DE3735413A1

DE3735413A1 - Verfahren zur kontrolle der dicke einer kohleschicht, insbesondere zur fernsteuerung einer kohleabbaumaschine

Info

Publication number: DE3735413A1
Application number: DE19873735413
Authority: DE
Inventors: Larry G Stolarczyk; David L Baldridge
Original assignee: Stolar Inc
Current assignee: Stolar Inc
Priority date: 1986-10-24
Filing date: 1987-10-20
Publication date: 1988-05-05
Also published as: CA1291250C; CN87107117A; GB9000880D0; DE3735413C2; CN1011904B; GB2226585A; US4753484A; ZA877525B; AU589811B2; GB2196671B; AU7988287A; GB2196671A; GB2226585B; GB8724580D0

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Kohleschrämmaschinen und insbesondere ein Verfahren zur Steuerung einer Kohlenschrämmaschine von einer entfernten Stelle aus unter Verwendung eines Mittelwellen-Kommunikations- Systems und Sensoren für die Grenzfläche Kohle - Gestein.

In den letzten Jahren hat die Versorgung im Kohlenbergbau die Nachfrage überstiegen. Diese Überversorgung hat zu einer Verschärfung des Wettbewerbs im Bergbau geführt, der seinerseits dazu geführt hat, daß sich Bergwerksbetriebe stärker der Notwendigkeit bewußt geworden sind, die Kosten und Risiken beim Abbau zu vermindern. Gegenläufig zu dem Wunsch, die Kosten herabzudrücken und die Sicherheit zu erhöhen, steht das Problem, daß nur tiefere und dünnere Kohlevorräte mit geringerer Qualität und höheren Kosten noch zum Abbau übrig geblieben sind.

In einem Versuch, dem Bergbau bei der Auflösung dieses Dilemmas zu helfen, hat das Jet Propulsion Laboratory (JPL) eine Studie durchgeführt, die auf die Bewertung einer automatisierten Langwand-Abbautechnik gerichtet ist (W. Zimmerman, R. Aster, J. Harris und J. High, Automation of the Longwall Mining System, JPL Publication 82-99, 1. November 1982). Unter anderem zeigt diese Studie die Notwendigkeit, eine Fernsteuertechnik für Langwand- Schräm-Arbeiten zu entwickeln.

Eine Fernsteuerung für die Schrämmaschine erfordert eine Erfassung der Kohle-Gestein-Grenzfläche auf kurze Distanz, um die Bergleute aus der gefährlichen Kohleabbaufront herauszuhalten. Der kontinuierliche und Langwand-Abbau fordert, daß der Bergmann sich nahe an den Kohleschneidkanten (Walze) befindet, so daß er den Abbauhorizont sehen und die Schneidkanten daran hindern kann, auf Gestein aufzuprallen. Bei diesem Vorgang ist der Bergmann an der Schrämmaschine dauernd in einem gefährlichen Bereich. Wenn die Schneidkanten der Schrämmaschine auf Gestein auftreffen können, können sprühende Funken Methan- und Kohlenstaub-Zündungen hervorrufen. Beim Schneiden in Dach oder Boden aus Sandstein wird Silikasand im Staub produziert, so daß die zulässigen Grenzwerte für den Staubgehalt der Atemluft überschritten werden. Im Abbaubetrieb wird diese Gefahr oft dadurch vermindert, daß die Förderrate der Schrämmaschine verringert wird, daß nur in Richtung des Abbaufront-Ventilations- Luftstroms gefräst wird, oder die Beregnung verstärkt wird, um die Staubwolke zu dispergieren. Zusätzlich zum Staubproblem führt die Abnutzung der Fräswalze und der Lager der mechanischen Antriebskomponenten oft zu erhöhten Ausfallzeiten und Wartungsproblemen.

