CN101839133B - 掘进机煤岩识别自动截割控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及掘进机控制领域，具体是一种掘进机煤岩识别自动截割控制方法及系统。为实现掘进机自动化采掘提供了技术支持，所述方法包括：分析计算步骤；矿岩类型判断步骤；截割控制步骤；分状况处理步骤；截割调整步骤二次分状况处理步骤。所述系统包括：分析计算模块；矿岩类型判断模块；截割控制模块；分状况处理模块；截割调整模块；二次分状况处理模块。本发明所述方法可以在掘进机掘进过程中辨别工作面的煤层和岩石，即实现煤岩识别，并将煤岩识别与截割控制相结合，在掘进机作业过程中对顶底板、巷道两帮实施自动识别截割，保证沿顶底板掘进时不破坏顶板或顶板，截割侧帮时不产生超挖现象，高质、高效完成巷道成型。

Description

掘进机煤岩识别自动截割控制方法及系统

技术领域

本发明涉及掘进机控制领域，具体是一种掘进机煤岩识别自动截割控制方法及系统。

背景技术

实现掘进机自动化采掘是掘进机当前的重要发展方向，原因在于：自动化采掘可以提高掘进速度、降低工人的劳动强度；保证采掘安全、巷道成型质量(保证沿顶、底板掘进时不破坏顶、底板；截割侧帮时不产生超挖现象)；减少设备损耗，减小维修量，等等；但是自动化采掘需要多方面技术才能实现，就目前来说，实现掘进机自动化采掘任重而道远。

发明内容

本发明为了实现掘进机自动化采掘，就巷道成型方面，提供了一种掘进机煤岩识别自动截割控制方法及系统。

本发明是采用如下技术方案实现的：掘进机煤岩识别自动截割控制方法，包括如下步骤：

分析计算步骤，依据掘进机截割头截割时的受力状况、截割电机和/或回转油缸的参数情况、以及截割头受力状况同截割电机和/或回转油缸参数情况间的关系，计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

矿岩类型判断步骤，将分析计算步骤得到的普氏系数f与用于区别掘进机当前工作面矿岩类型的基准普氏系数值F比较，判定掘进机截割头当前截割位置处矿岩的类型；如分析计算步骤得到的普氏系数f小于基准普氏系数值F，则掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭；反之，掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石；

截割控制步骤，依据矿岩类型判断步骤的结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，并在截割过程中经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制步骤；反之，启动分状况处理步骤；

分状况处理步骤，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；其中，所述巷道基准位指掘进机截割头当前截割时所沿的底板、或者右帮、或者顶板、或者左帮所处的位面；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置处的矿岩为夹矸，降低截割头截割进给速度，控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，同时经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制步骤；

如距离L₀小于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置为与截割头当前截割轨迹所沿的巷道基准位，启动截割调整步骤；

截割调整步骤，控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向、以移动距离值L₂移离当前截割轨迹所沿的巷道基准位，并沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，同时经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则再一次启动截割调整步骤；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理步骤；

二次分状况处理步骤，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向向着当前截割头截割轨迹所沿的巷道基准位进行截割，并在截割过程中经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制步骤；

如距离L₀小于限定距离值L₁，经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则启动截割调整步骤；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理步骤；

其中，所述基准普氏系数值F、限定距离值L₁、移动距离值L₂、截割定值L₃的具体数值要根据掘进机掘进工作面的实际情况(地质状况、巷道成型参数等)设定。

而掘进机煤岩识别自动截割控制系统，包括如下模块：

分析计算模块，依据掘进机截割头截割时的受力状况、截割电机和/或回转油缸的参数情况、以及截割头受力状况同截割电机和/或回转油缸参数情况间的关系，计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

矿岩类型判断模块，将分析计算模块得到的普氏系数f与用于区别掘进机当前工作面矿岩类型的基准普氏系数值F比较，判定掘进机截割头当前截割位置处矿岩的类型；如分析计算模块得到的普氏系数f小于基准普氏系数值F，则掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭；反之，掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石；

截割控制模块，依据矿岩类型判断模块的结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，并在截割过程中经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制模块；反之，启动分状况处理模块；

分状况处理模块，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；其中，所述巷道基准位指掘进机截割头当前截割时所沿的底板、或者右帮、或者顶板、或者左帮所处的位面；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置处的矿岩为夹矸，降低截割头截割进给速度，控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，同时经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制模块；

