智能采煤机煤岩识别分析与设计

煤岩识别是实现无人化采煤工作面的关键技术之一,利用采煤机滚筒接触到不同媒介时反映出的截割电机负载变化进行初步煤岩识别,进一步通过分析调高油缸前后腔体压力的变化进行煤岩识别,该煤岩识别方法具有实用、可靠、稳定的特点。     

采煤机截割状态与煤岩识别的关联载荷特征模型

针对采煤工作面煤层的厚度变化、含夹矸和包裹体的不确定性,以及复杂煤岩占比和岩层位置辨识的差异,致使采煤机在截割过程中会产生无效调整截割高度的情况,影响其可靠性和智能化技术水平。截割煤岩载荷特征及其关联截割状态的模型可以预测、修正和决策采煤机截割行为,提升采煤机智能化程度。借鉴多信息实时修正记忆截割与煤层三维地质信息建模等方法,提出了采煤机自主调高-调速二元协同控制模式及截割状态关联特征模型,考虑煤岩赋存条件以及滚筒相对煤岩层的位置和工作参数,划分滚筒截割过程为顺转截割、逆转截割、向和逆自由面截割以及截割顶底板和夹矸等截割状态,分析截齿截割煤岩的过程与状态,构建了向和逆自由面截割状态特征量的数学模型和截割顶底板位置与占比的识别定量载荷关联特征模型,给出了截齿垂直、平行于层理方向截割力的累计占比计算方法,通过旋转截割实验验证截割煤岩载荷特征模型的准确性。根据截割顶、底板、夹矸岩层前后载荷变化导致的截割电机电流变化规律与调高液压缸两腔压力的关联性变化规律,结合截割状态的关联载荷特征模型,修正与预测截割状态和岩层位置,确定了修正采煤机调高调速行为协调控制的截割状态特征参量。研究表明:向自由面截割煤岩断裂位置大于逆自由面的,向自由面易于破碎煤岩,且截割载荷与比能耗均小;分别获取截齿截割顶底板载荷增量与方向角,载荷增量均与岩层厚度呈正相关性,但截割顶底板方向存在明显差异;随截割夹矸岩层厚度增加,截齿截割载荷增大,且截割载荷与夹矸位置呈抛物线关系;给出截齿垂直和平行层理截割力特征值占比的度量,反映截割顶板易于截割底板的特征;截齿向自由面截割煤岩理论和实验的截割阻力功特征值、断裂位置和断裂崩落线与截割点垂线夹角的平均误差分别为3.10%,3.37%和8.07%,验证了截割煤岩状态特征量数学模型的正确性。该研究通过给出融合载荷特征的截割状态修正与煤岩状态识别的理论基础描述,为进一步精准实现智能化采煤机调高-调速二元协调控制提供了借鉴。     

采煤机截割状态与煤岩识别的关联载荷特征模型

针对采煤工作面煤层的厚度变化、含夹矸和包裹体的不确定性,以及复杂煤岩占比和岩层位置辨识的差异,致使采煤机在截割过程中会产生无效调整截割高度的情况,影响其可靠性和智能化技术水平。截割煤岩载荷特征及其关联截割状态的模型可以预测、修正和决策采煤机截割行为,提升采煤机智能化程度。借鉴多信息实时修正记忆截割与煤层三维地质信息建模等方法,提出了采煤机自主调高-调速二元协同控制模式及截割状态关联特征模型,考虑煤岩赋存条件以及滚筒相对煤岩层的位置和工作参数,划分滚筒截割过程为顺转截割、逆转截割、向和逆自由面截割以及截割顶底板和夹矸等截割状态,分析截齿截割煤岩的过程与状态,构建了向和逆自由面截割状态特征量的数学模型和截割顶底板位置与占比的识别定量载荷关联特征模型,给出了截齿垂直、平行于层理方向截割力的累计占比计算方法,通过旋转截割实验验证截割煤岩载荷特征模型的准确性。根据截割顶、底板、夹矸岩层前后载荷变化导致的截割电机电流变化规律与调高液压缸两腔压力的关联性变化规律,结合截割状态的关联载荷特征模型,修正与预测截割状态和岩层位置,确定了修正采煤机调高调速行为协调控制的截割状态特征参量。研究表明:向自由面截割煤岩断裂位置大于逆自由面的,向自由面易于破碎煤岩,且截割载荷与比能耗均小;分别获取截齿截割顶底板载荷增量与方向角,载荷增量均与岩层厚度呈正相关性,但截割顶底板方向存在明显差异;随截割夹矸岩层厚度增加,截齿截割载荷增大,且截割载荷与夹矸位置呈抛物线关系;给出截齿垂直和平行层理截割力特征值占比的度量,反映截割顶板易于截割底板的特征;截齿向自由面截割煤岩理论和实验的截割阻力功特征值、断裂位置和断裂崩落线与截割点垂线夹角的平均误差分别为3.10%,3.37%和8.07%,验证了截割煤岩状态特征量数学模型的正确性。该研究通过给出融合载荷特征的截割状态修正与煤岩状态识别的理论基础描述,为进一步精准实现智能化采煤机调高-调速二元协调控制提供了借鉴。     