Eine weitere Forderung zum effektiven Automatisieren eines Langwand-Abbausystems ist die Entwicklung eines zuverlässigen Fernsteuer-Kommunikationssystems. Verschiedene Langwand-Hersteller in den USA und Europa bieten derzeit VHF-(very high frequency-) und LF-(low frequency-) Fernsteuersysteme an. Das LF-System besteht aus einer Regelverbindung vom Obertor-Befehlszentrum zur Schrämmaschine über das Wechselstromversorgungskabel. Das LF-System ist beschränkt, da es die Fernsteuerung von irgenwo längs der Abbaufront nicht ermöglicht. VHF- und UHF-Systeme arbeiten zufriedenstellend mit im Sichtbereich verlaufenden Signalfortpflanzungswegen, um kontinuierliche Abbaueinrichtungen und Dachverbolzer zu steuern. Die Technik versagt jedoch bei der Fernsteuerung von Zügen in Tunneln und Ladefeldern, wie sie beim Blockbruchbau verwendet werden. Die Gründe, warum VHF- und UHF-Systeme in diesen Situationen nicht arbeiten, sind darin zu suchen, daß VHF- und UHF-Signale unter sehr starker Dämpfung leiden, wenn sie sich den Wellenleiter herab fortpflanzen, der durch den Schild und Pfannenstrecke erzeugt wird, eine zuverlässige Steuerung ist auf Sichtlinienbetrieb beschränkt, Wellen längs der Abbaufront können den Kontrollbereich begrenzen, und die reflektierte Signalenergie von den stählernen Langwandstützen liefert Nullstellen in den Sendewellen. Wegen der mit VHF- und UHF-Übertragung verbundenen Problemen ist das Radio-Übertragungssignal in der "toten Steuerung" Nullzone unter dem, das für eine niedrige Bitfehlerrate erforderlich ist. Diese zu geringe Bitrate resultiert darin, daß Befehlssignale falsch decodiert werden oder gar nicht auf diese angesprochenen wird.

Um die Steuerung der Schrämmaschine (oder einer kontinuierlichen Abbaumaschine) aus einer sicheren Distanz zu ermöglichen, sind verschiedene Versuche gemacht worden, eine Kohle-Gestein-Sensortechnik zu entwickeln. In Europa und in USA haben Forscher eine Sensortechnik aufgrund des natürlichen Strahlenuntergrundes untersucht. Die Verwendung der natürlichen Hintergrundstrahlung von den darüberliegenden Schichten erlaubt es einem solchen System, die Kohledicke oberhalb der Schrämmaschine zu messen und beim Arbeiten mit der Schrämmaschine aufrechtzuhalten; in einigen geologischen Formationen arbeitet dieser Sensor jedoch nicht zuverlässig. Andere, ähnliche Anwendungen von Techniken sind beispielsweise die Verwendung von akustischen Erscheinungen und des "empfindlichen Pickels" zur Messung der Flözdicke und zum Detektieren der Kohle-Gestein-Grenzfläche, und die Untersuchung von Mikrowellen-Meßtechniken durch Forscher beim National Bureau of Standards. Die Hauptstoßrichtung beim Sensor für natürliche Hintergrundstrahlung, bei Akustik- und Mikrowellen-Meßtechniken lag darin, die Steuermöglichkeiten des Bergmanns an der Schrämmaschine so zu erhöhen, daß er in jedem Durchgang die maximal mögliche Kohlemenge abbauen konnte.

Andere Sensoren wurden entwickelt, um Abbaufront-Ausfluchtprobleme zu lösen, die zu vielen Förderer- und Pfannenstrecken-Ausfällen beitrugen. Einer dieser Sensoren war der Gier-Messungs-Sensor, der von der Benton Corporation entwickelt wurde. Dieser Sensor mißt Winkelabweichungen in der Pfannenstrecke und überträgt Information an einen Computer. Der Computer bestimmt die Position der Schrämmaschine und die Geradlinigkeit des Abbaufront-Förderers. In einem Bericht der US-Regierung wird über Untersuchungen des NASA Marshall Space Flight Center Longwall Program berichtet, der das Betriebsverhalten mehrerer Schrämmaschinen- und Förderer-Sensoren betraf und dann Konstruktionsprobleme prüfte, die beim nachträglichen Einbau der vielversprechensten Sensoren in Schrämmaschine und Förderer auftreten.

Schließlich offenbarten Chang und Wait in einem grundlegenden Aufsatz einen theoretischen Vorschlag, eine Resonanzschleifenantenne als Sonde zur Bestimmung der Dachdicke in einem Kohleabbauvorgang zu verwenden (D. Chang und J. Wait, An Analysis of a Resonant Loop as an Electromagnetic Sensor of Coal Seam Thickness, Proceedings of URSI Conference on Remote Sensing, LaBaule, France (28 April - 6 May 1977).

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein verbessertes Verfahren für die Fernsteuerung einer Langwand-Schrämmaschine oder kontinuierlichen Abbaumaschine verfügbar zu machen, mit dem es möglich ist, die Bergleute aus der gefährlichen Kohlenfräszone herauszuhalten.

Weiter soll durch die Erfindung ein verbessertes Verfahren für die Fernsteuerung einer Langwand-Schrämmaschine oder kontinuierlichen Abbaumaschine unter Verwendung eines zuverlässigen Kommunikationssystems verfügbar gemacht werden.

