液壓支架護幫板與采煤機滾筒截割干涉監測系統設計與實驗研究

王克勤

（山西鄉寧焦煤集團通合煤業有限公司， 山西 臨汾 042100）

引言

在采煤機械中，液壓支架的護幫板是整個液壓支架結構中不可或缺的一部分，它的作用是防止煤礦井下發生片幫事故。如果液壓支架護幫板在采煤機到來之前沒有回收，綜采設備在工作面進行采煤時，會發生護幫板和采煤機滾筒的截割事故。文中提到的截割干涉實際上是指液壓支架護幫板與采煤機滾筒在同一空間位置相遇的危險情況[1]。如果發生上述情況采煤機與液壓支架等相關采煤設備都將受到不同程度的損壞，嚴重時甚至影響整個工作面的開采。

1 液壓支架監控技術研究現狀

截至目前，國外對液壓支架監控技術的研究主要有兩個方面，一是液壓支架的穩定性，二是電液控制。其中，美國學者對工作面支護設備頂底板的相互作用進行了研究，并從動力學和運動學的角度詳細分析了支護的穩定性，得出了一種使機構增加約束的手段，從而增加了液壓支架穩定性，這也延長了液壓支架的工作壽命。

國內眾多學者在這些方面都取得了不錯的科研成果，如中國礦業大學的張霖將液壓支架的位置監測以及機構自身調整等技術深入研究整合到一起，形成了一套完整的支架自主控制體系；中國礦業大學的徐西華發現支架電液控制系統監測功能尚不完善，從而研制出了一種多傳感融合的液壓支架監測系統；太原理工大學的朱殿瑞等人通過對液壓支架各種形態進行多角度分析，得出了一套完整的液壓支架監測理論。

2 液壓支架護幫板與采煤機滾筒截割干涉監測系統總體設計

在煤礦井下多設備協作采煤的過程中，主要考慮的是液壓支架護幫板和采煤機滾筒截割的干涉監測，它是井下回采工作面連續安全生產的重要前提。如果要開展護幫板與滾筒截割的干涉狀態相關研究工作，有必要設計出一套完整的監測系統。

2.1 綜采裝備結構及協同工作過程

“三機”實際上是指采煤機、刮板輸送機和液壓支架，它們的具體工作是采煤機截煤、刮板輸送機運煤、液壓支架支護[2]，三者相輔相成共同完成綜采工作面的回采工作。

目前液壓支架是國內普遍應用的井下支護設備，它通過對煤層頂底板的支護，來為井下作業人員建立安全的工作環境。但是，液壓支架的結構特點和支護方法不盡相同，常見的有支撐式、掩護式和支撐掩護式。雖然它們的結構有差異，但是它們在井下的工作原理是很相似的。一般液壓支架的組成部分有三種，分別是機械結構、液壓驅動裝置以及電液控制系統。

采煤機是煤礦井下綜采工作面的重要采煤設備。同樣，采煤機的種類也有很多，針對驅動形式的不同可以細分為液壓牽引、機械牽引和電牽引；同時，針對結構組成不同，又可以分為滾筒式和鉆削式。如今國內市場主要流行雙滾筒電牽引式采煤機，它的主要組成部分有截割部、牽引部、液壓系統、電氣控制系統和輔助設備等。

“三機”配套的井下具體工作安排是將采煤機放置在刮板輸送機之上，工作時采煤機會跟隨刮板輸送機的軌道進行割煤，同時割掉的落煤會被刮板輸送機裝載并運至地面，液壓支架則是在采完煤之后完成護幫支護工作，從而使得工作面能夠推進。

2.2 液壓支架護幫板與采煤機滾筒截割干涉發生機理

護幫板的主要作用就是完成煤壁的支護工作，其結構如下頁圖1 所示，液壓支架護幫板安裝在液壓支架前梁的端頭處，它可以通過前后的移動來控制護幫板與煤壁之間的間距，同時還能夠改變護幫板的傾角大小。

