液壓支架自動化集中控制及試驗應用

曹 輝

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 太原 030206）

引言

液壓支架為綜采工作面的主要支護設備，其與采煤機、刮板輸送機稱為工作面的“三機”，“三機”相互配合保證工作面安全、高效地生產。煤礦工作面數量眾多且成體系，必須實現對液壓支架集中、統一控制才能夠最終保證工作面安全支護，快速完成刮板輸送機的推溜任務，進而保證采煤機的行走軌道及時就位[1]。因此，實現液壓支架高自動化、智能化的集中控制對于保證綜采工作面的安全、高效生產具有重要意義。本文重點以某礦351231 工作面為例，對其液壓支架自動化集中控制系統進行設計，并對其應用效果進行驗證。

1 351231 工作面工程概況

液壓支架的自動化及安全性控制效率，不但與液壓支架回撤裝置的性能相關，而且與工作面頂底板情況相關。本文以351231 工作面為例開展研究，具體所研究液壓支架的型號為ZF7000/18/32。351231 工作面的煤層傾角為7°，對應煤層的平均厚度為8 m，煤層最大厚度為8.9 m，最小厚度1.1 m，該工作面的頂底板情況如表1 所示。

表1 351231 工作面頂底板情況

ZF7000/18/32 的工作阻力為7 000 kN，最大支護強度為0.6 MPa，液壓支架為四柱支撐掩護式形式。針對351231 工作面的地質條件，本文針對性地完成液壓支架自動化集中控制方案。

2 液壓支架集中控制系統的設計

液壓支架集中控制系統功能實現的基礎為液壓支架電控系統，同時結合工作面實際情況得出相應的控制指令。本節(jié)重點對液壓支架電控系統進行設計，并對其集中控制指令進行設計。

2.1 液壓支架電控系統的設計

結合當前工作面所配置液壓支架電控系統，其主要包括液壓支架控制器、電源、傳感器以及隔離耦合器等部件。

2.1.1 控制器的選型設計

液壓支架控制器為實現其電控功能的核心，其主要直接與液壓支架的電磁先導閥連接，接收手動或者自動的控制指令，對液壓支架的動作進行驅動控制；同時，液壓支架控制器還可對現場傳感器所采集的參數信息進行分析匯總，并上傳至上位機及其他控制器。結合綜采工作面的生產需求，液壓支架控制器需具備三種控制功能，包括就地控制、遠程控制以及集中控制；考慮到綜采工作面相對惡劣的生產環(huán)境，要求為液壓支架電控系統所配置的控制器應滿足在特殊環(huán)境下使用的要求，尤其是對高濕度、高瓦斯和粉塵濃度工作環(huán)境防護等級為IP67 以上[2]。

綜合上述各項因素，針對351231 工作面所選型液壓支架控制器的具體型號為ZDYZ-ZA，對應的電路框圖下頁如圖1 所示。

圖1 液壓支架控制器電控框圖

2.1.2 傳感器的選型設計

傳感器為檢測液壓支架工作狀態(tài)和得出控制指令的主要依據。結合液壓支架電控系統的需求，為其自動化集中控制系統配置壓力傳感器、行程傳感器以及紅外檢測器。壓力傳感器主要對液壓支架的支護狀態(tài)進行檢測，其最大檢測值為60 MPa，對應的型號為GYD60；行程傳感器主要是對液壓支架千斤頂、活塞桿的行程進行檢測，是對推移刮板輸送機是否到位進行檢測，對應的型號為GUD960；紅外檢測器分為紅外發(fā)射器和接收器，其主要是對采煤機位置進行檢測，進而為后續(xù)控制指令提供依據；紅外發(fā)射器型號為FYF5，紅外接收器型號為FYS5。

2.2 液壓支架集中控制功能的實現

結合實際生產，采煤機一般需完成中間段、斜切進刀和割三角煤三種工作流程[3]。其中，采煤機的斜切進刀為普遍作業(yè)流程，本節(jié)以斜切進刀為例說明液壓支架的集中控制。

所謂斜切進刀指的是液壓支架在推溜功能的作用下，將所匹配的刮板輸送機推移至工作面煤層相應彎曲狀態(tài)的形狀，為采煤機行走提供軌道，使得采煤機以斜切角度切入煤層，從下一階段的回采確定縱深。對應的采煤機斜切進刀流程如圖2 所示。

圖2 采煤機斜切進刀工作流程示意圖

在上述斜切進刀作業(yè)流程中，液壓支架紅外傳感器監(jiān)測采煤機的位置，實時對壓力傳感器和行程傳感器的參數進行采集并上傳至上位機，在單片機處理分析下液壓支架控制器得到相應的集中控制指令，保證液壓支架根據距離遞增的推溜指令完成斜切進刀支護及推溜任務，保證采煤機能夠以一定的角度斜切進入煤層，完成煤層的截割[4]。對應的液壓支架斜切進刀工藝流程的集中控制流程如圖3所示。

圖3 液壓支架斜切進刀工藝流程圖

結合液壓支架的斜切進刀支護及推溜工藝流程，當液壓支架控制器得到斜切進刀工藝流程后即開始推溜動作，并且依次退出千斤頂，保證相鄰液壓支架的推移距離相差0.06 m。根據行程傳感器的數據判斷是否推溜到位，并對推溜到位的液壓支架及時完成支護任務，并通過壓力傳感器保證是否支護到位。

3 液壓支架集中控制系統的應用

根據351231 工作面煤層的生產情況分別完成中間煤和三角煤截割時對應的液壓支架的集中控制流程圖，并將其應用于實際生產中。在試驗監(jiān)測的2020 年2 月19 日—9 月3 日，液壓支架在大方向能夠根據實際生產需求完成自動化集中控制功能，在為期將近7 個月的應用中，液壓支架自動化集中控制功能累計輔助工作面推進1 473 m，煤炭產出量為153.1 萬t。整體上講，液壓支架故障率低、自動化水平高、維修方便等[5]。但是，在實際生產中還有如下問題需改進：

1）由于行程傳感器的引線出現短路情況，導致控制器無該項數據的顯示，后續(xù)需進一步增加行程傳感器引線的焊接間距；

2）由于壓力傳感器內部壓變片固定不穩(wěn)定造成松動，最終導致壓力傳感器無讀數或讀數不穩(wěn)定，后續(xù)應考慮更換壓力傳感器；

3）由于液壓支架乳化液泵站提供的乳化液純度不夠導致電磁先導閥出現卡死、串液的問題，后續(xù)應考慮加大乳化液的過濾精度，并對出現故障的電磁先導閥進行徹底清理。

4 結語

液壓支架為綜采工作面與采煤機、刮板輸送機相互配合的關鍵設備，是保證綜采工作面安全、高效生產的基礎。實現液壓支架的自動化集中控制功能，對于提升工作面生產的效率和安全性具有重要意義。本文根據某礦351231 工作面生產情況，完成液壓支架電控系統中的關鍵控制器和相關傳感器的選型，并以采煤機斜切進刀工藝為例設計了液壓支架對應的集中控制工藝流程。經實踐表明，液壓支架集中控制功能能夠整體上得到發(fā)揮，但是行程、壓力傳感器和電磁先導閥均出現故障，有待進一步改進。