Ferner soll durch die Erfindung ein zuverlässiges Fern-Kommunikationssystem verfügbar gemacht werden, das leicht an eine Langwand-Schrämmaschine oder kontinuierliche Abbaumaschine angekoppelt werden kann.

Weiterhin soll durch die Erfindung ein verbessertes Verfahren für die Fernsteuerung einer Langwand-Schrämmaschine oder kontinuierlichen Abbaumaschine verfügbar gemacht werden, bei dem ein Kohle-Gestein-Grenzschicht-Sensor verwendet wird.

Kurz gesagt, weist eine Ausführungsform der Erfindung ein Mittelwellen (MF = medium frequency) Fernsteuersystem auf, das magnetisch mit dem Wechselstromversorgungskabel der Schrämmaschine an einer entfernten Stelle gekoppelt ist. Innerhalb der Schrämmaschine ist ein Mittelwellenempfänger an das Wechselstromkabel unter Verwendung eines Ferrit-(C-Kern-)-Leitungskopplers gekoppelt. Die Schrämmaschine ist mit einem Kohle-Gestein-Grenzflächen-Sensor ausgerüstet, der eine Fernsteuerung des Abbauvorgangs erlaubt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Fernsteuervorgang der Langwand- Schrämmaschine oder kontinuierlichen Abbaumaschine die Bergleute aus der gefährlichen Kohlenfräszone heraushält.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der Kohle-Gestein-Grenzflächen- Sensor die Wahrscheinlichkeit herabsetzt, daß eine Schneidkante der Schrämmaschine auf Gestein trifft.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine dünne Kohleschicht am Dach verbleiben kann.

Noch ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Fern- Kommunikationssystem zuverlässig Daten überträgt.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Fern- Kommunikationssystem leicht an die Langwand-Schrämmaschine oder kontinuierliche Abbaumaschine angekoppelt werden kann.

Diese und weitere Ziele und Merkmale der Erfindung ergeben sich im einzelnen aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; in dieser zeigt

Fig. 1 ein Diagramm einer ferngesteuerten Kohleschrämmaschine nach der Erfindung;

Fig. 2 ein expandiertes Teil-Blockschaltbild der elektronischen Komponenten innerhalb des explosionssicheren Gehäuses nach Fig. 1;

Fig. 3 einen am Körper zu tragenden Schultergurt-Fernsteuersender; und

Fig. 4 graphisch Daten über die Leitfähigkeit in Abhängigkeit von der Kohleschichtdicke, wie sie mit einem Kohle-Gestein-Grenzflächen- Sensor gemäß Fig. 1 erhalten werden.

In Fig. 1 ist eine ferngesteuerte Kohlefräsmaschine dargestellt, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist und die dazu geeignet ist, das ferngesteuerte Abbauverfahren nach der Erfindung auszuführen. Die Kohlefräsmaschine 10 kann entweder eine Langwand-Schrämmaschine oder eine kontinuierliche Abbaumaschine sein. Eine Schrämmaschine 12 enthält einen Obertor-Auslegerarm 14 und einen Untertor-Auslegerarm 16. Der Obertor-Auslegerarm 14 enthält eine Obertor-Kohlefräswalze 18 und der Untertor-Auslegerarm 16 enthält eine Untertor-Kohlefräswalze 20. Ein Kohle-Gestein- Grenzflächen-Sensor 22 ist auf die Oberseite der Schrämmaschine 12 hinter dem Obertor-Auslegerarm 14 montiert. Der Sensor 22 ist in eine Platte 24 eingebettet, die auf ein Stahlrohr 26 montiert ist, wobei eine Oberseitenabdeckung 28 frei bleibt. Ein Kabel 30, das durch einen Sensorarm 31 läuft, verbindet den Sensor 22 mit einer Sensorkontrolleinheit 32. Ein mit einem Arm 36 am Stahlrohr 26 befestigtes Rad 34 sorgt für einen Luftspalt 38 mit einer Breite "w", indem es auf eine Kohleschicht 40 preßt. Die Kohleschicht 40 hat eine Dicke "t" und liegt unter einer Gesteinsschicht 42. Ein explosionssicheres Gehäuse 44 befindet sich innerhalb der Schrämmaschine 12 und enthält die Sensorkontrolleinheit 32, eine Fernsteuereinheit 46 für das Obertor und eine Fernsteuereinheit 48 für das Untertor. An der Obertor-Steuereinheit 46 ist eine Steuereinheit 49 für ein elektrohydraulisches System angebracht, sowie ein Obertor-HF-Signalkoppler 50, der ein elektrohydraulisches Magnetventil und Schlauch 51 betätigt. An der Untertor-Steuereinheit 48 ist ein Untertor- HF-Signalkoppler 52 und ein Untertor-Elektrohydraulik-Magnetventil und Schlauch 54 befestigt. Ein Wechselstromkabel 56 ist mit einer Stromversorgung 58 verbunden. Eine Schleifenantenne 60 ist mit einem Magnetfeld 61 magnetisch mit dem Kabel 56 gekoppelt. Die Schleifenantenne 60 ist mit einem Draht 64 mit einem Sender 62 verbunden. Ein Interface 66 ist mit einem Draht 68 mit dem Sender 62 verbunden.

