采煤工作面液壓支架姿態監測傳感器研究

楊佳旻

（中天合創能源有限責任公司煤炭分公司門克慶煤礦， 內蒙古 鄂爾多斯 017000）

引言

在煤礦生產過程中，工作環境多變，液壓支架條件復雜。由于煤巖的巨大沖擊載荷，加之煤塵和煤霧的污染，液壓支架的監測十分困難。這些都導致了液壓支架升降口故障的發生，造成整個煤炭生產系統癱瘓，威脅著煤礦工人的生命安全。液壓支架的工作狀況直接影響到工作面的安全生產，具體表現為：一方面，液壓支架的工作狀態影響著開采進度、支架的初撐力和工作阻力、管理效率、工作面的正常移動等[1-3]；另一方面，液壓支架的工作阻力、頂板支架的傾角等，可以間接反映工作面的應力場狀況，這是礦業專業人士關注的熱點問題。采煤作業使煤層原應力重新分布，應力場的變化直接導致工作面礦壓的產生[4-5]。因此，充分掌握工作面應力場的變化，對保障工作人員的安全具有重要意義。

本文分析了液壓支架的運動學模型，通過性能測試，驗證了傾斜傳感器的角度靈敏度和重復性，展示了工程監測實例，分析了基于光纖傳感技術的液壓支架監測系統的可靠性，獲得了工作面生產過程中液壓支架姿態的動態狀態。此外，該傳感器可廣泛應用于其他類型液壓支架（如四柱擋塊式液壓支架和立式支架）的準分布式測量和長期在線監測。液壓支架的姿態監測技術和系統為采礦工作提供了安全保障，在工程領域發展了智能監測技術。

1 兩柱掩護式液壓支架姿態監測系統運動學模型

在目前使用的液壓支架類型中，兩柱掩護式液壓支架占有相當大的比例。液壓支架的掩護梁有利于改善液壓支架的力學狀態，適用于頂板壓力來自采煤機導軌頂部的情況，是破碎頂板的良好選擇。本文以兩柱掩護液壓式支架為研究對象，分析了該支架的運動學模型。掩護式液壓支架主要由頂梁、掩護梁、底座和立柱組成。簡化后的液壓支架結構如圖1 所示。在上覆頂板載荷作用下，液壓支架的姿態趨勢如圖1 箭頭所示，點C、D、E、G、I、J、K、N 和M 是鉸鏈點。在頂板壓力作用下，液壓支架頂板梁會隨著頂板的移動而產生一個仰角或俯角，同時立柱和平衡千斤頂會靈活地進行自適應。掩護梁承擔頂板的載荷，液壓支架連桿轉動。液壓支架底座的角度隨底板的變化而變化。根據液壓支架的實際工作情況可以看出，液壓支架通過立柱和平衡千斤頂來調節其姿態，即通過立柱和平衡千斤頂的伸縮動作來調節液壓支架的姿態。由此可以認為，液壓支架機構的運動是確定的，可以從理論上計算出液壓支架的姿態。

圖1 兩柱掩護式液壓支架姿態監測系統結構圖

2 光纖光柵傾斜傳感器的工作原理及力學分析

如下頁圖2 所示，FBG 傾斜傳感器固定在傳感器殼體上。假設FBG 傾斜傳感器在X-Y 平面上有角度變化。沉重的球和鐘擺在重力的作用下，對均勻強度的梁1 施加推力Fp。由于均勻強度梁的寬度遠大于厚度，均勻強度梁1 的變形可以忽略不計。等強度梁1將推力Fp傳遞到等強度梁2 的端部。在Fp的作用下，均勻強度梁2 發生彎曲變形，對光柵FBG1 和FBG2產生應變。此時，FBG 中心波長發生變化。通過監測光纖光柵中心波長的偏移，可以成功獲得物體的姿態。同樣，當被監測物體的角度在Y-Z 平面發生變化時，均勻強度梁2 的變形可以忽略不計。通過均勻強度光束1 的彎曲，可以計算出FBG2 的應變，得到FBG2 的FBG 中心波長位移。對于監測對象的任何其他角度變化，可視為上述兩種情況的矢量疊加，綜合角度矢量即可得到角度的方向和大小。重量球在Y-Z 平面和X-Y 平面運動時，均勻強度梁的受力分析相似。本文以重球在X-Y 平面上的運動為研究對象，研究傳感結構的受力條件，為重球在Y-Z 平面上的運動提供參考。根據圖2 中FBG 傾斜傳感器的結構，可以得到如圖3 所示的力學模型。

