淺析大采高智能化液壓支架關(guān)鍵技術(shù)應用

曹哲哲，李 川，高小虎，楊 波，肖 曲

（陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727307）

0 引言

為了進一步推動國產(chǎn)大采高智能化綜采技術(shù)水平，提升智能化裝備能力，加快礦井安全、高效、少人化生產(chǎn)，實施大采高智能化開采技術(shù)勢在必行［1-4］。在實施大采高綜采智能化工作面的過程中遇到很多困難，隨著薄煤層、中厚煤層智能化開采技術(shù)的研究及成功應用，并最終實現(xiàn)大采高智能化綜采工作面的常態(tài)化運行，總結(jié)經(jīng)驗并為類似開采技術(shù)提供經(jīng)驗顯得尤為重要。因此，選取大采高智能化綜采工作面在調(diào)試過程中液壓支架自動跟機的關(guān)鍵技術(shù)進行介紹。

1 液壓支架全工作面自動跟機工藝

黃陵礦業(yè)公司二號煤礦大采高工作面液壓支架自動化控制的主要目標是實現(xiàn)工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)跟機自動化與采煤機記憶截割相結(jié)合的高效自動化采煤模式［5-8］。在大采高工作面，地質(zhì)條件極其復雜，三角煤區(qū)域不僅需要考慮支架移架、推溜和護幫等動作，還需兼顧護幫板及端頭超前支架動作速率［9-13］。經(jīng)黃陵礦業(yè)公司二號煤礦與天瑪公司研發(fā)人員深入生產(chǎn)一線，多次討論交流開采經(jīng)驗，在工作面SAC電液控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，深入研究井下實際采煤工藝及工人操作方式，得出大采高智能化綜采工作面液壓支架自動跟機工藝。

由實際情況分析可知，大采高智能化綜采工作面液壓支架自動跟機工藝具有5個方面的提高。主要體現(xiàn)在，優(yōu)化了SAC電液控制系統(tǒng)跟機自動化執(zhí)行階段，單個端頭三角區(qū)跟機作業(yè)僅劃分為4個階段，階段之間的轉(zhuǎn)換點和區(qū)域靈活性大幅增強。參照人工操作流程和習慣，調(diào)整跟機移架距離，有效提升了機身范圍內(nèi)頂板支護效果。在斜切進刀段安裝慢速邏輯推移閥，精準控制斜切進刀段支架推溜動作，減小了彎曲段支架行程控制誤差，實現(xiàn)了煤機進刀過程的緩慢過渡，降低了設(shè)備的損耗。按照采煤作業(yè)規(guī)程，最大限度壓縮斜切進刀距離，縮小采煤機回刀范圍，節(jié)省三角煤區(qū)域作業(yè)時間，提高了生產(chǎn)效率。端頭支架采用遙控式方式進行就地干預。

2 頂板破碎條件下液壓支架特殊工藝

根據(jù)黃陵礦業(yè)公司二號煤礦416大采高綜采工作面圍巖礦壓顯現(xiàn)特征及現(xiàn)場情況，工作面頂板破碎、煤層片幫及底板軟弱是工作面智能化開采中突顯的重點問題，針對此特殊問題對液壓支架的特殊工藝進行研究，需研究工作面頂板破碎條件下液壓支架特殊工藝。

針對工作面頂板破碎區(qū)域進行提前預知（感知、視頻等手段），通過液壓支架超前拉架（相對自動跟機情況下液壓支架提前進行拉架操作）的方式完成對工作面頂板破碎條件下的智能化處理，并形成自動跟機的頂板破碎條件下液壓支架特殊工藝。其頂板破碎條件下液壓支架特殊工藝，如圖1所示。第1工序首先確定工作面頂板破碎區(qū)域?qū)囊簤褐Ъ芴枖?shù)范圍，從起始架開始進行拉架操作；例如：頂板破碎區(qū)域為87#～96#架（416工作面架間距為1.75 m；采煤機機身長度為21 m，也即12個支架距離），共計10架范圍。第2工序為確定超前拉架起始架號，超前拉架后支架位置比正常工序多1個工序，處于已拉架狀態(tài)，根據(jù)頂板破碎情況，最終確定拉半個推移行程或者全推移行程；例如，采煤機行程到86#架后，從第87#～96#架開始拉架，拉架行程為960 mm，確保頂板破碎區(qū)域可以智能化開采。第3工序為確定超前拉架起始架號，超前拉架后支架位置比正常工序多1個工序，處于已拉架狀態(tài)，根據(jù)頂板破碎情況，最終確定拉半個推移行程或者全推移行程；例如：采煤機行程到86#架后，從第87#～96#架開始拉架，拉架行程為960 mm，確保頂板破碎區(qū)域可以智能化開采。

3 煤壁片幫條件下液壓支架特殊工藝

針對工作面煤壁片幫區(qū)域進行提前預知（壓力感知、視頻監(jiān)測等手段），并通過液壓支架壓力傳感器和行程傳感器的方式完成對工作面煤壁片幫條件下的智能化處理，并形成自動跟機的煤壁片幫條件下液壓支架特殊工藝。煤壁片幫條件下液壓支架特殊工藝，如圖2所示。

