一种薄煤层无人工作面自动移架约束模型的构建方法

摘要

一种薄煤层无人工作面自动移架约束模型的构建方法，属于煤矿移架模型的构建方法。以薄煤层无人工作面液压支架与其它机采设备之间的约束关系为基础，构建采煤机和液压支架之间的运行约束模型；在采煤机沿无人工作面往返牵引割煤时，支架上红外接收器接收采煤机上红外发射器发出的红外线，并以接收到红外线的一架支架为定点，控制前滚筒前方的支架收起护帮板，避免前滚筒截割护帮板，控制后滚筒之后的十架支架推溜十分之一行程，使刮板输送机按一定曲线弯曲，完成整个推溜行程的支架执行降移升动作，实现支架与采煤机位移和牵引方向之间的相互约束关系。对改进液压支架的自动化控制的设计、改善其使用性能、提高设备的可靠性和寿命，具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种煤矿移架模型的构建方法，具体是一种薄煤层无人工作面自动移架约 束模型的构建方法。

背景技术

经过多年的开采，我国不少地区矿井的中厚和厚煤层的储量已接近枯竭，而对于薄煤 层（厚度≤1.3m）的开采，长期由于经济技术和安全等原因而处于缓慢发展的状态。我国 煤炭储量中薄煤层的可采储量约为61.5亿t，占全国煤炭总可采储量的19%左右，然而据 不完全统计，我国薄煤层的年产量只占全国煤炭总产量的10.4%左右，产量与储量的比例 严重失调。

无人工作面采煤技术是解决煤炭行业安全生产和可持续发展的重要途径，特别是对于 我国长期发展缓慢甚至处于停滞状态的难采薄煤层的开采，将具有重要战略意义。无人工 作面主要机采设备包括矮机身采煤机、刮板输送机和液压支架，采煤机沿工作面往返牵引 割煤，并将落煤装入刮板输送机中，刮板输送机将落煤运出工作面，再通过转载机和可伸 缩带式输送机将煤运出，液压支架完成支护工作面顶板和将机采设备沿走向推进的功能。 虽然三种机采设备是相互独立、分开控制的，但是，在运行中是相互制约、相互协调的， 运行中存在着约束关系。在采煤过程中，机采设备必须按照这种约束关系运行，才能正常 协调的工作，充分发挥设备的生产能力。否则，设备之间将发生干涉，出现诸如采煤机截 割顶梁，支护不及时等现象。工作面的顶底板条件、采煤机结构尺寸和液压支架结构等， 直接影响机采设备之间的约束关系。

本发明内容

技术问题：为了克服现有薄煤层无人工作面液压支架与其它机采设备之间的约束关系 技术的不足，本发明的目的是要提供一种思路简单、运算合理和自动化程度高，生产效益、 安全性和可靠性好，可实现液压支架与其它机采设备之间约束关系的一种薄煤层无人工作 面自动移架约束模型的构建方法。

技术方案：本发明的目的通过如下技术方案实现：以薄煤层无人工作面液压支架与其 它机采设备之间的约束关系为基础，构建采煤机和液压支架之间的运行约束模型；在采煤 机沿无人工作面往返牵引割煤时，支架上红外接收器接收采煤机上红外发射器发出的红外 线，并以接收到红外线的一架支架为定点，控制前滚筒前方的支架收起护帮板，避免前滚 筒截割护帮板，及控制后滚筒之后的十架支架推溜十分之一行程，使后滚筒之后十架支架 宽度范围内的刮板输送机按照距离后滚筒由远及近顺序向前推进，形成弯曲段，完成整个 推溜行程的支架执行降移升动作，从而实现支架与采煤机的位移和牵引方向之间的相互约 束关系；构建方法具体步骤如下：

a、将无人工作面内液压支架从左至右进行顺序编号：1，2，3…，N；矮机身采煤机 沿无人工作面往返牵引割煤时，液压支架上红外线接收器接收矮机身采煤机上红外线发射 器发出的红外线，以接收到红外线的一架液压支架为定点，用K表示工作面左端与定点之 间按支架架数计算的距离，即式中K为不大于（x₀/l）的最大整数；x₀表示 工作面左端与定点之间距离；l为支架间距；

b、将定点到矮机身采煤机前滚筒的水平投影距离L₁换算为按支架架数计算的取整数 △K_1，即将定点到矮机身采煤机后滚筒的水平投影距离L₂换算为按支架架 数计算的取整数△K₂，即并定义：i∈（0，1，2，…，）；

