工作面液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究

馬騰飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣永安宏泰煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

煤礦生產(chǎn)為綜合一體化的復(fù)雜工程，涉及到采掘、通風(fēng)、支護(hù)等各個(gè)專業(yè)，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架三大生產(chǎn)設(shè)備號稱工作面“三機(jī)”。液壓支架作為綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，是保證工作面設(shè)備和人員安全的基礎(chǔ)。目前，所謂的綜采工作面的自動化生產(chǎn)涉及到的自動化工作面僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)對工作面的整體監(jiān)測，基于綜采設(shè)備自適應(yīng)控制系統(tǒng)并未完全實(shí)現(xiàn)高效、智能以及無人化的生產(chǎn)。因此，本文重點(diǎn)對工作面液壓支架的自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，擬為后期整個(gè)綜采工作面的自適應(yīng)控制奠定基礎(chǔ)。

1 工作面液壓支架自適應(yīng)控制基礎(chǔ)研究

工作面液壓支架的支護(hù)與其所采用的開采方式相關(guān)，歸其原因在于不同的開采方式對應(yīng)的工作面圍巖的變化規(guī)律不同，對應(yīng)綜采工作面的頂煤運(yùn)動和移動規(guī)律不同，工作面頂板的破壞規(guī)律不同。在上述綜合因素的影響下實(shí)現(xiàn)對液壓支架的自適應(yīng)控制。

1.1 液壓支架與工作面圍巖耦合關(guān)系的界定

從某種意義上講，可以將工作面液壓支架與頂板圍巖視為一個(gè)整體。而且，根據(jù)相關(guān)實(shí)踐數(shù)據(jù)和理論分析可知液壓支架的支撐能力與工作面頂板的采空區(qū)和采煤工藝相關(guān)，并主要與工作面頂板的下沉量關(guān)系密切。

從工作面空間分析，液壓支架與頂板圍巖的一體化模型可分解為基本頂、直接頂、液壓支架、底板；同時(shí)，液壓支架的支撐主要與工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律相關(guān)，具體如下：

1）對于同一個(gè)綜采工作面，工作面放頂煤開采支撐壓力的分布范圍較一次采全高開采的分布范圍大，且壓力峰值處于前移狀態(tài)；

2）對于放頂煤開采工藝，液壓支架的支撐能力與其采煤高度無明顯關(guān)系，但是與煤層的硬度相關(guān)，即煤層的硬度越大對應(yīng)液壓支架的承受載荷越大[1]。

1.2 液壓支架自適應(yīng)控制模型

實(shí)現(xiàn)液壓支架自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)為根據(jù)液壓支架當(dāng)前的支護(hù)狀態(tài)和圍巖狀態(tài)得出液壓支架的最佳支護(hù)狀態(tài)，進(jìn)而在當(dāng)前支護(hù)的基礎(chǔ)上對液壓支架進(jìn)行控制。以兩柱放頂煤液壓支架為例，液壓支架的自適應(yīng)控制模型可分為三部分：

1）液壓支架姿態(tài)與圍巖及頂板的智能耦合；

2）液壓支架頂梁與工作面頂板的智能耦合；

3）液壓支架護(hù)幫板與工作面兩幫煤壁的智能耦合。

為實(shí)現(xiàn)液壓支架與工作面頂板、圍巖和煤壁的智能耦合，需在液壓支架設(shè)置不同的監(jiān)測點(diǎn)，包括對壓力、姿態(tài)、煤壁耦合等位置的監(jiān)測。各類監(jiān)測點(diǎn)的布置位置及功能如表1 所示。

表1 液壓支架自適應(yīng)控制監(jiān)測點(diǎn)位置及功能

其中，壓力監(jiān)測點(diǎn)布置壓力傳感器對液壓支架立柱和平衡千斤頂壓力值進(jìn)行監(jiān)測；姿態(tài)監(jiān)測點(diǎn)布置傾角傳感器；煤壁耦合監(jiān)測點(diǎn)主要通過布置行程傳感器對千斤頂?shù)幕钊麠U形成進(jìn)行監(jiān)測。

