自動(dòng)化截割技術(shù)為滾筒采煤機(jī)按照預(yù)定的截割軌跡進(jìn)行自動(dòng)割煤完成截割任務(wù)的自動(dòng)化技術(shù)，是自動(dòng)化綜采工藝的核心技術(shù)。隨著薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)化截割技術(shù)也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，衍生出兩類(lèi)自動(dòng)化截割技術(shù)：記憶切割技術(shù)與預(yù)設(shè)截割軌跡技術(shù)。記憶切割技術(shù)適用于地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單的薄煤層綜采工作面；預(yù)設(shè)截割軌跡技術(shù)適用于地質(zhì)條件相對(duì)復(fù)雜，構(gòu)造發(fā)育、煤厚變化相對(duì)較大的薄煤層綜采工作面。
一、記憶截割技術(shù)
1.技術(shù)原理
記憶切割技術(shù)是目前薄煤層自動(dòng)化綜采工作面最為常用的自動(dòng)化截割技術(shù)。記憶切割為人工控制采煤機(jī)沿工作面煤層先割一刀作為示范刀，控制中心將示范刀內(nèi)采煤機(jī)位置及姿態(tài)信息進(jìn)行記錄與存儲(chǔ)，在工作面正常開(kāi)采期間，截割流程由示范刀揭示的采煤機(jī)控制指令根據(jù)行程傳感器采集的采煤機(jī)位置進(jìn)行自動(dòng)控制，當(dāng)遇煤巖界面異常點(diǎn)時(shí)，采煤機(jī)司機(jī)根據(jù)工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)反饋的信息進(jìn)行煤巖界面的識(shí)別，并對(duì)采煤機(jī)工況參數(shù)進(jìn)行及時(shí)修正，經(jīng)修正完善的采煤循環(huán)，作為記憶切割自動(dòng)化開(kāi)采新的示范刀，如圖1所示。
圖1 采煤機(jī)記憶截割技術(shù)示意圖
2.適用條件
記憶切割技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，記憶參數(shù)是由示范刀信息揭露獲得的，薄煤層綜采工作面地質(zhì)條件復(fù)雜多變，需要頻繁更新示范刀的信息實(shí)現(xiàn)記憶切割，因此記憶切割技術(shù)對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性相對(duì)較差，僅適用于煤層頂?shù)装逑鄬?duì)平整、煤層傾角、煤層厚度變化小的薄煤層工作面。
3.遠(yuǎn)程控制
記憶切割過(guò)程中，采煤機(jī)遠(yuǎn)程控制中心根據(jù)采煤機(jī)行程傳感器采集的采煤機(jī)行程，對(duì)應(yīng)示范刀中的采煤機(jī)工況信息對(duì)采煤機(jī)前后滾筒的參數(shù)進(jìn)行記憶調(diào)整，同時(shí)，借助工作面采煤機(jī)定位定姿系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)記憶截割自動(dòng)化截割參數(shù)進(jìn)行必要的輔助決策。
4.應(yīng)用案例
某煤礦8812工作面煤層厚度1.45~1.8m，平均1.64m，煤厚穩(wěn)定，工作面選用MG2×160/710-AWD型滾筒采煤機(jī)，工作面采用自動(dòng)化綜采工藝，利用記憶切割自動(dòng)化割煤技術(shù)。自動(dòng)化工作面開(kāi)采期間，輔助采煤機(jī)定姿定位技術(shù)及工作面視頻監(jiān)控技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了工作面采煤機(jī)的記憶切割功能，并實(shí)現(xiàn)了斜切進(jìn)刀割三角煤、清理浮煤等工序的自動(dòng)控制，整個(gè)自動(dòng)化工作面開(kāi)采期間，滾筒采煤機(jī)自動(dòng)化運(yùn)行平穩(wěn)，故障率控制在3%~5%，記憶切割自動(dòng)化開(kāi)采實(shí)施效果良好。
3.存在問(wèn)題