考虑截齿损耗的多传感信息融合煤岩界面感知识别

为了实现采煤机开采过程中煤岩界面的精准识别,提出一种基于多传感信息融合的煤岩界面感知识别方法。考虑截齿损耗对采煤机截割特征信号的影响,测试采煤机截齿处于新齿、轻微磨损、一般磨损以及严重磨损4种状态下,截割不同比例煤岩过程中的振动信号、电流信号、声发射信号以及红外闪温信号,建立截齿不同磨损程度下的多截割信号特征样本库。根据相邻截煤比各截割特征信号的模糊特征,以最小模糊熵为优化目标,采用自适应权重粒子群算法优化求解各截割特征信号的隶属度函数。构建基于D-S理论的"与"决策准则,实现对煤岩界面的精准识别。通过分析截煤比识别结果信度值的分布特征及趋向性,确定截煤比识别结果在不同截煤比的信度值与实际煤岩比例的匹配关系,利用识别结果的信度值对煤岩轨迹进行进一步的优化。根据实验结果可以得到:(1)截齿磨损程度对煤岩各截割特征信号的变化影响显著,截齿不同磨损程度下各截割特征信号的最优隶属度函数呈现动态变化;(2)煤岩界面轨迹的识别结果逼近具有最大信度的截煤比,且对于次大信度截煤比具有一定程度的趋向性;(3)基于单一优化隶属度函数进行隶属度求解及融合识别,煤岩界面识别精度随着截齿损耗的加剧大幅度下降,最大下降幅度达到43.04%;(4)考虑截齿损耗的多传感信息融合识别模型克服了截齿损耗对信号的误差影响,对煤岩界面具有更高的识别精度,识别误差浮动在1.54%范围内。     

基于虚拟仪器的采煤机自动调高系统研究

本文结合传统的记忆截割法,并结合采煤机的振动信号和截割电机电流信号,提出了一种基于虚拟仪器系统的采煤机自动调高方法。分析了传统的记忆截割法的优劣,对振动信号进行了分析描述;对截割电机的工作特性进行了分析,包括采煤的调速状态和截割电流变化,为电流检测方法提供了更加合理的理论依据。最后根据信号的变化特性建立了基于虚拟仪器的采煤机信号检测系统,搭建了基于虚拟仪器的采煤机自动调高硬件系统;通过LABVIEW软件建立了振动信号和电流信号的分析程序和自动调高控制程序,可以进行煤岩识别,从而对摇臂摆角进行相应的调整;运用LABVIEW建立模拟电流信号和振动信号,对控制过程进行了仿真。仿真结果表明建立的基于虚拟仪器的采煤机自动调高控制系统是可行的。     

煤岩界面识别物理模拟测试系统研究

采煤机滚筒在截割煤岩的过程中,随着截割介质的变化,滚筒的截割状态也发生变化,监测这些参数变化,可实现截割过程煤岩界面识别。建立了采煤机煤岩界面识别物理模拟系统,包括介质模拟和采煤机牵引-截割机构的模拟,研制了试验控制系统。     

