CN1017081B - 截煤机的遥控方法 - Google Patents

Abstract

一种用于遥控采煤机电子液压系统机械功能的方法，它包括通过电感把中频轻便发射机耦合于运转所述采煤机的交流电源电缆，然后将所述电缆耦合于所述采煤机的遥控装置，再从所述中频轻便发射机向所述遥控装置再向所述电子液压系统发射指令和控制讯号。

Description

本发明广泛涉及到截煤机，尤其跟利用中频通讯装置和煤岩界面探测器从远处控制截煤机的方法有关。

在过去几年内，在产煤工作中供大于求。这种过供现象已导致工业中的竞争剧烈性增加，换句话说，已导致了煤生产者提高了认识，需要降低价格和采矿作业中的危险。和降低价格与改善安全的愿望相反，问题却是深的、薄的，低质量和高价格的煤藏量留在矿上。

在帮助采矿工业摆脱这一困境所作的尝试中，喷气推进实验室（JPL）进行了一项针对评价自动化的长壁工作面采矿技术。参阅W    Zimmer-man，R.Aster，J.Harris和J.High合著“长壁工作面采矿系统的自动化”，喷气推进实验室（JPL）刊物82-99（1982年11月1日）。其中，该研究认定需要发展长壁工作面截煤机操作的遥控技术。

截煤机的遥控需要短距离探测煤-岩界面，使采矿人员远离危险的采煤区（采掘面）。连续和长壁采矿要求操作者处于采煤刃（鼓）很近处，这样，他能看到切割煤层，不让切割刃撞击岩石。在采矿过程中，截煤机操作者总是处于危险区内。如果截煤机切割刃撞击岩石，那末，飞迸的火星会点燃甲烷和煤炭。如果切入沙石矿顶或底岩，那么便会在灰尘中生产硅，这不符合美国矿山安全与卫生管理局（MSHA）关于适合呼吸的灰尘规定。在采矿中，危险常可以通过减慢截煤机煤车速度、仅在面对通风空气流的方向开采、或加强喷水来驱散粉尘的办法来减轻。除了灰尘问题之外，机械驱动部件的轴承和切割刃的磨损常导致停机时间和维修增加问题。

使长壁工作面采矿系统有效地自动化的另一个要求是发明可靠的遥控通讯装置。美国和欧洲的各种长壁开采法制造商提供甚高额（VHF）和低频（LF）遥控系统。低频系统包括一控制线路，从主巷道指令中心经交流电源电缆到截煤机。由于低频系统不允许由任何地方的截煤机操作者沿产煤面遥控，故受到限制。甚高频（VHF）和超高频（UHF）系统能借助视线信号传输途径很好地工作，以控制连续采矿设备及矿顶筛选机。然而，在坑道内牵引车的遥控方面以及诸如用于矿石崩落法采矿的负荷控制板的遥控方面，该技术是失败的。VHF和UHF系统为何在这种环境下不能工作的理由是：当沿着由防护屏和长壁工作面小风道产生的波导传输时，VHF和UHF经受大的衰减，可靠的控制局限于视线范围内。沿着该面的滚轮能限制控制范围，并且来自长壁工作面钢支承件的反射信号能在发射波中产生零位。由于跟VHF与UHF传输有关的各种问题，在控制失效区内的无线电传输信号会低于低误码率所要求的信号。这一过大的误码率会产生被错误解码的或完全不响应的指令信号。

为了能从某一安全距离控制截煤机（或连续采矿机），已作了各种尝试来发展煤一岩检测器技术。在欧洲和美国研究者们已研究了自然辐射背景检测器技术。利用上岩层自然背景辐射，当截煤机切割时该系统使截煤机上方的煤层厚度能够测量并保持;然而，在某些地质内，该探测器不能可靠地工作。其它类似的技术应用，包括用于声学和“灵敏测头”测量矿层厚度和煤一岩界面检测，以及在美国国家标准局研究者们研究微波测量技术。自然背景辐射检测器、声学和微波测量技术的发展提高了截煤机操作者的控制能力，所以在每一通道上它能切割最大的煤量。