Fig. 2 zeigt ein expandiertes Teil-Blockschaltbild der Elektronikkomponenten, die im Gehäuse 44 enthalten sind. Die Obertor-Fernsteuereinheit 46 enthält ein Bedienungspult 70, das mit einem Empfänger 72 verbunden ist, der mit einem Dekodierer 74 verbunden ist. Der Dekodierer 74 ist mit einer Schützsteuereinheit 76 verbunden, die mit einer Vielzahl von Schaltern 78 verbunden ist, die alle in der Elektrohydraulik-Steuereinheit 49 enthalten sind. Ein zweiter Satz Komponenten ähnlich den in Fig. 2 gezeigten ist für die Untertor-Fernsteuereinheit 48 erforderlich.

Fig. 3 zeigt einen am Körper zu tragenden Fernsteuersendergurt, der allgemein mit 80 bezeichnet ist. Der Gurt 80 ist dazu bestimmt, von einem Bergmann 82 getragen zu werden. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind das Interface 66, der Sender 62 und die Schleifenantenne 60 gemäß Fig. 1 alle auf dem Gurt 80 vorgesehen. Das Interface 66 enthält eine Vielzahl von Druckknopf- Steuerschaltern 84. Eine Batterie 86 versorgt den Sender 62 mit Strom und ein Bügel 88 ist vorgesehen, um den Gurt 80 einzustellen.

Fig. 4 zeigt graphisch einen repräsentativen Zusammenhang zwischen Leitfähigkeit und Kohleschichtdicke ("t" in Fig. 1). Dies ist die Art Daten, die mit dem Kohle-Gestein-Grenzschicht-Sensor 22 gesammelt wird, der in Fig. 1 dargestellt ist. Die Daten in Fig. 4 zeigen, daß es einen Leitfähigkeitwert G _a gibt, um den die Leitfähigkeit G oszilliert, und zu dem G bei unendlicher Dicke konvergiert. Die diskrete Dicke, bei der G gleich einem Wert G _a ist, wird die Steuerdicke "t _D ". Wenn die gemessene Leitfähigkeit größer wird als G _a, zeigt das an, daß eine Korrektur der Position der Fräswalze 18 notwendig ist. Wenn die gemessene Leitfähigkeit G kleiner wird als G _a, zeigt das an, daß eine Korrektur in der entgegengesetzten Richtung notwendig ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Interface 66 nach Fig. 1 eine Tastatur, die auf die Stirnseite des Senders 62 montiert ist, wie in Fig. 3 veranschaulicht. Die Druckknopf-Steuerschalter 84 bilden die Schalter 78 auf der Schrämmaschine nach, so daß Befehle, die vom Sender 62 gesendet werden, in der Elektrohydraulik-Steuereinheit 49 der Schrämmaschine die gleichen Antworten hervorrufen wie die Schalter 78. Mit dem am Körper zu tragenden Sender 80 und den Steuereinheiten 46 und 48 im flammsicheren Gehäuse 44 der Schrämmaschine ermöglicht das System die unabhängige Fernsteuerung der folgenden Schrämmaschine-Funktionen:

