礦井工作面液壓支架自動(dòng)控制技術(shù)研究

摘 要：為了提高采煤工作面自動(dòng)化控制水平并提高作業(yè)安全系數(shù)，對(duì)液壓支架自動(dòng)控制技術(shù)展開(kāi)分析研究。主要成果為：①液壓支架自動(dòng)控制系統(tǒng)中自動(dòng)補(bǔ)壓裝置可確保液壓支架工作阻力在設(shè)定范圍內(nèi)，從而避免頂板出現(xiàn)漏頂問(wèn)題;②采用紅外傳感器監(jiān)測(cè)采煤機(jī)位置、采用逐架回收方式回收護(hù)幫板實(shí)現(xiàn)護(hù)幫板回收與采煤機(jī)相配備，不僅提升采煤效率而且在一定程度上減少煤壁片幫發(fā)生;③自動(dòng)控制系統(tǒng)內(nèi)布置的各類傳感器可對(duì)液壓支架支撐、移動(dòng)過(guò)程中各狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保支架始終處于穩(wěn)定、合理狀態(tài)。井下采用支架自動(dòng)控制技術(shù)可顯著提升綜采工作面自動(dòng)化控制水平，為智能化礦井建設(shè)奠定良好基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：綜采工作面;液壓支架;采煤機(jī);自動(dòng)控制;傳感器

現(xiàn)階段我國(guó)絕大多數(shù)礦井已實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化回采，煤炭產(chǎn)能以及安全保證能力得以顯著提升[1]。當(dāng)采面開(kāi)采的煤層厚度在3.5m以上時(shí)煤壁容易片幫，同時(shí)支架由于高度大容出現(xiàn)失穩(wěn)問(wèn)題，在一定程度上制約礦井生產(chǎn)效率提升[2-3]。文中就對(duì)采面煤壁片幫、頂板管理以及支架跟機(jī)控制方面進(jìn)行研究，以期能在一定程度上提升液壓支架綜合自動(dòng)化、智能化控制水平。

1 采面支架控制要求

1.1 頂板及煤壁管理

當(dāng)采面煤層開(kāi)采厚度在4m以上時(shí)，頂板周期性垮落時(shí)礦壓顯現(xiàn)明顯，頂板來(lái)壓時(shí)會(huì)給液壓支架帶來(lái)顯著的沖擊，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)壓架、死架。當(dāng)支架工作阻力大于1.6MPa時(shí)頂板下沉量明顯降低，因此可通過(guò)提高液壓支架工作阻力來(lái)強(qiáng)化對(duì)頂板巖層控制。開(kāi)采過(guò)程中若支架前探梁與煤壁距離較遠(yuǎn)時(shí)，懸空頂板在礦壓出現(xiàn)下容易出現(xiàn)冒落問(wèn)題，因此液壓支架移動(dòng)時(shí)前探梁與煤壁間距離最大應(yīng)不超過(guò)480mm。

隨著煤炭開(kāi)采煤壁由三向受力轉(zhuǎn)向兩向受力，在采動(dòng)動(dòng)壓影響下采面前方煤壁會(huì)受到較大的垂向應(yīng)力以及剪切應(yīng)力作用，當(dāng)煤體抗剪強(qiáng)度小于受到的剪切應(yīng)力時(shí)煤壁出現(xiàn)片幫。為了確保采面生產(chǎn)安全，液壓支架應(yīng)安裝護(hù)幫板且高度在800mm以上。

1.2 支架防失穩(wěn)

采面煤炭開(kāi)采高度增加時(shí)液壓支架重量及重心高度增加，因此可通過(guò)增加支架架寬及中心距方法來(lái)提升支架穩(wěn)定性。支架在空載狀態(tài)時(shí)提升至最大高度后，頂梁與底座中心位置偏差控制在80mm以內(nèi)，且在支架底座安裝防倒設(shè)施[4]。通過(guò)控制液壓支架重心高度可避免支架失穩(wěn)，移架時(shí)作用到頂梁的側(cè)推力應(yīng)小于支架自身重力。