已研究了其它的检测器来解决采掘面对准问题，后者使输送装置和长壁工作面小风道产生许多故障。其中之一是侧滑测量检测器，由Benton公司研制。该检测器测量长壁工作面小风道中的角度偏差，并把信息传输到计算机。计算机确定截煤机的位置以及采掘面输送装置的平直度。在美 国政府的一个报告中，美国国家航空和航天管理局（NASA）火星空间飞行中心“长壁开采法程序设计”检验了几种截煤机和输送装置检测器的性能，并随后检查和改进具有最有希望的检测器的截煤机和输送装置有关的结构问题。

最后，Chang和Walt公开了采用谐振回路天线在煤矿开采中作为测定矿顶厚度的探测器的理论建议。

参阅Chang博士和J.Wait“作为煤层厚度电磁检测器的谐振回路的分析”，国际科学无线电协会（URSI）遥感会议会刊，法国，拉蒲里，1977年4月28日-5月6日。

因此，本发明的目的是要提供一种用于遥控长壁截煤机或连续采矿机的改进方法，能使采矿人员处于危险的采煤区之外。

本发明的另一目的是要提供一种用于遥控采用了可靠的通讯装置的长壁截煤机或连续采矿机的改进方法。

本发明的另一个目的是要提供一种可靠的遥控通讯装置，它能很容易地应用在长壁截煤机或连续采矿机上。

本发明的另一目的是要提供一种用于遥控采用了煤-岩界面检测器的长壁截煤机或连续采矿机的改进方法。

简言之，本发明的实施例包括一中频（MF）遥控装置，它磁性耦合于远处截煤机交流电源电缆上。在截煤机内，中频接收机耦合于采用铁金氧磁体（C型铁芯）电路耦合器的交流电源电缆上。该截煤机装备有煤-岩界面检测器，它可以遥控采矿作业。

本发明的优点是长壁截煤机或连续采矿机的遥控作业时采矿人员在危险采矿区之外。

本发明的另一优点是煤-岩界面检测器减少了截煤机切割刃撞击岩石的可能性。

本发明的另一优点是在矿顶上仅留下一薄层煤。

本发明还有一个优点是遥控通讯装置能可靠地传输数据。

本发明的再一个优点是遥控通讯装置能很容易地应用于长壁截煤机或连续采矿机。

本发明的这些或另一些目的和优点对于一般熟悉本技术的人来说，在阅读了用各种附图解释的优先实施例的下列详细叙述后，无疑会变得显而易见。

图1    是按照本发明遥控截煤机的示意图;

图2    是处于图1爆破保护罩内的电子部件展开框图;

图3    表示一种个人携带的遥控发射机子弹带;

图4    是电导和由图1煤-岩界面探测器测得的煤层厚度之间的曲线图像。

现在参看图1，表示了一台遥控采煤机，用通用的标号10表示，它适用于实施本发明的遥控开采法。采煤机10可以是长壁工作面截煤机，也可以是连续采煤机。截煤机12包括一主巷道距离调节臂14和一辅助巷道距离调节臂16。主巷道距离调节14包括一主巷道采煤鼓18，而辅助巷道距离调节臂16包括一辅助巷道采煤鼓20。一煤-岩界面探测器22安装在主巷道距离调节臂14后面的截煤机12的顶部。探测器埋置于盘24内，园盘装在钢管26上，钢管顶端28是敝开的。一电缆30穿过探测器臂31将探测器22连接到探测器控制单元32。通过将藉臂36连接于钢管26上的轮子34压在煤层40上，在钢管和煤层之间形成一具有“W”宽度的间隙38。煤层40具有厚度“t”，并处于岩石层42下面。一爆破保护罩44安置在截煤机12内，其中有探测器控制单元32、主巷道遥控单元46和辅助巷道遥控单元48。安装在主巷道控制单元46上的是电子液压系统控制单元49和驱动电子液压电磁阀的主巷道射频讯号耦合器50和软管51。安装在控制单元48上的是辅助巷道射频讯号耦合器52和辅助巷道电子液压电磁阀和软管54。一交流电源电缆56和电源中心设施58相连。一环形天线60通过磁场61跟电缆56磁性耦合。环形天线60经导线64和发射 机62相连。一连接装置66经导线68和发射机62相连。