c、将矮机身采煤机从左向右沿无人工作面牵引定为正方向牵引，从右向左牵引定为 负方向牵引，用变量x表示矮机身采煤机的牵引方向，即：

d、用T_i表示液压支架的相关动作，如升柱、降柱、前移、推溜；下标表示第i个动 作（i=0，1，2，…，）；定义12个动作符号如下：

T₀：收护帮板；T₁：伸护帮板并推溜1/10行程；T₂：推溜1/5行程；T₃：推溜3/10行 程；T₄：推溜2/5行程；T₅：推溜1/2行程；T₆：推溜3/5行程；T₇：推溜7/10行程；T₈： 推溜4/5行程；T₉：推溜9/10行程；T₁₀：推溜1个行程；T₁₁：降移升；

e、定义液压支架动作函数编号为M的液压支架执行T_i动作时，定义为：式中符合表示执行动作；矮机身采煤机沿无人工作面往返牵引割煤时，矮机身采煤 机附近的12架液压支架分布执行的12个动作可以表示为：——第K₀架收护帮板； ——第K₁架伸护帮板并推溜1/10行程；——第K₂架推溜1/5行程； ——第K₃架推溜3/10行程；——第K₄架推溜2/5行程；——第 K₅架推溜1/2行程；——第K₆架推溜3/5行程；——第K₇架推溜7/10行 程；——第K₈架推溜4/5行程；——第K₉架推溜9/10行程；—— 第K₁₀架推溜1个行程；——第K₁₁架降移升，统一标示为：i∈（0，1， 2，…，11）；

f、分析可得液压支架与矮机身采煤机运行的约束关系数学表达式为：

$K_i=\left(\begin{array}{c}K+x({\mathrm{\Delta K}}_i+1)(i<1)\\ K-x({\mathrm{\Delta K}}_i+i)(i\ge 1)\end{array}\right),i\in (\mathrm{0,1,2},...,11)$

即：

$T_i=\left(\begin{array}{c}K+x({\mathrm{\Delta K}}_i+1)(i<1)\\ K-x({\mathrm{\Delta K}}_i+i)(i\ge 1)\end{array}\right),i\in (\mathrm{0,1,2},...,11)$

或$T_i=\left(\begin{array}{c}K+x[\mathrm{int}\left(\frac{L_1}{2l}\right)+1)](i<1)\\ K-x\left[\mathrm{int}\left(\frac{L_2}{2l}\right)+i)\right](i\ge 1)\end{array}\right),i\in (\mathrm{0,1,2},...,11)$

当矮机身采煤机沿无人工作面正向和反向牵引割煤时，随着液压支架接收到矮机身采 煤机发出的红外线，对应的距离x₀即被确定，即随矮机身采煤机位置的变化，相对于红 外发射器或红外接收器水平投影距离△K_i不变的12架液压支架K_i分别执行12个不同的 动作T_i[i∈（0，1，2，…，11）]；

g、以矮机身采煤机上红外发生器对应的第K架液压支架为基准，相对于第K架液压 支架位置不变的12架液压支架按照约束关系执行相应的动作，即自动移架与矮机身采煤 机位置的约束控制模型可描述如下：

