液壓支架電液控制系統(tǒng)的改造

張鑫磊

（汾西礦業(yè)礦山設(shè)備管理中心， 山西 介休 032300）

引言

液壓支架是采煤工作面頂板管理的主要設(shè)備，為采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)以及現(xiàn)場作業(yè)人員提供可靠、安全的作業(yè)空間，其能否高效運(yùn)行直接關(guān)系到采面生產(chǎn)效率[1-3]。電液控制系統(tǒng)是液壓支架運(yùn)行控制的重要組成，液壓支架前移、降架、升架以及運(yùn)行姿態(tài)調(diào)整等均可通過電液控制系統(tǒng)完成[4]。如何實(shí)現(xiàn)液壓支架運(yùn)行與采煤機(jī)割煤、刮板輸送機(jī)推移等配合是電液控制系統(tǒng)需要解決的現(xiàn)實(shí)問題[5-6]。文中就以山西某礦綜采工作面回采為工程背景，對液壓支架電液控制系統(tǒng)展開研究。

1 工程概況

山西某礦開采3 號煤層，埋深平均350 m，煤厚介于 0.83～1.38 m 間（平距 1.17 m），煤層賦存較為穩(wěn)定，為進(jìn)水平煤層，采面開采條件較好，頂?shù)装鍘r性均為穩(wěn)定的砂質(zhì)泥巖。開采區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)簡單，煤層原始瓦斯含量為3.5 m3/t，煤塵無爆炸危險(xiǎn)性、煤層不自燃。

3306 工作面采用綜合機(jī)械化開采工藝，采面設(shè)計(jì)回采推擠距離為820 m、斜長170 m，采用的采煤機(jī)型號 MG135/320-W、 刮板輸送機(jī)型號SGZ730/400、液壓支架型號為ZY3800/07/16D，共計(jì)布置122 架。具體采用的液壓支架技術(shù)參數(shù)見表1，結(jié)構(gòu)見圖1。

2 電液控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

隨著煤礦綜合機(jī)械化開采技術(shù)的不斷發(fā)展，液壓支架電液控制系統(tǒng)也不斷應(yīng)用紅外遙感、傳感器技術(shù)以及微電機(jī)（電磁）處理等技術(shù)，提升了液壓支架的姿態(tài)控制、移架速度以及頂板管理效果。通過將采煤機(jī)煤巖識別系統(tǒng)與液壓支架電液控制系統(tǒng)相配合，可提升綜采工作面智能化開采水平。

表1 液壓支架技術(shù)參數(shù)

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)

液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括有信息傳輸系統(tǒng)、電控單元兩大部分。電控單元具體包括人機(jī)交互控制界面、電磁先導(dǎo)閥、電源箱、傳感器、控制器以及電纜連接器等。電磁先導(dǎo)閥可將人機(jī)交互界面發(fā)出的電信號轉(zhuǎn)換成液壓控制信號，從而通過各個閥體控制液壓支架各部位運(yùn)行；液壓支架運(yùn)行過程中布置在各個位置的傳感器對運(yùn)行姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果傳輸至控制器進(jìn)行綜合分析，以及支架姿態(tài)實(shí)現(xiàn)液壓支架運(yùn)行自動控制。信息傳輸系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)構(gòu)成，是綜采工作面電液控制系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可將控制系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)網(wǎng)傳輸至地面監(jiān)控中心。具體綜采工作面采用液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見下頁圖2。

3 電液控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 支架支撐高度監(jiān)測

由于3306 工作面開采的3 號煤層厚度平均1.17 m，液壓支架支撐高度較小，為了避免采面回采過程中出現(xiàn)采煤機(jī)割煤與支架頂梁間出現(xiàn)干涉問題，在液壓支架電控系統(tǒng)中加入支撐高度控制功能，具體是支架控制器、高度傳感器相配合，控制液壓支架運(yùn)行姿態(tài)。

圖2 液壓支架電液控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在液壓支架頂梁靠近前探梁。立柱位置布置高度傳感器用以監(jiān)測煤厚、立柱伸縮高度、前探量與頂梁鉸接高度等參數(shù)[7]。布置的高度傳感器探測精度在30 mm 以內(nèi)，具體選用的傳感器技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 高度傳感器技術(shù)參數(shù)