如距离L₀小于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置为与截割头当前截割轨迹所沿的巷道基准位，启动截割调整模块；

截割调整模块，控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向、以移动距离值L₂移离当前截割轨迹所沿的巷道基准位，并沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，同时经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则再一次启动截割调整模块；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理模块；

二次分状况处理模块，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向向着当前截割头截割轨迹所沿的巷道基准位进行截割，并在截割过程中经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制模块；

如距离L₀小于限定距离值L₁，经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则启动截割调整模块；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理模块；

其中，所述基准普氏系数值F、限定距离值L₁、移动距离值L₂、截割定值L₃的具体数值要根据掘进机掘进工作面的实际情况(地质状况、巷道成型参数等)设定。

与现有技术相比，本发明所述方法可以在掘进机掘进过程中辨别工作面的煤层和岩石，即实现煤岩识别，并将煤岩识别与截割控制相结合，在掘进机作业过程中对顶底板、巷道两帮实施自动识别截割，保证沿顶底板掘进时不破坏顶板或顶板，截割侧帮时不产生超挖现象，高质、高效完成巷道成型；为实现掘进机自动化掘进提供技术支持。需要强调的是：本发明所述技术方案的实施需要限制在巷道成型尺寸规划范围内，即按照本发明所述技术方案进行巷道掘进、截割时不能超出巷道成型尺寸规划范围，一旦超出，另有控制方案实现超挖报警、并停止掘进截割。

附图说明

图1为本发明所述系统的原理方框图；

图2为按照本发明所述方法沿顶板实施截割的一具体流程图；

图3为按照本发明所述方法沿底板实施截割的一具体流程图；

图4为按照本发明所述方法沿左帮实施截割的一具体流程图；

图5为按照本发明所述方法沿右帮实施截割的一具体流程图；

图6为掘进机截割头的示意图；

图7为掘进机截割头、悬臂、回转台间的结构示意图；

图8为图7的受力分析图；

图9为掘进机截割头截割时的受力分析图；

图中：1-截割头；2-悬臂；3-回转台；

图9中：F₁-截割头在按截割轨迹行进过程中的阻力；L₁-悬臂在回转台所在平面的投影；F₂-回转油缸对旋转台的作用力；L₂-回转台中心与油缸起点的距离；α-悬臂投影与回转台水平中心线的夹角；β-沿L₂方向上与回转油缸的夹角。

图10中：P_r-沿截割头径向的阻力；P_z-沿截割头旋转切线方向的阻力；R_x-截割头在水平摆动的过程中受到的水平方向的阻力；n-截割头的旋转速度；φ_i-截割头受力点与截割头竖直轴线的夹角；V_b-截割头沿水平方向的摆动速度。

具体实施方式

掘进机煤岩识别自动截割控制方法，包括如下步骤：

分析计算步骤，依据掘进机截割头截割时的受力状况、截割电机和/或回转油缸的参数情况、以及截割头受力状况同截割电机和/或回转油缸参数情况间的关系，计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

矿岩类型判断步骤，将分析计算步骤得到的普氏系数f与用于区别掘进机当前工作面矿岩类型的基准普氏系数值F比较，判定掘进机截割头当前截割位置处矿岩的类型；如分析计算步骤得到的普氏系数f小于基准普氏系数值F，则掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭；反之，掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石；

截割控制步骤，依据矿岩类型判断步骤的结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，并在截割过程中经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制步骤；反之，启动分状况处理步骤；

分状况处理步骤，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；其中，所述巷道基准位指掘进机截割头当前截割时所沿的底板、或者右帮、或者顶板、或者左帮所处的位面；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置处的矿岩为夹矸，降低截割头截割进给速度，控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，同时经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制步骤；

如距离L₀小于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置为与截割头当前截割轨迹所沿的巷道基准位，启动截割调整步骤；

截割调整步骤，控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向、以移动距离值L₂移离当前截割轨迹所沿的巷道基准位，并沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，同时经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则再一次启动截割调整步骤；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理步骤；

二次分状况处理步骤，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向向着当前截割头截割轨迹所沿的巷道基准位进行截割，并在截割过程中经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制步骤；