當(dāng)遇煤厚變化異常區(qū)、構(gòu)造發(fā)育區(qū)等復(fù)雜地質(zhì)條件，記憶截割技術(shù)無(wú)法按照記憶的參數(shù)進(jìn)行有效實(shí)施，降低了薄煤層自動(dòng)化工作面的開(kāi)采效率。針對(duì)記憶切割技術(shù)適應(yīng)性差的技術(shù)難題，提出了復(fù)雜條件薄煤層綜采工作面預(yù)設(shè)截割軌跡自動(dòng)化截割技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜地質(zhì)條件下薄煤層綜采工作面的自動(dòng)化開(kāi)采，提高自動(dòng)化綜采工藝的適應(yīng)性及穩(wěn)定性，為復(fù)雜條件下薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采提供了決策支持。
二、預(yù)設(shè)截割軌跡技術(shù)
1.制約自動(dòng)化開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)
根據(jù)復(fù)雜條件薄煤層綜采工作面自動(dòng)化開(kāi)采的技術(shù)特點(diǎn)，重點(diǎn)探討制約自動(dòng)化開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)：
（1）受薄煤層綜采工作面煤厚變化大、煤巖界面起伏不均勻的影響，自動(dòng)化開(kāi)采過(guò)程中采煤機(jī)難免割頂或割底，增加了薄煤層綜采工作面原煤含矸率，加劇了薄煤層開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益差的窘境。
（2）工作面內(nèi)的斷層、褶皺等構(gòu)造的賦存是影響薄煤層安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵地質(zhì)條件，自動(dòng)化綜采工作面過(guò)構(gòu)造期間，截割路徑選擇不合理，容易造成工作面割巖量的增加，甚至帶來(lái)安全隱患，地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)采煤機(jī)割煤軌跡的合理選擇對(duì)于降低薄煤層工作面過(guò)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)采煤機(jī)割巖量、提高自動(dòng)化開(kāi)采的效率具有重要意義。
（3）自動(dòng)化綜采工藝實(shí)施過(guò)程中，采煤機(jī)截割速度受工作面瓦斯、煤巖界面等的綜合影響。高瓦斯薄煤層綜采工作面開(kāi)采期間，工作面瓦斯?jié)舛瘸?，造成工作面停機(jī)停產(chǎn)；薄煤層綜采工作面空間狹窄，工作面設(shè)備相對(duì)密集，嚴(yán)重影響工作面通風(fēng)效果，加劇了工作面瓦斯治理的難度；自動(dòng)化工作面采煤機(jī)截割過(guò)程中，對(duì)于煤巖界面的識(shí)別不清，造成采煤機(jī)的截割電流、扭矩不穩(wěn)等，增加了采煤機(jī)故障率，嚴(yán)重影響自動(dòng)化工作面開(kāi)采系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.薄煤層預(yù)設(shè)截割軌跡自動(dòng)化開(kāi)采模式
針對(duì)以上技術(shù)難點(diǎn)，提出了三種薄煤層預(yù)設(shè)截割軌跡自動(dòng)化開(kāi)采模式，分別為：薄煤層煤厚變化帶截割軌跡預(yù)設(shè)技術(shù)；薄煤層地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡預(yù)設(shè)技術(shù)；薄煤層綜采工作面采煤機(jī)截割速度自適應(yīng)調(diào)節(jié)技術(shù)。
（1）薄煤層煤厚變化帶截割軌跡預(yù)設(shè)技術(shù)
薄煤層煤厚變化帶截割軌跡預(yù)設(shè)技術(shù)以薄煤層工作面煤厚變化的超前勘探信息為基礎(chǔ)，通過(guò)建立工作面煤厚分布的特征函數(shù)，為截割軌跡預(yù)設(shè)提供基礎(chǔ)參數(shù)。為此，提出了基于CT超前勘探的薄煤層煤厚變化帶截割軌跡預(yù)設(shè)技術(shù)。
CT探測(cè)技術(shù)是根據(jù)探測(cè)物外部的測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)物體內(nèi)部的物理量進(jìn)行反演并得到清晰分布圖像的技術(shù)，屬于薄煤層自動(dòng)化綜采工藝的安全保障技術(shù)。目前，用于工作面地質(zhì)異常體的CT探測(cè)技術(shù)主要有地震波CT、電磁波CT探測(cè)技術(shù)等。
