綜采面支架立柱安全閥運行工況檢測技術(shù)研究

劉 正,郭宏偉

(國能神東煤炭集團有限責任公司移動應用項目部，陜西 榆林 719315)

0 引言

煤礦智能化建設(shè)進程加速推進，產(chǎn)生了大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，支架壓力數(shù)據(jù)就是其中一種，其不僅可以反映頂板來壓狀態(tài)和支架壓力加載特性，還可以對支架安全閥運行工況進行監(jiān)測。綜采工作面液壓支架在泵站的壓力下達到初撐力，在頂板壓力的持續(xù)作用下壓力不斷增加，經(jīng)歷增阻階段，然后在支架立柱安全閥的調(diào)節(jié)作用下處于恒阻階段達到工作阻力，發(fā)揮支架最佳支護特性。綜采面周期來壓時，頂板作用到支架上的壓力增大，支架立柱通過兩個安全閥的動作溢流來使得支架立柱下縮，以應對頂板的下沉，給頂板讓出一定空間，防止支架零部件在巨大礦山壓力作用下?lián)p壞，通過調(diào)動綜采面相鄰支架工作阻力，保證采場處于最佳整體支護狀態(tài)。當支架立柱安全閥壓力達到設(shè)定的關(guān)閉壓力時，安全閥關(guān)閉溢流，立柱下腔壓力開始回升，減少頂板下沉，如此周而復始。由此可見，安全閥在支架液壓系統(tǒng)中的重要作用。

目前，綜采面來壓時，通過人工巡檢的方式，觀測到支架左右立柱安全閥溢流泄液時，進行立柱下沉量和立柱壓力統(tǒng)計，作為來壓劇烈情況的參考和判斷，為生產(chǎn)決策提供幫助。日常檢修時，支架工需每天對安全閥完好情況進行檢查，定期升井校驗安全閥壓力，安全閥維護成本較高。支架壓力傳感器、支架立柱安全閥均與支架立柱下腔連通，通過立柱壓力傳感器數(shù)據(jù)即可獲取安全閥和立柱壓力實時數(shù)據(jù)。隨著神東公司生產(chǎn)數(shù)據(jù)倉庫的建成，13礦14井礦壓數(shù)據(jù)已經(jīng)全部統(tǒng)一集中存儲。通過分析支架立柱壓力歷史曲線數(shù)據(jù)，提取每個綜采面每臺支架每個立柱的安全閥動作情況，及時獲得當前時間段內(nèi)整個綜采面支架立柱安全閥泄液情況，統(tǒng)計安全閥動作支架數(shù)量及分布，關(guān)聯(lián)各支架立柱下沉量，就可以判斷出當前綜采面的來壓情況，從而更好地組織和安排下一步綜采工作面生產(chǎn)工作；通過對“拒動”異常支架安全閥精確定位，還能提升日常安全閥檢修效率和質(zhì)量，為公司各綜采面節(jié)約大量因維護投入的人力和物力費用。

1 安全閥工作過程及工作原理分析

液壓支架是機械化綜采工作面的核心設(shè)備之一，安裝于立柱的安全閥是液壓支架的重要組成部分，它被用來限制液壓支架實際的工作阻力，使其不超過允許值。在液壓支架實際工作過程中，當頂板來壓突然下降，支架活塞桿隨之下降，從而引起立柱內(nèi)腔乳化液壓力迅速上升，工作液體從安全閥進液口進入，作用在安全閥小閥芯和大閥芯端面上，同時乳化液通過主閥芯的阻尼小孔作用在差動式結(jié)構(gòu)的環(huán)形面積上，隨著液壓支架活塞桿進一步下降。當立柱內(nèi)腔壓力升高到小閥芯的開啟壓力時，小閥芯幵始溢流，使工作液體從出液口流出，保證了壓力的穩(wěn)定。當活塞桿持續(xù)下降，壓力繼續(xù)升高，小閥芯逐漸全部開啟但還不卸載的情況下，立柱內(nèi)腔壓力繼續(xù)上升。當達到大閥芯開啟壓力時，大閥芯也開始溢流，大部分乳化液通過大閥芯出液口排出，立柱再次下沉，進而保證液壓支架工作狀態(tài)。當頂板下沉以及安全閥溢流到一定程度后，壓力降至關(guān)閉壓力后，安全閥就會停止泄液并進行復位，如圖1所示。

