專利名稱：截煤機的遙控方法
技術領域：
本發(fā)明廣泛涉及到截煤機，尤其跟利用中頻通訊裝置和煤巖界面探測器從遠處控制截煤機的方法有關。
在過去幾年內(nèi)，在產(chǎn)煤工作中供大于求。這種過供現(xiàn)象已導致工業(yè)中的競爭劇烈性增加，換句話說，已導致了煤生產(chǎn)者提高了認識，需要降低價格和采礦作業(yè)中的危險。和降低價格與改善安全的愿望相反，問題卻卻是深的、薄的，低質(zhì)量和高價格的煤藏量留在礦上。
在幫助采礦工業(yè)擺脫這一困難所作的嘗試中，噴氣推進實驗室(JPL)進行了一項針對評價自動化的長壁工作面采礦技術。參閱WZimmcr-man，R.Aster，J.Harris和J.High合著“長壁工作面采礦系統(tǒng)的自動化”，噴氣推進實驗室(JPL)刊物82-99(1982年11月1日)。其中，該研究認定需要發(fā)展長壁工作面截煤機操作的遙控技術。
截煤機的遙控需要短距離探測煤-巖界面，使采礦人員遠離危險的采煤區(qū)(采掘面)。連續(xù)和長壁采礦要求操作者處于采煤刃(鼓)很近處，這樣，他能看到切割煤層，不讓切割刃撞擊巖石。在采礦過程中，截煤機操作者總是處于危險區(qū)內(nèi)。如果截煤機切割刃撞擊巖石，那末，飛迸的火星會點燃甲烷和煤炭。如果切入沙石礦頂或底巖，那么便會在灰塵中生產(chǎn)硅，這不符合美國礦山安全與衛(wèi)生管理局(MSHA)關于適合呼吸的灰塵規(guī)定。在采礦中，危險?？梢酝ㄟ^減慢截煤機煤車速度、僅在面對通風空氣流的方向開采、或加強噴水來驅(qū)散羽塵的辦法來減輕。除了灰塵問題之外，機械驅(qū)動部件的軸承和切割刃的磨損常導致停機時間和維修增加問題。
使長壁工作面采礦系統(tǒng)有效地自動化的另一個要求是發(fā)明可靠的遙控通訊裝置。美國和歐洲的各種長壁開采法制造商提供甚高額(VHF)和低頻(LF)遙控系統(tǒng)。低頻系統(tǒng)包括一控制線路，從主巷道指令中心經(jīng)交流電源電纜到截煤機。由于低頻系統(tǒng)不允許由任何地方的截煤機操作者沿產(chǎn)煤面遙控，故受到限制。甚高頻(VHF)和超高頻(UHF)系統(tǒng)能借助視線信號傳輸途徑很好地工作，以控制連續(xù)采礦設備及礦頂篩選機。然而，在坑道內(nèi)牽引車的遙控方面以及諸如用于礦石崩落法采礦的負荷控制板的遙控方面，該技術是失敗的。VHF和UHF系統(tǒng)為何在這種環(huán)境下不能工作的理由是當沿著由防護屏和長壁工作面小風道產(chǎn)生的波導傳輸時，VHF和UHF經(jīng)受大的衰減，可靠的控制局限于視線范圍內(nèi)。沿著該面的滾輪能限制控制范圍，并且來自長壁工作面鋼支承件的反射信號能在發(fā)射波中產(chǎn)生零位。由于跟VHF與UHF傳輸有關的各種問題，在“不受控”零區(qū)內(nèi)的無線電傳輸信號會低于某一低誤碼率所要求的。這一過大的誤碼率會產(chǎn)生被錯誤解碼的或完全不響應的指令信號。
為了能從某一安全距離控制截煤機(或連續(xù)采礦機)，已作了各種嘗試來發(fā)展煤-巖測器技術。在歐洲和美國研究者們已研究了自然輻射背景檢測器技術。利用上巖層自然背景輻射，當截煤機切割時該系統(tǒng)使截煤機上方的煤層厚度能夠測量并保持;然而，在某些地質(zhì)內(nèi)，該探測器不能可靠地工作。其它類似的技術應用，包括用于聲學和“靈敏測頭”測量礦層厚度和煤-巖界面檢測，以及在美國國家標準局研究者們研究微波測量技術。自然背景輻射檢測器、聲學和微波測量技術的發(fā)展提高了截煤機操作者的控制能力，所以在每一通道上他能切割最大的煤量。