基于采煤机摇臂惰轮轴受力分析的综合煤岩识别方法

提高采煤自动化、无人化程度的关键在于提高采煤机对煤炭和岩石的识别能力,在记忆截割的基础上,采用灰色预测理论,提出了1种基于滚筒采煤机摇臂惰轮轴受力分析的综合煤岩识别方法,通过实时检测采煤机在截割不同介质时的惰轮轴受力,并根据惰轮轴受力建立采煤机截割路线智能预测系统,实时修正截割路线,提高了采煤机的追踪适应能力。该方法在中煤张家口煤机厂实验平台上进行截割实验验证,结果表明：采煤机割岩时受力比割煤时平均受力大19.45%,能够很好的对煤岩界面进行识别。     

基于信号检测和算法分析的煤岩识别方法研究

针对不同硬度煤岩识别精度低的问题,基于煤岩截割试验并结合卡尔曼滤波算法和随机森林算法,提出了一种煤岩识别方法,利用截割装置对相似模拟试验中的1种煤层和5种不同硬度的煤岩组合体进行截割,采集6种截割工况的三相电机的三相电流特征信号和模拟截割滚筒与煤岩体接触面的红外热成像温度特征信号。结果表明：随着煤岩体硬度的增大,三相电流和红外热成像温度的峰值增大;截割同一种煤岩体时,三相电流和红外热成像温度会随着模拟截割滚筒与岩层接触面积的增大而增大。采用卡尔曼滤波算法对原始样本处理,再通过随机森林算法对原始样本和经过卡尔曼滤波算法处理后的样本进行分类对比。经过两种算法处理后正确预测的样本数量从1238个增加到1430个,煤岩识别精度从84.17%提高到99.38%。研究成果可为采煤机智能化精准割煤提供参考。     

基于粒子滤波的采煤机截割负载特性分析

针对以往采煤机截割负载测量方法所存在的通用性不强,易受振动和冲击干扰等问题,建立了截割负载与截割电机电流间的理论模型,提出了基于粒子滤波的采煤机截割负载分析方法。在西安煤矿机械有限公司电气分厂的电机负载模拟试验台上针对MG900/2210-WD型电牵引采煤机进行了模拟加载试验,并运用粒子滤波方法对试验结果进行了处理和分析。分析结果表明：截割电机电流信号是一个滞后于截割负载23 ms的时延信号,两者的互相关系数为0.71;电流信号主要集中在10 Hz以内的低频带,不易受到电网波动以及煤块冲击的干扰,对于MG900/2210-WD型采煤机而言有用频率为1.63 Hz;粒子滤波能够有效的滤除电流信号中的高频干扰,且当粒子数达到170之后滤波效果趋于稳定     

基于截齿截割红外热像的采煤机煤岩界面识别研究

为实现采煤机截割过程中煤岩界面的有效动态识别,测试和提取不同煤岩比例条件下截齿截割的红外热图像,分析截齿表面温度场分布规律与截割闪温特征,得到不同煤岩比例条件下截齿截割温度特征数据库,建立基于最小模糊度优化的采煤机煤岩界面动态识别模型。试验结果表明:截齿在截割不同比例煤岩试件时,齿尖均产生突兀的瞬时闪温区,岩石比例越大,其闪温值越高。该系统可实现煤岩界面的在线、精确动态识别,可为提高采煤机的截割效率和实现滚筒智能调高控制提供重要的技术手段和理论依据。     

复杂煤层条件下采煤机自适应截割控制策略

采煤机是综采工作面的核心装备,复杂煤层条件下,其工况恶劣、环境复杂,采掘装备智能化程度不高,导致我国煤矿开采灾害多、煤机适应性不强、故障率高、效率低,提高煤机装备的可靠性与适应性是煤矿智能化发展的主要任务之一.采煤机工作机构与复杂煤层耦合作用机理及煤岩截割状态与动力传递系统的导控机制,是实现采煤机智能高效截割的关键.基...     