圖2 FBG 傾斜傳感器

圖3 傳感結構的力學分析

FBG 傾斜傳感器的主要結構尺寸和規格如下：重球的重力是1.5 N，擺的重力是0.2 N，擺的長度是60 mm，等強度梁的有效長度是20 mm、厚度和寬度分別是1 mm 和5 mm。用于FBG 傾斜傳感器性能測試的光譜分析儀為SM125 FBG 靜態解調器（波長長度分辨率為1 pm，掃描頻率為5 Hz，波長掃描范圍為1510～1590 nm）。通過角位移控制器調節傾斜傳感器的角度，其精度為800°，測量范圍為-45°～45°。

3 液壓支架姿態監測方案及結果分析

3.1 液壓支架姿態監測工作面

工作面煤層平均厚度為2.0 m，煤層傾角小于1°，煤層穩定；底板平坦，為10 m 厚的粉砂巖；煤層頂部為0.4 m 泥巖，為偽頂板；直接頂板為5 m 厚粉砂巖，主頂板為8 m 厚充填砂，屬中等穩定頂板。長壁工作面采用一次全高綜采的方法，采用綜放開采的方法對煤層頂板進行管理。工作面傾斜長300 m，開采長度3596 m。工作面液壓支架包括端面液壓支架、過渡液壓支架和兩柱掩護式液壓支架。

3.2 液壓支架姿態監測程序

在工作面，每10 個相鄰工作面選取1 個液壓支架作為監測點。在每個監測點，分別在頂梁、底座和液壓支架前連桿上安裝3 個FBG 傾斜傳感器。光纖光柵傾斜傳感器通過螺絲固定連接到液壓支架上。將傳感器安裝在屋梁和底座上時，需調整傳感器，使其與屋梁和底座的當前角度一致。安裝前鏈路傾斜傳感器時，先用水平尺調平傾斜傳感器，然后測量并記錄前鏈路的當前角度。

光纖連接跨接器的一端連接FBG 傾斜傳感器，另一端連接光纖接線盒中的光纖。與液壓支架其他通信線路固定在一起的光纜沿面敷設。光纖電纜連接到工作面入口的FBG 解調器通道，FBG 解調器放置在入口控制站并連接到礦井局域網（LAN）。解調主機設置在調度室內，并與礦用局域網連接，獲取光纖光柵解調器的數據信息，客戶端顯示和處理來自解調主機的數據。

3.3 監測結果分析

連續采集了工作面正常開采時的液壓支架姿態10 d。工作面液壓支架的平均傾斜角和姿態如圖4 所示。由圖4 可知，工作面液壓支架頂板梁的平均傾角分布在3°～5°；中間區域的屋面梁傾角較大，兩端的屋面梁傾角較小。由于工作面中部頂板的地壓較大，地壓性狀更明顯，頂板明顯下沉。在煤柱和端部液壓支架的支撐下，工作面兩側頂板下沉較小。地板的傾斜角分布在-1°和1°之間。底板的傾斜度主要受浮煤量和底板平整度的影響。由于工作面底板較為平坦，硬度較高，因此液壓支架底座整體水平傾角較好。通過與電液控制系統記錄的立柱伸縮量和光纖傳感監測系統得到的結果比較，基本一致，說明該系統的姿態監測原理和監測結果是可靠的。柱長變化趨勢與頂梁變化趨勢非常相似，說明頂梁傾角對柱的伸縮量有顯著影響。

圖4 液壓支架的姿態

選取各監測站工作期間液壓支架的平均姿態結果，如圖5 所示。由于覆巖頂板回轉，液壓支架仰角逐漸增大且隨著液壓支架工作阻力的增大，對直接頂板的支撐作用逐漸增大，這與液壓支架工作阻力的變化趨勢一致。在2 h、4 h 和6 h 時，液壓支架卸荷工作阻力較大并向前移動，導致頂梁在短時間內旋轉，仰角增大。液壓支架工作阻力恢復后，頂梁的傾斜角恢復到小角度狀態。

圖5 工作期間的平均液壓支架姿態結果

基于光纖傳感技術的液壓支架位姿監測系統實現了對液壓支架位姿的準確監測，在線展示了支架的工作狀態和采場應力場的變化情況。

4 結論

通過監測頂梁、底座和前連桿的傾斜角，可以獲得液壓支架其他部件的姿態信息。設計了雙光束均勻強度的FBG 傾斜傳感器；提出了傳感器傾斜角度與中心波長變化的關系，并提出了溫度補償和精度補償的方法；設計了液壓支架姿態監測方案，并對監測結果進行了分析。結果表明：工作面液壓支架頂板梁傾角基本對稱，中部較大，兩端較小；基座的傾斜度一般是水平的。通過與電液控制系統記錄的立柱伸縮量和光纖傳感監測系統獲取的立柱伸縮量對比，光纖傳感監測系統能夠提供準確、全面的液壓支架姿態信息。