综采放顶煤工作面自动放煤控制系统研究.pdf

第 44卷 第 “ 期 2018年 6 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 6 Jun. 2018 文章编号671-251X201806-0027-04 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018020020 综 “ 放 顶 煤I作 面 自 动 放 煤 控 制 系 统 研 究 牛剑峰 北京天地玛珂电液控制系统有限公司， 北 京 100013 摘要 针对综采放顶煤工作面人工放煤方式生产效率低的问题， 研究了一种自动放煤控制系统。在液压 支架上安装声波传感器、振动传感器和灰分传感器，通过人工示范操作和机器学习记忆传感器信号，确定放 煤过程结束时传感器信号特征波形， 比对采集的振动感知信号、 声音感知信号与特征信号的相似度； 通过灰 分传感器有效辨识采出顶煤的含矸率％艮据相似度和含矸率作出预警或直接控制。该系统实现了以传感器 感知控制为主、 时间控制为保护值、 地面调度室远程干预控制为辅的自动化放煤控制， 提高了综采放顶煤工 作面的自动化水平和生产效率。 关键词 煤炭开采％厚煤层％综采放顶煤工作面％自动放煤％传感器感知％煤矸识别 中图分类号 TD823. 49 文献标志码A 网络出版地址Gttp //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180517. 1706. 003. html Research on automatic drawing control system on fully-mechanized coal fcce with sublevel caving NIU Jianfeng Beijing Tiandi-Marco Electronic-Hydraulic Control System Company Ltd. , Beijing 100013, China Abstract In view of problem of low production efficiency of artificial drawing on fully- mechanized coal face with sublevel caving, an automatic drawing control system was studied. Sonic sensors, vibrating sensors and ash sensors are installed on hydraulic supports. Through artificial demonstration operation and machine learning to memory sensor signals, sensor signal characteristic wave during the end of drawing process is determined, and the similarity between collected vibration sensing signal, sound sensing signal and the characteristic signal is compared; the ash sensor is used to effectively identify inclusion rate of caved top coal. According to the similarity and inclusion rate, the system exccute early warning or direct control to realize automatic drawing control which taking sensor- based sensing control as main control, time control as protection value, and remote intervention control as auxiliary control. The system improves automation level and production efficiency of fully-mechanized coal face with sublevel caving. Key words coal mining； thick coal seam； fully-mechanized coal face with sublevel caving； automatic drawing； sensor sensing； coal and gangue identification 收稿日期2018-02-06;修回日期2018-04-13;责任编辑胡娴。 基金项目能源自主创新资助项目（ 发改投资（ 2015 1780号山西省煤基重点科技攻关资助项目（ M；2014-08。 作者筒介牛剑峰（1961 ）， 男 ， 山西太原人， 研究员， 从事煤矿综采工作面自动化系统及产品的研发及管理工作， E-mailnftdmaco. com。 引用格式 牛剑峰. 