如距离L₀小于限定距离值L₁，经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则启动截割调整步骤；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理步骤；

其中，所述基准普氏系数值F、限定距离值L₁、移动距离值L₂、截割定值L₃的具体数值要根据掘进机掘进工作面的实际情况(地质状况、巷道成型参数等)设定。

如图1所示，掘进机煤岩识别自动截割控制系统，包括如下模块：

分析计算模块，依据掘进机截割头截割时的受力状况、截割电机和/或回转油缸的参数情况、以及截割头受力状况同截割电机和/或回转油缸参数情况间的关系，计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

矿岩类型判断模块，将分析计算模块得到的普氏系数f与用于区别掘进机当前工作面矿岩类型的基准普氏系数值F比较，判定掘进机截割头当前截割位置处矿岩的类型；如分析计算模块得到的普氏系数f小于基准普氏系数值F，则掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭；反之，掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石；

截割控制模块，依据矿岩类型判断模块的结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，并在截割过程中经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制模块；反之，启动分状况处理模块；

分状况处理模块，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；其中，所述巷道基准位指掘进机截割头当前截割时所沿的底板、或者右帮、或者顶板、或者左帮所处的位面；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置处的矿岩为夹矸，降低截割头截割进给速度，控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，同时经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制模块；

如距离L₀小于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置为与截割头当前截割轨迹所沿的巷道基准位，启动截割调整模块；

截割调整模块，控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向、以移动距离值L₂移离当前截割轨迹所沿的巷道基准位，并沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，同时经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则再一次启动截割调整模块；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理模块；

二次分状况处理模块，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向向着当前截割头截割轨迹所沿的巷道基准位进行截割，并在截割过程中经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制模块；

如距离L₀小于限定距离值L₁，经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则启动截割调整模块；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理模块；

其中，所述基准普氏系数值F、限定距离值L₁、移动距离值L₂、截割定值L₃的具体数值要根据掘进机掘进工作面的实际情况(地质状况、巷道成型参数等)设定。

在按照本发明所述方法沿顶板实施截割时，如图2所示，识别掘进机截割的矿岩类型，判断截割范围内遇到岩石是夹矸、还是顶板，如在上次截割轨迹距顶板L₁以上范围内截割遇到岩石，则可判断是夹矸；如在距顶板L₁范围内截割遇到岩石，则可判断是顶板。当遇到夹矸时，控制电磁比例阀降低截割进给速度，然后继续截割。当遇到顶板时，将截割头降低L₂，然后再水平截割，如水平截割正常，截割L₃后，再次将截割头抬高，直到找到顶板再水平截割；若水平截割过程中遇到顶板，再将截割头降低L₂，继续沿水平截割，实现掘进机截割头沿顶板实施截割的目的。

在按照本发明所述方法沿底板实施截割时，如图3所示，识别掘进机截割的矿岩类型，判断截割范围内遇到岩石是夹矸、还是底板，如在上次截割轨迹距底板L₁以上范围内截割遇到岩石，则可判断是夹矸；如在距底板L₁范围内截割遇到岩石，则可判断是底板。当遇到夹矸时，控制电磁比例阀降低截割进给速度，然后继续截割。当遇到底板时，将截割头抬高L₂，然后再水平截割，如水平截割正常，截割L₃后，再次将截割头降低，直到找到底板再水平截割；若水平截割过程中遇到底板，再将截割头抬高L₂，继续沿水平截割，实现掘进机截割头沿底板实施截割的目的。

在按照本发明所述方法沿左帮或右帮实施截割时，如图4、5所示，识别掘进机截割的矿岩类型，判断截割范围内遇到的岩石是夹矸、还是两帮，如在上次截割轨迹距左帮或右帮L₁以上范围内截割遇到岩石，则可判断是夹矸；如在距左帮或右帮L₁范围内截割遇到岩石，则可判断是左帮或右帮。当遇到夹矸时，控制电磁比例阀降低截割进给速度，然后继续截割。当遇到左帮或右帮时，将截割头右移或左移L₂，然后再垂直截割，如垂直截割正常，截割L₃后，再次将截割头左移或右移，直到找到左帮或右帮再垂直截割；若水平截割过程中遇到左帮或右帮，再将截割头右移或左移L₂，继续垂直截割，实现掘进机截割头沿两帮实施截割的目的。

