DE3735413C2

DE3735413C2 -

Info

Publication number: DE3735413C2
Application number: DE3735413A
Authority: DE
Inventors: Larry G. Raton N. Mex. Us Stolarczyk; David L. Raton N. Mex. Us Baldridge
Original assignee: Stolar Inc Raton Nmex Us
Current assignee: Stolar Inc Raton Nmex Us
Priority date: 1986-10-24
Filing date: 1987-10-20
Publication date: 1993-08-05
Also published as: CA1291250C; CN87107117A; GB9000880D0; CN1011904B; GB2226585A; DE3735413A1; US4753484A; ZA877525B; AU589811B2; GB2196671B; AU7988287A; GB2196671A; GB2226585B; GB8724580D0

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gewinnungsmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und auf ein Verfahren zur Steuerung dieser Gewinnungsmaschine.

Bei einer bekannten Gewinnungsmaschine dieser Art (DE-PS 31 41 564) wird die Strahlungsmenge und Absorptionscharakteristik der Restkohleschicht zur Steuerung der Gewinnungsmaschine ausgenutzt. Dieses Verfahren arbeitet in gewissen Formationen, in anderen nicht.

Die Verschärfung des Wettbewerbs im Kohle-Bergbau hat dazu geführt, 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 Kohleflöze 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 Langfront-Schräm-Arbeiten zu entwickeln.

Eine Fernsteuerung für derartige Kohleabbaumaschinen erfordert die Erfassung der Kohle-Gestein- Grenzfläche auf kurze Distanz, um die Bergleute aus der gefährlichen Kohleabbaufront herauszuhalten, sonst müßte sich der Bergmann nahe den Kohleschneidwerkzeugen aufhalten, damit er den Abbauhorizont sehen und die Schneidkanten des Werkzeugs daran hindern kann, auf Gestein aufzuprallen. Bei diesem Vorgang ist der Bergmann an der Abbaumaschine dauernd in einem gefährlichen Bereich. Wenn die Schneidkanten der Abbaumaschine auf Gestein auftreffen, können sprühende Funken das Methan und den Kohlenstaub entzünden. Beim Fräsen im Hangenden oder Liegenden aus Sandstein wird Silikstaub produziert, so daß die zulässigen Grenzwerte für den Staubgehalt der Atemluft überschritten werden. Im Abbaubetrieb wird diese Gefahr oft dadurch vermindert, daß die Fortschreitgeschwindigkeit der Abbaumaschine verringert wird, und daß nur in Richtung des Ventilations-Luftstroms die Abbaufront gefräst wird, oder daß die Beregnung verstärkt wird, um die Staubwolke zu binden. 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 Langfront-Abbausystems ist die Entwicklung eines zuverlässigen Fernsteuer-Kommunikationssystems. Verschiedene 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 von einem festen Befehlszentrum zur Abbaumaschine über das Wechselstromversorgungskabel. Das LF-System ist beschränkt anwendbar, da es die Fernsteuerung von irgenwo längs der Abbaufront nicht ermöglicht. VHF- und UHF-Systeme arbeiten zufriedenstellend, wenn das Signal sich in Sichtlinie fortpflanzen kann. 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 entlang des Wellenleiters fortpflanzen, der durch den Schild und Tragförderer gebildet wird. Eine zuverlässige Steuerung ist deshalb auf Sichtlinienbetrieb beschränkt, Wellen längs der Abbaufront können den Steuerbereich begrenzen, und die reflektierte Signalenergie von den stählernen Langwandstützen liefert Nullstellen in den Sendewellen. Wegen der mit VHF- und UHF- Übertragung verbundenen Problemen ist der Pegel des Radio- Übertragungssignals in den toten Steuerungszonen ungenügend für eine niedrige Bitfehlerrate. Diese zu geringe Bitrate resultiert darin, daß Befehlssignale falsch decodiert werden oder gar nicht auf diese angesprochen wird.

