煤礦用液壓支架電液控制系統的應用

劉 欣

(西山煤電(集團) 有限公司 馬蘭多種經營分公司，山西 古交 030205)

0 引言

液壓支架是自動化采煤設備的重要組成部分，綜采工作面作業時，液壓支架起到了煤層支撐的作用，使得采煤機和刮板運輸機能夠安全運行。傳統的液壓支架采取人工操作進行控制，不但費時費力而且控制精度低，不符合煤礦自動化的發展方向。液壓支架電液控制系統是一種綜合性的控制方案，不僅能夠控制支架電液閥，還能向運行人員提供工作面的運行參數。電液控制支架具有支架移動速度快、頂板支護條件好、液壓支架額定初撐力穩定、可帶壓移動支架、工作面更好保持直線、改善井下工作人員條件、操作靈活、方便實現遠程控制等特點。隨著煤礦開采的機械化和無人化推進，液壓支架電液控制系統的應用越來越普遍，相關運行人員應當在熟悉其系統組成和工作原理的基礎上，了解其發展方向和實際應用情況。

1 煤礦用液壓支架電液控制系統的組成與原理

1.1 煤礦用液壓支架電液控制系統組成

液壓支架電液控制系統是集各項專業技術為一體的綜合成套控制系統，包括信息通信技術、液壓傳動技術和流體自動控制技術等。一個完整的液壓支架電液控制系統包括支架控制器、各類傳感器、電源、先導閥、主閥、各類連接與轉換器以及監控器等。

圖1為一個典型的液壓支架電液控制系統組成示意圖。由于防爆供電電源的功率限制，每三個液壓支架被分為一組，組與組之間通過隔離耦合器連接。隔離耦合器的作用是阻斷各組液壓支架的電氣聯系，各組液壓支架的數據通過光電耦合進行傳輸交換。液壓支架控制器是電液控制系統的核心部件，其外部配置了不同功能的傳感器，包括用于位置檢測的紅外傳感器、用于檢測液體壓力的壓力傳感器和用于測量推移千斤頂的行程傳感器。

1.2 煤礦用液壓支架電液控制系統原理

液壓支架電液控制系統中主閥口的開通與關閉是通過先導閥的開通與關閉控制的，上電后電磁先導閥的閥桿在電磁力的作用下被提升，其閥口打開，閥體上腔的液體壓力通過先導孔釋放，主閥芯上部壓力低、下部壓力高，在此壓差下，液體將主閥芯推起，主閥口打開；電磁先導閥斷電后，由于重力作用，閥桿將先導孔閉鎖，主閥芯落下，主閥口關閉。由于電磁閥上腔壓力增大，液體推動主閥芯施加壓力，故對閥體密封性有所提高。

圖1 某煤礦用液壓支架電液控制系統組成示意圖

2 液壓支架電液控制系統的應用特點

液壓支架電液控制系統彌補了閥組直接控制的諸多缺點，其應用特點具體表現為：

(1) 安全性高。當工作面出現重大突發情況時，電液控制系統能夠使支架急停閉鎖，防止事故擴大，提高了綜采工作面的安全性。電液控制系統具有豐富的數據采集和通信功能，使得故障反饋更及時，為檢修工作提供了寶貴的時間。

(2) 控制靈活。電液控制系統能夠在現場控制、遠程遙控和端頭控制三種模式下靈活切換。由于支架控制器之間具有數據交互功能，多臺液壓支架的動作可以協調控制，綜合調度。

(3) 位置控制閉環。隨著我國智能控制技術和電子技術的進步，國產的電液控制傳感器性能已經達到世界先進水平。千斤頂的行程檢測傳感器是支架推移動作的依據，能夠將位置控制系統閉環，因此每個支架安裝一個行程傳感器即可。此外，綜采工作面液壓支架還配置一個壓力傳感器，其作用是檢測液壓閥的壓力。

(4) 控制精度高。硬件的升級能夠提升實現液壓支架控制的準確性，支架液壓系統在控制原理上具有時間滯后的特點，因此存在一定的控制誤差。無論是閥控型還是泵控型支架液壓系統，都存在注入能效低或者動態響應差等問題。為了提高液壓支架的控制精度，可使用推移控制邏輯閥來提高控制精度。

(5) 智能化。目前，液壓支架的控制和支護參數的修改都能通過電液控制系統的主控設備實現，通過軟件的提升實現了液壓支架的智能化。根據事實工作面情況，初撐力計算、頂板各項參數(厚度、壓力與強度)的精確數值通過軟件動態更新，結合人工智能技術，使控制器在工作中不斷進化，能夠完成自主決策。

3 液壓支架電液控制系統在超前支護中的應用

采煤工作面的超前巷道是受采煤設備影響比較嚴重的區域，不僅各種設備眾多，而且是人員和物料的必經之處，我國對回采工作面的支護規定為至少20 m。某煤礦井下超前支護方式為：液壓單體支柱配π型鉸接頂梁和柱鞋支護。在實際工作中，人工單體支柱的支護方式雖然應用靈活，但是存在強度不足、壓力不勻等缺點，容易造成綜采工作面端頭和頂板的事故率較高，因此采用電液控制的超前支護技術。

圖2為基于電液控制的遙控支架超前支護技術原理圖，它由電液控主機、支架遠程操作臺、信號轉換器、超前支架控制器(1～n)、支架控制器(1#～n#)和CAN總線、RS-232總線等組成。虛線框內為超前支架控制系統的設備示意圖，包括壓力傳感器、行程傳感器、人機交互界面、電磁驅動器和電磁控換向閥等。

超前支架控制系統原理為：電液控主機通過RS-232與支架遠程操作臺通信，實現操作過程的狀態監控，支架遠程操作臺輸入支架操作指令后，通過CAN總線與信號轉換器連接，經信號轉換器轉換后再由CAN總線送出。支架控制器(包括工作面控制器1#～n#、超前支架控制器1～n)接收操作指令后，分別對超前支架和工作面支架進行相關控制。支架控制器的執行元件為電磁驅動器，其本質是一個驅動線圈，電磁控換向閥的開閉由驅動器線圈驅動，液壓缸作為

執行元件直接控制支架的動作，以達到理想的支護姿態，為其他機械的移動提供安全的作業空間。電磁換向閥由先導閥和換向主閥組成，先導閥的作用是將電信號轉換為液壓信號，實現裝置驅動的作用。超前支架具有多種姿態控制，包括前后立柱的升降、推移、伸縮，前梁、伸縮梁、側幫、頂梁的伸縮。超前支架與工作面支架采用了同樣的電液控制系統，兩套電液控制系統在通信方式上相同，這樣就形成了統一平臺的電液控制系統，所有的支架具備了協同調度的條件，工作人員只需通過按鍵即可實現拉架和移架，使得煤礦綜采工作面的支護安全水平顯著提升。

圖2 基于電液控制的遙控支架超前支護技術原理圖

4 結論

液壓支架電液控制系統是一種集多種技術于一體的復雜控制系統，相較于傳統的直接控制，具有節省人工、控制方式靈活、數據透明等優點，對于井下綜采工作面的安全具有重要意義。電液控制系統的發展方向是智能化和精確化。在超前支護中，電液控制能夠提升巷道頂板的支護能力和自動化程度，從而提升采煤效率。