為了實現(xiàn)大采高工作面煤幫與液壓支架護幫板的自適應控制，一般選擇控制一級護幫板，二級護幫板通過雙向聯(lián)動液壓鎖實現(xiàn)自適應聯(lián)動控制，從而保證割煤過程中煤壁能夠得到及時支撐，從而實現(xiàn)防片幫控制。因此，如何實現(xiàn)液壓支架護幫板精準控制就是如何實現(xiàn)一級護幫板的精準控制。

3.1 煤壁片幫條件下液壓支架特殊工藝原理

工作面每個支架上均安裝接近開關(guān)、壓力傳感器、行程傳感器、支架控制器；接近開關(guān)、壓力傳感器、行程傳感器分別與支架控制器進行通訊連接；工作面上支架控制器相互通訊組成通訊網(wǎng)絡(luò)。

接近開關(guān)用來檢測液壓支架護幫板是否完全收回，并將此信息通過通訊發(fā)送給支架控制器，在采煤機運行過程中，可以感知采煤機前滾筒附近液壓支架護幫板的收回狀態(tài)，若液壓支架護幫板沒有完全收回，支架控制器控制液壓支架護幫板自動收回，直到接近開關(guān)檢測到液壓支架護幫板完全收回結(jié)束該動作；若在規(guī)定的時間內(nèi)液壓支架護幫板沒有完全收回，支架控制器通過通訊網(wǎng)絡(luò)向工作面報送故障預警，提醒采煤機操作工人采煤機前滾筒附近液壓支架護幫板出現(xiàn)故障，從而避免采煤機和液壓支架發(fā)生碰撞產(chǎn)生事故。

工作面液壓支架護幫板處于支護煤壁狀態(tài)時，壓力傳感器可以用來感知液壓支架護幫板對煤壁的支護效果，并將此信息發(fā)送給液壓支架控制器，如發(fā)現(xiàn)本架護幫板支護壓力沒有達到規(guī)定壓力則根據(jù)設(shè)定壓力自動進行護幫板動作，保證護幫板對煤壁的支護完好，有效防止大塊煤垮落對生產(chǎn)設(shè)備和人員產(chǎn)生危害。

當采煤機運行到支架附近時，支架控制器根據(jù)行程傳感器檢測的護幫板收回行程值對液壓支架護幫板動作進行精確控制，采煤機前滾筒前方距離最近的液壓支架護幫板自動完全收回，采煤機前滾筒前方的其它支架按遞減的方式依次自動收回不同的行程?，F(xiàn)有工作面由于不能對液壓支架護幫板收回行程進行精確控制，采煤機前滾筒前方的液壓支架護幫板收回一般采用兩種方式，一種為只有一個支架護幫完全收回，一種為有多個液壓支架護幫板完全收回。采用第一種方式時護幫板收回效率較低，影響采煤機運行速度和采煤效率，采用第二種方式時采煤機前滾筒前部會有多個液壓支架前的煤壁處在完全沒有護幫板支護狀態(tài)，此時有大塊煤垮落極易造成設(shè)備損壞和人員傷亡。以下所述的液壓支架護幫板階梯收回的方式克服了兩種方式的缺點。

3.2 煤壁片幫條件下液壓支架特殊工序

在大采高工作面多級護幫板伸出動作時，支架控制器的自動執(zhí)行順序為：伸出一級護幫板→伸出二級護幫板。行程傳感器實時檢測一級護幫板的伸出行程值并報送給支架控制器，當一級護幫板伸出行程值達到設(shè)定時開始伸出二級護幫板；若一級護幫板伸出保護時間到達而一級護幫板伸出行程值沒有達到時，禁止二級護幫板伸出動作，并發(fā)出一級護幫板伸出故障警告，防止發(fā)生多級護幫板動作干涉事故。圖3為基于煤壁片幫的液壓支架自動跟機工藝示意圖。

在大采高工作面多級護幫板收回動作時，支架控制器的自動執(zhí)行順序為：收回二級護幫板→收回一級護幫板。行程傳感器實時檢測二級護幫板的收回行程值并報送給支架控制器，當二級護幫板收回行程值達到設(shè)定時開始收回一級護幫板；若二級護幫板收回保護時間到達而二級護幫板收回行程值沒有達到時，禁止一級護幫板收回動作，并發(fā)出二級護幫板收回故障警告，防止發(fā)生護幫板干涉事故。

圖3 基于煤壁片幫的液壓支架自動跟機工藝示意圖

4 底板軟弱條件下液壓支架特殊工藝

4.1 特殊工藝

針對工作面底板軟弱區(qū)域進行提前預知（感知、視頻等手段），通過液壓支架多次降架模擬人工操作的方式完成對工作面底板軟弱條件下的智能化處理，并形成自動跟機的底板軟弱條件下液壓支架特殊工藝。底板軟弱條件下液壓支架特殊工藝，如圖4所示。