另外，本发明所述方法中分析计算步骤的设置目的是为了识别煤层、岩石提供依据，其实现的根本原理在于：由于截割物的力学特性不同造成了掘进机不同截割状态下受力不同，而不同截割物在截割状态下的坚固程度一般由岩石的普氏系数f来反应。岩石的坚固性区别于岩石的强度，强度值必定与某种变形方式(单轴压缩、拉伸、剪切)相联系，而坚固性反映的是岩石在几种变形方式的组合作用下抵抗破坏的能力。因为在钻掘施工中往往不是采用纯压入或纯回转的方法破碎岩石，因此这种反映在组合作用下岩石破碎难易程度的指标比较贴近生产实际情况。当掘进机进行截割作业时，截割电机带动截割头旋转，同时回转油缸作用于回转台，通过悬臂带动截割头按照截割轨迹左右摆动。掘进机截割头截割煤层时与截割岩石时，截割电机的电流、回转油缸的压力、速度等参数均会产生变化，根据截割电机和/或回转油缸的变化可以确定掘进机截割头截割的是煤层还是岩石。

其中，岩石普氏系数f以岩石单轴抗压强度与致密粘土的抗压强度(10MPa)之比标定，即

式中：K-转换系数；δ_c-岩石的单轴抗压强度。

由式(3-4)可见，岩石普氏系数f是个无量纲的值，可用于预计岩石抵抗破碎的能力及其钻掘以后的稳定性。如下表1所示，根据岩石普氏系数f可把岩石分成10级，等级越高的岩石越容易破碎。为了方便使用又在第III、IV、V、VI、VII级的中间加了半级。考虑到生产中不会大量遇到抗压强度大于200MPa的岩石，故把凡是抗压强度大于200MPa的岩石都归入I级。表1充分反映了岩石的客观性质。

表1-岩石普氏系数分级表

所述分析计算步骤至少可以采用如下3种分析思路计算获得：(相关参数按EBZ-150D型掘进机的参数值取值)

1、依据掘进机截割头截割时的受力状况、截割电机的参数情况、及截割头受力状况同截割电机参数情况间的关系，计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

分析过程如下：

截割电机输入功率为：

式中：U_L-截割电机线电压；I_L-截割电机线电流；

截割电机功率因数。

忽略定子铜耗，则电机输出电磁转矩为：

式中：ω₁-截割电机同步转速。

设截割状态下，电机电磁转矩与阻转矩T_L平衡：ηK_PT_e＝T_L    (3-7)

式中：K_P-电机负荷系数，为一常数；η-机械传动效率，为一常数。

此时电机产生的切向力为：

式中：F-电机产生的截割切向力；R_head-截割头平均半径(如图6所示，BZ-150D型掘进机截割头平均半径R_head为300mm)。

截割头在沿截割切头旋转切线方向对岩石的压强P_a为：

式中：A-参与截割的截割头截齿投影面积之和(EBZ-150D型掘进机单个截齿投影面积3.3×10^-3m²，截割时同时大约有18个截齿参与截割，所以总面积为3.3×10^-3×18＝5.94×10^-2m²，由于截割时参与截割的截齿与煤或岩石的接触面积是变化的，所以取一半作为有效面积，既2.97×10^-2m²)。

截割头在沿截割切头旋转切线方向破碎岩石有：P_a＝δ_c    (3-10)

由式(3-4)～(3-10)可得：

因此，只要确定截割电机的线电流I_L、线电压U_L、功率因数

同步角频率ω₁，把截割煤层时与截割岩层时的电流记录，并根据实际情况的数值，给定转换系数K就可以求得掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

2、依据掘进机截割头截割时的受力状况、回转油缸的参数情况、以及截割头受力状况同回转油缸参数情况间的关系，计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

分析过程如下：

截割头在截割过程中，除了在截割电机带动下的旋转，还包括在回转台带动下的摆动，回转台的受力分析如图7、8所示。截割给进中来自截割头的反作用力F₁作用于回转台上产生给进阻力矩，此时，回转台两侧回转油缸的作用力F₂产生给进力矩来克服阻力矩(图中只标示出右侧油缸)。

当掘进机稳定时，给进力矩等于阻力矩：F₁L₁cosα＝F₂L₂sinβ    (3-13)