Um die Steuerung der Schrämmaschine (oder einer anderen Kohleabbaumaschine) aus einer sicheren Distanz zu ermöglichen, sind verschiedene Versuche gemacht worden, eine Sensortechnik für Kohle-Gestein zu entwickeln. In Europa und in USA haben Forscher eine Sensortechnik aufgrund der natürlichen Strahlungen des Untergrundes 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 Möglichkeiten der Messung von Restkohleschichten beruhen auf der Verwendung von akustischen Erscheinungen und des "Anstechens der Schicht mit Gefühl". Ferner sind Untersuchungen von Mikrowellen-Meßtechniken durch Forscher beim National Bureau of Standards vorgenommen worden. 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 kann.

Andere Sensoren wurden entwickelt, Schwierigkeiten beim Ausfluchten der Abbaufront zu lösen, die zu vielen Ausfällen von Mulden- und von sonstigen Förderern beitrugen.

Einer dieser Sensoren war der Gier-Messungs-Sensor, der von der Benton Corporation entwickelt wurde. Dieser Sensor mißt Winkelabweichungen an dem Förderer und überträgt diese Informationen 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 resonante Rahmenantenne als Sonde zur Bestimmung der Kohleschichtdicke im Hangenden bei 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, eine Gewinnungsmaschine und ein Verfahren zur Fernsteuerung dieser Kohlegewinnungsmaschine verfügbar zu machen, mit dem es möglich ist, die Bergleute aus der gefährlichen Abbaufront herauszuhalten.

Die gestellt Aufgabe wird aufgrund der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst und durch die Merkmale der weiteren Ansprüche fortentwickelt und ausgestaltet.

Mit der Erfindung wird ein zuverlässiges Fern- Kommunikationssystem verfügbar gemacht, das leicht an eine Kohlegewinnungsmaschine angekoppelt werden kann und bei dem ein Sensor für die Kohle-Gestein-Grenzschicht verwendet wird.

Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist ein Fernsteuersystem mit Mittelwellensender auf, der magnetisch mit dem Wechselstromversorgungskabel der Kohlegewinnungsmaschine an einer von der Abbaufront entfernten Stelle gekoppelt ist. Innerhalb der Kohlegewinnungsmaschine ist ein Mittelwellenempfänger an das Wechselstromkabel unter Verwendung eines Ferrit-(C-Kern-)-Leitungskopplers angeschlossen. Die Kohlegewinnungsmaschine ist mit einem Sensor für die Kohle-Gestein-Grenzflächen ausgerüstet, der Abweichungen von der Solldicke der Restkohleschicht anzeigt und somit eine Fernsteuerung des Abbauvorgangs erlaubt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß wegen des Fernsteuervorgangs sich die Bergleute aus der gefährlichen Kohlenfräszone heraushalten können.

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

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine dünne Restkohleschicht am Hangenden verbleiben kann.

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

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ferngesteuerten Kohlegewinnungsmaschine nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Blockschaltbild von elektronischen Komponenten, die innerhalb eines explosionssicheren Gehäuses angeordnet sind,

Fig. 3 einen Fernsteuersender und

Fig. 4 ein Diagramm der Konduktanz in Abhängigkeit von der Kohleschichtdicke, gemessen mit einem Kohlerestschicht- Sensor.