圖1 液壓支架立柱安全閥工作回路Fig.1 Working circuit of hydraulic support column safety valve

2 支架壓力歷史數(shù)據(jù)分析及安全閥工況檢測技術(shù)研究

2.1 單個液壓支架立柱壓力的歷史數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)代化綜采工作面裝備的液壓支架系統(tǒng)都集成了多種傳感器，如支架雙立柱壓力傳感器、采高傳感器、傾角傳感器和推移行程傳感器等，這些數(shù)據(jù)通過支架電液控制系統(tǒng)集中采集和上傳。采集的數(shù)據(jù)都能滿足秒級響應。一臺支架立柱壓力傳感器1 h采集的實時壓力數(shù)據(jù)量為3 600條，一個班按8 h計算，產(chǎn)生28 800條數(shù)據(jù)。因此，支架立柱壓力傳感器數(shù)據(jù)處理屬于海量的時序數(shù)據(jù)處理。

首先要對原始數(shù)據(jù)進行預處理。這里用到了海量時序數(shù)據(jù)的“變化存儲”進行數(shù)據(jù)預處理。具體講就是要先經(jīng)專業(yè)采集軟件進行“變化存儲”，所謂的“變化存儲”就是數(shù)據(jù)有變化才會進行采集和存儲，采用的是一種“旋轉(zhuǎn)門壓縮”算法，使得數(shù)據(jù)經(jīng)過初步的壓縮處理。數(shù)據(jù)壓縮倍數(shù)為3 600條/42條，壓縮量近百倍。通過數(shù)據(jù)預處理，數(shù)據(jù)從源頭上成百倍地被壓縮掉，但是基本的波形特征、骨干信息和數(shù)據(jù)細節(jié)都被保留了下來。

通過單個立柱壓力傳感器歷史曲線的提取和展示，結(jié)合其實際安全閥開啟情況進行業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)匹配，從中去發(fā)掘數(shù)據(jù)形態(tài)與實際運行工況的對應關(guān)系。該立柱壓力曲線的波形特征為：①和平常的壓力曲線波形不同，該波形在46 MPa壓力上下震蕩，而正常壓力波形在降架之前是一直升高的；②波形震蕩區(qū)間波動幅度不大，且未突破下限44 MPa。而實際的安全閥設(shè)定的開啟壓力值為46.3 MPa，設(shè)定的安全閥關(guān)閉壓力值為44.3 MPa。現(xiàn)場這一時間段內(nèi)，支架右立柱安全閥在來壓期間正常溢流泄液，直到下一割煤循環(huán)停止。

通過分析，安全閥在設(shè)定的開啟壓力下動作而泄液，在設(shè)定的關(guān)閉壓力下而復位，對應的正常數(shù)據(jù)形態(tài)也應該如此。以下建立具體的安全閥動作模型，并依照數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形態(tài)，進行時序數(shù)據(jù)分解對應，最終建立安全閥動作的壓力數(shù)據(jù)模型。

2.2 單個液壓支架立柱安全閥的“動作-數(shù)據(jù)”模型

安全閥動作要點分析：①達到設(shè)定開啟壓力時而動作，進行溢流；②正常動作時在頂板和安全閥自身結(jié)構(gòu)共同作用下，立柱內(nèi)腔壓力在設(shè)定開啟壓力附近區(qū)間振蕩；③達到設(shè)定關(guān)閉壓力時而動作，停止泄液，立柱內(nèi)腔壓力開始回升；④安全閥異常時，達到設(shè)定開啟壓力而不動作，壓力持續(xù)攀升；⑤降至關(guān)閉壓力而不關(guān)閉泄液，立柱下沉量過大。

由于時序數(shù)據(jù)是連續(xù)立柱壓力的離散采樣，數(shù)據(jù)要么持續(xù)不變要么進行波動。利用相鄰的2個采集數(shù)據(jù)做對比，就可以反應安全閥的動作情況。設(shè)當前有效數(shù)據(jù)為Vi，前一個有效數(shù)據(jù)為Vi-1。如圖2所示，具體對應關(guān)系如下：

圖2 立柱安全閥動作的壓力數(shù)據(jù)模型時序動作分解示意Fig.2 Time sequence action decomposition of the pressure data model of the action of the column safety valve