2 支架自動(dòng)控制原理

液壓支架自動(dòng)控制時(shí)需要布置相應(yīng)檢測(cè)傳感器以及電液控制系統(tǒng)，通過(guò)傳感器獲取液壓支架位置、狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析、處理后對(duì)支架自動(dòng)控制模型進(jìn)行修正并優(yōu)化電液控制參數(shù)及控制程序，確保液壓支架可平穩(wěn)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化操控。

液壓支架自動(dòng)控制依據(jù)電液控制系統(tǒng)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的智能控制方案，實(shí)現(xiàn)液壓支架與頂板耦合作用、煤壁控制并避免自動(dòng)移架時(shí)出現(xiàn)失穩(wěn)或者鄰近支架碰撞問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)控制，

控制器是實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)控制的主要設(shè)備，每臺(tái)液壓支架上均布置獨(dú)立的控制器，采用通信線纜、連接器等將控制器并聯(lián)。控制系統(tǒng)中布置的壓力傳感器監(jiān)測(cè)立柱、頂板以煤壁壓力;行程傳感器監(jiān)測(cè)護(hù)幫千斤頂、推移千斤頂?shù)任恢?，為判定液壓支架位置以及狀態(tài)提供參考;接近傳感器用以監(jiān)測(cè)多級(jí)護(hù)幫板工作狀態(tài)，確保護(hù)幫板在運(yùn)行時(shí)不會(huì)出現(xiàn)干涉問(wèn)題;高度傳感器用以監(jiān)測(cè)液壓支架支撐高度，在控制支架高度同時(shí)確保支架高度相同，避免個(gè)別支架支撐高度過(guò)大或者過(guò)低導(dǎo)致壓實(shí)、不穩(wěn)問(wèn)題;紅外傳感器用以監(jiān)測(cè)采煤機(jī)運(yùn)行位置、姿態(tài)，確保在滿足采煤機(jī)開(kāi)采工藝下的自動(dòng)跟機(jī)運(yùn)行。

3 自動(dòng)控制方案

井下回采工作面作業(yè)空間為狹小的矩形，其中液壓支架用以為采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)運(yùn)行提供安全空間。在液壓支架自動(dòng)控制運(yùn)行時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面：

3.1 頂板管理

采面頂板壓力對(duì)液壓支架狀態(tài)有顯著影響，制定的控制方案應(yīng)包括以下方面：

3.1.1 支架升架時(shí)應(yīng)有足夠初撐力

支架在供液系統(tǒng)壓力下升起，頂板與頂板應(yīng)密切接觸，給液壓支架足夠的初撐力可減少頂板下沉量并確保頂板穩(wěn)定，使得液壓支架可迅速進(jìn)入恒阻狀態(tài)。為了減少移架期間頂板下沉量應(yīng)在移架升柱期后給支架足夠的初撐力;當(dāng)采面回采過(guò)破碎帶時(shí)應(yīng)采用帶壓移架方式，從而在移架期間對(duì)破碎頂板進(jìn)行控制。

支架升柱完成后由于各方面原因會(huì)導(dǎo)致支架卸壓、立柱壓力降低，此時(shí)應(yīng)通過(guò)自動(dòng)補(bǔ)壓裝置給立柱自動(dòng)補(bǔ)充乳化液，確保支架次初撐力在預(yù)定范圍內(nèi)。液壓支架高度出現(xiàn)變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致頂梁出現(xiàn)位移。支架高度由3.5m增加至5.0m時(shí)頂梁位移變化8mm、高度由5.0m增加至5.1m時(shí)頂梁位移變化11mm。因此，支架升架后應(yīng)立即伸出伸縮梁，并調(diào)整護(hù)頂技術(shù)方案。

3.1.2 煤壁管理

通過(guò)行程傳感器以及壓力傳感器可檢測(cè)液壓支架護(hù)幫幫位置狀態(tài)以及煤壁壓力。通過(guò)行程傳感器獲取護(hù)幫板工作狀態(tài)確保護(hù)幫板可為煤壁提供足夠水平支撐力。當(dāng)采面開(kāi)采煤層厚度較大時(shí)采用的多級(jí)護(hù)幫板需按一定的順序動(dòng)作，采用護(hù)幫板上布置的接近傳感器對(duì)護(hù)幫板姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制。在采煤機(jī)回采時(shí)若探測(cè)到護(hù)幫板未及時(shí)收回，采煤機(jī)立即停機(jī)運(yùn)行。