综采放顶煤工作面自动放煤控制系统研究工矿自动化， 2018,4467-30. NIU Jianfeng. Research on automatic drawing control system on fully-mechanized coal face with sublevel caving[J]. Industry and Mine Automation，018，46 27-30. 28 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 〇 引言〇 引言 中国厚煤层资源丰富， 是一个厚煤层储量大国， 也是厚煤层开采大国， 厚煤层产 原煤总产量的 45 。厚煤层是中国 产 采的主要 煤层， 主要采用放顶煤开采方法， 研究放顶煤自动化 采方法和技术对煤矿生产具有重要意义。 综采放顶煤工作面自动化技术经过几十年的发 展 ， 1 0 / 的技术创新和关键技术 的突 破 ， 工作面前部的综采自动化 。综采 放顶煤工作面控制技术 的发 能 化 ， 能化控制系统 综采作业的自动化控 制及 控 ， 完善采煤机、 液 和 系统的 控制， 实现综采 的就地/集中 网 络管理控制12。 放煤自动化方面， 放煤 自动化生产的 ， 理论研究和 技术 ， 还不能 自动化生产[3]。 厚煤层 采 采煤 煤和 液 架放煤 分 。 采煤 煤 新的采 ， 液 新 的 煤 ， ， 液 ， 工作面顶煤 ， 在矿山压力的作用 ， 液 放 煤 放 煤 。 采 煤 煤和液 自动控制[45] 综 采放顶煤工作面 的综采自动化控制。综采放顶 煤工作面 的综 放 分 ， 液 方 的采 ， 放煤 ， ， 还没有 用的煤 方法能 用 煤层， 综放部 分主要采用人工操作 放煤控制。操作人员一般 耳朵听来判断放落的是煤炭 石 ， 确定顶 煤是否放完。人工放煤控制方式生产效率低， 成为 制约厚煤层安全 采和煤炭资源协调开发的突 出问题。鉴此， 本文研究 种综采放顶煤工作面 自动放煤控制系统， ， 以传感器感知控制为主、 控制为保护值、 远程干预控制为辅的自动化放 煤控制[]。 1放煤过程相关因素分析1放煤过程相关因素分析 在综采放顶煤工作面， 伴随着采煤机滚筒割煤、 破煤和液 放煤， 垮落的煤炭和岩石会产生大 ， 煤炭暴露的面积增大， 煤层中的 释放会 产生大量瓦斯。顶煤垮落会对液 产生冲击和 振动， 产生 的响声， 顶煤 液 力 、 煤层厚度、 煤矸属性等多种因素相关[7]。随着煤 层厚度的增加， 矿山 更加显性化， 液 工作 阻力也相应加大。液压支架对顶煤的反复支撑使得 顶煤不断下沉和顶起， 可以 定程度上 对顶 煤的挤压变形， 有助于顶煤的裂隙发育。利用矿压 和顶煤自重， 使顶煤破碎、 垮 落 ， 便于顶煤 冒放[8]。采煤高度与放煤高度应控制 定的比 例 ， 煤层构造（ 如夹矸等对顶煤放 有很大影响。 放煤 相关因素如图1 。 破煤T煤岩 〇 1界面识别 振 动 采 煤 机 速 度, ◦ 瓦斯 采 煤 机K 1采高\ 放煤髙度） \ 矿压 顶板支撑力 落煤/装煤 增加负荷 顶煤 破碎y 潛 随 惯性导航 姿态检B /直线度. / 割煤质量y 移架 垮落 层厚度 f放煤髙度 / 及面识别\ / 、 移架I 推溜装煤 增加负荷 放顶煤 液压支架 放煤 增 加 负 荷 〇〇/ 粉垄音 后部 刮板输送机 拉溜 Y J 刮板输送机 直线度 Z 前部 刮板输送机 推溜 刮板输送机 直线度 图1放煤过程相关因素 Fig. 1 Related factors in coal caving process 2自动放煤控制系统原理2自动放煤控制系统原理 在液压支架上安装声波传感器和振动传感器对 放煤 中 的煤 感 知 ， 对关闭放煤 卜 的声 号和振动信号 分析， ， 号 ， 并 以此信号为判断放煤口自动关闭的条件。 反复 训练， 对构建的 正 。依据 号 ， 采用 自动和人工干预双模式并存的方式 放煤控 制 ， 并通过一键启动 小的 内的补 放控制。 自动放煤控制系统的核心在于， 根据人工操作 中 形 的 例 和 ， 人 的 作行为 自动化放煤控制。 ， 根据放煤特 征 ， 从范例库中检索出相似的范例， 然后以知识库中 的 知识和 为 ， 根据问题的 对 的范例加以调整、 修改和综合， 使之满 问题的 []。 3自动放煤控制策略3自动放煤控制策略 综采 放 顶 煤 工 作 面 生 产 中 ， 使 用 2 0 1 8 年 第 6 期牛 剑 峰 综 采 放 顶 煤 工 作 面 自 动 放 煤 控 制 系 统 研 究 29 功率采煤机、 刮 板 输 送 机 ， 采煤机速度可以达到 1 0 m/min， 而后部放煤控制还需要采用手动操作， 放煤效率低， 与前端割煤系统生产效率不匹配。使 用自动化放煤后， 可提高放煤速度， 通过增加后部刮 板输送机的运量， 可以实现一采一放， 最大限度地提 高综采放顶煤工作面的生产效率。 3. 1 跟机自动放煤 在液压支架完成移架后， 顶煤出现悬臂结构， 在 顶板压力的作用下， 顶煤垮落。依据放煤工艺， 跟随 采煤机位置， 在完成移架的液压支架对放煤控制进 行解锁， 在与采煤机固定间距的位置启动自动放煤 控制， 实现逐架顺序放煤。 3 . 2 自动停止放煤控制 首先通过人工放煤操作， 记忆下安装在液压支 架上的振动传感器、 声波传感器和刮板输送机上灰 分传感器的信号波形[1011]， 特别关注即将关闭放煤 口时的传感器信号。开始时可以多训练几次， 尽量 保证在该时间段的信号具有一定的重复度， 以便找 出信号特征。