液壓支架的智能化自適應控制研究

湯明明

（山西鄉寧焦煤集團富康源煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

引言

放頂煤開采工藝為煤炭開采的常用方式之一，其中根據頂煤的冒落程度對放煤口開啟和關閉時機的把握是實現該開采工藝自動化的核心問題。目前，液壓直接頂煤的冒落程度主要依靠現場工人目測并根據其經驗綜合判斷放煤口的開啟和關閉，在實際生產中常發生過放或欠放的情況，導致大量的煤矸石和丟煤混入原煤中，增加了后期的洗煤成本和煤炭資源的浪費[1]。因此，針對液壓支架的智能化自適應控制展開研究，在自動化工作面的基礎上增加智能化放煤，對于促進我國礦井的智能化、數字化建設具有重要意義。

1 液壓支架智能化自適應控制的理論基礎

為保證液壓支架根據頂煤的冒落程度完成其智能化自適應控制的目的，避免過放和欠放現象的發生。針對綜采放頂煤開采工藝有必要對頂煤開采工藝對應的圍巖變化規律、頂板的破話機理以及液壓支架與頂煤相互作用的機理進行研究。

在綜采工作面的垂直方向，放頂煤開采體系包括有基本頂、直接頂、支架以及底板組成。放頂煤開采工藝與分層開采、一次全采高開采工藝不同，該工藝一次采出煤炭的厚度角度為放煤和機采兩部分的綜合厚度。放頂煤開采工藝對應的礦壓顯現規律的特點總結如下：

1）放頂煤開采工藝下工作面支承壓力的分布范圍交廣，其壓力峰值與一次采高和分層開采而言相對前移；

2）放煤開采工藝下液壓支架的承受載荷與工作面煤層的硬度相關。煤層硬度越大，液壓支架的支承載荷越大；且其支承載荷大于分層開采和一次采全高工藝；

3）放頂煤開采工藝容易發生煤壁片幫和液壓支架冒頂的現象。因此，針對放頂煤開采工藝下液壓支架的選型應主要考慮其防片幫結構和前端支承力；

4）放頂煤開采工藝下液壓支架容易出現低頭或仰頭的現象，且液壓支架的合力作用的變化范圍較為廣泛[2]。

本文所研究液壓支架的型號為ZFY18000/28/53D，該型液壓支架的主要參數如表1所示：

表1 ZFY18000/28/53D液壓支架主要參數

液壓支架實現智能自適應控制的基礎為液壓支架與圍巖智能耦合監測，包括液壓支架姿態與工作面圍巖、頂煤的耦合監測；液壓支架頂梁與頂板之間相互作用力的智能耦合監測；液壓支架護幫板與工作面煤壁的智能耦合監測。上述三類智能耦合監測通過其布置的壓力監測點、姿態監測點和煤壁監測點實現，具體布置如下頁圖1所示。

基于如下頁圖1所示的各類傳感器對液壓支架的平衡上下腔、立柱下腔、掩護梁傾角、底座傾角以及頂梁傾角參數監測后，通過支架姿態運算處理后與支架參數閾值比較轉換器分析后，對液壓支架控制器進行控制，從而實現對液壓支架的智能化自適應控制[3]。

圖1 液壓支架智能耦合監測布置圖

2 煤矸石精準識別方法研究

實現液壓支架的自適應智能化控制的關鍵在于解決放煤過程的智能化控制。目前，液壓支架的控制主要通過電液控制系統實現，該種控制方式相對比較機械化，無法保證其根據煤層的變化對放煤操作進行智能化控制，即根據頂煤賦存條件變化對放煤口開啟和關閉的智能化控制。本項目以液壓支架尾梁安裝的振動信號傳感器對頂煤冒放過程進行監測，對煤層巖層的智能識別并通過電液控制器實現智能化放頂煤操作。

針對工作面頂煤冒放過程的監測，可采用射線含量測定、熱成像儀、聲音辨識、圖像處理法等方法。但是，由于γ射線含量不確定、煤炭和巖石的熱效應特征不明顯、工作面噪聲較大、粉塵濃度大圖像不清晰等問題，均導致上述方法效果不佳。為此，在液壓支架尾梁安裝振動傳感器對放煤過程中的煤矸石進行識別。本方向選用ADXL00liMEMS型煤矸識別傳感器保證上述功能的實現。

煤矸識別傳感器的安裝如圖2所示：

圖2 煤矸識別傳感器安裝示意圖

如圖2所示，將煤矸識別傳感器通過強力磁鐵安裝與液壓支架的尾梁腹板位置處。其中，液壓支架與液壓支架以及液壓支架與顯示終端采用無線通訊方式對采集信號進行傳輸。

實踐表明，采用上述煤矸石傳感器可準確判斷出巖石和煤炭撞擊液壓支架信號的區別。因此，基于煤矸識別傳感器可對煤矸放落過程進行辨識。同時，經實踐研究可知：矸石與液壓支架撞擊后滑落2.5 s后落入帶式輸送機。因此，為避免大尺寸矸石對裝載機和破碎機的沖擊應通過電液控制器的尾梁在2 s內完成收縮操作[4]。

3 液壓支架自適應控制技術研究

通過對煤矸的精準識別，對液壓支架支護質量的監測實現了對液壓支架支護狀態的自適應調整，從而保證液壓支架工作面圍巖、頂板的支護效果，提高了液壓支架的使用壽命，最終保障了綜采工作面安全生產。

首先，對于煤矸的精準識別可由煤矸石精準識別方法中所研究的高性能加速計完成；其次，對于液壓支架支護質量的監測，由現場布置于液壓支架的各類傳感器對每臺液壓支架的工作狀態進行監測為基礎，并在此基礎上基于無線通訊模塊形成質量監測網絡。液壓支架支護質量監測傳感器的布置如圖3所示：

圖3 液壓支架支護質量監測傳感器布置圖

為對液壓支架智能化自適應控制技術的深入研究，采用工業性試驗開展驗證試驗。首先，在液壓支架的頂梁、前后連桿、底座和掩護梁各安裝一臺傾角傳感器，并對頂梁-掩護梁-底座、頂梁-后連桿-底座以及頂梁-前連桿-底座三種算法所得理論計算與實測高度結果進行對比，并得出如表2所示的結論。

分析表2可知，以后連桿為主的算法與以前連桿算法為主液壓支架的支護高度的自適應控制與理論之間的誤差較小。因此，以前后連桿姿態算法實現對液壓支架的智能化自適應控制的可靠性更高[5]。

算法 最大誤差/mm最小誤差/mm平均誤差/mm以掩護梁為主 359 16 127.28以前連桿為主 161 8 79.04以后連桿為主 162 9 74.52

4 結語

液壓支架作為綜采工作面的主要支護設備，其支護質量好壞直接影響工作面生產安全性的高低。在實際生產中，要求液壓支架需根據煤層賦存條件的變化和放頂煤參數的變化進行智能化控制。為此，以高性能加速計為核心實現對工作面煤矸的準確識別，為液壓支架的智能化控制奠定基礎。實踐表明，通過前后連桿姿態算法對液壓支架的智能化控制功能的實現可靠性最高。為后續液壓支架智能化自適應控制功能的實踐應用奠定了基礎。