已研究了其它的檢測器來解決采掘面對準問題，后者使輸送裝置和長壁工作面小風道產(chǎn)生許多故障。其中之一是側滑測量檢測器，由Benton公司研制。該檢測器測量長壁工作面小風道中的角度偏差，并把信息傳輸?shù)接嬎銠C。計算機確定截煤機的位置以及采掘面輸送裝置的平直度。在美國政府的一個報告中，美國國家航空和航天管理局(NASA)火星空間飛行中心“長壁開采法程序設計”檢驗了幾種截煤機和輸送裝置檢測器的性能，并隨后檢查和改進具有最有希望的檢測器的截煤機和輸送裝置有關的結構問題。
最后，Chang和Wait公開了采用諧振回路天線在煤礦開采中作為測定礦頂厚度的探測器的理論建議。
參閱Chang博士和J.Wait“作為煤層厚度電磁檢測器的諧振回路的分析”，國際科學無線電協(xié)會(URSI)遙感會議會刊，法國，拉蒲里，1977年4月28日-5月6日。
因此，本發(fā)明的目的是要提供一種用于遙控長壁截煤機或連續(xù)采礦機的改進方法，能使采礦人員處于危險的采煤區(qū)之外。
本發(fā)明的另一目的是要提供一種用于遙控采用了可靠的通訊裝置的長壁截煤機或連續(xù)采礦機的改進方法。
本發(fā)明的另一目的是要提供一種可靠的遙控通訊裝置，它能很容易地應用在長壁截煤機或連續(xù)采礦機上。
本發(fā)明的另一目的是要提供一種用于遙控采用了煤-巖界面檢測器的長壁截煤機或連續(xù)采礦機的改進方法。
簡言之，本發(fā)明的實施例包括一中頻(MF)遙控裝置，它磁性耦合于遠處截煤機交流電源電纜上。在截煤機內(nèi)，中頻接收機耦合于采用鐵金氧磁體(C型鐵芯)電路耦合器的交流電源電纜上。該截煤機裝備有煤-巖界面檢測器，它可以遙控采礦作業(yè)。
本發(fā)明的優(yōu)點是長壁截煤機或連續(xù)采礦機的遙控作業(yè)時采礦人員在危險采礦區(qū)之外。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是煤-巖界面檢測器減少了截煤機切割刃撞擊巖石的可能性。
本發(fā)明的另一優(yōu)點是在礦頂上僅留下一薄層煤。
本發(fā)明還有一個優(yōu)點是遙控通訊裝置能可靠地傳輸數(shù)據(jù)。
本發(fā)明的再一個優(yōu)點是遙控通訊裝置能很容易地應用于長壁截煤機或連續(xù)采礦機。
本發(fā)明的這些或另一些目的和優(yōu)點對于一般熟悉本技術的人來說，在閱讀了用各種附圖解釋的優(yōu)先實施例的下列詳細敘述后，無疑會變得顯而易見。


圖1是按照本發(fā)明遙控截煤機的示意圖;
圖2是處于圖1爆破保護罩內(nèi)的電子部件展開框圖;
圖3表示一種個人攜帶的遙控發(fā)射機子彈帶;
圖4是電導和由圖1煤-巖界面探測器測得的煤層厚度之間的曲線圖像。
現(xiàn)在參看圖1，表示了一臺遙控采煤機，用通用的標號10表示，它適用于實施本發(fā)明的遙控開采法。采煤機10可以是長壁工作面截煤機，也可以是連續(xù)采煤機。截煤機12包括一主巷道距離調(diào)節(jié)臂14和一輔助巷道距離調(diào)節(jié)臂16。主巷道距離調(diào)節(jié)14包括一主巷道采煤鼓18，而輔助巷道距離調(diào)節(jié)臂16包括一輔助巷道采煤鼓20。一煤-巖界面探測器22安裝在主巷道距離調(diào)節(jié)臂14后面的截煤機12的頂部。探測器埋置于盤24內(nèi)，園盤裝在鋼管26上，鋼管頂端28是敝開的。