In Fig. 1 ist eine ferngesteuerte Kohleabbaumaschine 10 dargestellt, die mit den Einrichtungen versehen ist, das ferngesteuerte Abbauverfahren nach der Erfindung auszuführen. Die Kohleabbaumaschine 10 kann entweder eine schrämende Gewinnungsmaschine im Langfrontabbau oder eine Fräsmaschine sein. Am fahrbaren Wagen 12 der Maschine 10 ist ein vorderer Auslegerarm 14 nach oben und ein hinterer Auslegerarm 16 nach unten gerichtet. Der Auslegerarm 14 trägt einen oberen walzenförmigen Fräskopf 18 und der Auslegerarm 16 trägt einen unteren walzenförmigen Fräskopf 20. Ein Kohlerestschicht- Sensor 22 ist auf die Oberseite des Wagens 12 hinter dem Auslegerarm 14 montiert. Der Sensor 22 ist in eine Scheibe oder Platte 24 eingebettet, die an einem Stahlrohr 26 montiert ist, wobei die Oberseite 28 frei bleibt. Ein Kabel 30, das durch einen Sensorarm 31 läuft, verbindet den Sensor 22 mit einer Sensorerregereinheit 32. Ein auf der Restkohleschicht 40 laufendes Rad 34 ist mit einem Arm 36 am Stahlrohr 26 befestigt und sorgt für einen Luftspalt 38 mit einer Breite "w" zwischen Sensoroberseite 28 und Kohleschicht 40. Die Restkohleschicht 40 hat eine Dicke "t" und liegt unter einer Gesteinsschicht 42. Ein explosionssicheres Gehäuse 44 befindet sich innerhalb des Wagens 12 und enthält die Sensorerregereinheit 32, eine Fernsteuereinheit 46 für die obere Fräswalze 18 und eine Fernsteuereinheit 48 für die untere Fräswalze 20. Die Fernsteuereinheit 46 umfaßt einen HF-Signalkoppler 50 und ein elektrohydraulisches Antriebssystem 49, das ein elektrohydraulisches Magnetventil mit angeschlossenem Schlauch 51 enthält. Die Steuereinheit 48 umfaßt einen HF-Signalkoppler 52 und ein elektrohydraulisches Magnetventil mit angeschlossenem Schlauch 54. Ein Wechselstromkabel 56 ist mit einer Stromversorgung 58 verbunden. Eine Rahmenantenne 60 ist über ein Magnetfeld 61 mit dem Kabel 56 magnetisch gekoppelt. Die Rahmenantenne 60 ist mit einem Draht 64 mit einem Sender 62 verbunden. Ein Interface 66 ist über einen Draht 68 mit dem Sender 62 verbunden.

Fig. 2 zeigt ein expandiertes Teil-Blockschaltbild der Elektronikkomponenten, die im Gehäuse 44 enthalten sind. Die Fernsteuereinheit 46 für die obere Fräswalze enthält eine Steuerplatine 70, die mit einem Empfänger 72 verbunden ist, an den ein Dekodierer 74 angeschlossen ist. Der Dekodierer 74 ist mit einer Relaissteuerschaltung 76 verbunden, die mit einer Vielzahl von Schaltern 78 verbunden ist, die alle in dem elektrohydraulischen Antriebssystem 49 enthalten sind. Ein zweiter Satz Komponenten ähnlich den in Fig. 2 gezeigten ist für die Fernsteuereinheit 48 der unteren Fräswalze erforderlich.

Fig. 3 zeigt einen am Körper des Bergmannes 82 zu tragenden Gurt 80 mit dem Fernsteuersender 62. Wie in Fig. 3 dargestellt ist, sind das Interface 66, der Sender 62 und die Rahmenantenne 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 die Länge des Gurts 80 einzustellen.

Fig. 4 zeigt graphisch einen repräsentativen Zusammenhang zwischen Konduktanz und Kohleschichtdicke ("t" in Fig. 1). Dies ist die Art Daten, die mit dem in Fig. 1 dargestellten Sensor 22 zur Abtastung der Kohle-Gestein-Grenzschicht gesammelt wird. Die Daten in Fig. 4 zeigen, daß es einen Leitwert G_c gibt, um den die Konduktanz G schwankt, und zu dem G bei unendlicher Dicke t konvergiert. Bei einer diskreten Dicke t_D wird G gleich dem Wert G_a. Wenn der gemessene Leitwert größer als G_a wird, zeigt das an, daß eine Korrektur der Position der Fräswalze 18 in einer Richtung notwendig ist. Wenn der gemessene Leitwert G kleiner als G_a wird, zeigt das an, daß eine Korrektur in der entgegengesetzten Richtung notwendig ist.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Interface 66 eine Tastatur, die auf die Stirnseite des Senders 62 montiert ist, wie in Fig. 3 veranschaulicht. Die Druckknopf-Steuerschalter 84 lösen die gleichen Steuerbefehle wie die Schalter 78 im Wagen 12 aus, d. h. man kann die Schalter 78 vom Sender 62 aus fernsteuern. Mit dem am Körper zu tragenden Sender 80 und den Steuereinheiten 46 und 48 im flammsicheren Gehäuse 44 des Wagens 12 ermöglicht das System die unabhängige Fernsteuerung der folgenden Maschinen-Funktionen:

