国家能源集团神东煤炭集团哈拉沟煤矿 陕西 榆林 719300
摘要：煤矿井下综采工作面的自动化和智能化是实现矿井无人化、安全高效开采的关键步骤，也是发展数字矿山、提高矿井机电装备信息化和自动化水平的重要组成部分。为实现综采工作面的少人化和无人化陪引，综采工作面“三机”即采煤机、刮板输送机和液压支架的智能化是关键技术之一，而采煤机定位是首先需要解决的问题。
关键词：综采工作面；采煤机；定位技术
1采煤机常规定位技术
1.1红外定位技术
通过红外对射信号进行采煤机定位，具体原理：在采煤机机身安装红外发射装置，在液压支架上安装红外接收装置，采煤机运行过程中红外发射装置定向发射广角脉冲，液压支架上红外接收装置接收信号，对接收信号的强弱进行分析，从而判断采煤机具体位置。但受底板不平整、粉尘及遮挡等影响，红外接收装置有时会接收不到采煤机上红外发射装置发出的脉冲信号，在自动化采煤过程中造成“跳架”现象。红外定位技术在动态测量方面有很大局限性，并且安装复杂，总体定位精度不高，实际应用受到限制。
1.2超声定位
将超声波发射装置安装在工作面巷道中，当采煤机经过时机身将反射超声波，根据各位置超声波传感器监测状态可确定采煤机位置。但煤矿井下环境恶劣，如果工作面较长，超声波声衰较大，造成回波误差大，甚至无法收到回波，导致采煤机定位失效。
1.3齿轮计数定位
齿轮计数法：对采煤机行走齿轮的转动圈数进行计数，将圈数乘以齿轮周长，计算出采煤机行程，然后根据液压支架间距推算出采煤机位于何处液压支架，从而确定采煤机在工作面的位置。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆齿轮计数法只能检测采煤机一维运动，而采煤机实际运动轨迹是三维的，所以该方法只能估测采煤机在工作面的大致位置，并且齿轮计数误差会累加，加上无法准确获知液压支架间距，因此，该方法不能满足采煤机实时定位精度要求。
1.4无线定位技术
无线定位技术是通过对接收的电磁波参数(包括传输时间、到达角、幅度和相位等)进行测量，采用特定算法来判断被测物体位置。受煤矿恶劣环境影响，无线定位技术应用时存在定位数据不稳定的问题。此外，井下无线信道模型还不完善，无法获得采煤机精确位置。
2采煤机的具体运动路线
使用中液压支架可以保护设备，采煤机可以挂在刮板输送机上运动，其运行方向和工作面是垂直关系。其运动的动力是刮板输送机的推动力，开始采煤时其起始点在巷道上，之后会进入到煤壁中，进入方式有两种，分别是斜切进刀和端部斜切进刀。采煤机正常工作时，如果切割到工作面端头时，将滚筒的位置进行合理的调换，此时前滚筒开始下降，而后滚筒开始上升。在此基础上，其可以沿着运输机弯曲段返向割入煤壁中，当切割到运输机直线段停止。之后要将滚筒上下的位置进行调整，重新进行割煤。技术人员先切割掉三角煤，将煤壁切割直之后，进行滚筒的调换，之后进行正常的割煤。
3无人工作面采煤机自主定位系统
系统工作原理和具体结构结合实际情况设计出了自主定位系统，其构成比较简单，包括双路直流稳压电源、加速度计、陀螺仪等，还包括一台串口计算机。陀螺仪和加速度计使用惯性导航系统，将这一系统固定到采煤机上，加速度计进行测量时，可以沿着三个直线加速度进行测量，使用陀螺仪对三个转动角速度进行测量，在此基础上，还可以提供一个基准坐标系，通过计算就可以确定运动物体的水平姿态、方向、位置、速度等。对于输出信号而言，可以通过一定的电压进行表示，使用双路直流稳压电源，可以有效显示出双电流和双电路等数据，为工作人员提供数据支持。除此之外，其可以进行串联和并联使用，能够很好发挥过载保护的作用，通过RS-232串口就能从相关的硬件端口获得相关的信息。对于定位采煤机而言，可以及时得到加速度计和陀螺仪的数据，采集卡会先对这些数据进行采集，之后利用串口方式将数据传输给计算机，具体进行数据采集过程中，数学解析运算是主要的处理方式。自主定位信息自动采集系统可以使用加速度和角速度两种传感器读取数据，通过标准化之后将其转化为数值。对于使用的解析算法而言，可以求解出姿态矩阵，利用这种姿态矩阵可以把装置中的加速度信息转换为坐标系中使用的角速度值和加速度值，根据这一新坐标，通过计算机积分求解出三个线速度，实际位移，具体位置等坐标。