一電纜30穿過探測器臂31將探測器22連接到探測器控制單元32。借助臂36連接于鋼管26上的輪子34通過壓在煤層40上形成一具有“W”寬度的間隙38。煤層40具有厚度“t”，并處于巖石層42下面。一爆破保護罩44安置在截煤機12內(nèi)，其中有探測器控制單元32、主巷道遙控單元46和輔助巷道遙控單元48。安裝在主巷道控制單元46上的是電子液壓系統(tǒng)控制單元49和驅(qū)動電子液壓電磁閥的主巷道射頻訊號耦合器50和軟管51。安裝在控制單元48上的是輔助巷道射頻訊號耦合器52和輔助巷道電子液壓電磁閥和軟管54。一交流電源電纜56和電源中心設施58相連。一環(huán)形天線60通過磁場61跟電纜56磁性耦合。環(huán)形天線60經(jīng)導線64和發(fā)射機62相連。一連接裝置66經(jīng)導線68和發(fā)射機62相連。
圖2表示所述電子部件的局部展開框圖，這些電子部件包含在罩44內(nèi)。主巷道遙控單元46包括一控制板70，它和接收機72相連，而接收機則和解調(diào)器74相連。解調(diào)器74和繼電器控制單元76相連，后者和許多開關78連接，所有這些都包含在電子液壓控制元件49內(nèi)。輔助巷道遙控單元需要類似于圖2中所示部件的第二套部件。
圖3表示一種個人攜帶的遙控放射機子彈帶，用通用的標號80表示。子彈帶80被設技計成能為礦工82所佩帶。在圖3中能夠看到，圖1中的連接裝置66、發(fā)射機62和環(huán)形天線60全都裝在子彈帶80上。連接裝置66包括許多按鈕控制開關84。電池86供給發(fā)射機電能，而帶子88是用于調(diào)正子彈帶的。
圖4表示一典型的電導和煤層厚度(在圖1中為“t”，曲線。用圖1中所示的煤-巖界面探測器22收集到的是典型的數(shù)據(jù)。圖4中的數(shù)據(jù)表明存在某一電導值Gc，電導G圍繞它上下擺動，并在很大的厚度處G收斂于Ga。在G等于Ga值這點的離散厚度將是控制厚度“tD”。當實測的電導G大于Ga時，表明采煤鼓18的位置需要修正;當實測的電導G小于Ga時，表明在相反的位置上需要修正。
在本發(fā)明的優(yōu)先實施例中，圖1中的連接裝置66是安置于發(fā)射機62面板上的一種鍵盤，如圖3所示。按鈕控制開關84重復了截煤機上的開關78，因此由發(fā)射機62發(fā)出的指示便在截煤機的電子液壓控制單元49中產(chǎn)生跟開關78工作時相同的應答。這樣，借助于個人攜帶的發(fā)射機80和安裝于截煤機火焰防護罩44內(nèi)的控制單元46和48，該系統(tǒng)能獨立遙控下列截煤機的功能
功能主巷道采煤鼓輔助巷道采煤鼓噴水××通風帽順時針方向××通風帽反時針方向××向上調(diào)節(jié)臂××向下調(diào)節(jié)臂××煤車→××煤車←××塊煤破碎機向上××塊煤破碎機向下××未規(guī)定動作××煤車停止××緊急停車××發(fā)射機62和接收機72在300至1000千赫芝的中頻(MF)范圍內(nèi)工作。適于獨立操作每一鼓18和20的頻率設計將要求二種發(fā)射機的載波頻率(f，f＊)。這些頻率應至少相隔50千赫芝。所建議的二個頻率是在400和520千赫芝。射頻線路耦合器(電流互感器)50和52是用來耦合指令和來自交流電流電纜56的控制信號的。這種耦合方法是極好的，其中，鐵凎氧磁體耦合器具有小的形狀尺寸，故能安排在爆破防護罩44內(nèi)。由于耦合器安裝在爆破防護罩內(nèi)，設備的可靠性提高了。相反，VHF和UHF設備要求一暴露的天線，這種天線可能容易損壞。