截割头在沿截割轨迹破碎时有：F₁＝P₁S_y    (3-14)

式中：P₁-截割头沿截割轨迹方向上的压强；S_y-截割头在沿截割轨迹上的投影面积。

根据岩石破碎条件，P₁还应满足式(3-10)。

对于回转油缸来说，F₂＝P_oilS_oil    (3-15)

式中：P_oil-回转油缸中压强，可用压力传感器获得；S_oil-回转油缸的截面积。

力矩平衡关系式(3-13)中夹角β可由余弦定理求得

$\cos \mathrm{\β}=\frac{L_2^2+L_r^2-R^2}{2L_2{L}_r}---(3-16)$

由式(3-10)、(3-13)～(3-15)得：

结合式(3-16)、(3-17)可知，只要检测出回转油缸压强P_oil、角度α、回转油缸行程L_r，把截割煤层时与截割岩层时的油压进行记录，并根据实际情况的数值，给定转换系数K就可以求得掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

3、依据掘进机截割头截割时的受力状况、截割电机和回转油缸的参数情况、以及截割头受力状况同截割电机和回转油缸参数情况间的关系，计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

分析过程如下：

如图9所示，截割头在按截割轨迹截割的过程中，按其受力方向分析，可以分解为三个典型方向的力：沿截割头径向的阻力P_r、沿截割头旋转切线方向的阻力P_z、截割头在水平摆动的过程中受到的水平方向的阻力R_x；

a、基于截割头旋转切向阻力P_z进行普氏系数f的分析计算

对于纵轴式截割头来说，左右横摆过程中，作用在截齿上的平均截割阻力为：

P_z＝P_k[k_tk_gk_y(0.25+0.018th)+0.1S]

＝P_k[1.5×1.1×0.7(0.25+0.018×26×h)+0.1×20]

＝P_k[1.16(0.25+0.47h)+2]

＝P_k(0.55h+2.29)                            (3-18)

式中：P_k-煤岩破碎强度，见表3-4；k_t-截齿形式的影响系数，镐形齿取1.5；k_g-截齿的几何形状影响系数，取1.1；k_y-截割角的影响系数，取0.7；t-截齿间距，取26mm；h-平均切削厚度，单位mm；S-磨钝截齿端面在截割平面上的投影面积，单位mm²，范围15～20，取20。

其中，煤岩的破碎强度P_k与反映岩石力破碎特性的的普氏系数f的对应关系如表2所示。

表2 煤岩破碎强度P_k与普氏系数f对应关系表

而平均切削厚度h：

h_max为最大切削厚度，有

式中：V_b-截割头旋转轴心摆动速度，单位m/s；τ-截割头体半锥角，取18°；n-截割头转速，46rpm；k_t-截齿形式的影响系数，镐形齿取1.5；m-每条截线上齿数，取1。

截割头中心摆动速度：

式中：L-截割头旋转轴心到回转中心在(x，y)平面投影距离(对于EBZ-150D型掘进机来说，取3950mm；V_R-回转油缸线速度，单位m/s；R-回转台半径(对于EBZ-150D型掘进机来说，为721mm)。

由式(3-15)～(3-18)可得：

$P_z=P_k(0.55h+2.29)$

$=P_k(0.55\×\frac{2}{\mathrm{\π}}\×h_{\max }+2.29)$

$=P_k(0.55\×\frac{2}{\mathrm{\π}}\×{0.4V}_b\×1000+2.29)$

$=P_k(0.55\×\frac{2}{\mathrm{\π}}\×0.4\×5.5V\×1000+2.29)$

$=P_k(0.77V\×1000+2.29)$

$=P_k(770V+2.29)---(3-22)$

又截割头旋转截割力矩M满足

式中：n_j-截割头总截线数量，取41；D_c-截割头平均直径；k_cp-考虑同时参与截割的截齿数目系数，最大为0.5，取0.25；k_oc-煤岩松裂系数，最大取1；

