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回采工作面的快速推進(jìn)，要求掘進(jìn)機(jī)械智能化和自動(dòng)化不斷完善，其目的在于達(dá)到更高的巷道掘進(jìn)速度，同時(shí)降低掘進(jìn)費(fèi)用及不斷提高安全程度，改善作業(yè)環(huán)境，降低人工勞動(dòng)。由于國(guó)產(chǎn)成套設(shè)備的自動(dòng)化程度不高，仍處于較低水平，掘進(jìn)效率底，人工勞動(dòng)強(qiáng)度大。在新的煤炭市場(chǎng)要求下，為做好礦井采掘銜接合理，提高綜合工效，采用自動(dòng)化的截割技術(shù)，確保為回采提前做好準(zhǔn)備。
1掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)組成
為實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)機(jī)的自動(dòng)截割，采用嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與可編程控制器PLC（可編程邏輯控制器）相結(jié)合的數(shù)據(jù)收集和處理模式。嵌入式工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采用研華TPC-1070，該工控機(jī)的CPU（可編程邏輯控制器）為CeleronM（處理器）（1.0GHz），固態(tài)電子式硬盤(pán)，具有2個(gè)RS-232、1個(gè)RS-485串行接口及2個(gè)以太網(wǎng)接口。PLC采用松下電工FPΣ型可編程控制器，該控制器采用模塊化擴(kuò)展方式，CPU采用32位精簡(jiǎn)指令處理器，指令豐富。具體分工為：1塊FPG-C32T2CPU模塊，帶有16數(shù)字輸入/16數(shù)字輸出，程序容量為32K；2塊FPG-XY64D2T數(shù)字量擴(kuò)展模塊，有32數(shù)字輸入/32數(shù)字輸出，完成遙控輸入、操作箱信號(hào)、各電機(jī)、電磁閥的輸出控制等；3塊FPG-A80模擬量輸入模塊，具有8路模擬量輸入，采集精度12位，完成各電機(jī)的電流及電壓漏電、過(guò)流、接地保護(hù)的檢測(cè)，液壓系統(tǒng)的（油缸行程、機(jī)身俯仰角、側(cè)傾角、地磁偏角）檢測(cè)。
為實(shí)現(xiàn)巷道斷面自動(dòng)截割，控制閥采用比例電液閥組，并在油缸內(nèi)安裝滑動(dòng)式直線位移傳感器，在電控箱里安裝二維傾角傳感器和三維電子羅盤(pán)。通過(guò)計(jì)算機(jī)檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、PLC編程技術(shù)及電液控制技術(shù)等，使掘進(jìn)機(jī)具備了定位自動(dòng)截割、姿態(tài)調(diào)整、煤矸初步識(shí)別及掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)化監(jiān)控等功能。
2掘進(jìn)機(jī)的技術(shù)分析
2.1掘進(jìn)機(jī)斷面自動(dòng)截割技術(shù)安裝在回轉(zhuǎn)油缸、升降油缸、伸縮油缸、鏟板油缸、穩(wěn)定油缸的伸縮量得出傳感器位移量的變化值，設(shè)定切割頭的中心點(diǎn)，建立平面的直角坐標(biāo)（X，Y），如圖1所示。由（X，Y）建立的坐標(biāo)與設(shè)定截割斷面的坐標(biāo)信息（X0，Y0）。以截割矩形斷面為例，在進(jìn)行截割時(shí)，計(jì)算機(jī)按照PLC提供的程序進(jìn)行截割控制。
其順序?yàn)椋合到y(tǒng)啟動(dòng)后，設(shè)定所要截割斷面的曲線信息圖（矩形斷面曲線為例）。截割斷面形狀就是掘進(jìn)機(jī)在選擇了所要掘進(jìn)的斷面設(shè)定曲線后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)將矩形斷面數(shù)據(jù)集合（X0，Y0）調(diào)用，確定了截割頭所截割的邊界，截割斷面形狀信息被提取到程序系統(tǒng)中，截割頭將沿著圖1中左下角A位置開(kāi)始向右做水平擺動(dòng)，截割頭坐標(biāo)點(diǎn)（X，Y）中X值變化，Y值保持不變化。當(dāng)截割頭到達(dá)右下角B點(diǎn)附近時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸在縮小流量的控制下到達(dá)B點(diǎn)后，升降油缸上升設(shè)定值，通過(guò)對(duì)流量的控制，升降油缸上升到設(shè)定的距離時(shí)停止上升，Y值上升到設(shè)定的距離時(shí)，截割頭移動(dòng)到位置C，回轉(zhuǎn)油缸的左右兩油缸電磁閥反向?qū)ǎ剞D(zhuǎn)油缸向左水平擺動(dòng)，此時(shí)X值連續(xù)變化變小，Y值保持不變，當(dāng)（X，Y）逐漸靠近D點(diǎn)時(shí)，回轉(zhuǎn)油缸在縮小流量的控制下到達(dá)D點(diǎn)后，升降油缸上行電磁閥導(dǎo)通，通過(guò)系統(tǒng)對(duì)其實(shí)施的流量控制，升降油缸上行1個(gè)設(shè)定距離后停止，Y值向上增加一個(gè)設(shè)定距離后停止變化，按照設(shè)定程序循環(huán)，當(dāng)截割頭截割到位置E時(shí)（E終點(diǎn)），一個(gè)截割斷面就截割出來(lái)了。所指導(dǎo)航方式，就是由A-B-C-D循環(huán)方式，直到E設(shè)定斷面完成的一個(gè)處理過(guò)程。為避免在截割過(guò)程中出現(xiàn)欠挖、超挖的現(xiàn)象，設(shè)定1個(gè)矩形斷面O1-O2-O3-O4軌跡，截割頭再沿設(shè)定軌跡截割1次完成后，符合標(biāo)準(zhǔn)的截割斷面完成了。
