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固体智能充填关键装备工况位态表征及 自主识别调控方法

作者:admin 浏览量:118 来源:本站 时间:2023-04-21 14:20:36

信息摘要:

强1,2 ,崔鹏飞1,2 ,张吉雄1,2 ,张 昊1,2 ,常天骄1,2 ,杨军辉3(1.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏 徐州 221116;3.冀中能源股份 有限公司 邢东矿,河北 邢台 054000)摘 要:固体充填开采技术最显

1,2 ,崔鹏飞1,2 ,张吉雄1,2 ,张 昊1,2 ,常天骄1,2 ,杨军辉3 

(1.中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116;2.中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏 徐州 221116;3.冀中能源股份 有限公司 邢东矿,河北 邢台 054000)



摘 要:固体充填采技显著,存动化程度低、采工序分散,制广,迫智能充填方向升级改造。 基于固体智能充填技术研究现状的系统总结,明确其实现智能化的基础 是充填液压支架等关键装备工况位态的精准表征及自主识别调控;通过构建以感知、识别为核心的 固体智能充填工序流程,比较各表征方法的优缺点及适用条件,提出了基于 MD体智能充填关键装备工况位态精准表征方法;通过采用理论实践结合、建模仿针对充填液压支架、多孔底卸式输送机和机构干涉的工况位态进行界定,给出了各装备非正常工况 的判别函数,揭示了各装备非正常工况的解调路径;并以河北邢东矿固体智能充填工作面建设为工 程背景进行应用与验证,结果表明:相比非固体智能充填,在一个完整工序循环时间内,单组充填装 备工况位态自主识别调控时间减少 10 mins,充填效率提高 40%以上,研究结果大大固体填开采的智能化程度及充填效率,为完善固体智能充填体系提供理论及技术依据固体装备 具有多种型号,各型号的结构、尺寸及机构间的相互配合关系均有所差异,本文所建立的工况位态 表征及自主识别调控方法在应用到具体型号的固体充填装备时,需要对相关的模型结构参数进行 对应调整。 关键词:固体智能充填;位态表征;自主感知;工况判别;路径解调


    《煤炭工业“十四五”高质量发展指导意见(2020 年 12 月)》提出煤炭在我国一次能源中的主体地位, 在经济运行中的压舱石作用没有改变,但资源开采导 致的地表沉陷、固废处理与排放等问题依然严峻。 固 体充填开采技术作为解决上述问题最重要的方法之 一,尤其是在矿区大宗固废资源化协同处置及高效低 成本处理煤矸石等方面具有无可替代的优势[1] 。 目 前机械化固体充填的充填工艺工作量大、自动化程度 低、采充工序分散、工人业务差异明显,导致与传统综 采相比回采效率降低近 30%,而吨煤成本增加近 15%,制约规模化推广应用,迫切需要向智能化充填 方向升级。 

   固体智能充填技术研究大致可分为 3 部分,一是 采煤工艺及装备(采煤机、刮板输送机、支架)智能化 研究;二是充填工艺及装备(充填支架、多孔底卸式 刮板输送机、夯实机构) 智能化研究,三是采充智能 化协同作业研究。 在采煤工艺及装备智能化研究方 面,王国法等[2-3] 根据不同煤层条件、采煤方法工艺 等参数,将智能化采煤工作面进行了系统分类,并建 立了工作面智能化分级评价体系;任怀伟等[4] 基于 RBF 神经网络控制器提出了一种液压支架顶梁位姿 调控系统,建立了支架运动缸液系统传递函数;葛世荣等[5-6导航截割原理与技术,实现了刮板输送机形状在线监 测,为综采工作面采运机组智能化运行提供了大量理 论基础和试验数据。 在充填工艺及装备智能化研究 方面,刘建功等[7-8] 基于充填液压支架的传感系统, 实现充填状态的信息化,设计开发了固体充填液压支 架自动化控制系统,给出了自动充填控制流程及系统 的控制模式;张强等[9-11] 研究了煤矿智能固体充填开 采方法,进行了固体智能采充工序流程设计,研究了 智能充填自主夯实过程的机构干涉调控。 随着综采 技术高速发展及推广应用,目前针对采煤工艺及采煤 装备智能化研究已然相对成熟,然而以机械夯实为主 的固体充填开采的智能化发展相对滞后,充填工艺及 装备的智能化研究仍处于起步阶段。 