地震波CT透射法探測(cè)以探測(cè)范圍大、方法靈活、解析容易、準(zhǔn)確率高（大于等于85%）的優(yōu)勢(shì)在薄煤層工作面煤厚變化特征勘探方面具有良好的應(yīng)用前景。
將采集到的數(shù)據(jù)利用CT成像處理技術(shù)，得到探測(cè)區(qū)域槽波傳播的慢度分布特征，根據(jù)“慢度-煤厚”關(guān)系，將探測(cè)的慢度轉(zhuǎn)換為工作面煤厚，得到工作面探測(cè)區(qū)域內(nèi)煤厚的分布。
工作面采煤機(jī)截割軌跡預(yù)設(shè)所需的信息包括工作面煤層厚度及頂?shù)装迤鸱兓卣?，頂?shù)装迤鸱卣魍ㄟ^(guò)地質(zhì)勘探獲得。將地震波CT超前勘探的薄煤層綜采工作面煤層厚度變化信息儲(chǔ)存至工作面采煤機(jī)截割控制器中，預(yù)生成工作面煤厚變化帶三維信息圖，如圖2所示。
圖2 煤厚變化帶預(yù)設(shè)截割軌跡示意圖
將工作面煤厚變化帶三維信息傳遞給采煤機(jī)截割高度控制器，截割高度控制器是采煤機(jī)截割軌跡預(yù)設(shè)的控制設(shè)備，負(fù)責(zé)控制采煤機(jī)截割高度的遠(yuǎn)程控制及就地控制。兼顧薄煤層綜采工作面原煤含矸率及自動(dòng)化實(shí)施效果，對(duì)薄煤層煤厚變化異常區(qū)內(nèi)采煤機(jī)的截割軌跡進(jìn)行優(yōu)化，提出了薄煤層“浮動(dòng)采高”預(yù)設(shè)截割軌跡自動(dòng)化割煤技術(shù)，即沿工作面傾向及走向兩個(gè)方向上，隨著工作面的推進(jìn)，依據(jù)薄煤層煤厚變化分區(qū)域進(jìn)行預(yù)設(shè)采高，截割高度控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的截割高度實(shí)時(shí)調(diào)整采煤機(jī)滾筒達(dá)到采煤機(jī)自動(dòng)化截割的目的。
薄煤層煤厚變化帶“浮動(dòng)采高”預(yù)設(shè)截割軌跡自動(dòng)化開(kāi)采流程與正常回采類(lèi)似，“浮動(dòng)采高”割煤技術(shù)的實(shí)質(zhì)為采高的實(shí)時(shí)調(diào)整?！案?dòng)采高”預(yù)設(shè)截割軌跡技術(shù)實(shí)施過(guò)程中，采煤機(jī)截割高度隨采煤機(jī)位置頻繁變化，參照工作面預(yù)設(shè)采高的變化規(guī)律，工作面實(shí)際截割高度需要實(shí)時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。
“浮動(dòng)采高”預(yù)設(shè)軌跡截割技術(shù)實(shí)施前，選擇采煤機(jī)前滾筒中心為基準(zhǔn)點(diǎn)，作為采煤機(jī)定位的參考點(diǎn)，根據(jù)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及浮動(dòng)采高參數(shù)，確定隨采煤機(jī)位置變化采煤機(jī)前后滾筒的工作參數(shù)?！案?dòng)采高”預(yù)設(shè)軌跡實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)參考采煤機(jī)行程傳感器的反饋信息，對(duì)采煤機(jī)前后滾筒進(jìn)行自動(dòng)化控制?！案?dòng)采高”截割軌跡預(yù)設(shè)的信息基礎(chǔ)為CT探測(cè)揭露的薄煤層綜采工作面煤層厚度數(shù)字化模型，實(shí)現(xiàn)薄煤層自動(dòng)化截割還需要辨別工作面煤層頂?shù)装迤鸱卣鳎挥性诿簩雍穸扰c頂?shù)装迤鸱卣餍畔⑼暾那闆r下，才能有效實(shí)施預(yù)設(shè)截割軌跡的自動(dòng)化開(kāi)采，為此，通過(guò)利用可視化視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)前后滾筒的工況及開(kāi)采環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在一定程度上實(shí)現(xiàn)滾筒截割位置處的煤巖界面識(shí)別，為薄煤層綜采工作面“浮動(dòng)采高”預(yù)設(shè)截割軌跡自動(dòng)化割煤提供決策輔助。