基于信号分析的煤岩分界识别技术研究

采煤机工作时,摇臂弯曲应力和调高油缸压力的变化间接地反映了滚筒不同的工作状态。通过试验,对切割假煤壁和岩石所获取的应力信号进行分析,并利用这些信号研究了煤岩分界识别技术。结果表明,切割煤壁、岩石信号的功率谱和相关函数及均方差回归参数均有明显差异,可以对采煤机切割状态进行识别。     

综采工作面智能化开采技术研究

基于综采工作面智能化开采的发展现状与要求,系统阐述智能化煤矿的基本构架、智能化开采的技术特征以及智能化放顶煤的关键性技术,包括液压支架跟机自动化技术、采煤机记忆截割技术、工作面视频监控技术、远程集中监控技术、振动法自动放煤以及记忆模式自动放煤等智能化开采技术。针对当前智能化工作面开采技术难题,提出采煤机智能调高、液压支架群组与围岩自适应以及工作面直线推进控制的技术手段,对实现煤矿井下智能化开采,提高井下生产效率,减小人员伤亡具有重大的意义,旨在为智能化综采工作面的推广及应用提供一定的技术参考价值。     

电牵引采煤机截割部摇臂瞬态动力响应分析

对摇臂壳体进行瞬态动力响应分析,可以得出摇臂壳体的相关动力学特性,建立基于NX.NASTRAN的采煤机截割部摇臂瞬态动力学模型。在对摇臂壳体进行模态分析的基础上,提取采煤机截割电机的截割电流,计算出一段时间内摇臂滚筒所受的截割阻力、侧向力和牵引阻力,并将这些力当作动载荷施加在滚筒的轴线上,通过瞬态动力响应分析,得出了摇臂在动载荷作用下摇臂壳体各关键部位的应力应变信息,以确认摇臂壳体在动载荷作用下的强度是否满足设计要求。     

采煤机振动冲击截割臂结构设计

为提高螺旋滚筒切削煤岩装煤率，将振动冲击技术应用于采煤机截割臂，应用TRIZ理论设计出一种以双排五星液压马达为主要驱动装置的轻量化振动冲击截割臂，应用离散单元法对螺旋滚筒轴向振动频率进行单因素数值模拟试验，确定该因素在正交试验中的水平范围|对滚筒转速、轴向振动频率以及工作振幅三种因素进行正交试验，得到其对装煤性能的影响规律。结果表明：螺旋滚筒装煤率呈现随转速增加而降低的趋势，并得到装煤性能优选方案的装煤率为54.56%。     

6.2m采高工作面成套国产装备稳定性研究与应用

 综采工作面的“三机”(采煤机、刮板输送机及液压支架)配套及其系统的稳定性是成套综采设备的核心。羊场湾煤矿首个6.2m采高工作面煤层倾角大、走向起伏角大、顶板围岩破碎、工作面易片帮冒顶,赋存环境复杂。以此为工程背景,研究了该工作面成套国产设备的适应性及稳定性控制问题,并提出了针对性的控制措施。现场开采实践证明,现有的设备及技术措施有效控制了“三机”及系统的稳定,保证了工作面安全、顺利回采。该技术对宁东矿区其他大采高工作面设备系统的稳定性控制有一定的借鉴意义。     

基于模糊判据的煤岩性状截割硬度识别

针对现有煤岩性状识别方法不能满足采煤机滚筒实现自动调高技术的需要,提出了基于模糊判据的煤岩性状截割硬度识别研究方法,克服了识别煤岩性状截割硬度依赖滚筒振动信号或截割电机信号等单一传感器信息判据的不全面、不可靠等问题,利用多传感器信息融合的模糊集合隶属函数,根据摇臂振动信号两层小波包分解各个频段能量特征向量和采煤机感知煤岩硬度关系公式,采用加权平均法求解隶属度作为煤岩性状截割硬度因子判别煤岩性状的依据,定义表征煤岩性状的截割硬度因子q,其数值计算通过求解煤岩性状模糊集隶属度μQ(u)获得。煤矿井下实测数据表明煤岩性状截割硬度模糊集合的方法更贴近实际采掘煤岩工况,为实现滚筒自动识别煤岩性状控制摇臂自动调高奠定模糊理论基础。