     基于上述工程及研究现状,为解决固体充填开采 工作量大、效率低等领域发展痛点问题,补充固体充 填工艺及装备智能化研究的不足,笔者针对固体智能 充填关键装备的工况位态精准表征及识别调控展开 相关研究,提出基于 MDH 运动学模型的充填关键装 备实时工况位态精准表征方法,对该表征方法下各装 备非正常工况的判别及解调路径进行深入研究,为固 体智能充填技术推广应用提供逻辑基础和理论支撑。


1 固体智能充

1? 1 固体智能填方类别 

   固[12-13础,借,结完成充填支架移架调架、多孔底卸式输送机卸料、夯实 机构夯实等工序,达到充填支架工况自主识别调控、多 孔底卸式输送机自主卸料及自动调直、夯实机构自行夯实的效果,实现单架的运卸夯工序在时间上自主组织, 邻架的卸夯移工序在空间上自主衔接的过程[9] 。 

   本文所研究的固体智能充填工序包括:感知动 作、识别动作和位态调整动作,其中感知动作包括参 数的自主感知获取,由传感器等感知元件执行;识别 动作包括数学模型的构建,数据的分析处理,由控制 程序执行;位态调整动作包括各典型非正常工况的解 调,执行。 

1.2 程 

  结合上述充填工序类别,设计固体智能充填工序 流程为:充填准备时,通过第 1 次参数感知,主控系统 对支架的工况形态进行识别,若存在非正常工况影响 支护,通过立柱和平衡油缸调整接顶接底状态,推移 千斤顶调整支架错位;通过第 2 次参数感知,主控系 统对多孔底卸式刮板输送机的工况形态进行识别,若 存在非正常工况,通过支架立柱和平衡油缸调整后顶 梁平齐,通过调节滑移油缸避免咬合;卸料开始前,通 过第 3 次参数感知,识别是否存在机构干涉,若夯实 机构与卸料口在纵向方向存在重合,影响卸料,通过 摆角油缸调整夯实机构的角度,通过滑移油缸调整多 孔底卸式输送机的横向位置,若不存在机构干涉则自 动打开卸料口;卸料过程中,第 4 次参数感知,通过传 感器感知堆料高度,达到预设值后自动关闭此卸料 口,停止卸料;夯实作业前,第 5 次参数感知夯实机构 是否被散体充填材料掩埋,若存在则通过摆角油缸调 高夯实机构的角度;夯实作业过程中,夯实机构伸出 夯实头,第 6 次参数感知,夯实机构是否会与多孔底 卸式输送机存在干涉,若存在则考虑最优解调路径进 行解调;夯实结束后,夯实机构缩回夯实头,第 7 次参 数感知机构相互干涉;第 8 次参数感知,感知充填体 接顶程度,重复上述循环作业。 如此反复卸料、夯实 2~3 次,待夯实后的充填物料充分接顶,自动关闭此 卸料口,然后按既定的顺序依次完成整个工作面的充 填,具体充填工序流程如图 1 所示。 


2 充填关键装备工况位态精准表征及自主感 知方法 

2? 1 工况表征内涵及流程

   近年来,随着智能设备在各领域蓬勃发展,“工 况表征”作为机器视觉、信息加工、位态分析等技术 的基础,得到广泛发展和应用。 在矿业方面,智能化 表征的研究与应用初见成效,如基于机器视觉的矿物 浮选技术[14] 、基于位态表征的采煤机记忆切割技 [15] 、基于控制程序的支架跟机支护技术[16] 等。 本 文所研究的固体智能充填关键装备表征指建立精确 