某礦22120工作面煤層厚度0.8~1.8m，平均煤厚1.3m，煤層厚度變化較大，屬于不穩(wěn)定薄煤層開(kāi)采的范疇，工作面選擇MG200/456-WD型滾筒采煤機(jī)，采煤機(jī)采高范圍1.1~2.4m。為適應(yīng)薄煤層綜采工作面煤厚的變化規(guī)律，降低原煤含矸率，提高薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采程度，工作面進(jìn)行了“浮動(dòng)采高”自動(dòng)化割煤技術(shù)的工業(yè)性試驗(yàn)，采煤機(jī)按照預(yù)設(shè)的“浮動(dòng)采高”截割軌跡進(jìn)行自動(dòng)化割煤，對(duì)實(shí)施前后薄煤層綜采工作面原煤含矸率進(jìn)行了實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖3所示。
圖3 “浮動(dòng)采高”預(yù)設(shè)截割軌跡技術(shù)實(shí)施效果
現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)表明，利用薄煤層綜采工作面“浮動(dòng)采高”自動(dòng)化割煤技術(shù)的平均原煤含矸率較實(shí)施前由26.5%降低至13.5%，降低了13%，采煤機(jī)故障率約降低20%，顯著提高了薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)性與可靠性。
（2）薄煤層地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡預(yù)設(shè)技術(shù)。
地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)采煤機(jī)截割軌跡的預(yù)設(shè)是實(shí)現(xiàn)薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采的關(guān)鍵技術(shù)，基于工作面地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)的超前勘探結(jié)果，對(duì)薄煤層工作面過(guò)地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡進(jìn)行預(yù)設(shè)。為此，提出了基于電磁波CT超前勘探薄煤層地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡預(yù)設(shè)技術(shù)。
1）工作面過(guò)斷層采煤機(jī)截割軌跡預(yù)設(shè)原理
電磁波CT探測(cè)技術(shù)是一種根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)工作面內(nèi)介質(zhì)吸收電磁波的能力進(jìn)行反演，實(shí)現(xiàn)工作面內(nèi)部介質(zhì)特征的立體成像，目前已廣泛應(yīng)用于井下工作面內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)。
以某礦22402薄煤層綜采工作面實(shí)際條件為基礎(chǔ)，進(jìn)行電磁波CT探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用試驗(yàn)，22402工作面主采2#煤層，煤層厚度1.2~2.0m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作面掘進(jìn)期間共揭露22條斷層，落差0.5~20m，工作面斷層發(fā)育，可能存在隱伏斷層。為此，工作面開(kāi)采前期，有必要采用電磁波CT探測(cè)技術(shù)揭示工作面前方斷層構(gòu)造的發(fā)育特征，為薄煤層工作面過(guò)構(gòu)造帶預(yù)設(shè)截割軌跡提供基礎(chǔ)參數(shù)。
利用電磁波CT探測(cè)技術(shù)得到的斷層產(chǎn)狀特征，包括斷層落差、斷層傾角、斷層范圍等，以探測(cè)的斷層參數(shù)為基礎(chǔ)（如圖4所示），以采煤機(jī)過(guò)斷層割巖量最小為軌跡預(yù)設(shè)原則，斷層區(qū)內(nèi)采煤機(jī)截割軌跡預(yù)設(shè)即確定兩個(gè)三角形（△ABC、△EFG）面積之和取最小值條件下采煤機(jī)截割軌跡，由幾何關(guān)系得到采煤機(jī)過(guò)斷層區(qū)截割軌跡的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
直線(xiàn)BD：
直線(xiàn)FH：
式中：γ——過(guò)斷層期間采煤機(jī)的最大仰角，°；
m——工作面煤層厚度，m。
圖4 “浮動(dòng)采高”預(yù)設(shè)截割軌跡技術(shù)實(shí)施效果
2）工作面過(guò)褶皺采煤機(jī)截割軌跡預(yù)設(shè)原理