2.2掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)糾偏技術(shù)探索掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)糾偏就是掘進(jìn)機(jī)相對(duì)巷道中心在割煤、落煤、裝煤、運(yùn)煤后進(jìn)行下一自動(dòng)截割前依靠掘進(jìn)機(jī)左右履帶行走速度的變化及向左、向右調(diào)整掘進(jìn)機(jī)中心線與巷道中心線的相對(duì)位置，控制掘進(jìn)機(jī)沿著巷道中心線前進(jìn)。目前的巷道采用人工操作截割斷面，采用激光指向儀指向中線，司機(jī)觀察激光指向確定截割方向及尺寸，無(wú)法發(fā)揮出掘進(jìn)設(shè)備的最大效率。掘進(jìn)機(jī)定位是建立掘進(jìn)機(jī)自身位置坐標(biāo)，確定掘進(jìn)方向及對(duì)方向進(jìn)行控制，自動(dòng)跟緊激光指向方向進(jìn)行自動(dòng)定位。掘進(jìn)機(jī)定位后，將沿著設(shè)定軌跡截割。
研究采用二維傾角傳感器和三維電子羅盤(pán)相匹配的定位技術(shù)，通過(guò)二維傾角傳感器檢測(cè)掘進(jìn)方向相對(duì)設(shè)定水平面形成的俯仰角，機(jī)身與水平面的傾斜角，然后再與三維電子羅盤(pán)儀的N（地磁北極）極形成的方位夾角，通過(guò)對(duì)方向的角度測(cè)量及檢測(cè)，建立起掘進(jìn)機(jī)的位置三維坐標(biāo)。掘進(jìn)機(jī)是在三維參數(shù)確定后施工的，而在截割施工過(guò)程中，三維參數(shù)理想，由于掘進(jìn)機(jī)的震蕩等，需在一個(gè)循環(huán)結(jié)束后，對(duì)三維參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。掘進(jìn)機(jī)身側(cè)傾方向上∠1大于0°時(shí)，截割斷面順時(shí)進(jìn)行調(diào)整；掘進(jìn)行進(jìn)方向上∠2小于初始設(shè)定時(shí)，掘進(jìn)斷面向上調(diào)整；掘進(jìn)行進(jìn)方向上∠3大于初始設(shè)定時(shí)，截割斷面向左調(diào)整；當(dāng)3個(gè)角度的位移量都發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)重新調(diào)整截割斷面，保證截割斷面符合要求，根據(jù)傳感器位移量的變化，校準(zhǔn)切割頭。直線AB是掘進(jìn)機(jī)參照激光的設(shè)定方向掘進(jìn)施工，直線ON是地磁北極，設(shè)定掘進(jìn)施工方向與地磁北極的夾角是∠AON，截割1個(gè)循環(huán)進(jìn)度后，掘進(jìn)機(jī)受自身截割影響（震動(dòng)、側(cè)滑等），使機(jī)身與設(shè)定的截割方向發(fā)生偏差，此時(shí)掘進(jìn)施工方向變成直線CD，掘進(jìn)施工方向與地磁北極的夾角變成∠CON，從而與實(shí)際掘進(jìn)走向發(fā)生偏差角∠AOC。掘進(jìn)機(jī)需重新對(duì)二維傾角傳感器和三維電子羅盤(pán)儀得出檢測(cè)三維參數(shù)信息，確定截割頭在下一個(gè)截割斷面信息的原點(diǎn)中心與初始截割斷面的原點(diǎn)中心在激光指向的平行線上，巷道原點(diǎn)中心點(diǎn)連線總是在激光方向的平行線上，則掘進(jìn)出來(lái)的巷道就是符合施工標(biāo)準(zhǔn)的。
3結(jié)語(yǔ)
掘進(jìn)機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)的組成還需不斷更新，提高技術(shù)適應(yīng)不同煤層硬度和復(fù)雜情況下的地質(zhì)條件掘進(jìn)，通過(guò)各傳感器的檢測(cè)，準(zhǔn)確調(diào)整掘進(jìn)機(jī)位置，掘進(jìn)機(jī)自動(dòng)糾偏保證掘進(jìn)方向和巷道成型符合要求。煤矸識(shí)別在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在的問(wèn)題較多，需不斷嘗試煤矸識(shí)別新技術(shù)，準(zhǔn)確識(shí)別煤矸，使掘進(jìn)機(jī)朝著自動(dòng)化和智能化水平不斷發(fā)展。
作者：王朋偉 單位：晉煤集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井