綜采放頂煤液壓支架智能控制技術(shù)研究

郭 鑫

（山西焦煤集團股份公司西銘礦， 山西 太原 030024）

引言

放頂煤支架是現(xiàn)代煤礦高效綜采和安全生產(chǎn)最關(guān)鍵的設(shè)備之一，在綜合機械化放頂煤開采中起到支護頂板、維護作業(yè)空間和推移工作面采煤機以及運輸機的作用。鑒于傳統(tǒng)的液壓支架系統(tǒng)的設(shè)計和使用追求的是其靜態(tài)的支撐能力，根據(jù)工作面煤巖體的種類、工作面的深度、工作面煤巖體的破碎情況及工作面的高度等，計算出采取相應(yīng)的加固措施后的巖土壓力，從而決定液壓支架的支護強度、支護高度、支護工作阻力等參數(shù)，支護參數(shù)較為固定，當出現(xiàn)頂板破碎或底板沉陷等特殊情況時，難以及時作出應(yīng)對，缺乏智能化控制程序，支護系統(tǒng)安全系數(shù)較低。本文在分析正常狀態(tài)下和頂板破碎或底板沉陷時的力學原理的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代單片機技術(shù)，設(shè)計了一種智能化監(jiān)測控制系統(tǒng)，嵌入液壓支架支護系統(tǒng)中，當遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時，能實時監(jiān)測液壓支架的支護參數(shù)變化，通過遠程控制系統(tǒng)及時調(diào)整液壓支架支護參數(shù)，確保工作面穩(wěn)定，極大提高了支護系統(tǒng)的安全系數(shù)。

1 液壓支架支護機理力學分析

液壓支架工作過程中，液壓支架的支護強度是固定的，一般為0.4~0.6 MPa，支架的工作阻力一般為2 000~6 000 kN，最大可以達到10 000 kN[1]，通過頂梁、掩護梁等設(shè)備與工作面煤巖體的硬性接觸，約束工作面煤巖體的變形，維持工作面煤巖體的整體性，確保工作面煤巖體受力體系穩(wěn)定。本文使用經(jīng)典靜力學方法，將工作面煤巖體簡化為簡支梁，通過對工作面煤巖體簡化的簡支梁受力分析模擬在液壓支架正常工作狀態(tài)下和遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷等特殊情況時工作面煤巖體的受力狀態(tài)。在正常狀態(tài)下，工作面煤巖體簡化的簡支梁上受到均布載荷q，簡化簡支梁長度L，兩端約束，簡支梁在L/2 處受到的彎矩最大，最大值為：

式中：q 為工作面處煤巖體受到的均布載荷，kN/m；L為簡化煤巖體形成的簡支梁長度；m。

在簡支梁兩端受到的剪力Vmax最大，最大值為:

當遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時，在缺陷部位形成應(yīng)力集中，工作面煤巖體不再是一個完整的簡支梁，在工作面穩(wěn)定以后，以缺陷部位為端點，形成兩個長度較短的簡支梁L1、L2，如圖1 所示。

圖1 頂板破碎、底板塌陷狀態(tài)下力學模型圖

由圖1 可知，當遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷，工作面應(yīng)力重新分布并形成穩(wěn)定的受力體系后，在新形成的簡支梁L1、L2的1/2 處存在彎矩峰值，在簡支梁L1、L2的兩端形成較大的剪應(yīng)力，煤巖體是一種脆性較大的材料，容易受到剪力的影響產(chǎn)生破斷，在梁L1、L2的端點和破碎點容易發(fā)生剪切破壞。煤巖體各向異性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤巖體內(nèi)節(jié)理發(fā)育，在外力作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極易遭到破壞而呈碎塊狀崩開散落，甚至在短時間內(nèi)產(chǎn)生崩解現(xiàn)象。傳統(tǒng)的液壓支架支護系統(tǒng)根據(jù)工作面煤巖體的種類、工作面的深度、工作面煤巖體的破碎情況、工作面的高度等計算出支護強度、支護工作阻力、支護高度后，采取留有一定裕量的措施確保工作面煤巖體簡支梁受力體系的完整和穩(wěn)定。支護強度、高度和工作阻力等支護參數(shù)經(jīng)計算確定后，一般不再作出調(diào)整，是一種靜態(tài)的封閉體系，當遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時，支護系統(tǒng)難以及時反應(yīng)，支護效率不高，支護穩(wěn)定性差，當遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時，容易在頂板破碎或底板塌陷部位破壞頂板簡支梁完整性，形成應(yīng)力集中，降低液壓支架支護系統(tǒng)安全系數(shù)，嚴重時可以使頂板煤巖體崩解失穩(wěn)，造成冒頂片幫事故。