如果只进行水平二维运动，测量中只需要两个加速度传感器，一个陀螺仪即可，将坐标系固定到地球坐标系中，可以看到两个传感器夹角是θ，再通过函数和积分就可以求解相关信息，这些计算都由计算机来完成。对于开发的这款自主定位系统，其工作环境比较复杂，定位精度受到很多因素影响，包括地质条件、温度湿度、噪声传播等，除此之外，使用陀螺仪器时其具有一定的漂移性，因此存在一定的误差，这一误差将会逐渐积累成测量结果精度低等问题，因此不利于以后测量工作的开展。
4误差补偿模型的建立方法
根据动力学模型，结合实际工作环境，就可以建立工作面导航数据库，结合地图导航、采煤机运动等，使用地图匹配算法就可以建立误差补偿模型。由于矿井环境复杂，因此提出了一种地图匹配方法，主要包括两部分，第一点，采煤机运行到巷道中，轨道对其进行约束，处理采煤机的运行轨迹，将轨迹位置匹配到地图巷道内。第二点，采煤机到达巷道两端之后，在需要位置进行停机操作，做初始对准等调整，有效将系统中之前的累计误差消除掉。
5定位定姿技术的具体应用路径
5.1采煤机调高中应用定位定姿技术
技术人员借助长壁综采工作面采煤机定位定姿技术，对煤岩界面进行集中的识别，通过采煤机的调高，有效对信息进行综合分析和处理，主要是利用分界传感措施。这其中，自然γ射线探测机制、应力分析机制以及基于多传感器数据分析探测机制都是可行方式。但是，最为常见的运行机制就是记忆截割措施，能更好的发挥长壁综采工作面采煤机定位定姿技术的优势，确保传感器和计算机结构的同步融合，能在满足需求的同时，提高数据测定的准确性。技术人员人工操作采煤机进行循环截割，采煤机的基本走向符合实际发展需求，整体行程参数由传感器进行集中采集，然后输入到计算机后进行统一计算。正是基于采煤机中对存储数据跟踪点的实时登记，能有效对参数进行读取，架构有效的数据模型。在应用长壁综采工作面采煤机定位定姿技术的过程中，技术人员也要对模糊算法、自适应PID算法以及小波神经网络算法进行统一整合，从而确保工作面能实现有效的记忆截割控制模式，从而提高测量精度。
5.2采煤机自动动态校直应用定位定姿技术
在长壁综采工作面采煤机定位定姿技术运行过程中，技术人员要针对具体参数进行集中测量，不仅要保证工作面煤壁垂直，也要保证输送机和液压支架的垂直状态，从而提高整体输送机的运行效率，进一步优化系统的运行效率，提高割煤有效性的同时，发挥技术优势，将倾斜的综采工作面进行集中调整。特别要注意的是，在工作面调整过程中，工作面和工作面运输巷之间的交角只有保持在90°角以上，才能有效减少综采共组面在装备过程中出现问题，进一步提升回采工序的完整度，实现更加有效的校直操作，一定程度上优化工作效率。技术人员要对综合管控结构进行集中分析和有效处理，以保证长壁综采工作面采煤机定位定姿技术有序进行。另外，在电液控制系统应用后，技术人员也要对刮板输送机进行运行轨道的管控，主要是由于其运行轨迹决定了输送机的实际直线水平，技术人员要借助长壁综采工作面采煤机定位定姿技术对采煤机的运行轨迹基础数据进行分析，并集中进行自动校直。在采煤机进行n个截割循环后，将截深度控制在d，沿着设备一端进行切入，获得预期的工作界面，在这个过程中，n个循环以后，可以根据n-1截割运行轨迹进行综合设置。
结束语：
采煤机定位技术是实现综采工作面少人化或无人化开采的关键。当前采煤机定位技术仍存在精度低、可靠性差、自动化程度不高等问题，还需要不断加强对其对研究，促进煤矿业的长远发展。
参考文献：
[1]耿泽昕，宋建成，许春雨，等．自动化采煤控制系统设计[J].工矿自动化，2016，42(4)：11-14．
[2]付国军.自动化综采工作面概念探讨[j].工矿自动化，2014，40(6)：26-30．
论文作者:李彦军
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/19
标签：工作面论文; 采煤机论文; 技术论文; 技术人员论文; 测量论文; 陀螺仪论文; 误差论文; 《防护工程》2018年第20期论文;