Der Sender 62 und der Empfänger 72 arbeiten im Mittelwellenbereich zwischen 300 und 1000 kHz. Der Frequenzplan für unabhängigen Betrieb jeder der beiden Fräsköpfe 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 Steuer-Signale vom Wechselstromkabel 56 auszukoppeln. Diese Art der Kopplung ist insoweit einzigartig, als es sich um einen Ferritkoppler handelt, der geringe Baugröße hat, so daß er in das explosionssichere Gehäuse 44 hineinkonstruiert werden kann. Durch Einbau des Kopplers in ein explosionssicheres 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 Maschine. Das digitale Steuersignal wird an den Dekoder 74 angelegt, der seinerseits das Digitalsignal in der Weise verarbeitet, daß Algorithmen aufgerufen werden, die die Bitfehlerrate 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 Mikrocomputer im Empfängerdekoder detektiert jeden Fehler in den digitalen Befehlsdaten. Das gewährleistet, daß nur richtige Befehle an das Elektrohydrauliksystem der Maschine gegeben werden. Das dekodierte Ausgangssignal wird dann an die Relaissteuerschaltung 76 gegeben, das eine Schnittstelle (Relaiskontakte) zu der vorhandenen Maschinensteuerung 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 Maschine 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. Der Dekodierer 74 in der Fernsteuereinheit 46 ist demnach als Frequenzumtaster ausgebildet, um die Befehlsdaten wiederzugewinnen.

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

Im Manchester-Kode zeigt eine Phasenänderung den Status eines logischen Bits an. Ein Phasensprung nach unten tritt im Manchester-Kode in der Mitte des Datenbits ohne Nullrückkehr auf. Ein Phasensprung nach oben im Manchester-Kode 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 Festwertspeicher des Mikrocomputers enthält den Manchester-Dekodieralgorithmus, der den Manchester-Kode dekodiert, auf Maschinen-Bedienerfehler prüft und die entsprechende Ausgangsleitung(en) erregt.

Wird irgendeine Drucktaste oder ein Schalter am Sender gedrückt, ändert sich der Bitzustand in der Steuerbitfolge auf logisch "1". Der Mikrocomputeralgorithmus dekodiert das Bit als logisch "1" und erregt das entsprechende Mikrocomputer-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 Mikrocomputer und Sender eingestellt.
Simultanes Drücken der Druckknöpfe für Auslegerarm, Abdeckhaube, Stückebrecher oder Wagengeschwindigkeit werden ignoriert.
Durch Drücken der Wagengeschwindigkeits-Tasten wird veranlaßt, daß die Servosteuerung der Wagengeschwindigkeits-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 Halt-Befehlsfunktion des Wagens erregen. Der Mikrocomputeralgorithmus kann modifiziert werden, um viele zusätzliche Steuerstrategien zu erreichen.

Die Verwendung des Sensors 22 für die Kohle-Gestein-Grenzschicht nach Fig. 1 ist für die Erfindung wichtig, weil mit den derzeitigen Ausrüstungen der Bergmann nicht feststellen kann, wo die Grenzschicht Kohle - Gestein ist, bis sie angetroffen ist. Der Bergmann kann versuchen, vorsichtig zu sein, indem er eine erhebliche Restkohleschicht am Hangende stehen läßt, oder er kann versuchen, das Abfräsen so schnell wie möglich anzuhalten, wenn Gestein angetroffen wird. Im ersten Fall wird der Bergmann mehr Kohle am Hangenden stehen lassen als notwendig, wodurch die gesamte Ausbringung vielleicht um 5 bis 6% herabgesetzt ist. Im zweiten Falle steigen die Schwierigkeiten mit der Steuerung, wenn nicht genug Kohle am Hangenden stehen bleibt. In Randflözen kann die Kohle, die dem Hangenden 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 des Fräskopfes 18 auf Fels treffen, können Flugfunken zum Zünden von Methan- und Kohlenstaub führen. Silikat im Staub erschwert es, die Staubschutzvorschriften einzuhalten. Weiterhin wird die Kohle verunreinigt, so daß die Gesamt-Kohlequalität verschlechtert wird. Daneben wurden durch Fräsen in Gestein die Abnutzung des Fräskopfes 18 und die Beanspruchung der mechanischen Komponenten der Maschine erhöht, was zu zusätzlichen Wartungs- und Ausfallzeiten führt. Jede mögliche Option, mit der diese Probleme reduziert werden können, erhöht die Kosten.