接收機輸出信號包含用于截煤機電子液壓系統(tǒng)的控制數(shù)據(jù)。該數(shù)字控制信號作用于解碼器74，后者通過采用使二進制數(shù)碼誤差率最小的算法來依次處理數(shù)字信號。控制信號(被稱作“指令信號”)將用高度結構化了的數(shù)字代碼字編碼(在遙控發(fā)射機62內(nèi))。該代碼字將包括地址和指令數(shù)據(jù)。為使誤差最小，解碼器74僅接收具有正確地址的數(shù)字控制信號;此外，在代碼被確認之前，控制信號必須被正確地接收二、三次，并且至少有二個被接收的字碼是相同的。在接收機解碼器中微處理機MP將檢測數(shù)字指令數(shù)據(jù)中的任何誤差。這就保證了只有正確的指令才會送至截煤機的電子液壓系統(tǒng)。然而，經(jīng)解碼的輸出信號作用于斷電器回路76，后者(斷電器觸點)和現(xiàn)有的截煤機控制器78(按鈕和開關)相連。
適于被發(fā)射機62發(fā)射的每一字碼的數(shù)字控制結構包括-15畢特的引導信息，后者用于和遙控解碼器74同步，因而地址和指令數(shù)據(jù)能夠還原;而且截煤機只需3個地址畢特(TXID)，而在通常遙控應用中需要12個功能。
發(fā)送一系列相同字碼的技術方面的理由是數(shù)字字碼的誤差率可得到改善。幾個重復字碼的誤碼率由下列給定P＝(PA)n其中PA是一個單字中誤碼的或然率。例如，若誤碼率是10-3，則發(fā)送二個相同字碼會把誤碼率改進到10-6。
采用曼徹斯特格式，將每一字碼編碼。曼徹斯特指令數(shù)據(jù)將作用于發(fā)射機62內(nèi)的移頻鍵控(FSK)解碼器74。在遙控單元46中將采用FSK解碼器來恢復指令數(shù)據(jù)。
在數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中將采用調(diào)頻(FM)載波。載波頻率處于調(diào)頻帶內(nèi)，其特征是移頻鍵控調(diào)制(1200赫和2000赫)。
曼徹斯特碼的相位變化表示邏輯畢特狀態(tài)。曼徹斯特碼下臨界點(相)出現(xiàn)在不歸零制(NRZ)數(shù)據(jù)畢特的中間。曼徹斯特碼的上臨界點表示邏輯“O”。曼徹斯特碼中的跳變載有時鐘同步信號(半時鐘速率)。
最初的3個邏輯畢特識別地址(發(fā)射機標志)，從而對碼結構增加了安全措施。下面12個控制邏輯畢特是用來獨立(同步的)控制各種功能的。
微處理機只讀儲存器(ROM)包含曼徹斯特解碼算法，后者解曼徹斯特碼，校驗截煤機控制器的誤差，可起動正確的輸出線路。
按下任一發(fā)射機鍵盤或開關，使畢特狀態(tài)變換到控制畢特程序中的邏輯“1”。微計算機算法按邏輯“1”解畢特，起動相應的微計算機輸出口。對于該碼，不傳輸奇偶檢驗位，而是由進度管理檢查來提供錯誤檢測在C16語言中(工作重疊端-碼沖突)無數(shù)據(jù);
在起動畢特前無數(shù)據(jù);
用搖臂開關在微處理機和發(fā)射機印刷電路板上校正時，TXID必須正確;
同時按下調(diào)節(jié)臂、通風帽、塊煤破碎機或煤車速度鍵盤，無作用符號。按下煤車速度鍵，會使煤車伺服機構速度控制器編入零程序。
每一控制字碼傳輸周期是32畢特× (1秒)/(300畢特) ＝107毫秒按下鍵盤或開關會使許多字立刻被傳輸，其中的二個必須解成相同的。此外，發(fā)射機每隔10秒鐘會發(fā)送一管理信號。檢測或管理的故障應能起動煤車停止指令功能。上面的算法可被修改來達到許多附加的控制方法。
