0 引言

中国煤炭资源丰富，厚煤层储量占44%，厚煤层产量占煤炭总产量的45%以上[1]。厚煤层主要有分层、放顶煤、大采高3种开采方法，其中放顶煤开采方法是放顶煤工作面中前部采煤和后部放煤2个系统同时作业，产量为普通工作面的2～3倍，减少了巷道掘进，能有效缓解采掘接续紧张的问题[2]。同时顶煤依赖煤层地压、自身重力等因素放落，有效节省了开采成本[3-4]。

由于煤矸识别和放煤过程可视化等放煤自动化关键技术还未突破，目前综采放顶煤工作面放煤控制主要采用人工操作方式[5-6]。但放煤过程中煤尘较大，操作人员无法看到整个放煤过程，因此存在放煤效率低、质量差等问题，严重制约了放顶煤工作面的安全高效生产。本文参考采煤机记忆割煤控制思想，提出了自动化记忆放煤控制方法，可为实现综采放顶煤工作面无人化提供参考。

1 自动化记忆放煤控制原理

放顶煤工作面由前部采煤系统和后部放煤系统组成。前部采煤系统由采煤机负责破煤、落煤和装煤，开拓新的采煤作业空间；由液压支架负责迁移采煤设备和支撑采煤作业空间，通过液压支架推溜动作把机道上的煤炭装载到刮板输送机上；由前部刮板输送机将工作面的煤炭运输出去[7-8]，刮板输送机上的煤量通过调节采煤机割煤速度来控制。后部放煤系统是在工作面后部布设1台后部刮板输送机，在液压支架完成移架后，顶煤垮落在后部刮板输送机上，垮落煤量取决于液压支架后部的尾梁、插板动作幅度。

自动化记忆放煤控制参考采煤机记忆割煤控制进行设计。采煤机记忆割煤控制是在假定煤层变化不大、顶底板边际较稳定的情况下，由人工示范进行割煤控制，并记录割煤过程中采煤机前后滚筒高度，在割下一刀煤时直接调用记录数据来控制采煤机前后滚筒高度，从而实现采煤机自动控制[9-10]。在煤层较稳定时，操作人员每次进行放煤控制时，放煤控制流程和控制参数及其变化规律大致相同，放煤量取决于液压支架放煤机构(尾梁、插板)与采空区形成的放煤口开度。因此，可将人工放煤示范[11]操作过程、放煤口个数、液压支架放煤机构的位姿状态、放煤时间等记录下来，根据记录数据控制下一个放煤口开度，从而实现自动化记忆放煤控制。

2 自动化记忆放煤控制设计

2.1 实现设备

自动化记忆放煤控制主要由液压支架电液控制系统实现[12]。该系统由支架控制器、电液换向阀组、传感器、信号转换器、隔爆计算机等组成。支架控制器按照既定程序发出控制指令，控制电液换向阀组控制指定油缸动作，并通过安装在液压支架上的传感器检测动作执行情况，通过信号转换器将工作面液压支架动作信息发送到工作面巷道监控中心隔爆计算机，隔爆计算机发送指令控制液压支架动作。

通过液压支架电液控制系统可将人工放煤示范的支架动作及传感器数据发送到隔爆计算机，同时液压支架执行防爆计算机发出的记忆放煤控制命令，实现工作面液压支架的自动化放煤控制。

2.2 液压支架放煤机构位姿与放煤量关系模型

工作面放煤是通过液压支架放煤机构动作(尾梁摆动和插板伸收)完成的[13]。通过控制液压支架放煤机构位姿可有效控制垮落在后部刮板输送机上的煤量[14]。研究液压支架放煤机构位姿对评价和优化自动化记忆放煤控制有指导作用。