Durch die Verwendung eines zuverlässigen Sensors 22 für die Kohle-Gestein-Grenzschicht kann eine dünne Schicht Kohle der Dicke "t" am Hangenden stehen bleiben, so daß die Steuerprobleme und die Kosten reduziert werden, während die Sicherheit, die Produktion und die Kohlequalität verbessert werden. Wenn im Hangenden Schiefer- und Tongestein 42 angetroffen wird, verhindert die dünne Kohleschicht, daß durch Luftzutritt zum Gestein 42 dieses absplittert. Das ist behilflich, eine einwandfreie Decke 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 des Fräskopfes 18 aufhalten, damit er den Fräshorizont erkennen und die Schneidkanten daran hindern kann, auf Gestein aufzutreffen. Mit einer Fernmeßverbindung erhält der Bergmann an einer fernen Stelle Information über die Kohlenschichtdicke "t". Das ermöglicht es dem Bergmann, die Maschine fern von der gefährlichen Abbauzone zu steuern. Wenn der die Maschine 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 Sensors 22 für die Kohle-Gestein-Grenzschicht basiert auf der Messung der Eingangs-Admittanz einer abgestimmten Rahmenantenne. Die theoretische Arbeit, die am ehesten auf den Sensor 22 anwendbar ist, wurde von Chang und Wait durchgeführt und ist in der Beschreibungseinleitung erwähnt.

Bei richtiger Abschirmung werden die elektrischen Eigenschaften einer Resonanzschleife nur von der Struktur des Hangenden beeinflußt, während Streufelder infolge von in der Nähe befindliche Abbaueinrichtungen keine erhebliche Störungen ergeben.

Die Sensorantenne sitzt innerhalb des vertikalen Stahlrohres 26, das etwa in der Mitte des Wagens 12 angeordnet ist, und unmitelbar unterhalb der Kohledeckschicht 40. Die elektronische Sensorerregereinheit 32, die die erforderlichen Schaltungen enthält, ist in das explosionssichere Gehäuse 44 am Wagen 12 montiert. Das Gehäuse 44 sorgt für eine staubfreie Umgebung für die untergebrachten Schaltungsplatinen.

Die Eingangsadmittanz der resonanten Rahmenantenne wird in Echtzeit gemessen. Die Admittanz ist mathematisch gegeben durch:

Y = G + jB

wobei

G=Eingangsleitwert der Rahmenantenne 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, basieren auf:

dem Richtungskoppler und
der Richtungsbrücke.

Da mehrere Betriebsfrequenzen bei einer resonanten Rahmenantenne 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 von der Antenne abgestrahlten Leistung. Ein Mikrocomputer verwendet die Phasen- und Amplituden-Meßdaten, um den Reflexionskoeffizienten und den Wert von G zu bestimmen.

Um den Sensor 22 für die Kohle-Gestein-Grenzfläche 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 Maschine vertikal durch die Kohleschicht 40 bis zum Gestein 42, schaltet einen inkrementalen Schritt vom Gestein 42 zurück, dringt längs 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 sein soll.

