工作面液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究

馬騰飛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉圣永安宏泰煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

煤礦生產(chǎn)為綜合一體化的復(fù)雜工程，涉及到采掘、通風(fēng)、支護(hù)等各個(gè)專業(yè)，采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、液壓支架三大生產(chǎn)設(shè)備號(hào)稱工作面“三機(jī)”。液壓支架作為綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，是保證工作面設(shè)備和人員安全的基礎(chǔ)。目前，所謂的綜采工作面的自動(dòng)化生產(chǎn)涉及到的自動(dòng)化工作面僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工作面的整體監(jiān)測(cè)，基于綜采設(shè)備自適應(yīng)控制系統(tǒng)并未完全實(shí)現(xiàn)高效、智能以及無(wú)人化的生產(chǎn)。因此，本文重點(diǎn)對(duì)工作面液壓支架的自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究，擬為后期整個(gè)綜采工作面的自適應(yīng)控制奠定基礎(chǔ)。

1 工作面液壓支架自適應(yīng)控制基礎(chǔ)研究

工作面液壓支架的支護(hù)與其所采用的開(kāi)采方式相關(guān)，歸其原因在于不同的開(kāi)采方式對(duì)應(yīng)的工作面圍巖的變化規(guī)律不同，對(duì)應(yīng)綜采工作面的頂煤運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)規(guī)律不同，工作面頂板的破壞規(guī)律不同。在上述綜合因素的影響下實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的自適應(yīng)控制。

1.1 液壓支架與工作面圍巖耦合關(guān)系的界定

從某種意義上講，可以將工作面液壓支架與頂板圍巖視為一個(gè)整體。而且，根據(jù)相關(guān)實(shí)踐數(shù)據(jù)和理論分析可知液壓支架的支撐能力與工作面頂板的采空區(qū)和采煤工藝相關(guān)，并主要與工作面頂板的下沉量關(guān)系密切。

從工作面空間分析，液壓支架與頂板圍巖的一體化模型可分解為基本頂、直接頂、液壓支架、底板；同時(shí)，液壓支架的支撐主要與工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律相關(guān)，具體如下：

1）對(duì)于同一個(gè)綜采工作面，工作面放頂煤開(kāi)采支撐壓力的分布范圍較一次采全高開(kāi)采的分布范圍大，且壓力峰值處于前移狀態(tài)；

2）對(duì)于放頂煤開(kāi)采工藝，液壓支架的支撐能力與其采煤高度無(wú)明顯關(guān)系，但是與煤層的硬度相關(guān)，即煤層的硬度越大對(duì)應(yīng)液壓支架的承受載荷越大[1]。

1.2 液壓支架自適應(yīng)控制模型

實(shí)現(xiàn)液壓支架自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)為根據(jù)液壓支架當(dāng)前的支護(hù)狀態(tài)和圍巖狀態(tài)得出液壓支架的最佳支護(hù)狀態(tài)，進(jìn)而在當(dāng)前支護(hù)的基礎(chǔ)上對(duì)液壓支架進(jìn)行控制。以兩柱放頂煤液壓支架為例，液壓支架的自適應(yīng)控制模型可分為三部分：

1）液壓支架姿態(tài)與圍巖及頂板的智能耦合；

2）液壓支架頂梁與工作面頂板的智能耦合；

3）液壓支架護(hù)幫板與工作面兩幫煤壁的智能耦合。

為實(shí)現(xiàn)液壓支架與工作面頂板、圍巖和煤壁的智能耦合，需在液壓支架設(shè)置不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，包括對(duì)壓力、姿態(tài)、煤壁耦合等位置的監(jiān)測(cè)。各類監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置位置及功能如表1 所示。

表1 液壓支架自適應(yīng)控制監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置及功能

其中，壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置壓力傳感器對(duì)液壓支架立柱和平衡千斤頂壓力值進(jìn)行監(jiān)測(cè)；姿態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置傾角傳感器；煤壁耦合監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要通過(guò)布置行程傳感器對(duì)千斤頂?shù)幕钊麠U形成進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.3 液壓支架自適應(yīng)控制流程及算法