1）矮机身采煤机向右牵引割煤时：

①第K+△K₁+1架液压支架执行收护帮板动作；

②第K-△K₂-1架液压支架执行伸护帮板并推溜1/10行程；

③第K-△K₃-2架液压支架执行推溜1/10行程；

④第K-△K₄-3架液压支架执行推溜1/5行程；

⑤第K-△K₅-4架液压支架执行推溜3/10行程；

⑥第K-△K₆-5架液压支架执行推溜2/5行程；

⑦第K-△K₇-6架液压支架执行推溜1/2行程；

⑧第K-△K₈-7架液压支架执行推溜3/5行程；

⑨第K-△K₉-8架液压支架执行推溜7/10行程；

⑩第K-△K₁₀-9架液压支架执行推溜4/5行程；

第K-△K₁₁-10架液压支架执行推溜1个行程；

第K-△K₁₂-11架液压支架执行降移升动作。

2）矮机身采煤机向左牵引割煤时：

①第K-△K₁-1架液压支架执行收护帮板动作；

②第K+△K₂+1架液压支架执行伸护帮板并推溜1/10行程；

③第K+△K₃+2架液压支架执行推溜1/5行程；

④第K+△K₄+3架液压支架执行推溜3/10行程；

⑤第K+△K₅+4架液压支架执行推溜2/5行程；

⑥第K+△K₆+5架液压支架执行推溜1/2行程；

⑦第K+△K₇+6架液压支架执行推溜3/5行程；

⑧第K+△K₈+7架液压支架执行推溜7/10行程；

⑨第K+△K₉+8架液压支架执行推溜4/5行程；

⑩第K+△K₁₀+9架液压支架执行推溜9/10行程；

第K+△K₁₁+10架液压支架执行推溜1个行程；

第K+△K₁₂+11架液压支架执行降移升动作。

有益效果，由于采用了上述方案，通过分析薄煤层无人工作面液压支架与其它机采设 备之间的约束关系，建立液压支架与矮机身采煤机位置自动控制约束模型，此方法思路简 单、运算合理和自动化程度高，生产效益、安全性和可靠性好。采用此约束模型的构建方 法，对于改进液压支架的自动化控制的设计、改善其使用性能、提高设备工作的可靠性和 寿命，具有重要意义。

附图说明

图1是本发明矮机身采煤机向右牵引时自动移架的约束关系图。

图2是本发明矮机身采煤机向左牵引时自动移架的约束关系图。

图中，1、矮机身采煤机；2、刮板输送机；3、液压支架；4、煤壁；5、后滚筒；6、 红外线发射器；7、前滚筒；8、红外线接收器；9、无人工作面。

具体实施方式

结合附图对本发明具体实施步骤进行说明：

实施例1：在图1和图2中，x₀表示定点距离工作面左端的距离；l表示支架间距； L₁表示定点距离采煤机前滚筒的水平投影距离；L₂表示定点距离采煤机后滚筒的水平投影 距离；表示第Ki架液压支架执行的第i个动作。

以薄煤层无人工作面液压支架与其它机采设备之间的约束关系为基础，构建采煤机和 液压支架之间的运行约束模型；在采煤机沿无人工作面往返牵引割煤时，支架上红外接收 器接收采煤机上红外发射器发出的红外线，并以接收到红外线的一架支架为定点，控制前 滚筒前方的支架收起护帮板，避免前滚筒截割护帮板，及控制后滚筒之后的十架支架推溜 十分之一行程，使后滚筒之后十架支架宽度范围内的刮板输送机按照距离后滚筒由远及近 顺序向前推进，形成弯曲段，完成整个推溜行程的支架执行降移升动作，从而实现支架与 采煤机的位移和牵引方向之间的相互约束关系；

构建方法具体步骤如下：

a、将无人工作面9内液压支架3从左至右进行顺序编号：1，2，3…，N；矮机身采 煤机1沿无人工作面9往返牵引割煤4时，液压支架3上红外线接收器8接收矮机身采煤 机1上红外线发射器6发出的红外线，以接收到红外线的一架液压支架3为定点，用K 表示工作面左端与定点之间按支架架数计算的距离，即式中K为不大于（x₀/l） 的最大整数；x₀表示工作面左端与定点之间距离；l为支架间距；

b、将定点到矮机身采煤机1前滚筒7的水平投影距离L₁换算为按支架架数计算的取 整数△K₁，即将定点到矮机身采煤机后滚筒5的水平投影距离L₂换算为按 支架架数计算的取整数△K₂，即并定义：i∈（0，1，2，…，）；

c、将矮机身采煤机1从左向右沿无人工作面9牵引定为正方向牵引，从右向左牵引 定为负方向牵引，用变量x表示矮机身采煤机1的牵引方向，即：

d、用T_i表示液压支架3的相关动作，如升柱、降柱、前移、推溜、收护帮板；下标 表示第i个动作（i=0，1，2，…，）。定义12个动作符号如下：

T₀：收护帮板；T₁：伸护帮板并推溜1/10行程；T₂：推溜1/5行程；T₃：推溜3/10行 程；T₄：推溜2/5行程；T₅：推溜1/2行程；T₆：推溜3/5行程；T₇：推溜7/10行程；T₈： 推溜4/5行程；T₉：推溜9/10行程；T₁₀：推溜1个行程；T₁₁：降移升；