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图 1 充填工序流程 

Fig.1 Flow chart of backfilling process 

  的数学模型和可观测输入输出参数,通过数据信号实 时反映分析装备实际运行状态及行为的方法,具体表 流程:表法对比选、数、关 点坐、关键参自主

? 2 表征方法对比选取 

工况表征为工函数建立,其 准确性接决了识应用效果,而精准表征的关键在于坐标系的选取。 目前,能够准确 表征液压支架结构及运动行为特征的坐标系有直角 坐标系、极坐标系、DH 坐标系等,针对不同坐标系表 征方法的详细对比见表 1。 综合考虑各坐标系表征方法的原理、参数及 优缺点,最终选用灵活性好、监测参数较少、累计 误差较低、适用范围更广的 MDH 坐标系进行精准 表征。

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    由于充填支架属于多自由度连杆构件,当支架作 业时,立柱、四连杆和夯实机构等均产生动作,故在支 架每个连杆的转动关节上各固定一个 MDH 坐标系, 然后用变换矩阵描述相邻两连杆的空间关系,推导末端执行器相对于底座节绝对坐标,从似机器人的运动学模型[17-18] 其 中, 相 邻 两 坐 标 系 变 换 矩 阵 i - 1 式为

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式中, θ为两连杆间的角度; αi-i-1 到 Z沿 X转角;d2? 3 充充填液压支架作为充填关键装备,由前后顶 梁、底座、立柱、多孔底卸式输送机、夯实机构等多 部分组成。 基于上述思路进行充填关键系模型建立,在支架底座节点 T 处,以沿进方向、竖直方、工简称 X 轴向、Y 轴方向、Z 轴)建{O} ;以转 动关节 A,B,C,R 为节点建立 MDH 相对坐标系,分 别为{O} ,{ O} ,{ O} 及{ O} ,如图 2 所示( 图 2 中,η为夯实机构与水平面夹角,即夯实机构倾角; η为夯实机构上 FJ与 FJ 的夹角) ,所建 MDH 坐标 系参数见表 2。 将上述参数代入式(1),可得相邻两坐标系的变 换矩阵。 {O}相对于坐的变

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支架位姿变换可通过分析其绕 X,Y,Z 的旋化或,支,绕 大,表现为存在横滚角;因煤层倾向倾角发生变化或移架操作不当等原因,支架呈现滑架歪斜(左右偏摆)的 工况,绕 Y 轴的旋转角变大,表现为存在偏航角;因煤 层走向倾角发生变化等原因,支仰的 工况,绕 Z 轴的旋转角变大,表

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考虑实际工况条件,割煤移架等操作的可控性强, 煤层倾向倾角变化幅度通常较小,而煤层走向倾角最 易发生变化,且呈现幅度大、间隔短的特点,故本文先 解决首要矛盾,考虑支架各Z 轴。 故者主要研究支架位姿在 O-平面内的动及 其各部分绕 Z 轴的俯仰角变化。 后续会进一步考虑支 架绕 X、Y 轴旋转的位姿变换及多轴旋转的叠姿利用变换矩阵可将 MD-OY 平 面内的 n 节点坐标转换为绝对坐标系 {O}中的


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式中,n 为液压支架上系{O}基初始坐标系{O,0 ( ) 为 A 点在 绝对坐标系2? 4 充填关键基于上述 MDH 坐标系表征模型及坐标转换方 法,充填关键装备上各关键节点在{O}中坐标均可表 示,即利用连杆长度、旋系列点在绝对坐标系{O}的位因各节点表征方法相同,现以充填例,对其关键节点(点 、点 Q),其述,具体如下{ O} 中 的 坐 标 为 (x,y,0) , 根 据


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式中为节对坐{O}中 ; yP 在{O}中 Y 轴上的TA ;旋θ 12θ θ θ θ θ θ θ θ θ 12 θ θ θ π αθ π β γ θ π ααθ αααααααβ中线 线 γ线 线 (1(12数具体 位置如图 2 所示。

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利用上述表征方法,实现对充填开采液压支架前后 立柱、前后顶梁、底座、多孔底卸式输送机及夯实机构上 各关键节点的精准表征,最终汇总形成一套基于 MDH 运动学建模的充填关键装备工况位态精准表征方法,为 后续非正常工况位态识别调控奠定基础 