在上述三類監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置完成后，對(duì)應(yīng)的液壓支架自適應(yīng)控制流程如下頁(yè)圖1 所示，基于壓力傳感器、傾角傳感器所獲取的數(shù)據(jù)傳輸至支架姿態(tài)運(yùn)算處理器所得處理結(jié)果與護(hù)幫板的行程傳感器和壓力傳感器采集的參數(shù)傳輸至支架參數(shù)閾值比較轉(zhuǎn)換器，最終將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)傳輸至支架控制器得出直接控制的指令。

圖1 液壓支架自適應(yīng)控制流程

2 液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)的集成與試驗(yàn)

2.1 液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)的集成

液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)是一套多層次且多次交互的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，其監(jiān)控性能具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和延伸性。其中，液壓支架電液控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)控制的直接執(zhí)行系統(tǒng)，液壓支架質(zhì)量綜合監(jiān)測(cè)保障系統(tǒng)為其自適應(yīng)控制功能實(shí)現(xiàn)提供基礎(chǔ)，主要獲取液壓支架的姿態(tài)、受力狀態(tài)和支護(hù)狀態(tài)等參數(shù)。

基于對(duì)液壓支架支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)、處理并與電液控制系統(tǒng)集成后，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架支護(hù)狀態(tài)的自適應(yīng)控制，達(dá)到對(duì)工作面圍巖的最佳支護(hù)，同時(shí)還能夠避免液壓支架處于最佳工作狀態(tài)，變相延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)的集成如圖2 所示。

圖2 液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)集成效果圖

2.2 液壓支架自適應(yīng)控制系統(tǒng)的試驗(yàn)

在上述理論研究分析的基礎(chǔ)上，以ZFY18000/28/53D 液壓支架為基礎(chǔ)，將其集成的自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，該液壓支架的關(guān)鍵參數(shù)如表2 所示。

表2 ZFY18000/28/53D 關(guān)鍵參數(shù)

本試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)包括有3 臺(tái)主機(jī)、10 臺(tái)姿態(tài)傳感器、5 個(gè)壓力傳感器以及其他相關(guān)的壓力表、角度儀和測(cè)距儀組成。主要對(duì)通過(guò)傳感器獲取的參數(shù)換算的連桿、掩護(hù)梁的高度與采用角度儀、測(cè)距儀直接測(cè)定的參數(shù)進(jìn)行對(duì)比。當(dāng)立柱伸長(zhǎng)量為402 mm，采用以頂梁-掩護(hù)梁-底座對(duì)不同姿態(tài)下所得的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果如表3 所示。

表3 不同姿態(tài)下前后連桿、掩護(hù)梁的偏差對(duì)比 mm

分別得出當(dāng)立柱伸長(zhǎng)量為848 mm、1513 mm、1945 mm 和2354 mm 下不同姿態(tài)對(duì)應(yīng)的偏差值。同樣的，分別采用以頂梁-后連桿-底座和頂梁-前連桿-底座兩種方案下的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，鑒于篇幅有限，此處僅列出表3 的數(shù)據(jù)。三種方案對(duì)應(yīng)的偏差壓分布如圖3 所示。

圖3 不同方案對(duì)應(yīng)的偏差對(duì)比

如圖3 所示，采用頂梁-前連桿-底座方案基于傳感器所測(cè)得的數(shù)據(jù)與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)偏差最小，可作為對(duì)液壓支架自適應(yīng)控制最為扎實(shí)的支撐。

3 結(jié)語(yǔ)

液壓支架作為綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，在實(shí)際生產(chǎn)中能夠?qū)崿F(xiàn)其與工作面圍巖變化、煤壁變化，實(shí)現(xiàn)其自適應(yīng)控制對(duì)于保證工作面安全、高效生產(chǎn)具有重要意義[2]。首先，需在液壓支架頂梁、掩護(hù)梁、千斤頂、護(hù)幫板等位置放置壓力傳感器、行程傳感器和傾角傳感器對(duì)液壓支架的壓力、姿態(tài)和護(hù)幫板進(jìn)行監(jiān)測(cè)；而后，通過(guò)液壓支架姿態(tài)處理器和閾值比較換算器得出對(duì)液壓支架的自適應(yīng)控制指令。通過(guò)試驗(yàn)可知：采用頂梁-前連桿-底座的布置方式能夠?yàn)橐簤褐Ъ艿淖赃m應(yīng)控制提供更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。