郭莊煤業液壓支架自主跟機控制系統的應用研究

武良杰

(山西潞安郭莊煤業有限責任公司，山西 長治 046100)

潞安集團郭莊煤業有限責任公司開拓采用立井單水平方式，在井下進行綜采作業時需要隨著采煤機、刮板輸送機的運行不斷調整液壓支架的支護站位，以確保井下綜采作業的安全。目前郭莊煤業對液壓支架的調整完全依靠人工根據采煤機、刮板輸送機的位置來對其支護位置進行調節，勞動強度大，效率低，支護定位精度差，嚴重影響了井下綜采作業的安全性和效率。為了克服這種現狀，郭莊煤業成立了專門的技術攻關小組，對液壓支架的跟機自動化技術進行研究，經過近3年的技術攻關，研究了一種新的液壓支架自主跟機控制系統，其能夠根據刮板輸送機和采煤機的井下位置，自動對液壓支架支護組各個支架的動作方式、動作時間等進行調節，完全實現了液壓支架的自主跟機控制，目前其已經在11412綜采工作面投入了使用，表現出了極高的穩定性。

1 液壓支架自主跟機原理

在煤礦井下進行綜采作業時，液壓支架的核心的支護姿態主要包括支護的高度、支架頂梁的支護角度以及液壓支架護幫板的收放時機，液壓支架需要根據采煤機和刮板輸送機的位置進行自主決策，完成對護幫板的收放、液壓支架的升降、移位等動作，且其支護時的姿態也需要根據綜采作業的進行而不斷地進行調整。具體來說當采煤機沿前進方向靠近液壓支架時，液壓支架需要在指定的距離開始收回護幫板，避免其影響采煤機的截割作業，而位于采煤機后方的液壓支架則需要在采煤機遠離一定的距離后控制護幫板的打開。同時在采煤機最后側的液壓支架需要在指定的距離上完成“降架-移架-升架-支護”，當液壓支架完成移架后，由液壓支架上的推移液壓缸將其推入刮板輸送機的中部槽處，進行下一組的支護。液壓支架自主跟機與采煤機、刮板輸送機的動作原理如圖1所示[1]，圖中箭頭方向表示采煤機的運動方向，0號液壓支架的位置表示正對液壓支架的采煤機的中心位置，Δx3表示需要進行收護幫板的液壓支架的區域，Δx1表示距離采煤機中心后側需要伸出護幫板的第一個液壓支架的位置。Δx2表示第一個需要進行推溜作業的液壓支架距離Δx1位置的距離。

圖1 液壓支架的自主跟機動作示意圖

2 液壓支架自主跟機控制方法研究

液壓支架的自主跟機決策的實質是根據采煤機的截割作業位置和狀態決定執行何種跟機動作。由于煤礦井下地質條件復雜，采煤機運行狀態多變，若完全靠傳感器設備對采煤機的運行狀態進行判斷則極易造成截割作業過程中截割滾筒與液壓支架頂梁產生干涉。因此為提高液壓支架自主跟機控制系統的控制精確度，本文引入了紅外攝像機的視頻監控系統[2]，通過對采煤機搖臂上的信標的監控來實現對采煤機運行狀態的精確判斷，其自主跟機決策流程如圖2所示。

圖2 液壓支架自主跟機決策流程示意圖

由圖2可知，當進行液壓支架自主跟機決策控制時，系統首先對視頻系統的內部參數進行歸零處理，對視頻監控設備在液壓支架頂梁上的位置及采煤機搖臂上信標的位置參數進行校核，然后通過視頻系統對ArUco信息圖像進行監控，從而獲得一些3D-2D信息圖像的匹配參數，然后控制系統對獲得的信息參數進行求解轉換，同時再結合紅外監測機各類傳感器設備的監測數據即可求得采煤機與液壓支架的相對位置關系，及采煤機的下一步運行動作，最后即可對液壓支架的運行狀態進行控制，實現自主跟機控制。

3 液壓支架自主跟機監測系統

在該自主跟機控制系統中以雙CAN總線為基礎[3]，建立了井下綜采作業監控和井上控制中心的數據信息監測與遠程控制平臺。將各監測設備監測到的液壓支架和采煤機的位置狀態信號實時傳輸到地面上的監測控制中心，由監測人員對其運行狀態進行監控，并根據運行情況及時進行人工控制干預[4]，確保井下采煤機和液壓支架協同運行的可靠性與穩定性。井上監測控制中心的監測實時畫面如圖3所示。

圖3 井上遠程監測控制中心實時監測畫面

4 液壓支架的自主跟機控制系統的應用

該液壓支架自主決策系統已應用在郭莊煤業11412綜采工作面，各類傳感器設備在液壓支架和采煤機上的布置結構如圖4所示[4]。

圖4 液壓支架自主跟機決策系統傳感器布置結構示意圖

利用該自主決策控制系統對井下截割作業時采煤機的跟機控制過程進行監測，結果如圖5所示。

圖5 液壓支架自主跟機監控結果

由監測結果分析可知，該圖所示為采煤機位于19號液壓支架對應位置時液壓支架的支護高度、頂梁位置及支架聯動推移曲線。當液壓支架完成一個完整的降架-移架-升架動作后，各個液壓支架的支護高度均保持在1699～1702mm之間，其頂梁的支護角度的變化范圍均維持在了-1.8°～0.8°之間，各液壓支架支護狀態維持性較好。液壓支架執行自主決策根據控制的實際運行曲線和理論分析的液壓支架的運行位置曲線基本重合，彎曲滿足井下自主跟機控制的要求。

通過在郭莊煤業一年多的應用，實現井下綜采面直接減員5人，液壓支架支護效率提升4.4倍，支護可靠性和穩定性也得到了顯著的提升。目前該項目已完成驗收，計劃推廣到潞安集團其他煤礦。

5 結論

（1）采用紅外攝像機的視頻監控系統能夠提高對采煤機和液壓支架相對位置與工作姿態判斷的準確性。

（2）在該自主控制系統作用下液壓支架完成一個完整的降架-移架-升架動作后，各個液壓支架的支護高度均保持在1699～1702mm之間，其頂梁的支護角度的變化范圍均維持在了-1.8°～0.8°之間，控制精度高。

（3）自動化程度高，實現井下綜采面直接減員5人，液壓支架支護效率提升了4.4倍，支護可靠性和穩定性也得到了顯著的提升。