图1为简化的放煤控制模型。假定在放煤过程中液压支架插板一直处于收回状态，不考虑移架落煤、拉后部刮板输送机装煤等情况对后部刮板输送机上落煤量的影响。安装在液压支架尾梁上的倾角传感器检测尾梁摆角，安装在液压支架底座上的倾角传感器检测工作面仰俯角，安装在液压支架上的高度传感器检测支架支撑高度。当尾梁插板伸出时停止放煤，当尾梁插板收回时开始放煤。液压支架支撑高度降低时，液压支架掩护梁后移，在保持尾梁摆角不变的情况下，液压支架放煤口开度减小。工作面仰俯角也会影响液压支架放煤口开度，顶煤垮落速度与放煤口开度相关。工作面总放煤量为

(1)

式中：n为工作面打开的液压支架放煤口数量，一般为2或3个；T为当前时刻；f(·)为液压支架放煤口开度与放煤速度之间形成的落煤量函数关系式；Li(t)为第i(i=1,2，…，n)个液压支架在t时刻的放煤口开度；vi为第i个液压支架放煤速度；Hi为第i个液压支架支撑高度；θi为第i个液压支架位置的工作面仰俯角；αi为第i个液压支架尾梁摆角。

1-支架控制器; 2,3-倾角传感器; 4-高度传感器; 5-拉溜链子;6-后部刮板输送机；H-液压支架支撑高度

图1 简化的放煤控制模型
Fig.1 Simplified coal caving control model

式(1)即液压支架放煤机构位姿与放煤量关系模型。对于不同采高下液压支架尾梁所处的位姿状态(即放煤口开度)，假定煤流速度稳定，对其进行时间积分即可得到相应的放煤量，从而通过精准控制液压支架放煤机构位姿实现放煤量控制。

2.3 记忆放煤控制流程

工作面放煤过程是液压支架尾梁处于不同摆角，使放煤口处于不同开度时完成的。人工放煤操作方式一般分为3种：① 正常放煤，将液压支架尾梁摆到一定角度放煤；② 反复摆动液压支架尾梁，使支架上方顶煤垮落；③ 不断升柱、降柱，反复挤压顶煤，使顶煤破碎，易于垮落。其中①，②为主要放煤方式。通过液压支架动作，可得知整个放煤过程中煤层结构、开采方法与放煤量控制过程。

自动化记忆放煤控制流程如图2所示。液压支架电液控制系统将支架控制命令发送到防爆计算机上，通过命令译码，得知液压支架动作类型，并存储支架动作信息。在支架动作过程中，支架控制器不断读取液压支架高度传感器、底座和尾梁上的倾角传感器数据，并将数据发送到防爆计算机进行存储，对放煤口打开过程进行计时，最终得到液压支架放煤机构处于各种位姿状态的放煤时间，通过式(1)计算放煤量。将放煤量计算结果与刮板输送机运输能力对比，通过修正放煤机构位姿与放煤量关系模型参数，不断优化记忆放煤数据，最终使记忆放煤过程趋于稳定，形成由控制流程(动作顺序)、放煤机构位姿状态(高度、倾角)及其控制时序(对应时间)构成的记忆放煤控制顺序表。

图2 自动化记忆放煤控制流程
Fig.2 Automatic memory coal caving control flow

2.4 记忆放煤控制参数

自动化记忆放煤控制通过记忆放煤机构位姿(放煤口开度)来实现。在放顶煤工作面生产过程中，可能会有多个放煤口同时放煤。控制后部刮板输送机上的总放煤量是实现自动化记忆放煤控制的目标，其由式(1)计算得出。

实现自动化记忆放煤控制需要记录以下信息：① 记忆放煤时间，即从首架开始放煤到当前记录的时间;② 液压支架执行的动作;③ 液压支架动作时间，即液压支架的放煤口开关动作持续时间；④ 尾梁摆角,其直接控制放煤口开度;⑤ 工作面仰俯角,其会影响尾梁摆角形成的放煤口开度;⑥ 液压支架支撑高度,其会影响液压支架掩护梁的位置，使液压支架尾梁起点位置与后部刮板输送机相对位置发生偏移，从而影响尾梁倾角形成的放煤口开度;⑦ 放煤速度,其与放煤口开度相关。因此，记忆放煤控制参数包括放煤开始时间、液压支架编号、液压支架动作步骤、液压支架动作(尾梁伸缩、支架升降)、传感器数据(尾梁摆角、工作面仰俯角、液压支架支撑高度)、液压支架动作持续时间等。

