板、底板、側(cè)幫以及中間夾矸。一是保證掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)時截割煤,減少設(shè)備的損耗,減小維修量；二是保證沿頂?shù)装寰蜻M(jìn)時不破壞頂板或底板;三是截割側(cè)幫

12、時不產(chǎn)生超挖現(xiàn)象，保證巷道的成型.3。2 根據(jù)截割電機(jī)電流發(fā)生的變化來判斷煤巖 只要測得截割電機(jī)在截割不同煤巖情況下的線電流、線電壓、就可以判斷出當(dāng)前狀態(tài)下的普氏系數(shù)，并在計(jì)算機(jī)上顯示相應(yīng)的坐標(biāo)，就可確定此時煤巖分布狀況。旋轉(zhuǎn)油缸的受力分析截割頭在截割斷面的過程中，除了在截割電機(jī)帶動下的旋轉(zhuǎn)，還包括在回轉(zhuǎn)油缸帶動下的左右擺動?；剞D(zhuǎn)油缸內(nèi)部安裝直線位移傳感器，來檢測油缸的行程，從而測定回轉(zhuǎn)速度；回轉(zhuǎn)油缸控制閥采用比例電磁閥,通過計(jì)算機(jī)及壓力傳感器與PLVC控制單元的控制從而測定其壓力，并能夠控制其回轉(zhuǎn)的速度。 分析回轉(zhuǎn)油缸產(chǎn)生的進(jìn)給力矩，在沿截割軌跡以某一速度穩(wěn)定截割時，進(jìn)給力矩與阻力距相等，根

13、據(jù)數(shù)學(xué)方程可得出截割對象的f,結(jié)合上位機(jī)顯示的截割斷面坐標(biāo)進(jìn)行判斷. 只要測得截割不同煤巖情況下的油缸的壓力及速度就可以判斷出當(dāng)前狀態(tài)下的普氏系數(shù),就可確定此時煤巖分布狀況。升降油缸的受力分析截割頭在截割斷面的過程中，除了在截割電機(jī)帶動下的旋轉(zhuǎn)，還包括在升降油缸帶動下的上下擺動.升降油缸內(nèi)部安裝直線位移傳感器，來檢測油缸的行程，從而測定升降速度;升降油缸控制閥采用比例電磁閥，通過計(jì)算機(jī)及壓力傳感器與PLVC控制單元的控制從而測定其壓力及控制其升降的速度。原理同上. 截割電機(jī)與旋轉(zhuǎn)油缸信息融合下參與截割的截齒受力情況進(jìn)行煤巖識別識別原理為:掘進(jìn)機(jī)在截割煤巖的過程中，隨著截割介質(zhì)的變化，截割頭的阻

14、力矩、徑向作用力以及由截割力激勵所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)和扭轉(zhuǎn)振動響應(yīng)都要隨之發(fā)生變化，如果監(jiān)測這些參數(shù)變化，并經(jīng)過恰當(dāng)?shù)男盘柼幚砼c多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)，就可實(shí)現(xiàn)切割過程煤巖界面識別。多傳感器融合技術(shù)不受掘進(jìn)工藝的限制,對地質(zhì)條件的要求是只要頂?shù)装鍘r石和煤層在機(jī)械特性方面有一定差別即可.對于縱軸式截割頭,左右橫擺過程中，作用在截齒上的平均截割阻力為 截割頭左右回轉(zhuǎn)時的單個截齒所受的水平阻力 截割頭所受的水平阻力 則截割頭所受的水平阻力 根據(jù)測得的回轉(zhuǎn)油缸壓力及線速度，即可以求出煤巖的接觸強(qiáng)度，根據(jù)接觸強(qiáng)度與普氏系數(shù)之間的關(guān)系（表1）,利用插值法可求出相應(yīng)時刻的煤巖普氏系數(shù)。假定不變，可得回轉(zhuǎn)油缸線壓力與普氏系數(shù)之間關(guān)系圖.煤巖接觸強(qiáng)度與普氏系數(shù)對應(yīng)關(guān)系345678（）2303504906508001000根據(jù)測定的實(shí)際煤巖硬度，參考截割定位方程,判斷不同位置的煤巖情況。根據(jù)煤巖識別的目的是判斷底板、頂板、側(cè)幫和中間夾矸,當(dāng)截割頭在底板位置時，根據(jù)以上四種判斷機(jī)理,計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行控制截割頭的位置,具體是當(dāng)截割到底板時如果巖石硬度大于f4以上，掘進(jìn)機(jī)