Der Sender 62 und der Empfänger 72 arbeiten im Mittelwellenbereich zwischen 300 und 1000 kHz. Der Frequenzplan für unabhängigen Betrieb jeder der beiden Walzen 18 und 20 erfordert zwei Sender-Trägerfrequenzen (f₁, f₁*). Diese Frequenzen sollen wenigstens 50 kHz voneinander entfernt liegen. Vorgeschlagen werden als Frequenzen 400 und 520 kHz. Die HF-Leitungskoppler (Stromwandler) 50 und 52 werden dazu verwendet, Befehls- und Kontroll-Signale vom Wechselstromkabel 56 auszukoppeln. Diese Art der Kopplung ist insoweit einzigartig, als es sich um einen Ferritkoppler handelt, der geringe körperliche Größe hat, so daß er in das explosionssichere Gehäuse 44 hineinkonstruiert werden kann. Durch Montage des Kopplers in ein explosionsicheres Gehäuse wird die Zuverlässigkeit der Ausrüstung verbessert. Im Gegensatz dazu sind bei VHF- und UHF-Ausrüstungen freiliegende Antennen erforderlich, die leicht beschädigt werden können. Das Empfängerausgangssignal enthält Steuerinformation für das Elektrohydrauliksystem der Schrämmaschine. Das digitale Steuersignal wird an den Dekoder 74 angelegt, der seinerseits das Digitalsignal in der Weise verarbeitet, daß Algorithmen aufgerufen werden, die die Bitfeherrate minimieren. Die Steuersignale ("Befehlssignale" genannt) werden (im Fernsteuersender 62) mit einem hochstrukturierten digitalen Kodewort kodiert. Das Kodewort enthält die Adressen- und Befehlsdaten. Um Fehler zu minimieren, akzeptiert der Dekoder 74 nur digitale Steuersignale mit der richtigen Adresse; weiterhin müssen die Steuersignale zwei- oder dreimal korrekt empfangen werden, wobei mindestens zwei der empfangenen Wörter identisch sein müssen, ehe der Kode validiert wird. Ein Mikro im Empfängerdekoder detektiert jeden Fehler in den digitalen Befehlsdaten. Das gewährleistet, daß nur richtige Befehle an das Elektrohydrauliksystem der Schrämmaschine gegeben werden. Das dekodierte Ausgangssignal wird dann an die Schützhaltung 76 gegeben, das eine Schnittstelle (Relaiskontakte) zu der vorhandenen Schrämmaschinensteuerung 78 (Druckknöpfe und Schalter) bildet.

Die digitale Steuersignalstruktur für jedes vom Sender 62 gesendete Wort enthält eine 15-Bit-Präambel, die dazu verwendet wird, den Fernsteuerdekoder 74 zu synchronisieren, so daß die Adressen- und Befehls-Daten wiedergewonnen werden können; weiterhin werden nur drei Adressenbits (TXID) für die Schrämmaschine benötigt und zwölf Funktionen werden in den meisten Fernsteueranwendungen benötigt.

Der technische Grund dafür, eine Folge von identischen Wörtern zu senden, liegt darin, daß die Bitfehlerrate des Digitalwortes verbessert werden kann. Die Bitfehlerrate von n wiederholten Wörtern ist gegeben durch

P _T=(P _A)ⁿ

wobei P _A die Wahrscheinlichkeit eines Bitfehlers in einem einzelnen Wort ist. Wenn beispielsweise die Bitfehlerrate 10^-3 beträgt, würde durch Senden von zwei identischen Wörtern die Bitfehlerrate auf 10^-6 verbessert.

Jedes Wort wird unter Verwendung eines Manchester-Formats kodiert. Die Manchester-Befehlsdaten werden im Sender 62 an einen Frequenzumtaster-Kodierer gegeben. Ein Frequenzumtaster-Dekodierer 74 wird in der Fernsteuereinheit 46 verwendet, um die Befehlsdaten wiederzugewinnen.

Der frequenzmodulierte Träger wird im Datenübertragungssystem verwendet. Die Trägerfrequenz liegt im Mittelwellenbereich und ist durch Frequenzumtasten moduliert (1200 Hz und 2200 Hz).

Im Manchester-Kode zeigt eine Phasenänderung den logischen Bitstatus an. Ein Manchester-Kode-Abwärtsübergang (Phase) tritt in der Mitte des Datenbits ohne Nullrückkehr auf. Ein Manchester-Kode-Aufwärtsübergang zeigt eine logische "Null" an. Der Übergang im Manchester-Kode führt das Taktsynchronisiersignal (halbe Taktrate).

Die ersten drei Logikbits identifizieren die Adresse (Sender ID = Identifizierung) und fügen der Kodestruktur eine Sicherheitsmaßnahme zu. Die folgenden zwölf Steuerlogikbits werden für unabhängige (simultane) Steuerfunktionen verwendet.

Der Fesstwertspeicher des Mikroprozessors enthält die Manchester-Dekodieralgorithmen, die den Manchester-Kode dekodieren, prüft für Schrämmaschinen-Bedienerfehler und erregt die entsprechende Ausgangsleitung(en).