圖4 底板軟弱條件下液壓支架特殊工藝

頂板破碎條件下液壓支架第1工序為支架控制器執(zhí)行自動移架程序中的降柱步驟；預設(shè)首次降柱時間、再次降柱時間和可移架壓力，進行首次降柱動作，首次降柱時間結(jié)束時，如果立柱壓力小于等于可移架壓力，則降柱動作結(jié)束，否則進行再次降柱動作，當再次降柱時間結(jié)束時降柱動作結(jié)束；預設(shè)的首次降柱時間為T1（0.5～5 s），再次降柱時間為T2（0.5～5 s），可移架壓力為P1（0～20 MPa）。

第2工序為降柱動作結(jié)束后，液壓支架執(zhí)行移架；預設(shè)移架動作時間和暫停行程，同時并行進行抬底動作和移架動作，即抬底動作開始時間和移架動作開始時間相同，抬底動作結(jié)束時間和移架動作結(jié)束時間相同；當液壓支架移架到達暫停行程時，移架動作暫停一段時間，抬底功能一直保持，使得支架高度逐步增高，使得支架架腳在移架過程接觸不到底板；當移架動作時間結(jié)束時，抬底動作和移架動作結(jié)束；預設(shè)的移架動作時間為T3（5～120 s）；移架動作每次暫停的時間為T4（0.5～2 s）。第3工序為抬底動作和移架動作結(jié)束后，開始執(zhí)行升柱動作，升柱完成后，整個自動移架過程結(jié)束。

4.2 現(xiàn)場實例

黃陵礦業(yè)公司二號煤礦416工作面的現(xiàn)場實例如下，其中T1=3 s，T2=2 s，P1=8 MPa，T3=10 s。

第1工序中的降柱是否達到降柱效果通過壓力表檢測的柱與頂板的壓力來判斷，降柱若未達到預期降柱動作效果，使降柱沒有達到程序預定的降柱幅度；程序開始實行再降柱過程直至降柱達到預期效果。在實際情況下，一次降柱可能達不到預期降柱效果，因此需要通過“再降柱”功能減小液壓支架的降柱高度，使得液壓支架抬底時能將液壓支架抬的更高，達到預期降柱動作效果。

第2工序中移架動作的暫停行程由參數(shù)暫停次數(shù)控制，如果暫停次數(shù)為N次，則將移架全行程平均分為N+1段行程，當液壓支架移架至每相鄰兩段行程之間的位置時移架動作暫停一段時間。液壓支架移架全行程為960 mm，若暫停次數(shù)設(shè)為一次，則暫停行程為480 mm，即液壓支架從960 mm處移架至480 mm時移架動作暫停一段時間；若暫停次數(shù)設(shè)為兩次，則暫停行程分別為640 mm和320 mm。實際使用中，暫停次數(shù)為3次，將移架全行程平均分為4段行程，液壓支架移架至每相鄰兩段行程之間的位置時移架動作暫停一段時間，即暫停行程分別為720 mm、480 mm和240 mm，每次暫停時間T4=1 s。

第3工序中當預設(shè)的移架動作時間結(jié)束時，不管移架動作有沒有將全行程走完，都要停止移架動作，即使移架沒有將960 mm全行程走完，抬底動作和移架動作也必須停止，這樣才能保證后續(xù)的工序能夠正常進行，不會耽誤整體進度。

將抬底和移架動作并行進行，即在抬底的同時進行移架，或者說移架的過程中一直進行抬底動作，一邊抬底一邊移架，增強了抬底與移架的配合，同時，在移架動作過程中增加移架動作暫停過程，移架動作暫停期間抬底動作繼續(xù)進行，以保證移架行程結(jié)束時抬底動作能進行足夠的時間，以保證液壓支架上升至足夠的高度，整個移架過程結(jié)束后，使整個液壓支架移架形成上階梯的過程，這種方法使得液壓支架高度逐步增高，使得液壓支架架腳在移架過程中接觸不到底板，有效地解決了底部破碎情況下液壓支架移架過程中架前堆煤的問題，可以滿足井下工作面使用的要求。

5 結(jié)語

重點圍繞黃陵礦業(yè)公司二號煤礦大采高智能化綜采工作面液壓支架工藝進行研究。提出了大采高智能化工作面頂板破碎條件下基于超前拉架智能化處理的液壓支架特殊工藝；介紹了大采高智能化工作面煤壁片幫條件下基于壓力傳感器和行程傳感器的液壓支架特殊工藝。提出了大采高智能化工作面底板軟弱條件下基于多次降架模擬人工操作的液壓支架特殊工藝；介紹了大采高智能化綜采工作面采煤機與液壓支架高效協(xié)同工藝?？偨Y(jié)了大采高智能化液壓支架自動跟機技術(shù)的經(jīng)驗，為類似開采技術(shù)提供了經(jīng)驗參考。