石化机械：掘进机自动化控制技术研究成果

张键(冀中能源峰峰集团有限公司新屯矿，河北邯郸056000)

摘　要：掘进机是井下采煤作业中十分重要的机电设备，主要用于平直地下巷道的开凿，常见的掘进机主要有护盾式和开敞式两种。随着采煤机电自动化技术的发展，掘进机已普遍实现了自动化控制，本文主要对掘进机自动化控制技术进行了研究和探讨。

关键词：掘进机;自动化控制技术;研究与应用

DOI:10.13487/j.cnki.imce.008122

收稿日期:2016－04－29 
作者简介:张键，2012年毕业于河北工程大学，现任冀中能源峰峰集团新屯矿调度室副主任。

掘进机属于大型采煤机电设备，大多用于地下的岩石作业，其工作环境异常恶劣，井下复杂的岩土结构和众多的危险因素都给掘进机的安全高效工作带来了较大的困难，极大地影响了采煤作业的正常进行。

随着采煤机电自动化技术的不断发展应用，掘进机的自动化、智能化程度越来越高，计算机技术、微电子技术、信息处理技术等先进技术的应用，使掘进机形成了一套完整的控制系统，包括掘进机截割头控制系统、自动定位定向系统、煤层和岩石识别系统、编码系统等等。掘进技术是限制煤炭开采作业的瓶颈，自动化控制技术的应用，有效提高了掘进机的工作效率和掘进作业的安全性，促进了采煤作业的快速推进、安全高效和高产稳产。

我国的采煤作业主要是在井下进行的，因此，掘进机在采煤作业的巷道掘进方面有着重要的、不可替代的作用。

地下采煤作业是在一个十分狭小的空间范围内进行的，由于井下巷道施工过程粉尘大、工期长、不稳定因素多，因此，客观环境条件极大地限制了人工作业。为提高巷道掘进的速度和质量，确保煤矿开采作业的正常进行，就必须加强自动化控制技术的应用，加快掘进机的自动化改造，用机械自动化操作来替代人工操作，从而充分发挥采煤机电设备的优势。

掘进的硬件部分主要包括工作机构、行走机构、装运机构和转载机构，行走机构使掘进机不断向前推进，同时工作机构将岩石破碎并运走，从而完成巷道的掘进。而掘进机的软件系统就是它的自动化控制系统，自动化控制系统通过车载计算机，利用设定好的各种程序系统来实现对掘进机各硬件执行机构的自动化、智能化控制，从而快速高效地完成掘进作业。掘进机自动控制系统主要由嵌入式工业计算机、可编程逻辑控制器(PLC)、控制阀、各种传感器和其他电气元件等组成，实现对工作数据信息的收集处理，控制执行机构进行掘进作业。掘进机自动化控制通过采用先进的定位技术、检测技术、电液控制技术、PLC编程技术、数据处理技术等，使掘进机具备了自动定位、自动纠偏、煤矸自动识别、掘进机自动监控等一系列的自动化控制功能。

2.1　掘进机截割头控制技术

在截割面的回转油缸、伸缩油缸、铲板油缸、升降油缸等部位均装有位移传感器，这些传感器将获得的截割头位置数据反馈给车载计算机，通过计算机的内置算法计算机出截割头的位移变化量，运用传导运算函数得到截割头在计算机虚拟切割平面的坐标，继而确定截割头在巷道断面的位置，不断调整截割头位置来完成截割作业。以截割矩形断面为例，在对掘进机设定好断面曲线后，计算机就会自动调用矩形断面的数据，以此限定截割头的截割范围，同时将断面形状信息提取到控制系统中。控制系统通过电磁阀、油缸等对截割头等执行机构进行控制，使截割头能够严格按照程序设定要求完成截割作业，确保了快速准确截割，得到较为理想的巷道形状。(www.xing528.com)

2.2　掘进自动定向纠偏技术

掘进自动定向系统可以实现快速精准的掘进定向，确保掘进机作业不偏离方向。掘进机定向的关键就是要建立掘进机位置的实时坐标，通过这个位置坐标实现对掘进机位置的准确掌握和精确控制。目前，国内掘进机多采用三维电子罗盘和两轴倾角传感器双定位，通过高精度的倾角传感器检测机身与水平面的倾斜角，掘进方向与水平面的俯仰角以及和三维电子罗盘N级指向形成的方位夹角，以此来建立位置坐标。调整保持系统三维参数与激光指向仪方向相一致，通过定向系统将坐标信息传递给位置控制单元，然后结合预先编制好的程序代码来控制执行机构，对掘进机位置进行调整和校正，确保掘进方向精确无误。

2.3　煤层和岩石自动识别技术

煤层和矸石是掘进作业中的主要工作对象，煤层和矸石往往是相互掺杂在一起的，给采煤作业带来极大的困扰，如何在掘进作业中将煤层和矸石自动区别开来，成为减少无用做功，确保高效率掘进的关键。煤层和岩石自动识别技术其原理是依据不同煤层和岩石层硬度区别，通过掘进负荷变化对其加以区分的。由于不同深度的煤层和岩石在硬度上存在一定的差异，因此，在掘进作业中对掘进机切割头的作用负荷也是不同的。通过在切割头上的负荷传感器，将负荷变化数据传递给控制单元，以此来实现对煤层和矸石的自动识别和区分。煤矸识别是一项世界性的难题，不同煤层和岩石的硬度变化数据是通过长期的负荷试验得出的，是一个理论与实践相结合的过程。通过对硬度数据的不断总结，建立起科学而完整的数学模型的参变量相互关系，才能达到较理想的识别效果。

自动化控制技术的发展和应用极大地提高了掘进机掘进作业的效率和施工的安全性，但在目前的实际应用中还存在着一些问题。例如煤矸自动识别的误差较大，常常造成较多的无用功和较多的浪费，达不到现代工业生产的要求;掘进定向位置的调整和控制能力不够，经常会出现小幅度偏离掘进方向，损坏掘进巷道的情况。这些问题都是掘进机自动化控制技术在今后的应用中应当重点加强的。在平时的工作中必须不断加强自身学习，不断总结，对自动化应用中存在的问题锲而不舍地研究，对薄弱的技术环节加以重视，积极学习新技术、应用新技术、发展改造新技术，才能发挥出采煤机电设备的优势，达到自动化控制技术最佳的使用效果。

参考文献:

［1］万长慈，等.矿山机电技术［M］.北京:煤炭工业出版社，1999.

(责任编辑:陈凌霄)

中图分类号：F426.21;TD67

文献标志码：B

文章编号：1008－0155(2016)11－0027－02