(Vi-Vi-1)>0&&((VH-Vi-1)≥0&&(Vi-VH)≥0)用序列化符號F12標記，表示壓力達到設(shè)定開啟壓力VH或壓力區(qū)間振蕩時而向上穿過VH。

(Vi-Vi-1)<0&&((VH-Vi-1)≤0&&(Vi-VH)≤0)用序列化符號F23標記，表示壓力因溢流而向下穿過VH。

(Vi-Vi-1)<0&&((VL-Vi-1)≤0&&(Vi-VL)≤0)用序列化符號F34標記，表示壓力達到設(shè)定關(guān)閉壓力VL而向下穿過VL。

(Vi-Vi-1)>0&&((VL-Vi-1)≥0&&(Vi-VL)≥0)用序列化符號F45標記，表示壓力因停止泄液而向上穿過VL。

通過以上描述，建立安全閥的“動作-數(shù)據(jù)”模型，把安全閥運行的狀態(tài)時序數(shù)據(jù)進行序列化符號描述和標記(即4大基本時序動作用序列號符號F12、F23、F34和F45描述和標記)。

2.3 單個液壓支架壓力數(shù)據(jù)提取安全閥運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)處理方法

為了進行量化分析，分別設(shè)置isUpHigh、isDownHigh、isDownLow和isUpLow數(shù)據(jù)監(jiān)測整型變量分別對4大基本時序動作F12、F23、F34和F45進行計數(shù)，初始值均為0。對時序動作還設(shè)置了Path字符串變量進行統(tǒng)一記錄，初始值為空字符串。

具體做法：當觸發(fā)時序動作F12時，isUpHigh自增1，Path字符串尾部連接字符串“，F(xiàn)12”(其中逗號作為分隔符)；當觸發(fā)時序動作F23時，isDownHigh自增1，Path字符串尾部連接字符串“，F(xiàn)23”；當觸發(fā)時序動作F34時，isDownLow自增1，path字符串尾部連接字符串“，F(xiàn)34”；當觸發(fā)時序動作F45時，isUpLow自增1，Path字符串尾部連接字符串“，F(xiàn)45”。這樣，對于4大基本時序動作就做到了數(shù)量上和時序先后的統(tǒng)一記錄，即通過設(shè)置以上5個特征量，對安全閥運行的壓力連續(xù)曲線數(shù)據(jù)進行量化描述。

完整數(shù)據(jù)處理流程表述：對實時采集的液壓支架壓力時序數(shù)據(jù)或者歷史壓力數(shù)據(jù)進行連續(xù)處理，通過對時序動作的持續(xù)捕捉，同時通過設(shè)置序列化符號形成的字符串記錄變量(Path)、各狀態(tài)數(shù)量監(jiān)測變量(isUpHigh、isDownHigh、isDownLow和isUpLow)進行記錄，就可對形成的記錄進行量化分析。最后，又經(jīng)過大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)測試，形成了以下運行狀態(tài)的具體判別依據(jù)。①當支架壓力在達到設(shè)定開啟壓力情況下，多次在上區(qū)間(VH-Δ，VH+Δ)振蕩，就可判定立柱安全閥正常進行開啟和溢流，具體判定參數(shù)為isUpHigh>0&&isDownHigh>0。②當支架壓力在達到設(shè)定關(guān)閉壓力情況下，壓力緩慢回升，即可判定立柱安全閥正常關(guān)閉和停止泄液，具體判定參數(shù)為isUpHigh>0&&isDownLow>0&&isDownLow<2。上述兩者均正常，即可判定此安全閥運行狀態(tài)正常，具體判定參數(shù)為isUpHigh>0&&isDownLow>0&&isDownLow<2。③當支架壓力在達到設(shè)定開啟壓力情況下，壓力持續(xù)上升，通常是設(shè)定的安全閥開啟壓力過高，即VH與實際不符，或是安全閥異常，具體判定參數(shù)為isUpHigh>0&&isDownHigh<1。④當支架壓力在達到設(shè)定關(guān)閉壓力情況下，壓力持續(xù)下探，通常是設(shè)定的安全閥關(guān)閉壓力過低，即VL與實際不符，或是安全閥異常，具體判定參數(shù)為isUpHigh>0&&isUpLow<1。核心算法和數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 核心算法和數(shù)據(jù)處理流程Fig.3 Core algorithm and data processing flow