采用圖1中所示的煤-巖界面檢測器22對于本發(fā)明是重要的，因為就現(xiàn)有的截煤機設備來說，操作者在遇到煤-巖界面之前，是不可能辨別它在什么地方的。操作者可能謹慎些，試圖留下礦頂上實際的煤層;或一旦遇到巖石時。他可能盡快停止產(chǎn)煤。在第一種情況下，操作者可能在礦頂上留下了多于需要的煤，降低了總生產(chǎn)量，也許多至5～6%。在第二種情況下，如果沒有足夠的煤留在礦頂上，便增加了礦頂控制問題。在邊緣連接面上，最靠近礦頂?shù)拿嚎赡馨^高百分比的硫和灰份，所以，如果切割，所產(chǎn)煤的質(zhì)量便下降。
若操作者切入巖石，便產(chǎn)生了附加的問題。當鼓18的切割刃撞到巖石，飛迸的火星可能使甲烷和煤灰點燃。塵土中的硅使它難以根據(jù)美國礦山和衛(wèi)生管理法適于呼吸的灰塵法規(guī)。而且，煤被混雜，從而降低了總的煤質(zhì)量。除了上述問題外，切入巖石內(nèi)會增加切割鼓18和截煤機12的機械部件的磨損并帶來了額外保養(yǎng)和停機時間。為減少上述問題而采取的任何可能的方案都增加了成本。
由于采用了可靠的煤-巖界面探測器22，在礦頂上可留下一薄層煤“t”，所以礦頂控制問題，安全和成本都解決了，而煤的產(chǎn)量和質(zhì)量都提高了。例如在油頁巖和泥石巖礦頂巖石42下面，薄層煤防止了巖石42由于暴露于空氣中而剝落。這有助于確保前區(qū)內(nèi)有耐久的礦頂。
若探測器22和遙控線路一起應用，則能進一步提高安全。目前，操作者必須處于和鼓18的切煤刃很近的距離內(nèi)，所以他能看到切割地層，并使切割刃不撞擊巖石。通過遙控線路，煤層厚度“t”上的信息數(shù)據(jù)會傳送到遠處操作者那里。這便能使操作者控制遠離危險切割區(qū)的截煤機12，此外，由于控制截煤機12的操作者脫離羽灰，并遠離危險面，因而產(chǎn)煤可以在面對通風空氣流的二個方向進行，故提高了生產(chǎn)率。
用于本發(fā)明的煤-巖界面探測器22的電子設計是基于調(diào)諧環(huán)形天線的輸入導納和測量。這一極適用于探測器22的理論工作是由上文中的Chang和Wait完成的。
通過適當?shù)钠帘?，諧振回路的電氣性質(zhì)僅受礦頂結構的影響。無明顯的干擾產(chǎn)生，這種干擾是由于附近的產(chǎn)礦設備的散射引起的。
探測器天線安裝在垂直的鋼管26內(nèi)，后者大致處于煤車12的中心，并緊靠煤板塊40的下面。包括在所要求的線路內(nèi)的電子組件32安裝在煤車12上的爆破防護罩44內(nèi)。罩44為印刷線路板插件提供無塵環(huán)境。
實時測量調(diào)諧環(huán)形天線的輸入導納。導納的數(shù)學表示式為Y＝G+jB其中，G＝環(huán)形天線的輸入電導，姆歐;
B＝輸入電納。
有幾種測量天線輸入導納的方法。在批量生產(chǎn)的儀器設計中通常使用的二種方法是定向耦合器和定向電橋既然多頻控制不需要調(diào)諧環(huán)形天線，那么就要用定向耦合器。導納是根據(jù)負荷平面反射系數(shù)的測量決定的，其數(shù)學表達式為Γ =ZL-ZOZL+ZO= ｜ Γ ｜ ejθ]]>其中Zl＝負荷平面阻抗;
Zo＝連接測量裝置和負荷平面的傳輸線路的特性阻抗振蕩器網(wǎng)路產(chǎn)生一射頻測試信號，后者作用于定向耦合器上，定向耦合器終接于天線負荷平面導納。反射波和入射波分量的電壓向量比可以確定。反射系數(shù)定義為Γ =VrefVinc= ｜ Г ｜ (cosθ+jsinθ)= ｜ Γ ｜ ＜θ]]>其中Vref＝反射波的電平;