Als nächstes wählt der Bergmann aus dem Satz zugelassener Werte die gewünschte Dicke "t_D" der Kohle aus, die auf dem Hangenden/Liegenden verbleiben soll. Die Maschine 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 Abbaubetrieb beginnt dann. Während der Wagen 12 vorwärts läuft, überwacht der Sensor 22 seine Stellung gegenüber dem Gestein 42, indem laufende Messungen mit den gespeicherten Kalibrierungsdaten verglichen werden. Wenn der Meßwert größer wird als der gespeicherte Wert für die gewünschte Dicke "t_D", wird ein Licht angeschaltet, wodurch angezeigt wird, daß eine Korrektur in einer bestimmten Richtung (aufwärts oder abwärts) notwendig ist. Wenn der Meßwert kleiner als der gespeicherte Wert ist, wird ein Licht angeschaltet, das anzeigt, daß eine Korrektur in der entgegengesetzten Richtung notwendig ist. Die erforderlichen Korrekturen können entweder nah- oder ferngesteuert durchgeführt werden, d. h. am Ort der Abbaumaschine oder unter Verwendung des Senders 62.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Sensor 22 für die Kohle-Gestein-Grenzschicht eine abgestimmte Rahmenantenne ohne bewegliche Teile. Die Rahmenantenne 22 und die Kabelverbindung 30, die das UHF-Signal zur Rahmenantenne führt, ist in eine massive, gegen Abnutzung widerstandsfähige, hochfeste Kunststoffplatte oder -scheibe 24 eingebettet. Die Platte oder Scheibe 24 ist in ein kräftiges Stahlrohr 26 montiert, wobei nur die Oberseite 28 der Platte oder Scheibe 24 frei liegt.

Claims

1. Gewinnungsmaschine
mit einem Schneidwerkzeug (18) zum Abbau von Kohle, wobei eine Restkohleschicht (40) des Flözes am Nebengestein (42) stehengelassen ist,
mit einer Steuervorrichtung (49) zur Kontrolle des Schneidhorizontes des Schneidwerkzeugs (18),
mit einem Sensor (22) für elektromagnetische Strahlung zur Messung eines vorgewählten, mit dem Schneidhorizont des Schneidwerkzeugs verbundenen Parameters und zur Ableitung eines vom geschnittenen und gemessenen Grenzprofil abhängigen Sensorsignals und
mit einem mit einer Aufbereitungsvorrichtung zur Erfassung und Aufbereitung des Sensorsignals versehenen Signalaufbereitungssystem (46) zur Ableitung eines den Schneidhorizont des Schneidwerkzeugs anzeigenden Betriebssignals und zur Einstellung der Lage des Schneidwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet,
daß als Sensor (22) eine mit einer definierten Mittelwellenfrequenz sendende Antenne vorgesehen ist,
daß die Sendeenergie als Sensorsignal der Antenne eine Variable in Abhängigkeit von der Restkohleschichtdicke (t) Luftspaltbreite (w) zwischen Antenne (22) und Restkohleschicht (40) und von einer empirisch ermittelbaren Materialgröße von Kohle und Gestein als Parameter ist,
daß die Materialgröße ermittelbar ist bei konstanter Luftspaltbreite (w), wobei die Restkohleschichtdicke (t) absolut gemessen ist,
daß dieser Vorgang bei Bedarf in Zeitintervallen wiederholbar ist,
und daß beim Abbau die Materialgröße als Konstante angenommen ist und die Lage des Schneidwerkzeugs (18) in Abhängigkeit von der Sendeenergie so geregelt ist, daß die Restkohleschichtdicke (t) konstant ist (t_D).

2. Gewinnungsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Antenne als Rahmenantenne (22) ausgebildet ist und eine halbseitig offene Umgebungsabschirmung in Form eines an der Oberseite (28) offenen Stahlrohre (26) aufweist, in welchem die Rahmenantenne (22) mittels einer Platte (24) gehalten wird, und
daß eine Abstandshaltevorrichtung (34) vorgesehen ist, um die Luftspaltbreite (w) der Rahmenantenne (22) zur Restkohleschicht (40) aufrechtzuerhalten.

3. Gewinnungsmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rahmenantenne (22) und die Frequenz des erregenden Stroms im Hinblick auf Resonanzbedingungen aufeinander abgestimmt sind, und
daß ein Richtungskoppler zur Messung der rücklaufenden, reflektierten Welle an der Zuleitung zur Antenne angeschlossen ist.

4. Gewinnungsmaschine nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sensorerregereinheit (32) mit der Rahmenantenne (22) zu deren Speisung über ein Kabel (30) verbunden ist, das aus einem explosionsgeschützten Raum (44) durch einen Arm (31) läuft, der den Sensor (22) trägt.

5. Gewinnungsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
eine elektrisches Speisekabel (56) der Kohlegewinnungsmaschine (10) ist induktiv (61) mit einem tragbaren Mittelwellensender (62) verbunden;
das Speisekabel (56) ist unter Verwendung eines Ferrit-Leistungskopplers (50) mit einer Fernsteuereinheit (46) verbunden;
der Ferrit-Leistungskoppler (50) und die Fernsteuereinheit (46) sind in einem explosionsgeschützten Gehäuse (44) untergebracht;
der Mittelwellensender (62) arbeitet aufgrund von getasteten Frequenzen bzw. Frequenzmodulation einer Trägerfrequenz und ist von einer Einrichtung (66) zur Bildung von digital kodierten Befehlssignalen steuerbar;
die Fernsteuereinheit (46) ist mit einem elektrohydraulischen Antriebssystem (49) der Maschine (10) zu deren Steuerung verbunden.

6. Gewinnungsmaschine nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Langfront-Schrämmaschine.

7. Gewinnungsmaschine nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Fräsmaschine.

8. Verfahren zur Steuerung der nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Kohlegewinnungsmaschine (10) mit folgenden Schritten:

a) die elektrische Leitwertcharakteristik (G) der von Radiowellen gespeisten Antenne (22) im Nahfeld zur Kohleschicht (40) wird als die Materialgröße und zum Sollwert (t_D) der Restkohleschicht (40) wird der zugehörige elektrische Leitwert als Regelleitwert (G_a) berstimmt;
b) die Antenne (22) als Sensor wird in eine solche Lage nahe der Restkohleschicht (40) gebracht, daß sich der zuvor bestimmte Regelleitwert (G_a) einstellt;
c) die Kohlegewinnungsmaschine (10) wird zusammen mit dem Sensor (22) unter Abbau von Kohle mit bestimmter Abbautiefe und Stehenlassen der Restkohleschicht (40) entlang des Kohleflözes bewegt;
d) die Abbautiefe der Kohlegewinnungsmaschine (10) wird im Sinne der Konstanthaltung der Restkohleschichtdicke (t) nachgestellt, wenn eine vorgegebene Änderung des elektrischen Leitwertes (G) des Sensors (22) gegenüber dem Regelleitwert (G_a) festgestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Schritt d) die Änderung des elektrischen Leitwertes (G) des Sensors (22) optisch angezeigt und daraufhin ein Fernsteuerbefehl über Mittelwelle zur Nachregelung der Stellung der Kohlegewinnungsmaschine (10) ausgesendet wird.

10. Verfahren zur Bestimmung der Materialgröße nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

1) das Schneidwerkzeug (18) der Kohlegewinnungsmaschine (10) wird zum vollständigen Abbau eines Stückes des Kohleflözes eingesetzt, so daß das benachbarte Nebengestein (42) angetroffen wird (Restkohleschichtdicke t=0);
2) das Schneidwerkzeug (18) der Kohlegewinnungsmaschine (10) wird um eine kleine Schichtdicke rückgefahren;
3) die Kohlegewinnungsmaschine (10) wird um ein kleines Stück längs und in den Kohleflöz verfahren, so daß eine erste Restkohleschicht an dem benachbarten Nebengestein verbleibt;
4) die Kohlegewinnungsmaschine (10) wird angehalten;
5) der Sensor (22) wird zur Messung des (ersten) elektrischen Leitwertes (G) im Nahfeld zu der ersten Restkohleschicht benutzt;
6) der erste elektrische Leitwert (G) wird in einem Mikrocomputer gespeichert;
7) die Schritte 2) bis 6) werden wiederholt, bis eine Vielzahl von elektrischen Leitwerten (G) für eine Vielzahl von Restkohleschichten (40) mit zunehmend großer Dicke (t) erhalten werden;
8) die Charakteristik der Leitwerte (G) in Abhängigkeit von der Restschichtdicke (t) wird im Mikrocomputer gespeichert und der Regelleitwert (G_a) bestimmt.