礦井工作面液壓支架自動控制技術研究

摘 要：為了提高采煤工作面自動化控制水平并提高作業安全系數，對液壓支架自動控制技術展開分析研究。主要成果為：①液壓支架自動控制系統中自動補壓裝置可確保液壓支架工作阻力在設定范圍內，從而避免頂板出現漏頂問題;②采用紅外傳感器監測采煤機位置、采用逐架回收方式回收護幫板實現護幫板回收與采煤機相配備，不僅提升采煤效率而且在一定程度上減少煤壁片幫發生;③自動控制系統內布置的各類傳感器可對液壓支架支撐、移動過程中各狀態進行監測，確保支架始終處于穩定、合理狀態。井下采用支架自動控制技術可顯著提升綜采工作面自動化控制水平，為智能化礦井建設奠定良好基礎。

關鍵詞：綜采工作面;液壓支架;采煤機;自動控制;傳感器

現階段我國絕大多數礦井已實現綜合機械化回采，煤炭產能以及安全保證能力得以顯著提升[1]。當采面開采的煤層厚度在3.5m以上時煤壁容易片幫，同時支架由于高度大容出現失穩問題，在一定程度上制約礦井生產效率提升[2-3]。文中就對采面煤壁片幫、頂板管理以及支架跟機控制方面進行研究，以期能在一定程度上提升液壓支架綜合自動化、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

當采面煤層開采厚度在4m以上時，頂板周期性垮落時礦壓顯現明顯，頂板來壓時會給液壓支架帶來顯著的沖擊，嚴重時甚至會出現壓架、死架。當支架工作阻力大于1.6MPa時頂板下沉量明顯降低，因此可通過提高液壓支架工作阻力來強化對頂板巖層控制。開采過程中若支架前探梁與煤壁距離較遠時，懸空頂板在礦壓出現下容易出現冒落問題，因此液壓支架移動時前探梁與煤壁間距離最大應不超過480mm。

隨著煤炭開采煤壁由三向受力轉向兩向受力，在采動動壓影響下采面前方煤壁會受到較大的垂向應力以及剪切應力作用，當煤體抗剪強度小于受到的剪切應力時煤壁出現片幫。為了確保采面生產安全，液壓支架應安裝護幫板且高度在800mm以上。

1.2 支架防失穩

采面煤炭開采高度增加時液壓支架重量及重心高度增加，因此可通過增加支架架寬及中心距方法來提升支架穩定性。支架在空載狀態時提升至最大高度后，頂梁與底座中心位置偏差控制在80mm以內，且在支架底座安裝防倒設施[4]。通過控制液壓支架重心高度可避免支架失穩，移架時作用到頂梁的側推力應小于支架自身重力。

2 支架自動控制原理

液壓支架自動控制時需要布置相應檢測傳感器以及電液控制系統，通過傳感器獲取液壓支架位置、狀態數據，通過數據分析、處理后對支架自動控制模型進行修正并優化電液控制參數及控制程序，確保液壓支架可平穩運行，實現自動化、智能化操控。

液壓支架自動控制依據電液控制系統，并根據預先設定的智能控制方案，實現液壓支架與頂板耦合作用、煤壁控制并避免自動移架時出現失穩或者鄰近支架碰撞問題，實現液壓支架自動控制，

控制器是實現液壓支架自動控制的主要設備，每臺液壓支架上均布置獨立的控制器，采用通信線纜、連接器等將控制器并聯。控制系統中布置的壓力傳感器監測立柱、頂板以煤壁壓力;行程傳感器監測護幫千斤頂、推移千斤頂等位置，為判定液壓支架位置以及狀態提供參考;接近傳感器用以監測多級護幫板工作狀態，確保護幫板在運行時不會出現干涉問題;高度傳感器用以監測液壓支架支撐高度，在控制支架高度同時確保支架高度相同，避免個別支架支撐高度過大或者過低導致壓實、不穩問題;紅外傳感器用以監測采煤機運行位置、姿態，確保在滿足采煤機開采工藝下的自動跟機運行。