2 智能化液壓支架支護系統(tǒng)設(shè)計原理

在傳統(tǒng)的液壓支架支護體系中，主要考慮支護體系的承載需求，設(shè)計原則是根據(jù)工作面所處地質(zhì)條件、煤巖體的種類、工作面埋深等計算液壓支架支護強度、支護工作阻力等支護參數(shù)并留有一定裕量，當遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷等特殊情況時，傳統(tǒng)液壓支架支護系統(tǒng)也應(yīng)滿足承載能力要求，但傳統(tǒng)的液壓支架支護系統(tǒng)也存在明顯的缺點，例如傳統(tǒng)的液壓支架支護系統(tǒng)不能辨識工作面頂板破碎或底板塌陷的特殊情況、不能根據(jù)工作面現(xiàn)場遇到的特殊情況采取針對性措施、不能及時向工作人員反饋工作面遇到的特殊情況。當遇到頂板煤巖體持續(xù)破碎崩解時，傳統(tǒng)的液壓支架支護系統(tǒng)難以采取有效措施且不能及時反饋頂板巖層破碎信息，當頂板巖層破碎嚴重時，可能產(chǎn)生冒頂、塌方、片幫等生產(chǎn)事故[2]。

為了解決傳統(tǒng)液壓支架支護體系的短板，研究人員利用單片機技術(shù)，在原有支護系統(tǒng)中嵌入一套集監(jiān)測、信號轉(zhuǎn)換、實時控制等智能化液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)，以期當遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷等特殊狀況時，監(jiān)控系統(tǒng)能及時收集、反饋實時信息，控制中心工作人員根據(jù)監(jiān)測信號及時調(diào)整液壓支架支護參數(shù)，確保工作面煤巖體簡支梁受力系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證作業(yè)安全。與PLC 技術(shù)類似，智能化液壓支架支護系統(tǒng)的組成包括輸入模塊、輸出模塊、通信模塊和控制模塊，如圖2 所示。

圖2 智能化液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)組成模塊

輸入模塊是帶有監(jiān)測功能的可編程邏輯控制器，它可以實時監(jiān)測工作面支護系統(tǒng)的支護強度、支護工作阻力、支護高度等支護參數(shù)，當遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時，輸入模塊將監(jiān)測到的信息傳輸給控制模塊，控制模塊根據(jù)遇到的特殊情況將控制動作信號傳遞給輸出模塊，利用信號轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號控制液壓支架動作。在正常工作狀態(tài)下，智能化液壓支架支護系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓支架支護系統(tǒng)相似，能夠滿足工作面承載能力要求，當遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時，智能化液壓支架支護系統(tǒng)能及時識別這種特殊情況并判斷是否超過預(yù)警值，當頂板破碎超過預(yù)警值時，可以通過控制模塊及時調(diào)整工作面支護系統(tǒng)的支護強度、支護工作阻力、支護高度等支護參數(shù)；當工作面煤巖體持續(xù)破碎超過極限值時，系統(tǒng)控制警報裝置發(fā)出聲光報警信號，通知作業(yè)人員撤出工作面，避免出現(xiàn)安全生產(chǎn)事故。