除此之外，還有一種情況未囊括其中，就是當支架設(shè)定的安全閥開啟壓力遠遠低于VL的情形，此種形態(tài)，可借助統(tǒng)計學原理進行排查。以下介紹整個綜采面支架安全閥運行工況的統(tǒng)計學排查方法和原理。

2.4 多臺液壓支架某個時間段安全閥運行工況的統(tǒng)計學分析

當綜采工作面劇烈來壓時，采場上覆巖層形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)，該力學結(jié)構(gòu)傳遞靜載荷和動載荷到綜采面成組支架上，正常情況下，該部分力被區(qū)域內(nèi)支架共同承擔，分布到每臺支架的載荷具有連續(xù)性。利用該礦山壓力理論，繪制來壓時間段內(nèi)的綜采面所有支架安全閥開啟情況分布圖，如圖4所示。

圖4 綜采工作面支架立柱安全閥動作分布Fig.4 Action distribution of safety valve of support column in fully mechanized mining face

通過對綜采面所有支架安全閥動作情況統(tǒng)計匯總，統(tǒng)計安全閥動作支架數(shù)量及分布，不僅可通過動作數(shù)量和分布規(guī)律來反映當前綜采面的來壓范圍，而且根據(jù)來壓分布的連續(xù)性，45#、48#、54#和65#支架這些應該動作卻未動作的“拒動”支架安全閥被凸顯，假若連續(xù)兩次劇烈來壓而未動作，就可以判定安全閥處于異常狀態(tài)。

3 技術(shù)的計算機實現(xiàn)與技術(shù)優(yōu)點

采用計算機編程的方式實現(xiàn)，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行實時或者歷史計算，使得每個綜采工作面全部支架左右立柱壓力數(shù)據(jù)可被在線實時或者歷史自動提取。需要指出，無論采用哪種編程方式，核心思想及判據(jù)不會變，算法的具體實現(xiàn)與所用編程語言無關(guān)。

該檢測技術(shù)是依靠煤礦綜采工作面支架立柱壓力傳感器數(shù)據(jù)進行支架立柱安全閥運行工況檢測的核心方法。該方法不依靠信號處理手段檢測振蕩波形這種數(shù)據(jù)處理方法，完全結(jié)合現(xiàn)場業(yè)務(wù)邏輯、立柱壓力傳感器采集數(shù)據(jù)特點以及支架立柱安全閥動作特點，采用建立立柱安全閥動作的壓力數(shù)據(jù)模型，劃分安全閥運行4大基本時序動作的方式來提取關(guān)鍵特征，形成了基于立柱壓力數(shù)據(jù)檢測整個綜采面安全閥運行工況的一整套技術(shù)體系及數(shù)據(jù)處理流程。

4 技術(shù)應用

神東礦區(qū)13礦14井30多個綜采工作面支架立柱壓力傳感器數(shù)據(jù)涉及到瑪柯、天瑪及EEP多個廠家電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)立柱壓力數(shù)據(jù)采集與存儲秒級響應。該技術(shù)體系成功應用于神東礦區(qū)所有煤礦，并提供了歷史數(shù)據(jù)查詢和檢測結(jié)果校驗功能，使得系統(tǒng)功能不斷健全。兩年多來，系統(tǒng)數(shù)據(jù)準確率在96%以上。

5 結(jié)語

通過支架壓力數(shù)據(jù)來提取安全閥動作軌跡，根據(jù)業(yè)務(wù)邏輯將安全閥動作軌跡分解為時序動作，通過時序動作可對支架各安全閥的運行工況進行判斷；能識別安全閥異常工況：達到設(shè)定開啟壓力而沒有開啟或達到設(shè)定關(guān)閉壓力而持續(xù)泄液不保壓情況；通過匯總功能而具有統(tǒng)計分析能力，給出任意綜采面任意時間段內(nèi)安全閥動作支架數(shù)量和分布，進而對實際“拒動”的支架安全閥進行異常檢測；按班進行數(shù)據(jù)計算和報表生成，為綜采區(qū)隊班前會的生產(chǎn)組織安排提供數(shù)據(jù)支持。總之，該檢測技術(shù)利用煤礦綜采工作面液壓支架立柱壓力傳感器數(shù)據(jù)，形成一整套計算支架立柱安全閥運行工況的技術(shù)體系和數(shù)據(jù)處理體系，并經(jīng)過實踐檢驗，成功用于整個綜采面立柱安全閥運行工況監(jiān)測。