3 自動控制方案

井下回采工作面作業空間為狹小的矩形，其中液壓支架用以為采煤機、刮板輸送機運行提供安全空間。在液壓支架自動控制運行時應重點考慮以下幾個方面：

3.1 頂板管理

采面頂板壓力對液壓支架狀態有顯著影響，制定的控制方案應包括以下方面：

3.1.1 支架升架時應有足夠初撐力

支架在供液系統壓力下升起，頂板與頂板應密切接觸，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定，使得液壓支架可迅速進入恒阻狀態。為了減少移架期間頂板下沉量應在移架升柱期后給支架足夠的初撐力;當采面回采過破碎帶時應采用帶壓移架方式，從而在移架期間對破碎頂板進行控制。

支架升柱完成后由于各方面原因會導致支架卸壓、立柱壓力降低，此時應通過自動補壓裝置給立柱自動補充乳化液，確保支架次初撐力在預定范圍內。液壓支架高度出現變化時會導致頂梁出現位移。支架高度由3.5m增加至5.0m時頂梁位移變化8mm、高度由5.0m增加至5.1m時頂梁位移變化11mm。因此，支架升架后應立即伸出伸縮梁，并調整護頂技術方案。

3.1.2 煤壁管理

通過行程傳感器以及壓力傳感器可檢測液壓支架護幫幫位置狀態以及煤壁壓力。通過行程傳感器獲取護幫板工作狀態確保護幫板可為煤壁提供足夠水平支撐力。當采面開采煤層厚度較大時采用的多級護幫板需按一定的順序動作，采用護幫板上布置的接近傳感器對護幫板姿態進行監測、控制。在采煤機回采時若探測到護幫板未及時收回，采煤機立即停機運行。

3.1.3 支架失穩控制

液壓支架重心位置隨著支架高度增加而升高，重心越高支架穩定性越差，越容易出現倒架、側滑問題。通過增加支架寬度、底座長度并縮短移架間隙可在一定程度上提升支架穩定性。采用傾角傳感器測量掩護梁、頂梁擺角，確保擺角差值在15°之內。

3.2 支架智能跟機控制

液壓支架智能跟機控制是依據采煤工藝并通過液壓支架、采煤機相互配合達到有序控制目的，避免支架在跟機期間出現丟架問題，確保自動、智能跟機效果。

圖1? ?支架護幫板逐架回收示意圖

由于液壓支架多級護幫采用聯動控制方式，護幫板回收速度響度較慢，與采煤機推移速度不匹配。若采用降低采煤機回采推進速度方式則會明顯降低采面產量，為了解決上述問題，提出采用逐架回收方式來與采煤機回采進行匹配。具體操作為：對液壓支架護幫板回收動作進行分級，在與采煤機相距較遠位置支架護幫板回收動作小。采煤機前方6架支架護幫板動作，與采煤機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架進行控制，具體控制見圖1。采用逐架回收不僅可滿足采煤機與護幫板回收匹配問題，而且避免煤壁片幫。

4 總結

①對井下綜采工作面液壓支架自動控制技術進行分析，通過傳感器、電液控制系統實現液壓支架自動跟機移動，采用自動補壓裝置對支撐壓力不足的支架進行自動補壓，確保支架工作阻力，維護頂板穩定;

②液壓支架護板幫采用逐架回收方式與采煤機進行匹配，不僅滿足采面煤炭開采需要而且降低煤壁片幫發生率。液壓支架自動跟機技術避免人工移架時造成支架工作阻力分布不均衡、勞動強度大等問題;

③液壓支架自動控制時采用優化支架重心位置、帶壓移架等方式避免支架失穩，為厚煤層開采創造良好條件。

參考文獻：

[1]任陽.大采高工作面液壓支架自動控制技術研究[J].煤礦機械，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動作研究和應用[J].煤礦機械，2020，41（06）：155-157.

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

[4]任建庭.液壓支架電控系統的設計[J].機械管理開發，2020，35（01）：176-177+200.

作者簡介：

雷慶海（1985- ），山西省沁源縣人，2007年6月畢業于山西煤炭職業技術學院，大專，現為工程師。