3.2 聲光報(bào)警功能

當(dāng)探測到采煤機(jī)位于危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，為了及時(shí)提醒現(xiàn)場人員前去處理，在液壓支架電液控制系統(tǒng)中增加聲光報(bào)警系統(tǒng)。具體是將聲光報(bào)警器布置在液壓支架頂梁位置，并將聲光報(bào)警器與支架控制器相連接，正常情況下聲光報(bào)警器處于靜音狀態(tài)且顯示顏色為綠色；當(dāng)監(jiān)測到液壓支架工作阻力過高或者運(yùn)行姿態(tài)較差（如支架有傾倒跡象）時(shí)，聲光報(bào)警裝置會發(fā)出語音提示并且顯示顏色由綠色轉(zhuǎn)向紅色。

3.3 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測及分析

為了及時(shí)掌握液壓液壓支架工作姿態(tài)，在電液控制系統(tǒng)中增加布置姿態(tài)報(bào)告系統(tǒng)、角度傳感器。通過在頂梁、立柱位置布置的角度傳感器對立柱、頂梁偏移角進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至支架控制器。控制器對監(jiān)控結(jié)果進(jìn)行綜合判定，當(dāng)頂梁、立柱旋轉(zhuǎn)角度超過預(yù)先設(shè)定閾值后，控制器會自動調(diào)整立柱壓力、四連桿結(jié)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)，從而對液壓支架姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，確保支架始終處于良好運(yùn)行姿態(tài)。

同時(shí)在電液控制系統(tǒng)中增加姿態(tài)報(bào)告系統(tǒng)可實(shí)時(shí)分析液壓支架工作姿態(tài)，以及液壓支架安全閥開啟頻率、立柱壓力、故障頻率、底座及頂梁偏轉(zhuǎn)角等報(bào)告支架運(yùn)行狀態(tài)，并通過服務(wù)器綜合處理，將液壓支架運(yùn)行姿態(tài)以圖片形式在顯示屏上顯示，同時(shí)將分析結(jié)果傳輸至地面監(jiān)控中心。

3.4 安全防護(hù)

為確保液壓支架在調(diào)試、維修期間作業(yè)人員的人身安全，在支架電液控制系統(tǒng)內(nèi)增加布置自動閉鎖控制程序。操控人員通過控制主機(jī)中的人機(jī)交互界面發(fā)出控制指令后，液壓支架自動進(jìn)入到閉鎖狀態(tài)，支架控制中硬件電源斷開，從而無法發(fā)出控制指令使得液壓支架保持原有的狀態(tài)。

同時(shí)在液壓支架控制器內(nèi)均內(nèi)嵌緊急停止程序，當(dāng)出現(xiàn)如頂板冒落、支架失穩(wěn)或者支架初撐力過低等緊急情況時(shí)，操控人員通過電液控制系統(tǒng)即可向采面內(nèi)所有液壓支架發(fā)出停止動作指令，所有支架在指令解除前均無法進(jìn)行下一步動作。

4 電液控制系統(tǒng)可靠性保障設(shè)計(jì)

1）信號傳輸系統(tǒng)采用冗余原則設(shè)計(jì)，具體是通過CAN 總線以及以太網(wǎng)（傳輸速度100 Mbpa）同時(shí)進(jìn)行信號傳輸。當(dāng)CAN 總線出現(xiàn)故障時(shí)以太網(wǎng)可進(jìn)行信號傳輸，反之當(dāng)以太網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)CAN 總線可滿足信號傳輸需要，見圖3。

圖3 信號傳輸系統(tǒng)

2）為確保采煤工作連續(xù)、安全推進(jìn)，在液壓支架電液控制系統(tǒng)內(nèi)嵌優(yōu)先指令程序，其中支架緊急閉鎖指令為優(yōu)先級，鄰架組成及控制為次優(yōu)先級，最后為遠(yuǎn)程控制指令。

3）由于采面內(nèi)有刮板輸送機(jī)、采煤機(jī)等各類設(shè)備，電磁環(huán)境復(fù)雜，為此在液壓支架各子控制系統(tǒng)均安設(shè)有濾波電路，降低電磁干擾，確保系統(tǒng)各控制功能均可高效完成。

5 應(yīng)用效果

改進(jìn)后的電液控制系統(tǒng)在3306 綜采工作面現(xiàn)場應(yīng)用后，取得顯著的應(yīng)用效果，可滿足采面安全快速生產(chǎn)需要，同時(shí)液壓支架、采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)三機(jī)配合更為協(xié)調(diào)。