掘进自动化工作面研究及应用新的

掘进自动化工作面研究及应用

赵学雷屈小兵李卫涛

（潞安环能股份公司王庄煤矿，山西长治046031）

摘要：王庄煤矿于2008年8月份建成全国第一个掘进自动化工作面。该工作面系统由自动化掘进机、掘进机前配套设备、离心式除尘系统等组成，实现了掘锚联合作业、掘进机自动化控制等功能，极大的降低了工人的劳动强度，改善了作业环境，提高了生产效率。

关键词：掘进自动化工作面掘进机自动化技术掘进机前配套技术矿用离心式除尘系统工艺设备自动化技术

1 6207掘进自动化工作面概况

1.1 地质条件

6207工作面地面位置位于山西省长治市屯留县岭上村南，井下位置位于+630水平62采区，地面标高为924-927m，工作面标高626-675m，工作面埋深300m左右。开采3#煤层，在本工作面范围内，煤层厚度稳定，煤层下部有一层夹矸较厚，为0.3m，工作面外部煤层较薄，里部较厚。

该工作面整体为一个向西南方向倾斜的单斜构造，煤层倾角1～5度，工作面里段煤层倾角3～6度，外段煤层倾角1～3度，工作面内无其它地质构造。煤层平均厚度为6.5m，含矸0～5层，一般含夹矸4～5层。6207工作面回采巷道沿煤层底板掘进，巷道断面尺寸：宽×高=5×3.5m2，顶部尚有3m左右的煤层，并含有夹矸。直接顶为厚2.95m的泥岩，节理发育，含植物化石。老顶为厚层灰白色的细粒砂岩，致密坚硬，抗压强度高，不易冒落。巷道两帮为强度较低的3#煤层。底板为厚3.1m强度较小的泥岩。由于巷道围岩整体强度较低，直接顶又为易破碎、冒落的泥岩，与顶煤形成复合顶板，不稳定煤、岩复合顶板厚度达6m左右，加之巷道断面尺寸又大，巷道维护较困难。

1.2 支护设计

1.2.1顶板支护

锚杆长度为2.4m，锚杆间排距为1150×1000mm，每排采用φ22的高强左旋无纵筋螺纹钢锚杆5根，树脂药卷加长锚固。巷道顶板采用锚索加强支护，每3

排锚杆打一排2根锚索，锚索参数为φ17.8mm×8300mm。

1.2.2两帮支护

锚杆长度2000mm，锚杆间排距为900×1000mm，每排采用φ22的高强度左旋无纵筋螺纹钢锚杆8根，左右帮各4根，两帮均铺设金属网和两根φ14mm长3300mm圆钢焊制的钢筋梯子梁。

2 掘进自动化工作面的系统组成

掘进工作面自动化控制技术的研究就是要实现掘进工作面生产过程的自动化，以减轻工人劳动强度，提高生产效率；实现对主要生产设备工况的实时在线监测，及时发现故障隐患，及时采取措施避免设备损坏，提高设备正常开机率；将掘进工作面的相关信息及时传输到地面，并通过计算机网络实现共享，达到生产管理的信息化。

2.1 掘进机自动化系统关键技术介绍

2.1.1 掘进机控制系统设计

为实现掘进机的自动控制，采用嵌入式工业控制计算机与可编程控制器相结合的数据收集和处理模式。系统组成框图如图2-1所示。

图 2-1 系统原理框图

嵌入式工业控制计算机采用研华TPC-1070，该工控机的CPU为Celeron M （1.0GHz），固态电子式硬盘，具有2个RS-232、一个RS-485串行接口，以及2个以太网接口。PLC采用松下电工FPΣ型可编程控制器，该控制器采用模块化扩展方式， CPU采用32位精简指令处理器，指令丰富。具体分工为：一块FPG-C32T2 CPU模块，带有16数字输入/16数字输出，程序容量为32K； 2块FPG-XY64D2T数字量扩展模块，有32数字输入/32数字输出，完成遥控输入、操

作箱信号、各电机、电磁阀的输出控制等；3块FPG-A80模拟量输入模块，具有8路模拟量输入，采集精度12位，完成各电机的电流、工作电压、漏电、油缸行程、机身俯仰角、侧倾角、地磁偏角的检测。

为实现煤巷断面掘进的自动控制，控制阀采用德国哈威进口比例电液阀组，并在主要的油缸内增加抗震动抗冲击等级极强的直线位移传感器，在电控箱里增加高精度两轴倾角传感器和三维电子罗盘等。通过采用先进的检测技术、数据处理技术、PLC编程技术及电液控制技术等，使掘进机具备了定位自动截割、远程遥控、姿态调整及煤矸初步识别、掘进机自动化监控等功能。

2.1.2掘进机断面自动截割技术

根据安装在回转油缸、升降油缸、伸缩油缸、铲板油缸的位移传感器确定的动态行程变化得出的位移量变化值，运用传导运算函数，得出截割头切割中心在计算机虚拟切割平面的直角坐标（x,y），如图2-2所示。由（x，y）组成的坐标集合就构成了与设定截割断面的坐标信息（x0，y0）的联系。以截割矩形断面为例，在进行截割时，计算机与PLC按照导航的方式进行截割控制。其过程为：系统启动后，首先我们选择了所要截割断面的设定曲线信息，即图中的矩形断面曲线。掘进断面形状就是掘进机在选择了所要掘进的断面设定曲线后，计算机内的控制运算程序就自动的将矩形断面数据集合（X0，Y0）调用，所以就限定了截割头所截割的（外围）边界，截割断面形状信息马上被提取到系统中，截割头将沿着图中右下角A位置开始向右做水平截割，截割头坐标点（X，Y）中X值变化，Y值保持不变化。当截割头到达右下角B附近时，为了使截割出的巷道形状更加理想，回转台油缸在系统控制下，做流量减速控制，到达B点后，截割部举升油缸上行电磁阀导通，通过系统对其实施的流量控制，截割部举升油缸上行一个截割头的直径距离后停止，Y值向上增加一个截割直径后停止变化，截割头移动到位置C，截割回转台左右两油缸电磁阀反向导通，截割回转油缸亦反向动作，此时X值连续变化（变小），Y值保持不变，当（X，Y）逐渐靠近D 点时，回转台油缸在系统控制下，做流量减速控制，到达D点后，截割部举升油缸上行电磁阀导通，通过系统对其实施的流量控制，截割部举升油缸上行一个截割头的直径距离后停止，Y值向上增加一个截割直径后停止变化，就这样循环下去，当截割头截割到位置E时（E的位置是随机的），一个完整规则的煤巷断

面就打出来了。截割头将恢复到初始位置，这里所说的导航方式，就是由A----B----C----D……，直到E的一个处理过程。

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图2-2 截割曲线图

掘进机在自动化截割过程中实际的截割轨迹图和程序流程图如图2-3和2-4所示：

图2-3 截割跟踪轨迹图