3.1.3 支架失穩(wěn)控制

液壓支架重心位置隨著支架高度增加而升高，重心越高支架穩(wěn)定性越差，越容易出現(xiàn)倒架、側(cè)滑問(wèn)題。通過(guò)增加支架寬度、底座長(zhǎng)度并縮短移架間隙可在一定程度上提升支架穩(wěn)定性。采用傾角傳感器測(cè)量掩護(hù)梁、頂梁擺角，確保擺角差值在15°之內(nèi)。

3.2 支架智能跟機(jī)控制

液壓支架智能跟機(jī)控制是依據(jù)采煤工藝并通過(guò)液壓支架、采煤機(jī)相互配合達(dá)到有序控制目的，避免支架在跟機(jī)期間出現(xiàn)丟架問(wèn)題，確保自動(dòng)、智能跟機(jī)效果。

圖1? ?支架護(hù)幫板逐架回收示意圖

由于液壓支架多級(jí)護(hù)幫采用聯(lián)動(dòng)控制方式，護(hù)幫板回收速度響度較慢，與采煤機(jī)推移速度不匹配。若采用降低采煤機(jī)回采推進(jìn)速度方式則會(huì)明顯降低采面產(chǎn)量，為了解決上述問(wèn)題，提出采用逐架回收方式來(lái)與采煤機(jī)回采進(jìn)行匹配。具體操作為：對(duì)液壓支架護(hù)幫板回收動(dòng)作進(jìn)行分級(jí)，在與采煤機(jī)相距較遠(yuǎn)位置支架護(hù)幫板回收動(dòng)作小。采煤機(jī)前方6架支架護(hù)幫板動(dòng)作，與采煤機(jī)相鄰的支架依次按照全部回收、回收5/6、4/6、3/6、2/6、1/6架進(jìn)行控制，具體控制見(jiàn)圖1。采用逐架回收不僅可滿足采煤機(jī)與護(hù)幫板回收匹配問(wèn)題，而且避免煤壁片幫。

4 總結(jié)

①對(duì)井下綜采工作面液壓支架自動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行分析，通過(guò)傳感器、電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移動(dòng)，采用自動(dòng)補(bǔ)壓裝置對(duì)支撐壓力不足的支架進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)壓，確保支架工作阻力，維護(hù)頂板穩(wěn)定;

②液壓支架護(hù)板幫采用逐架回收方式與采煤機(jī)進(jìn)行匹配，不僅滿足采面煤炭開(kāi)采需要而且降低煤壁片幫發(fā)生率。液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)避免人工移架時(shí)造成支架工作阻力分布不均衡、勞動(dòng)強(qiáng)度大等問(wèn)題;

③液壓支架自動(dòng)控制時(shí)采用優(yōu)化支架重心位置、帶壓移架等方式避免支架失穩(wěn)，為厚煤層開(kāi)采創(chuàng)造良好條件。

參考文獻(xiàn)：

[1]任陽(yáng).大采高工作面液壓支架自動(dòng)控制技術(shù)研究[J].煤礦機(jī)械，2020，41（09）：49-52.

[2]張克偉，崔科飛，張幸福.厚煤層工作面液壓支架自動(dòng)動(dòng)作研究和應(yīng)用[J].煤礦機(jī)械，2020，41（06）：155-157.

[3]羅超.塔山煤礦液壓支架采用電液控制的設(shè)計(jì)研究[J].山東煤炭科技，2020（03）：123-125.

[4]任建庭.液壓支架電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2020，35（01）：176-177+200.

作者簡(jiǎn)介：

雷慶海（1985- ），山西省沁源縣人，2007年6月畢業(yè)于山西煤炭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，大專，現(xiàn)為工程師。