Wird irgendeine Drucktaste oder ein Schalter am Sender gedrückt, ändert sich der Bitzustand in der Steuerbitfolge auf logisch "1". Der Mikroprozessoralgorithmus dekodiert das Bit als logisch "1" und erregt das entsprechende Mikroprozessor-Ausgangsport. Mit dem Kode wird keine Parität übertragen; Fehlerprüfung erfolgt jedoch durch die folgenden Püfungen:
Keine Daten in C 16 (Arbeitsende Überlappung-Kodekollision).
Keine Daten vor dem Start-Bit.
Senderidentität muß korrekt sein, wie durch Schalter auf den Schaltungsplatinen von Mikroprozessor und Sender eingestellt.
Simultanes Drücken der Druckknöpfe für Auslegerarm, Abdeckhaube, Stückebrecher oder Fördergeschwindigkeit werden ignoriert.
Drücken der Fördergeschwindigkeits-Tasten veranlaßt, daß die Fördergeschwindigkeits-Servosteuerung auf Null programmiert wird.

Jede Steuerwort-Sendeperiode beträgt

Drücken einer Taste oder eines Schalters sorgt dafür, daß sofort mehrere Wörter gesendet werden, von denen zwei als identisch dekodiert werden müssen. Weiter sendet der Sender alle 10 Sekunden ein Überwachungssignal. Ein Ausfall des Detektierens oder der Überwachung soll die Förder-Halt-Befehlsfunktion erregen. Der Mikroprozessoralgorithmus kann modifiziert werden, um viele zusätzliche Steuerstrategien zu erreichen.

Die Verwendung des Kohle-Gestein-Grenzschicht-Sensors 22 nach Fig. 1 ist für die Erfindung wichtig, weil mit den derzeitigen Schrämmaschinenausrüstungen der Bergmann nicht feststellen kann, wo die Grenzschicht Kohle - Gestein ist, bis sie angetroffen ist. Der Bergmann kann versuchen, vorsichtig zu sein, indem er versucht, eine erhebliche Kohlelage am Dach stehen zu lassen, oder er kann versuchen, das Abfräsen so schnell wie möglich anzuhalten, wenn Gestein angetroffen wird. Im ersten Fall kann der Bergmann mehr Kohle am Dach stehen lassen als notwendig, wodurch die gesamte Ausbringung vielleicht um 5 bis 6% herabgesetzt werden kann. Im zweiten Falle steigen die Dach-Kontrollprobleme, wenn nicht genug Kohle am Dach stehen bleibt. In marginalen Flözen kann die Kohle, die dem Dach am nächsten ist, einen höheren Prozentsatz an Schwefel und Asche enthalten, wenn diese also abgetragen wird, wird die Qualität der abgebauten Kohle verringert.

Wenn der Bergmann in das Gestein fräst, treten zusätzliche Probleme auf. Wenn die Schneidkanten der Walze 18 auf Fels treffen, können Flugfunken Methan- und Kohlenstaubzündungen verursachen. Silikatsand im Staub erschwert es, die Staubschutzvorschriften einzuhalten. Weiterhin wird die Kohle verunreinigt, so daß die Gesamt-Kohlequalität verschlechtert wird. Neben diesen Problemen erhöht ein Fräsen in Gestein die Abnutzung der Fräswalze 18 und der mechanischen Komponente der Schrämmaschine 12 und führt zu zusätzlichen Wartungs- und Ausfallzeiten. Jede mögliche Option, mit der diese Probleme reduziert werden können, erhöht die Kosten.

Durch die Verwendung eines zuverlässigen Kohle-Gestein-Grenzschicht-Sensors 22 kann eine dünne Schicht Kohle "t" am Dach stehen bleiben, so daß Dach-Kontrollprobleme, Sicherheit und Kosten reduziert werden, während die Produktion und die Kohlequalität verbessert werden. Beispielsweise unter Schiefer- und Tonstein-Dachgestein 42 verhindert die dünne Kohleschicht, daß durch Luftzutritt zum Gestein 42 dieses absplittert. Das hilft, ein kompetentes Dach im Abbaufrontbereich zu gewährleisten.

Die Sicherheit kann weiter verbessert werden, wenn der Sensor 22 im Zusammenhang mit einer Fernsteuerverbindung verwendet wird. Derzeit muß sich der Bergmann sehr nahe an den Kohleschneidkanten der Walze 18 aufhalten, damit er den Fräshorizont erkennen und die Schneidkanten daran hindern kann, auf Gestein aufzutreffen. Mit einer Fernsteuerverbindung erhält der Bergmann an einer fernen Stelle Information über die Kohlenschichtdicke "t". Das ermöglicht es dem Bergmann, die Schrämmaschine 12 fern von der gefährlichen Fräszone zu steuern. Wenn der die Schrämmaschine 12 steuernde Bergmann sich außerhalb der Staubwolke und weg von der gefährlichen Abbaufront befindet, steigt weiterhin die Produktivität, weil das Fräsen in beiden Richtungen vom Belüftungs-Luftstrom an der Abbaufront erfolgen kann.