2? 5 充填关键装备工况位态自主感知方  法 

   充填关键装备工况位态自主感知是实现固体智 能充填开采的关键步骤,指通过大量的传感器如行程 传感器、倾角传感器、压力传感器等,获取装备静态尺 寸参数和充填工艺参数,实现装备的自我感知,建立 虚拟工作面装备的运行情况。 分析表征结果可知,为 精准表征支架的工况位态,除尺寸参数外,还需在底座 L连杆 BC梁 CR、后顶梁 RD 及夯实机构 FJ 器,测各杆件的姿态角(分别记作 αα,α,ααη);在连杆 AB、连杆 A、连杆 BC 上安装行程传感器,测各杆件即油缸的行程(分别记 作 lAB ,l,lBC及 lFJ);另外,还需布置相应传感器,对 油缸压力、落料高度、落料时间等参数进行感知。 


3 充填液压支架工况位态界定及自主识别 调控 

3? 1 充填液压支架典型工况位态界定

    充填液压支架的工况位态指在不同采矿地质条 件的影响下,支架上各个立柱、油缸有不同的运动状态, 表现为行程和倾角的差异,因而呈现出不同的位姿。 为 掌握工况形态的调控目标,将关键充填装备工况位态, 划分为正常工况位态(简称正常工况)与非正常工况位 (简3? 1? 1 单架支护位姿 姿同分近水采充、俯,不同状支架受煤层顶底板软硬、起伏程度等影响,呈现出多 种非正常工况。 由于前文所建立的 MDH 坐标系模 型规定其 X 轴总为工作面推进方向,即可忽略煤层 倾角对表征结果的影响,故上述 3 种支架支护状态的 非正常工况表征结果相同。 本节仅对近水平采充状 支架正常进行析研,所得判别函数 与解路径支架均成在 X-O-Y 平面内,近水平采充状态的充填支架 姿)所,充、底,呈3(b),充,呈 现后仰的非正常工况。 

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图 3 顶梁与底座非正常位姿 

Fig.3 Abnormal pose of top beam and base 3? 


1? 2 邻架支护位姿

  在 X-O-Y 平面内,由煤层走向倾角变化等,邻沿 Y 轴偏移或绕 出现邻架错位的非 正常工况19-20] ,具

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图 4 邻架非正常位姿 

Fig.4 Abnormal pose of adjacent support


3? 2 充填液压支架工况判别函数

     为准确判别充填支架工况正常与否,设置支架姿 态和工作阻力的双重验证,在条件都满足的情况下, 可认定为正常工况,否则为非正常工况。 邻架错位的 非正常工况可通过比较两支架同一点处的 X,Y 进行 判别,在此不做赘述。 

3? 2? 1 姿态验证 

(1)方法 1:验证支架顶梁及底座上节点是否在 同一水平高度,判别

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(2)方法 2:验证液压支架立柱间的伸缩长度比 例,判别准则为


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式中,λ为液压支架立柱之间伸缩长度的比例系数, 由液压支架自身参数决定 3? 2? 2 工作阻力验证 ,为一定值。 在立柱上安装压力传感器,感知前后立柱工作阻 力是否达到或超过额定工作阻力,判别准则为

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式中, P支架前立柱和后立柱的实际油缸压 力,MPa; Ph0 柱的额 定油缸压力,M

3? 3 充填液压析   

   根据工况判别函数,支架非正常工况位态调整可 转换为立柱行程、支架中心距调节及油缸泵压控制的 问题,故支架非正常支护位姿调控流程如图 5 所示。 单架非正常支护位姿调整后,邻架错位的非正常工况 即可通过推移千斤顶进行简单调整。

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4 多孔底卸式输送机工况位态界定及自主识 控 

    多充填液压支架 后部,纵由推千斤顶控滑移。 在一个采煤充填循环中,多孔底卸式输送机工 ,输;② ,输,输3 个 阶段中输工况、支拉移降等的影,同的摆伸缩,故对多孔底卸式输送机进行工况位态实时精准 至关