图2表示所述电子部件的局部展开框图，这些电子部件包含在罩44内。主巷道遥控单元46包括一控制板70，它和接收机72相连，而接收机则和解调器74相连。解调器74和继电器控制单元76相连，后者和许多开关78连接，所有这些都包含在电子液压控制元件49内。辅助巷道遥控单元需要类似于图2中所示部件的第二套部件。

图3表示一种个人携带的遥控放射机子弹带，用通用的标号80表示。子弹带80被设计成能为矿工82所佩带。在图3中能够看到，图1中的连接装置66、发射机62和环形天线60全都装在子弹带80上。连接装置66包括许多按钮控制开关84。电池86供给发射机电能，而带子88是用于调正子弹带的。

图4表示一典型的电导和煤层厚度（在图1中为“t”），曲线。用图1中所示的煤-岩界面探测器22收集到的是典型的数据。图4中的数据表明存在某一电导值Gc，电导G围绕它上下摆动，并在很大的厚度处G收敛于Ga。在G等于Ga值这点的离散厚度将是控制厚度“t_D”。当实测的电导G大于Ga时，表明采煤鼓18的位置需要修正;当实测的电导G小于Ga时，表明在相反的位置上需要修正。

在本发明的优先实施例中，图1中的连接装置66是安置于发射机62面板上的一种键盘，如图3所示。按钮控制开关84重复了截煤机上的开关78，因此由发射机62发出的指示便在截煤机的电子液压控制单元49中产生跟开关78工作时相同的应答。这样，借助于个人携带的发射机80和安装于截煤机爆破防护罩44内的控制单元46和48，该系统能独立遥控下列截煤机的功能：

功能    主巷道采煤鼓    辅助巷道采煤鼓

喷水    ×    ×

通风帽顺时针方向    ×    ×

通风帽反时针方向    ×    ×

向上调节臂    ×    ×

向下调节臂    ×    ×

煤车→    ×    ×

煤车←    ×    ×

块煤破碎机向上    ×    ×

块煤破碎机向下    ×    ×

未规定动作    ×    ×

煤车停止    ×    ×

紧急停车    ×    ×

发射机62和接收机72在300至1000千赫芝的中频（MF）范围内工作。适于独立操作每一鼓18和20的频率设计将要求二种发射机的载波频率（f，f＊）。这些频率应至少相隔50千赫芝。所建议的二个频率是在400和520千赫芝。射频线路耦合器（电流互感器）50和52是用来耦合指令和来自交流电流电缆56的控制信号的。这种耦合方法是极好的，其中，铁金氧磁体耦合器具有小的形状尺寸，故能安排在爆破防护罩44内。由于耦合器安装在爆破防护罩内，设备的可靠性提高了。相反，VHF和UHF设备要求一暴露的天线，这种天线可能容易损坏。接收机输出信号包含用于截煤机电子液压系统的控制数据。该数字控制信号作用于解码器74，后者通过采用使二进制数码误差率最小的算法来依次处理数字信号。控制信号（被称作“指令信号”）将用高度结构化了的数字代码字编码（在遥控发 射机62内）。该代码字将包括地址和指令数据。为使误差最小，解码器74仅接收具有正确地址的数字控制信号;此外，在代码被确认之前，控制信号必须被正确地接收二、三次，并且至少有二个被接收的字码是相同的。在接收机解码器中微处理机MP将检测数字指令数据中的任何误差。这就保证了只有正确的指令才会送至截煤机的电子液压系统。然而，经解码的输出信号作用于断电器回路76，后者（断电器触点）和现有的截煤机控制器78（按钮和开关）相连。

适于被发射机62发射的每一字码的数字控制结构包括-15毕特的引导信息，后者用于和遥控解码器74同步，因而地址和指令数据能够还原;而且截煤机只需3个地址毕特（TX    ID），而在通常遥控应用中需要12个功能。