Die elektronische Konstruktion des Kohle-Gestein-Grenzschicht-Sensors 22, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, basiert auf der Messung der Eingangs-Admittanz einer abgestimmten Schleifenantenne. Die theoretische Arbeit, die am ehesten auf den Sensor 22 anwendbar ist, wurde von Chang und Wait durchgeführt und wie eingangs erwähnt veröffentlicht.

Bei richtiger Abschirmung werden die elektrischen Eigenschaften einer Resonanzschleife nur von der Dachstruktur beeinflußt. Aus einer Steuerung durch Abbaueinrichtungen in der Nähe ergibt sich keine erhebliche Störung.

Die Sensorantenne ist in das vertikale Stahlrohr 26 montiert, das etwa in der Mitte des Förderers 12 lokalisiert ist, und unmitelbar unterhalb der Kohledeckel 40. Die elektronische Einheit 32, die die erforderlichen Schaltungen enthält, ist in das explosionssichere Gehäuse 44 am Förderer 12 montiert. Das Gehäuse 44 sorgt für eine staubfreie Umgebung für die Schaltungsplatinen-Einheit.

Die Eingangsadmittanz der Resonanz-Schleifenantenne wird in Echtzeit gemessen. Die Admittanz ist mathematisch gegeben durch:

Y = G + jB

wobei

G = Eingangsleitwert der Schleifenantenne in Siemens und B = Eingangs-Blindleitwert

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Antennen-Eingangsadmittanz zu messen. Die beiden Verfahren, die üblicherweise in kommerziellen Instrumentenkonstruktionen verwendet werden, sind:

Richtungskoppler und
Richtungsbrücke.

Da mehrere Betriebfrequenzen bei einer Resonanz-Schleifenantenne nicht erforderlich sind, wird die Richtungskoppler-Konstruktion verwendet. Die Bestimmung der Admittanz beruht auf der Messung der Lastebenen-Reflexions-Koeffizienten, mathematisch dargestellt durch

wobei
Z _L= Lastebenen-Impedanz und Z _O= Wellenwiderstand der Übertragungsleitung, die die Meßeinheit mit der Lastebene verbindet.

Die Oszillatorschaltung erzeugt ein HF-Testsignal, das an den Richtungskoppler angelegt wird, der mit der Antennen-Lastebenen-Admittanz abgeschlossen ist. Die vektoriellen Spannungsverhältnis-Komponenten der reflektierten zur auftreffenden Welle werden detektiert. Der Reflexionskoeffizient ist definiert als:

worin
V _ref= Spannungspegel der reflektierten Welle und V _inc= Spannungspegel der auftreffenden Welle.

Der Reflexionskoeffizient und der Impedanzwert ergeben sich aus:

Die Eingangsadmittanz ist der Kehrwert von Z _L:

Y = 1/Z _L = G + jB

Für ein Spannungssignal der Amplitude eins entspricht der Wert von G exakt der abgestrahlten Leistung von der Antenne. Ein Mikroprozessor verwendet die Phasen- und Amplituden-Meßdaten, um den Reflexionskoeffizienten und den Wert von G zu bestimmen.

Um den Kohle-Gestein-Grenzflächen-Sensor zu verwenden, muß der Sensor dadurch kalibriert werden, daß Messungen bei verschiedenen inkrementalen Werten der Kohledicke "t" durchgeführt werden. Um diese Kalibrierung durchzuführen, fräst die Schrämmaschine vertikal durch die Kohleschicht 40 bis zum Gestein 42, schaltet einen inkrementalen Schritt vom Gestein 42 zurück, dringt quer in die Kohleschicht 40 für eine kurze Distanz vor und schaltet nochmals eine inkrementale Vertikaldistanz vom Gestein 42 zurück. Diese Prozedur wird wiederholt, wobei Messungen für jede dieser Dicken "t" durchgeführt und gespeichert werden. Diese Kalibrierung liefert einen diskreten Satz zulässiger Dicken "t", für die eine Steuerung möglich ist.

Als nächstes wählt der Bergmann aus dem Satz zugelassener Werte die gewünschte Dicke "t" der Kohle aus, die auf dem Dach/Boden verbleiben soll. Die Schrämmaschine muß dann auf eine Position entsprechend dieser Dicke gebracht werden; das wird dadurch durchgeführt, daß in Gestein 42 gefräst wird und um die entsprechende Distanz zurückgeschaltet wird.