e、定义液压支架3动作函数编号为M的液压支架3执行T_i动作时，定义为：式中符合表示执行动作。矮机身采煤机1沿无人工作面往返牵引割煤4时，矮机身 采煤机1附近的12架液压支架分布执行的12个动作可以表示为：——第K₀架 收护帮板；——第K₁架伸护帮板并推溜1/10行程；——第K₂架推溜1/5 行程；——第K₃架推溜3/10行程；——第K₄架推溜2/5行程；—— 第K₅架推溜1/2行程；——第K₆架推溜3/5行程；——第K₇架推溜7/10 行程；——第K₈架推溜4/5行程；——第K₉架推溜9/10行程；—— 第K₁₀架推溜1个行程；——第K₁₁架降移升，统一标示为：i∈（0，1， 2，…，11）；

f、分析可得液压支架3与矮机身采煤机1运行的约束关系数学表达式为：

$K_i=\left(\begin{array}{c}K+x({\mathrm{\Delta K}}_i+1)(i<1)\\ K-x({\mathrm{\Delta K}}_i+i)(i\ge 1)\end{array}\right),i\in (\mathrm{0,1,2},...,11)$

即：

$T_i=\left(\begin{array}{c}K+x({\mathrm{\Delta K}}_i+1)(i<1)\\ K-x({\mathrm{\Delta K}}_i+i)(i\ge 1)\end{array}\right),i\in (\mathrm{0,1,2},...,11)$

或$T_i=\left(\begin{array}{c}K+x[\mathrm{int}\left(\frac{L_1}{2l}\right)+1)](i<1)\\ K-x\left[\mathrm{int}\left(\frac{L_2}{2l}\right)+i)\right](i\ge 1)\end{array}\right),i\in (\mathrm{0,1,2},...,11)$

当矮机身采煤机1沿无人工作面9正向和反向牵引割煤4时，随着液压支架3接收到 矮机身采煤机1发出的红外线，对应的距离x₀即被确定，即随矮机身采煤机1位置的变 化，相对于红外发射器6或红外接收器8水平投影距离△K_i不变的12架液压支架K_i分别 执行12个不同的动作T_i[i∈（0，1，2，…，11）]；

g、以矮机身采煤机1上红外发射器6对应的第K架液压支架3为基准，相对于第K 架液压支架3位置不变的12架液压支架3按照约束关系执行相应的动作，即自动移架与 矮机身采煤机1位置的约束控制模型可描述如下：

1）矮机身采煤机1向右牵引割煤4时：

①第K+△K₁+1架液压支架3执行收护帮板动作；

②第K-△K₂-1架液压支架3执行伸护帮板并推溜1/10行程；

③第K-△K₃-2架液压支架3执行推溜1/10行程；

④第K-△K₄-3架液压支架3执行推溜1/5行程；

⑤第K-△K₅-4架液压支架3执行推溜3/10行程；

⑥第K-△K₆-5架液压支架3执行推溜2/5行程；

⑦第K-△K₇-6架液压支架3执行推溜1/2行程；

⑧第K-△K₈-7架液压支架3执行推溜3/5行程；

⑨第K-△K₉-8架液压支架3执行推溜7/10行程；

⑩第K-△K₁₀-9架液压支架3执行推溜4/5行程；

第K-△K₁₁-10架液压支架3执行推溜1个行程；

第K-△K₁₂-11架液压支架3执行降移升动作。

2）矮机身采煤机1向左牵引割煤4时：

①第K-△K₁-1架液压支架3执行收护帮板动作；

②第K+△K₂+1架液压支架3执行伸护帮板并推溜1/10行程；

③第K+△K₃+2架液压支架3执行推溜1/5行程；

④第K+△K₄+3架液压支架3执行推溜3/10行程；

⑤第K+△K₅+4架液压支架3执行推溜2/5行程；

⑥第K+△K₆+5架液压支架3执行推溜1/2行程；

⑦第K+△K₇+6架液压支架3执行推溜3/5行程；

⑧第K+△K₈+7架液压支架3执行推溜7/10行程；

⑨第K+△K₉+8架液压支架3执行推溜4/5行程；

⑩第K+△K₁₀+9架液压支架3执行推溜9/10行程；

第K+△K₁₁+10架液压支架3执行推溜1个行程；

第K+△K₁₂+11架液压支架3执行降移升动作。

本发明通过分析薄煤层无人工作面液压支架与其它机采设备之间的约束关系，建立液 压支架与矮机身采煤机位置自动控制约束模型，此方法思路简单、运算合理和自动化程度 高，生产效益、安全性和可靠性好，采用此约束模型的构建方法，对于改进液压支架的自 动化控制的设计、改善其使用性能、提高设备工作的可靠性和寿命，具有重要意义。