采用煤層槽波的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)做CT成像分析褶皺的產(chǎn)狀，包括褶皺的底面半徑、頂面半徑、煤層厚度、圓弧長(zhǎng)度、圓心角等，以探測(cè)的褶皺參數(shù)為基礎(chǔ)條件（如圖5所示），以采煤機(jī)過(guò)褶皺期間割巖量最小為截割軌跡預(yù)設(shè)原則，提出了工作面分段過(guò)褶皺采煤機(jī)截割軌跡預(yù)設(shè)技術(shù)，由幾何關(guān)系可以計(jì)算得到工作面分段過(guò)褶皺時(shí)采煤機(jī)預(yù)設(shè)截割軌跡的數(shù)學(xué)表達(dá)式，為
直線(xiàn)AB：y=a+m
直線(xiàn)CD：y=a
其中，m為工作面煤層厚度，m；a為一常數(shù)，由面積S1和面積S2相等時(shí)求得，面積S1表達(dá)式為：
面積S2表達(dá)式為：
式中：為圓弧褶皺的頂面半徑，為圓弧褶皺的底面半徑，為圓弧褶皺分段對(duì)應(yīng)的圓心角，由求得，為圓弧褶皺對(duì)應(yīng)的圓心角，為工作面分段過(guò)褶皺時(shí)的分段數(shù)目。
圖5 工作面分段過(guò)褶皺采煤機(jī)最優(yōu)截割軌跡示意圖
3）薄煤層地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡預(yù)設(shè)實(shí)施思路
薄煤層地質(zhì)構(gòu)造帶截割軌跡預(yù)設(shè)包括斷層區(qū)域采煤機(jī)截割軌跡預(yù)設(shè)及褶皺區(qū)域采煤機(jī)截割軌跡預(yù)設(shè)兩類(lèi)，根據(jù)以上截割軌跡預(yù)設(shè)原則，可以得出：
構(gòu)造區(qū)域采煤機(jī)截割軌跡預(yù)設(shè)實(shí)質(zhì)是采煤機(jī)過(guò)構(gòu)造區(qū)域內(nèi)切割巖石高度、層位的預(yù)設(shè)，通過(guò)采煤機(jī)位置、位態(tài)的反饋實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)采煤機(jī)前后滾筒切割巖石的高度，以達(dá)到采煤機(jī)按照預(yù)定截割路線(xiàn)進(jìn)行自動(dòng)化切割。以薄煤層自動(dòng)化綜采工作面過(guò)正斷層由上盤(pán)往下盤(pán)推進(jìn)為例，構(gòu)建了預(yù)設(shè)截割軌跡技術(shù)過(guò)構(gòu)造帶開(kāi)采流程，如圖6所示。
圖6 工作面過(guò)正斷層預(yù)設(shè)截割軌跡技術(shù)實(shí)施流程
采煤機(jī)按照預(yù)設(shè)的截割軌跡過(guò)斷層、褶皺構(gòu)造區(qū)域，采煤機(jī)割巖量最小，減少了采煤機(jī)截齒磨損，為提高薄煤層自動(dòng)化開(kāi)采系統(tǒng)穩(wěn)定性提供了良好的技術(shù)思路。
構(gòu)造發(fā)育區(qū)預(yù)設(shè)軌跡截割技術(shù)實(shí)施前，選擇采煤機(jī)前滾筒中心為基準(zhǔn)點(diǎn)，作為采煤機(jī)定位的參考點(diǎn)，根據(jù)采煤機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及預(yù)設(shè)截割軌跡的參數(shù)，確定隨采煤機(jī)位置變化采煤機(jī)前后滾筒的工作參數(shù)。預(yù)設(shè)軌跡實(shí)施過(guò)程中，通過(guò)參考采煤機(jī)行程傳感器的反饋信息，對(duì)采煤機(jī)前后滾筒進(jìn)行自動(dòng)化控制。構(gòu)造帶截割軌跡預(yù)設(shè)的信息基礎(chǔ)為超前探測(cè)揭露的構(gòu)造帶地質(zhì)信息數(shù)字化模型，鑒于構(gòu)造帶位置工作面開(kāi)采環(huán)境較為復(fù)雜的特點(diǎn)，通過(guò)利用可視化視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)采煤機(jī)前后滾筒的工況及開(kāi)采環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在一定程度上實(shí)現(xiàn)滾筒截割位置處的煤巖界面識(shí)別，為薄煤層綜采工作面預(yù)設(shè)截割軌跡過(guò)構(gòu)造帶提供決策輔助。
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