Der Schrämbetrieb beginnt dann. Während die Schrämmaschine 12 vorwärts läuft, überwacht der Sensor 22 seine Position gegenüber dem Gestein 42, indem laufende Messungen mit den gespeicherten Kalibirungsdaten verglichen werden. Wenn der Meßwert größer wird als der gespeicherte Wert für die spezifische Dicke "t", wird ein Licht angeschaltet, wodurch angezeigt wird, daß Korrektur in einer bestimmten Richtung (aufwärts oder abwärts) notwendig ist. Wenn der Meßwert kleiner ist als der gespeicherte Wert, wird ein Licht angeschaltet, das anzeigt, daß eine Korrektur in der entgegengesetzten Richtung notwendig ist. Die erforderlichen Korrekturen können entweder am Ort der Schrämmaschine durchgeführt werden, oder unter Verwendung des Senders 62 von einer fernen Stelle aus.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kohle-Gestein-Grenzschicht-Sensor 22 eine abgestimmte Schleifenantenne ohne bewegliche Teile. Die Schleife und die Kabelverbindung 30, die das UHF-Signal zur Antenne führt, ist in eine massive, gegen Abnutzung widerstandsfähige, hochfeste Kunststoffplatte 24 eingebettet. Die Platte ist in ein kräftiges Stahlrohr montiert, wobei nur die Oberseite der Platte 28 frei liegt.

Claims

1. Verfahren zur Kontrolle der Dicke einer Kohleschicht, die in einem Kohleflöz verbleibt, das an eine Gesteinslage angrenzt, bestehend aus:

a) Berechnen eines Kontroll-Leitwertes;
b) Verbringen eines Sensors zur Leitfähigkeitsmessung in eine Position nahe dem Kohleflöz derart, daß der Kontroll-Leitwert vom Sensor registriert wird;
c) Bewegen des Sensors quer längs des Kohleflöz in einer konstanten Distanz unmittelbar hinter einer Kohlefräswalze, die so positioniert ist, daß sie mit einer diskreten Schneidtiefe in das Kohleflöz fräst; und
d) Neueinstellen der Schneidtiefe der Kohle-Fräswalze, wenn der Sensor eine spezifizierte Änderung des Leitwertes gegenüber dem Kontroll- Leitwert diktiert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt zur Berechnung des Kontroll-Leitwertes besteht aus:

a) Verwendung der Kohlefräswalze, um durch den Kohleflöz zu fräsen, bis die Gesteinslage angetroffen wird;
b) Einstellen der Frästiefe der Kohlefräswalze um einen inkrementalen Betrag derart, daß eine erste Kohlelage zwischen der Gesteinslage und der Kohlefräswalze verbleibt, nachdem die Kohlefräswalze in das Kohleflöz vorgeschoben ist;
c) Vorschieben der Kohlefräswalze quer in den Kohleflöz um eine inkrementale Distanz;
d) Anhalten des Vorschubes;
e) Verwenden des Sensors zur Messung eines ersten Leitfähigkeitwertes in der ersten Kohleschicht;
f) Speichern des ersten Leitfähigkeitwertes in einem Mikroprozessor;
g) Wiederholen der Schritte (b) bis (f) derart, daß eine Vielzahl von Leitfähigkeitwerten für eine Vielzahl von Kohlelagen erhalten wird, wobei jede folgende Kohlelage eine größere Dicke hat als die vorangehende Kohlelage; und
h) Verwenden des Mikroprozessors zum Berechnen des Kontroll-Leitfähigkeitwertes von wenigstens einigen der vielen Leitfähigkeitwerte.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt der Neueinstellung der Schneidtiefe der Kohlefrästrommel, nachdem der Sensor eine spezifizierte Änderung der Leitfähigkeit gegenüber dem Kontroll-Leitfähigkeitswert detektiert, an einer fernen Stelle unter Verwendung eines Fernsteuer-Mittelwellensenders durchgeführt wird.

4. Verfahren zur Fernsteuerung der mechanischen Funktionen des elektrohydraulischen Systems einer Kohleabbaumaschine, bestehend aus

a) ein mobiler Mittelwellensender wird induktiv an ein Wechselstromkabel gekoppelt, das zu der Kohleabbaumaschine führt;
b) das Wechselstromkabel wird an eine Fernsteuereinheit innerhalb der Kohleabbaumaschine unter Verwendung eines Ferrit-Leitungskopplers angekoppelt;
c) Befehls- und Steuer-Signale werden vom mobilen Mittelwellensender zu der Fernsteuereinheit gesendet; und
d) Befehls- und Steuer-Signale werden von der Fernsteuereinheit zu einer Elektrohydraulik-System-Steuereinheit gesendet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Kohleabbaumaschine eine Langwand- Schrämmaschine ist.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Kohleabbaumaschine eine kontinuierliche Abbaumaschine ist.