通过该信号特征可以指导或执行放煤 口的自动关闭控制， 自动结朿放煤操作。 放煤结朿时， 以传感器控制为优先控制、 放煤时 间作为保护自动执行， 同时操作人员可以在地面进 行远程干预控制， 并且远程控制优先级最高。当任 意一个传感器信号或时间控制参数达到触发门限 时， 系统立即关闭放煤口， 停止放煤。 1振动传感器检测与控制。通过在液压支架 尾梁上安装振动传感器， 可以感知垮落的煤块和矸 石砸在液压支架上的振动冲击信号。因为煤与矸石 砸在金属的液压支架上的振动频率不同， 所以根据 振动频率可以有效辨识当前放落的顶煤情况[1213]。 结合人工放煤操作对振动传感器信号进行打标， 将 放煤过程分为碎矸、 大块矸石等阶段， 当采集的信号 与煤矸特征信号相似度为8 5 “ 9 5 时进行预警， 达 到 9 5 时自动关闭放煤口， 停止放煤。 “ 声波传感器检测与控制。通过在液压支架 尾梁上安装声波传感器， 可以感知放煤期间液压支 架后部顶煤垮落时发出的声波， 结合人工放煤操作 对声波传感器信号进行打标， 找出煤与矸石垮落的 特征信号， 进行煤矸界面识别[1]， 当采集的信号与 煤矸特征信号相似度为85 “ 9 5 时进行预警， 达 到 95 时自动关闭放煤口， 停止放煤。 “ 灰分传感器检测与控制。通过在后部刮板 输送机上安装灰分传感器， 可以有效辨识液压支架 采出顶煤的含矸率[15]。当含矸率达到8 5 时将该 信息推送到地面调度室， 提示操作人员关注工作面 放煤情况； 当含矸率达到9 5 时， 通过网络发布工 作面 放煤 ， 控制器 即控制液压支架放煤口停止放煤。 “ 放煤过程时间控制。在人工操作演练过程 中， 地面计算机记忆下放煤口动作操作流程和控制 时间， 并在此基础上增加1 0 作为自动放煤控制时 间参数， 当放煤时间达到该值时， 立即停止放煤。 “ 远程干预停止放煤控制。当振动传感器信 号、 声波传感器信号、 灰分传感器信号与记忆特征信 号相似度达到8 5 时 ， 将经过处理的传感器信号波 形和放煤结朿控制标准信号特征波形同时推送到操 作人员的计算机屏幕上， 供操作人员判别。特征信 号 相 似 度 为 85“95时 ， 操作人员可通过远程操 作装置进行放煤口远程干预控制， 停止放煤； 当相似 度达 到 9 5 时 ， 自动停止放煤。当自动放煤控制时 间达到人工操作记忆的时间参数时， 系统自动弹出 提示窗口， 提示结朿动作的时间， 此时， 操作人员也 可以远程干预控制。 在地面调度室， 操作人员还可以监听声波传感 器的声音， 如同在工作面液压支架上听放煤口放煤 的声音一样， 由于对噪声进行了剔除， 其听到的声音 更加清晰， 可以准确控制放煤过程。 3. 3 补放控制 为了保证煤炭含矸率达标， 应尽量保证有效识 别顶煤垮落的煤矸界面， 并进行放煤口控制。当煤 矸界面判断不准时， 原则上应先停止放煤， 待观察确 认后再行补放。为此， 在地面调度室设置一键补放 控制功能， 对刚完成放煤控制的支架再开一个时间 窗口进行放煤控制， 在补放过程中该时间窗口内传 感器信号只起到监视作用， 不参与放煤口的自动关 闭控制。为确保煤炭含矸率达标， 该时间窗口不宜 过大， 可通过多次补放使顶煤全部放出。同时， 还可 以利用该操作时间来修改记忆的放煤时间， 以减少 下一次自动放煤时的补放次数。 4自动放煤控制系统调试4自动放煤控制系统调试 由于煤矿井下煤层赋存条件不断变化， 如煤层 厚度、 煤矸属性等， 所以， 应以人工示范放煤为基础， 通过在地面调度室远程干预， 不断对控制时间、 传感 器特征信号波形进行修改， 在系统自学习中使得控 制模型不断完善， 传感器煤矸信号特征界面更加清 晰。在系统调试期间， 可以在工作面通过人工巡视 干预的方式放煤。在传感器信号与特征信号相似度 30 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 达 到 8 5 时， 在正在放煤的支架控制器上进行预 警 ， 巡视人员可以观察放煤过程并进行人工干预， 当 系统运行稳定后， 可以直接在地面调度室进行远程 监视干预。 系统可以使用强约朿放煤控制或弱约朿放煤控 制。强约朿放煤控制，即单个传感器信号特征达到 控制阈值时直接控制液压支架停止放煤， 这样可以 有效控制采出顶煤含矸率，确保煤炭质量。弱约朿 放煤控制， 即具有2 个及以上传感器信号特征达到 控制阈值时才控制液压支架停止放煤， 这样做的好 处是一次性自动放煤完成率高， 需要人工补放的次 数较少。 5结语结语 根据人工放煤过程采用的煤矸判别方法， 在综 采放顶煤工作面部署相应的传感器， 感知振动、 声波 等信号并进行记忆， 提取特征信号， 通过系统自学习 不断完善自动化控制模型， 实现了多传感器融合、 人 机融合、多模式融合的自动放煤控制系统。该系统 实现了以传感器感知控制为主、时间控制为保护值、 地面调度室远程干预控制为辅的自动化放煤控制， 提高了综采放顶煤工作面的自动化水平和生产效 率 ， 对综采放顶煤工作面实现无人化开采起到了积 极的促进作用。 参 考 文 献 （ References [ 1] 王金华， 黄乐亭， 李首滨 ， 等.综采工作面智能化技术 与 装 备 的 发 展[ J ].煤 炭 学 报，2014, 39 8 1418 1423. 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