其中， $D_c=S_k\×\frac{1}{l}=\frac{0.5}{0.79}=0.63m---(3-24)$

式中：S_k-过截割头转轴的截割头纵断面面积，取0.5m²；l-截割头长度，取0.79m。

把式(3-22)、(3-24)代人式(3-23)可得截割头旋转力矩

$M=P_z\×m\×n_j\×\frac{D_c}{2}\×k_{\mathrm{tp}}\×k_{\mathrm{oc}}$

$=P_k(770V+2.29)\×1\×41\×\frac{0.63}{2}\×0.25\×1$

$=3.23P_k(770V+2.29)---(3-25)$

由截割电机功率表达式(3-5)，取电动机电压1140V，功率因数为0.85带入式(3-25)有截割电机功率为：

式中k₁为常数，并有

又根据截割电机力矩平衡关系，取电机负荷系数为0.75机械效率为0.8，有M＝T_e×k_p×η＝0.75×0.8×T_e＝0.6T_e    (3-27)

由电机电磁转矩关系式(3-6)、截割电机功率表达式(3-26)、截割电机力矩平衡关系式(3-27)得

$=0.6\frac{k_1{I}_L}{{\mathrm{\ω}}_1}---(3-28)$

由式(3-25)、(3-28)得：

$P_k=\frac{0.6k_1{I}_L}{3.23{\mathrm{\ω}}_1(770V_R+2.29)}---(3-29)$

根据检测到电机的电流及测得的回转油缸线速度，即可以求出煤岩破碎强度P_k，根据煤岩破碎强度P_k与普氏系数f对应关系(如表2所示)，利用插值法可求得掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

分析式(3-29)可知，式(3-29)既包含了与截割头旋转有关的截割电流I_L，又包含了与截割头按截割轨迹水平运动相关的回转油缸旋转速度V，较之前述两种基于截割电机参数情况或基于回转油缸参数情况的分析思路来说，融合的信息更为全面，可以更好的反映截割头运动与煤岩力学性质的关系，提高计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩普氏系数f的准确度。

b、基于水平阻力R_x进行普氏系数f的分析计算

如图3-5所示，截割头受到的水平阻力R_x可由截割所受到的切向阻力P_z与径向阻力P_r合成得到，因此，如果对截割头水平阻力R_x进行分析，也可以通过它得到包含掘进机多个参量信息的表达式。

截割头切向受力P_z与径向受力P_r的关系式：

由式(3-18)～(3-21)、(3-30)可得：

$P_r=P_k(0.77V+2.29)\×(0.15+0.00056P_k)\frac{2.5}{0.4\×\frac{2}{\mathrm{\π}}\×0.4\×{5.5V}_R}$

$=\frac{P_k}{V_R}4.46(0.77V_R+2.29)\×(0.15+0.00056P_k)---(3-31)$

截割头左右回转时单个截齿所受的水平阻力R_xi＝(P_zcosφ_i+P_rsinφ_i)  (3-32)

截割头所受的水平阻力

式中：φ_i-截割头第i个截齿的位置角，由截齿配置图决定；n_i-同时参与截割的截齿数。

依据EBZ-150D截割头设计结构，选择同时参与截割的截齿数为20，则有

$R_x=P_z\underset{i=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}\cos {\mathrm{\φ}}_i+P_r\underset{i=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}\sin {\mathrm{\φ}}_i$

$=12.6P_z+13P_r---(3-34)$

又截割头所受的水平阻力：

$R_x=\frac{2\×F_2\×R}{L}=\frac{2\×P_{\mathrm{oil}}\×S_{\mathrm{oil}}\×R}{L}$

$=\frac{2\×P_{\mathrm{oil}}\×S_{\mathrm{oil}}\×721}{3950}---(3-35)$

式中P_oil可以通过安放在油缸中的压力传感器实时测得。

由式(3-22)、(3-31)、(3-34)、(3-35)以得到与旋转油缸线速度V、压力P相关的煤岩接触强度P_k解算表达式：

P_k＝F_un(V_R，P)    (3-36)

因此据测得的回转油缸压力及线速度，即可以求出煤岩破碎强度P_k，根据煤岩破碎强度P_k与普氏系数f对应关系(如表2所示)，利用插值法可求得掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

由式(3-36)可见，式(3-29)包含了旋转油缸线速度V及油缸压力P这两个方面的信息，较之前述两种基于截割电机参数情况或基于回转油缸参数情况的分析思路来说，融合的信息更为全面，可以更好的反映截割头运动与煤岩力学性质的关系，提高计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩普氏系数f的准确度。

Claims (2)