Vinc＝入射波的電平。
反射系數(shù)和阻抗值是從下式得到的ZL=ZO1+Γ1- Γ]]>輸入導納是ZL的倒數(shù)Y＝l/ZL＝G+jB
對于單位幅值的電壓信號，G值實際上相當于從天線上輻射的功率。一微計算機會利用相位和幅值的測量數(shù)據(jù)來確定反射系數(shù)和G值。
為了使用煤-巖界面探測器22，必須在煤層厚度“t”的各種增量下通過測量來標定探測器。為了完成這一標定，截煤機要垂直地切割，切通煤層至巖石42，從巖石42處退回一距離增量，縱向進給一短距離到煤層40，從巖山42上退回另一垂直距離增量。這一過程被重復，使對應于每一厚度“tD”進行測量并被儲存。這一標定提供了可控制的允許厚度的不連續(xù)調(diào)正。
此后，操作者從一組允許值中選擇所希望的留于礦頂?shù)拿簩雍穸取皌”，此時，須使截煤機處于和該厚度相應的位置;通過切入巖石42并返回規(guī)定的距離，這就完成了。
然而開始切割操作。當截煤機12開始工作時，通過和儲存的標訂數(shù)據(jù)比較，探測器22將監(jiān)控相對于巖石42的位置。如果測量值大于儲存值規(guī)定厚度“tD”，燈便亮，表示在某一方向(上或下)需要修正。如果測量值小于儲存值，燈便亮，表示在相反方需要修正。所需的修正可以在截煤機上進行，也可利用發(fā)射機62在遠處進行。
在本發(fā)明的優(yōu)先實施方案里，煤-巖界面探測器22是一無運動部件的調(diào)諧環(huán)形天線。把超高頻(UHF)信號傳輸?shù)教炀€上的環(huán)形線路和電纜的連接線30被埋置于一實心的耐磨的高強度塑料盤24內(nèi)。該盤安裝在大型鋼管內(nèi)，僅盤的頂面28是外露的。
雖然根據(jù)現(xiàn)在的優(yōu)先實施例對本發(fā)明已作了敘述，然而應該明白，這種公開不要理解為是限制。對于熟悉本技術的人來說，在讀了上述公開之后，作各種變更和修改無疑是顯而易見的。因此，要把附加的權利要求書理解為復蓋處于本發(fā)明的實際精神和范圍內(nèi)的所有變更和修改。
權利要求
1.用于遙控采煤機電子液壓系統(tǒng)機械功能的方法，它包括a.通過電感，把中頻輕便發(fā)射機耦合于運轉(zhuǎn)所述采煤機的交流電源電纜；b.使用鐵淦氧磁體電路耦合器將所述交流電源電纜耦合于所述采煤機的遙控裝置，c.將遙控裝置和鐵淦氧磁體線路耦合器封裝在防爆盒內(nèi)；d.將指令信號編碼成數(shù)碼格式；e.將數(shù)字編碼的指令信號加到頻移鍵控編碼器；f.對載頻進行頻率調(diào)制；g.在頻率調(diào)制的載頻范圍內(nèi)自所述中頻輕便發(fā)射機向所述遙控裝置發(fā)射所述的編碼的指令信號；h.自所述遙控裝置向電子液壓系統(tǒng)控制單元發(fā)射所述指令信號；
2.按權利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述采煤機是長壁工作面截煤機。
3.按權利要求1所述的方法，其特征在于，其中所述采煤機是一連續(xù)采礦機。
全文摘要
用于遙控采煤機電子液壓系統(tǒng)機械功能的方法，它利用一中頻遙控通訊裝置和一煤-巖界面探測器。煤-巖界面探測器是一屏蔽的諧振水平環(huán)形天線。
文檔編號E21C35/24GK1045837SQ9010253
公開日1990年10月3日 申請日期1987年10月24日 優(yōu)先權日1986年10月24日
發(fā)明者拉里·G·斯托拉錫克, 戴維·L·鮑德里奇 申請人:斯托拉爾公司