1.3 液壓支架自適應(yīng)控制流程及算法

在上述三類監(jiān)測點(diǎn)布置完成后，對應(yīng)的液壓支架自適應(yīng)控制流程如下頁圖1 所示，基于壓力傳感器、傾角傳感器所獲取的數(shù)據(jù)傳輸至支架姿態(tài)運(yùn)算處理器所得處理結(jié)果與護(hù)幫板的行程傳感器和壓力傳感器采集的參數(shù)傳輸至支架參數(shù)閾值比較轉(zhuǎn)換器，最終將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸至支架控制器得出直接控制的指令。

圖1 液壓支架自適應(yīng)控制流程

2 液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)的集成與試驗(yàn)

2.1 液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)的集成

液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一套多層次且多次交互的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其監(jiān)控性能具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和延伸性。其中，液壓支架電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)控制的直接執(zhí)行系統(tǒng)，液壓支架質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)為其自適應(yīng)控制功能實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)，主要獲取液壓支架的姿態(tài)、受力狀態(tài)和支護(hù)狀態(tài)等參數(shù)。

基于對液壓支架支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測、處理并與電液控制系統(tǒng)集成后，最終實(shí)現(xiàn)對液壓支架支護(hù)狀態(tài)的自適應(yīng)控制，達(dá)到對工作面圍巖的最佳支護(hù)，同時(shí)還能夠避免液壓支架處于最佳工作狀態(tài)，變相延長設(shè)備的使用壽命。液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)的集成如圖2 所示。

圖2 液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)集成效果圖

2.2 液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)

在上述理論研究分析的基礎(chǔ)上，以ZFY18000/28/53D 液壓支架為基礎(chǔ)，將其集成的自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，該液壓支架的關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示。

表2 ZFY18000/28/53D 關(guān)鍵參數(shù)

本試驗(yàn)的測試系統(tǒng)包括有3 臺主機(jī)、10 臺姿態(tài)傳感器、5 個(gè)壓力傳感器以及其他相關(guān)的壓力表、角度儀和測距儀組成。主要對通過傳感器獲取的參數(shù)換算的連桿、掩護(hù)梁的高度與采用角度儀、測距儀直接測定的參數(shù)進(jìn)行對比。當(dāng)立柱伸長量為402 mm，采用以頂梁-掩護(hù)梁-底座對不同姿態(tài)下所得的數(shù)據(jù)對比結(jié)果如表3 所示。

表3 不同姿態(tài)下前后連桿、掩護(hù)梁的偏差對比 mm

分別得出當(dāng)立柱伸長量為848 mm、1513 mm、1945 mm 和2354 mm 下不同姿態(tài)對應(yīng)的偏差值。同樣的，分別采用以頂梁-后連桿-底座和頂梁-前連桿-底座兩種方案下的測量結(jié)果進(jìn)行對比，鑒于篇幅有限，此處僅列出表3 的數(shù)據(jù)。三種方案對應(yīng)的偏差壓分布如圖3 所示。

圖3 不同方案對應(yīng)的偏差對比

如圖3 所示，采用頂梁-前連桿-底座方案基于傳感器所測得的數(shù)據(jù)與實(shí)際測量數(shù)據(jù)偏差最小，可作為對液壓支架自適應(yīng)控制最為扎實(shí)的支撐。

3 結(jié)語

液壓支架作為綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)中能夠?qū)崿F(xiàn)其與工作面圍巖變化、煤壁變化，實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)控制對于保證工作面安全、高效生產(chǎn)具有重要意義[2]。首先，需在液壓支架頂梁、掩護(hù)梁、千斤頂、護(hù)幫板等位置放置壓力傳感器、行程傳感器和傾角傳感器對液壓支架的壓力、姿態(tài)和護(hù)幫板進(jìn)行監(jiān)測；而后，通過液壓支架姿態(tài)處理器和閾值比較換算器得出對液壓支架的自適應(yīng)控制指令。通過試驗(yàn)可知：采用頂梁-前連桿-底座的布置方式能夠?yàn)橐簤褐Ъ艿淖赃m應(yīng)控制提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。