1.一种掘进机煤岩识别自动截割控制方法，其特征在于包括如下步骤：

分析计算步骤，依据掘进机截割头截割时的受力状况、截割电机和/或回转油缸的参数情况、以及截割头受力状况同截割电机和/或回转油缸参数情况间的关系，计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

矿岩类型判断步骤，将分析计算步骤得到的普氏系数f与用于区别掘进机当前工作面矿岩类型的基准普氏系数值F比较，判定掘进机截割头当前截割位置处矿岩的类型；如分析计算步骤得到的普氏系数f小于基准普氏系数值F，则掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭；反之，掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石；

截割控制步骤，依据矿岩类型判断步骤的结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，并在截割过程中经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制步骤；反之，启动分状况处理步骤；

分状况处理步骤，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；其中，所述巷道基准位指掘进机截割头当前截割时所沿的底板、或者右帮、或者顶板、或者左帮所处的位面；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置处的矿岩为夹矸，降低截割头截割进给速度，控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，同时经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制步骤；

如距离L₀小于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置为与截割头当前截割轨迹所沿的巷道基准位，启动截割调整步骤；

截割调整步骤，控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向、以移动距离值L₂移离当前截割轨迹所沿的巷道基准位，并沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，同时经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则再一次启动截割调整步骤；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理步骤；

二次分状况处理步骤，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向向着当前截割头截割轨迹所沿的巷道基准位进行截割，并在截割过程中经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制步骤；

如距离L₀小于限定距离值L₁，经分析计算步骤、矿岩类型判断步骤确定截割头截割位置处矿岩的类型，如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则启动截割调整步骤；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理步骤；

其中，所述基准普氏系数值F、限定距离值L₁、移动距离值L₂、截割定值L₃的具体数值要根据掘进机掘进工作面的实际情况设定。

2.一种掘进机煤岩识别自动截割控制系统，其特征在于包括如下模块：

分析计算模块，依据掘进机截割头截割时的受力状况、截割电机和/或回转油缸的参数情况、以及截割头受力状况同截割电机和/或回转油缸参数情况间的关系，计算掘进机截割头当前截割位置处矿岩的普氏系数f；

矿岩类型判断模块，将分析计算模块得到的普氏系数f与用于区别掘进机当前工作面矿岩类型的基准普氏系数值F比较，判定掘进机截割头当前截割位置处矿岩的类型；如分析计算模块得到的普氏系数f小于基准普氏系数值F，则掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭；反之，掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石；

截割控制模块，依据矿岩类型判断模块的结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，并在截割过程中经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制模块；反之，启动分状况处理模块；

分状况处理模块，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；其中，所述巷道基准位指掘进机截割头当前截割时所沿的底板、或者右帮、或者顶板、或者左帮所处的位面；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置处的矿岩为夹矸，降低截割头截割进给速度，控制掘进机截割头沿当前截割轨迹继续截割，同时经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制模块；

如距离L₀小于限定距离值L₁，则认定截割头当前截割位置为与截割头当前截割轨迹所沿的巷道基准位，启动截割调整模块；

截割调整模块，控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向、以移动距离值L₂移离当前截割轨迹所沿的巷道基准位，并沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，同时经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则再一次启动截割调整模块；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理模块；

二次分状况处理模块，测算截割头当前截割位置与截割头截割时近一次认定的巷道基准位相隔的距离L₀，并将所述距离L₀与用于认定巷道基准位的限定距离值L₁比较，依据比较结果，控制掘进机截割头的截割轨迹；

如距离L₀大于限定距离值L₁，则控制截割头按照与当前截割轨迹垂直的方向向着当前截割头截割轨迹所沿的巷道基准位进行截割，并在截割过程中经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，再一次启动截割控制模块；

如距离L₀小于限定距离值L₁，经分析计算模块、矿岩类型判断模块确定截割头截割位置处矿岩的类型，如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为岩石，则启动截割调整模块；如掘进机截割头当前截割位置处矿岩为煤炭，则沿截割头移离前的截割轨迹方向继续截割，并在截割距离达到截割定值L₃后，启动二次分状况处理模块；

其中，所述基准普氏系数值F、限定距离值L₁、移动距离值L₂、截割定值L₃的具体数值要根据掘进机掘进工作面的实际情况设定。

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