圖1 護幫結構示意圖

由于井下工作面的工作環境惡劣，液壓支架常常會因為油路阻塞、機械故障等原因，使得液壓支架前梁的回收距離達不到預期，亦或是回收護幫板時回收的角度大小不夠，就會出現液壓支架護幫板與采煤機滾筒發生截割干涉，此時工作人員必須及時采取一定的措施，如果采煤機滾筒抵達液壓支架的護幫板處，就會產生井下安全事故。

2.3 監測系統的設計

上述井下安全事故發生的實質就是兩種設備在工作時由于沒有協調好，使得某個部分在同一位置發生碰撞，所以，為了達到對截割干涉狀態的監控目的，需要實時了解滾筒和護幫板的相對空間位置信息。本文針對液壓支架護幫板和采煤機滾筒設計了一套截割干涉監測系統，這種監測系統是在機器視覺技術的基礎上來推算護幫板的位置，采用PLC 控制器來獲取采煤機的位置信息與截割的深淺，采用液壓支架電液控制系統，獲取液壓支架的推動距離和支架高度，從而建立滾筒與護幫板的空間相對位置模型，來實現截割干涉狀態的監控效果。

3 實驗研究

3.1 實驗總體設計

在液壓支架的護幫板處設置監控攝像頭，主要作用是對護幫板的圖像進行收集；將位移傳感裝置與角度傳感裝置設置在伸縮前梁處；其他的支架信息以及采煤機的信息就由數據網絡輸送到遠程監控中心進行處理。

遠程監控中心的具體工作則是在接收信息后，針對護幫板的監控錄像進行圖像增加、相關要素的提取以及具體位置的推算工作，將實驗推算出的護幫板的位置情況以及支架的情況、采煤機滾筒具體信息進行空間相對位置模型的建立，從而驗證截割干涉監測系統的具體效果，具體流程如圖2 所示。

圖2 實驗總體流程圖

3.2 實驗方案

本次實驗總共分成兩個步驟，首先就是收集液壓支架護幫板的位置信息，其次對收到的護幫板位置信息進行數據處理。實驗步驟如下：

3.2.1 液壓支架護幫板位置信息的收集工作

工作人員將護幫板的傾角大小進行調整，將角度調整到90°。操縱前梁的千斤頂，讓護幫板的移動距離慢慢從0 變成0.06 m。在工人調整護幫板的時候收集監控圖像，與此同時通過位移傳感裝置以及角度傳感裝置來對護幫板的位置及傾角大小信息進行收集。

3.2.2 實驗位姿信號處理

為了驗證本次實驗的效果，將收集到的護幫板監控圖像進行篩選，然后進行每張圖像的均衡化以及同種形態濾波的圖像強化工作，并且與本文實驗推測的結果進行對比。然后在收集到的護幫板位置信息數據中自由選取40 組，并且對選取的每一組數據進行圖像增加、相關要素的提取以及具體位置的推算工作，由此就可以得到理論的護幫板位移距離大小以及傾角的大小，如圖3 所示，同時將所得結果與傳感裝置收集的數據進行對比，達到驗證的效果。

圖3 護幫板與滾筒的相對位置模型

在本次實驗中，針對護幫板監控圖像進行了圖像增強、相關要素的提取以及具體位置的推算工作，從而得到液壓支架護幫板與采煤機滾筒之間的截割干涉狀態。當采煤機靠近液壓支架時，如果液壓支架護幫板與采煤機滾筒之間的截割干涉相對安全，則不會受到監控和警告；如果上述的狀態變得緊迫，那么采煤機就會收到立即減速的指令；如果上述的狀態變得危險，那么采煤機會立即停止工作等待工作人員檢查，實現截割干涉的監測目的[3]。

4 結語

液壓支架和采煤機都是綜采工作面生產過程中的重要設備，當它們與刮板輸送機共同完成采煤工作時產生的截割干涉情況無時無刻不危及煤礦井下的安全生產工作，同時它又是制約煤礦井下智能化發展的重要因素。因此針對液壓支架護幫板與采煤機的截割干涉展開監測工作是非常有意義的，其不僅可以使綜采工作面的工作人員避免由于設備損壞造成的傷害，還能推動井下智能化開采技術。