发送一系列相同字码的技术方面的理由是数字字码的误差率可得到改善。几个重复字码的误码率由下列给定：

P＝（P_A）ⁿ

其中P_A是一个单字中误码的或然率。例如，若误码率是10^-3，则发送二个相同字码会把误码率改进到10^-6。

采用曼彻斯特格式，将每一字码编码。曼彻斯特指令数据将作用于发射机62内的移频键控（FSK）解码器74。在遥控单元46中将采用FSK解码器来恢复指令数据。

在数据传输系统中将采用调频（FM）载波。载波频率处于调频带内，其特征是移频键控调制（1200赫和2000赫）。

曼彻斯特码的相位变化表示逻辑毕特状态。曼彻斯特码下临界点（相）出现在不归零制（NRZ）数据毕特的中间。曼彻斯特码的上临界点表示逻辑“O”。曼彻斯特码中的跳变载有时钟同步信号（半时钟速率）。

最初的3个逻辑毕特识别地址（发射机标志），从而对码结构增加了安全措施。下面12个控制逻辑毕特是用来独立（同步的）控制各种功能的。

微处理机只读储存器（ROM）包含曼彻斯特解码算法，后者解曼彻 斯特码，校验截煤机控制器的误差，可起动正确的输出线路。

按下任一发射机键盘或开关，使毕特状态变换到控制毕特程序中的逻辑“1”。微计算机算法按逻辑“1”解毕特，起动相应的微计算机输出口。对于该码，不传输奇偶检验位，而是由进度管理检查来提供错误检测：

在C16语言中（工作重叠端-码冲突）无数据;

在起动毕特前无数据;

用摇臂开关在微处理机和发射机印刷电路板上校正时，TX    ID必须正确;

同时按下调节臂、通风帽、块煤破碎机或煤车速度键盘，无作用符号。按下煤车速度键，会使煤车伺服机构速度控制器编入零程序。

每一控制字码传输周期是：

32毕特× (1秒)/(300毕特) ＝107毫秒

按下键盘或开关会使许多字立刻被传输，其中的二个必须解成相同的。此外，发射机每隔10秒钟会发送一管理信号。检测或管理的故障应能起动煤车停止指令功能。上面的算法可被修改来达到许多附加的控制方法。

采用图1中所示的煤-岩界面检测器22对于本发明是重要的，因为就现有的截煤机设备来说，操作者在遇到煤-岩界面之前，是不可能辨别它在什么地方的。操作者可能谨慎些，试图留下矿顶上实际的煤层;或一旦遇到岩石时。他可能尽快停止产煤。在第一种情况下，操作者可能在矿顶上留下了多于需要的煤，降低了总生产量，也许多至5～6%。在第二种情况下，如果没有足够的煤留在矿顶上，便增加了矿顶控制问题。在边缘连接面上，最靠近矿顶的煤可能包含较高百分比的硫和灰份，所以，如果切割，所产煤的质量便下降。

若操作者切入岩石，便产生了附加的问题。当鼓18的切割刃撞到岩石， 飞迸的火星可能使甲烷和煤灰点燃。尘土中的硅使它难以根据美国矿山和卫生管理法适于呼吸的灰尘法规。而且，煤被混杂，从而降低了总的煤质量。除了上述问题外，切入岩石内会增加切割鼓18和截煤机12的机械部件的磨损并带来了额外保养和停机时间。为减少上述问题而采取的任何可能的方案都增加了成本。

由于采用了可靠的煤-岩界面探测器22，在矿顶上可留下一薄层煤“t”，所以矿顶控制问题，安全和成本都解决了，而煤的产量和质量都提高了。例如：在油页岩和泥石岩矿顶岩石42下面，薄层煤防止了岩石42由于暴露于空气中而剥落。这有助于确保前区内有耐久的矿顶。

若探测器22和遥控线路一起应用，则能进一步提高安全。目前，操作者必须处于和鼓18的切煤刃很近的距离内，所以他能看到切割地层，并使切割刃不撞击岩石。通过遥控线路，煤层厚度“t”上的信息数据会传送到远处操作者那里。这便能使操作者控制远离危险切割区的截煤机12，此外，由于控制截煤机12的操作者脱离羽灰，并远离危险面，因而产煤可以在面对通风空气流的二个方向进行，故提高了生产率。