? 1 输送型工况位态界定   

   多孔底指其身保,可等充填工作业利完。 但现场孔底 卸式输送机与姿沿 ,Y,Z 现错位,呈现非正常工 ,具? 1? 多孔底卸式输送机推移过程中,由于推移千斤顶 行程差异,或在液压支架拉架过程中,不同支架滑移 行程不一致,导致多孔底卸式输送机的中部槽之间的 夹角超过许用转角 δ,多孔底卸式输送机发生咬合, 无法正常工作,如图 6 所示。

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4? 1? 2 多孔底卸式输送机高低不平 

    当后部采空区来压时,由于后部充填体承载特性 的差异,顶板下沉量不一致,相邻支架后顶梁绕铰接 点发生不同程度的旋转,或相邻支架间输送机的悬挂 高度不一致,导致输送机高低不平,相邻中部槽在竖 直面上产生夹角 ε,如图 7 所示。

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4? 1? 3 多孔底卸式输送机歪斜 

   当工作面煤层倾角过大时,多孔底卸式输送机在 重力的作用下会绕悬挂链发生偏转,矸石等固体散体 充填物料向一侧歪斜,易出现漏料问题,如图 8 所示。


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4? 2 多孔底卸式输送机工况判别函数 

    多孔底卸式输送机上述 3 种典型非正常工况中, 输送机高低不平及歪斜是由支架支护位姿及工作面 倾角造成;而多孔底卸式输送机咬合则是由滑移油缸 工序执行造成,可进行调整。 因此本节主要研究工作 面近水平、支架支护状态良好时,即输送机高低一致 时,如何避免多孔底卸式输送机咬合。 根据刮板输送 机横向弯曲理论[21] ,建立多孔底卸式输送机为 X - O-Z 平面内的二维数学模型,验证中部槽之间的夹 角是否在允许范围内,如图 9 所示。 


图 9 多孔image.png底卸式输送机模型示意 

Fig.9 Schematic diagram of the model of the porous bottom discharge conveyor 


4? 2? 1 中部槽坐标  

  假设中部槽为矩形,弯曲段中部槽之间的接触形 式为点接触,则中部槽 N 右下点横纵坐标为

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式中,δ 为中部槽之间的转角 部槽 N 之间的转角依次为 δ ,从初始中部槽 1 到中 δ ,…δ Z 轴方向夹角依次为 γ, γ,…γ ;a,b 中部槽的长和宽。 4? 2? 2 多孔底卸式输送机工况判别 多孔底卸式输送机推移后,弯曲段中部槽 N 是 否出现咬合


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式中, zax , xmax ,为,可通。 

4? 3

   多孔底卸式输送机非正常工况中输送机歪斜主 要由工作面倾角造成,难以通过人为调控进行改善; 输送机高低不平可通过前期调整支架后顶梁高度来 。 故中输进行,并距实 现解为优,在的过 , 需距(邢东矿为 800 mm),修正拉移距离,进行动态调 直,调控流程如图 10 所示。

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(未完待续)

________转载自“煤炭行业知识服务平台”


 



湘潭乾坤矿山尾矿充填整体承包方案介绍



尾砂充填系统EPC总承包--机械过滤系统

 
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一、膏体充填核心技术:

 

  膏体配比参数的实验研究和确定,可根据充填目的,优化充填体强度参数,根据流动性能、凝固性能和强度要求,优化灰沙比。

  采矿方法和充填工艺的可行性、充填综合成本的研究,选择合适特性的膏体充填工艺技术方案。

  确定全尾砂脱水方式与装备,膏体搅拌制备方式与装备,膏体输送方式与装备,保证膏体均质和活化。

  确定膏体管道泵送的流变特性、临界流速、阻力损失等核心参数。

  选择合理的控制方式,确保膏体充填系统的连续稳定工作。

  膏体充填系统的调试使所有工艺设备达到设计的最佳工作状态。

 

三、干堆尾砂工艺流程

 

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四、湿排尾砂工艺流程

 

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五、技术参数

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keyword:充填开采充填灌浆膏体充填充填采矿法

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