3 自动化记忆放煤控制实施

3.1 倾角传感器安装

液压支架尾梁摆角根据倾角传感器数据进行控制，放煤机构位姿能否精准控制取决于倾角传感器的检测精度。倾角传感器在不同工作区段有不同精度级别，一般0～30°范围内检测精度最高，因此设置倾角传感器运行工作区段在0～43°。

3.2 顺序表编制

在防爆计算机存储记忆放煤控制数据，其由多条顺序表组成。顺序表按照时间顺序记录工作面液压支架的放煤动作、传感器数据和时间信息，主要为记忆放煤控制参数。

3.3 放煤示范学习

放煤示范学习从工作面一端开始，由操作人员采用液压支架电液控制系统按照放煤工艺进行工作面放煤控制，到工作面另一端结束，此为一个完整的生产循环。在开始放煤时，启动示范记忆放煤模式，操作人员通过液压支架电液控制系统进行液压支架放煤控制，系统将操作人员的按键操作、液压支架动作、传感器数据等发送到防爆计算机。当进行动作切换或传感器数值变化超过预设值时，系统自动报送并存储1条顺序表记录。同时，系统每隔5 s自动发送1条传感器数据并存储1条顺序表记录。防爆计算机保存从放煤开始到结束的液压支架动作、传感器数据、液压支架动作持续时间等参数，生成按时间顺序排列的工作面液压支架记忆放煤控制顺序表。进行自动化记忆放煤控制时启用该表。

对于通过学习获取的记忆放煤控制数据，需要通过煤量计算程序进行放煤量复核处理，以防止记忆放煤控制数据受到干扰而出现错误，导致自动化记忆放煤控制实施过程中出现后部刮板输送机过载而压死的情况。具体实现方法：将记忆放煤控制顺序表中的数据代入式(1)计算人工放煤量，根据后部刮板输送机上的煤流负荷限定值，检查每一时间段内是否有超煤量负荷的情况，如果有则修正放煤机构位姿，使计算煤量处于限定范围内[15]。记忆放煤控制数据经过复核后即可投入使用。

3.4 记忆放煤控制

在进行自动化记忆放煤时，启动记忆放煤控制模式。防爆计算机调出记忆放煤控制顺序表，按照顺序表中放煤时间顺序向工作面液压支架发送放煤控制指令。液压支架接收到该指令后，按照指定动作控制液压支架放煤机构位姿[16]。同时，防爆计算机还需要根据液压支架移架动作完成情况进行联锁控制，即在液压支架完成移架后才允许进行放煤控制，液压支架未完成移架时，需将防爆计算机上正在执行的记忆放煤控制程序挂起，待液压支架完成移架后再重新自动启动，从而实现工作面自动化采煤、放煤协同控制。

4 结语

提出的自动化记忆放煤控制方法适用于煤层较稳定、煤层厚度变化不大的放顶煤工作面，易于实现，根据人工放煤操作方法和数据即可进行自动化放煤控制，可有效保证放煤质量，实现放煤过程的无人化操作；通过不断优化液压支架放煤机构位姿与放煤量关系模型，根据放煤量计算结果修正记忆放煤控制数据，可使后部刮板输送机上煤流负荷更加均衡。该方法不适用于煤层变化较大的放顶煤工作面。由于放煤过程与放煤工艺密切相关，还需要深入研究放煤机构位姿、放煤工艺与放煤量之间的关系[17]，才能进一步完善自动化记忆放煤控制。

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