用于本发明的煤-岩界面探测器22的电子设计是基于调谐环形天线的输入导纳和测量。这一极适用于探测器22的理论工作是由上文中的Chang和Wait完成的。

通过适当的屏蔽，谐振回路的电气性质仅受矿顶结构的影响。无明显的干扰产生，这种干扰是由于附近的产矿设备的散射引起的。

探测器天线安装在垂直的钢管26内，后者大致处于煤车12的中心，并紧靠煤板块40的下面。包括在所要求的线路内的电子组件32安装在煤车12上的爆破防护罩44内。罩44为印刷线路板插件提供无尘环境。

实时测量调谐环形天线的输入导纳。导纳的数学表示式为：

Y＝G+jB

其中，G＝环形天线的输入电导，姆欧;

B＝输入电纳。

有几种测量天线输入导纳的方法。在批量生产的仪器设计中通常使用的二种方法是：

定向耦合器和

定向电桥

既然多频控制不需要调谐环形天线，那么就要用定向耦合器。导纳是根据负荷平面反射系数的测量决定的，其数学表达式为：

Γ＝ (2_L－Z_O)/(Z_L＋Z_O) ＝︱Γ︳e^jθ

其中Z_l＝负荷平面阻抗;

Z_O＝连接测量装置和负荷平面的传输线路的特性阻抗

振荡器网路产生一射频测试信号，后者作用于定向耦合器上，定向耦合器终接于天线负荷平面导纳。反射波和入射波分量的电压向量比可以确定。反射系数定义为：

Γ= (Vref)/(Vinc) =︱Γ︳(cosθ+jsinθ)=︱Γ︳<θ

其中Vref＝反射波的电平;

Vinc＝入射波的电平。

反射系数和阻抗值是从下式得到的：

Z_L=Z_O(1+Γ)/(1-Γ)

输入导纳是Z_L的倒数：

Y＝l/ZL＝G+jB

对于单位幅值的电压信号，G值实际上相当于从天线上辐射的功率。一微计算机会利用相位和幅值的测量数据来确定反射系数和G值。

为了使用煤-岩界面探测器22，必须在煤层厚度“t”的各种增量下通过测量来标定探测器。为了完成这一标定，截煤机要垂直地切割，切通煤层至岩石42，从岩石42处退回一距离增量，纵向进给一短距离到煤层40，从岩山42上退回另一垂直距离增量。这一过程被重复，使对应于每一厚度“t_D”进行测量并被储存。这一标定提供了可控制的允许厚度的不连续调正。

此后，操作者从一组允许值中选择所希望的留于矿顶的煤层厚度“t”，此时，须使截煤机处于和该厚度相应的位置;通过切入岩石42并返回规定的距离，这就完成了。

然而开始切割操作。当截煤机12开始工作时，通过和储存的标订数据比较，探测器22将监控相对于岩石42的位置。如果测量值大于储存值规定厚度“t_D”，灯便亮，表示在某一方向（上或下）需要修正。如果测量值小于储存值，灯便亮，表示在相反方需要修正。所需的修正可以在截煤机上进行，也可利用发射机62在远处进行。

在本发明的优先实施方案里，煤-岩界面探测器22是一无运动部件的调谐环形天线。把超高频（UHF）信号传输到天线上的环形线路和电缆的连接线30被埋置于一实心的耐磨的高强度塑料盘24内。该盘安装在大型钢管内，仅盘的顶面28是外露的。

虽然根据现在的优先实施例对本发明已作了叙述，然而应该明白，这种公开不要理解为是限制。对于熟悉本技术的人来说，在读了上述公开之后，作各种变更和修改无疑是显而易见的。因此，要把附加的权利要求书理解为复盖处于本发明的实际精神和范围内的所有变更和修改。

Claims (3)

1、用于遥控采煤机电子液压系统机械功能的方法，它包括通过电感把中频轻便发射机耦合于运转所述采煤机的交流电源电缆，其特征在于：

a.使用铁氧体电路耦合器将所述交流电源电缆耦合于所述采煤机的遥控装置；

b.从所述中频轻便发射机向所述遥控装置发射指令和控制讯号；

c.从所述遥控装置向电子液压系统控制单元发射所述指令和控制讯号。

2、按权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述采煤机是长壁工作面截煤机。

3、按权利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述采煤机是一连续采矿机。