智能化液壓支架支護系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是利用單片機技術(shù)，在輸入模塊中預(yù)先設(shè)定預(yù)警值和確保安全生產(chǎn)的極限值，當轉(zhuǎn)換后的輸入信號達到預(yù)先設(shè)定的預(yù)警值或安全極限值時，輸出模塊輸出相應(yīng)的報警信號或緊急信號，工作人員根據(jù)輸出信號作出相應(yīng)的動作，保證安全生產(chǎn)。預(yù)警值和安全極限值的確定一般通過統(tǒng)計方法得到，通過廣泛地采集正常狀態(tài)下和特殊狀態(tài)下液壓支架的支護參數(shù)，并分析其變化規(guī)律，從而確定輸入模塊的預(yù)警值和安全極限值，當監(jiān)測數(shù)值達到預(yù)警值或極限值時，警報設(shè)備能及時輸出預(yù)警信號或緊急信號。在本文的研究背景中，正常生產(chǎn)條件下，連續(xù)采集300 個工作日液壓支架的支護高度、支護工作阻力等支護參數(shù)，確定礦井液壓支架的預(yù)警值[3]。

3 智能化液壓支架支護系統(tǒng)的應(yīng)用

實驗室條件下，模擬工作面煤巖體情況進行智能化液壓支架支護系統(tǒng)和傳統(tǒng)液壓支架支護系統(tǒng)支護能力對比試驗，測試兩者在正常工作狀態(tài)和遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時的工作狀態(tài)。選用兩臺ZY4000/13/28/型掩護式液壓支架，其中一臺嵌入以單片機技術(shù)實驗參數(shù)為工作阻力6 400 kN、初撐力6 184 kN、支撐高度1.6 m、中心距1.5 m、支護強度0.85 MPa，利用計算機模擬工作面煤巖體頂板破碎壓力值和底板沉陷沉降值。在模擬頂板巖層破碎過程中，初始壓力為6 000 kN，預(yù)警值為6 500 kN，極限值為7 000 kN，每次增加100 kN，模擬液壓支架工作時的正常狀態(tài)和工作面頂板持續(xù)破碎狀態(tài)，實驗共進行30 次。結(jié)果表明，隨著工作面頂板壓力的增加，當模擬壓力達到預(yù)警值時，智能化液壓支架支護系統(tǒng)開始控制液壓支架調(diào)整支護工作阻力，當頂板壓力達到極限值時智能化液壓支架和傳統(tǒng)液壓支架同時出現(xiàn)機械故障，智能化液壓支架系統(tǒng)及時控制警報設(shè)備發(fā)出聲光報警信號。在模擬底板沉降過程中，設(shè)置初始沉降值為40 mm，預(yù)警值為80 mm，安全極限值為100 mm，實驗過程中沉降值每次增加5 mm。結(jié)果表明，隨著沉降值的增加，當模擬壓力達到預(yù)警值時，智能化液壓支架支護系統(tǒng)開始控制液壓支架調(diào)整頂梁和掩護梁高度；當?shù)装宄两抵颠_到安全極限值時，智能化液壓支架系統(tǒng)及時控制警報設(shè)備發(fā)出聲光報警信號，傳統(tǒng)的支架系統(tǒng)始終保持架設(shè)時的初始設(shè)置值，不能根據(jù)工作面具體情況調(diào)整支架高度。

上述模擬實驗表明，在正常工作狀態(tài)下，傳統(tǒng)液壓支架支護系統(tǒng)和智能化液壓支架支護系統(tǒng)都可以滿足工作面巖土壓力承載要求；在工作面頂板持續(xù)破碎或底板沉陷條件下，智能化液壓支架支護系統(tǒng)可以及時識別工作面變化，通過預(yù)先設(shè)置的預(yù)警值和極限值，辨識頂板破碎或底板沉陷的工作條件，并控制智能化液壓支架及時采取相應(yīng)動作；而傳統(tǒng)的液壓支架支護體系不能根據(jù)現(xiàn)場的工作條件及時調(diào)整支護強度、支護工作阻力及支護高度等支護參數(shù)。

4 結(jié)語

1）簡化液壓支架支護系統(tǒng)為簡支梁受力體系，正常工作狀態(tài)下，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在簡支梁的兩端；當遇到頂板持續(xù)破碎或底板沉陷時，液壓支架不能發(fā)揮支護作用，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在簡支梁的兩端和斷點處，在斷點處形成應(yīng)力集中，降低支護系統(tǒng)的安全系數(shù)。

2）智能化液壓支架支護體系在傳統(tǒng)的液壓支架支護體系中嵌入智能監(jiān)測控制系統(tǒng)，當頂板煤巖體持續(xù)破碎或底板沉陷超過預(yù)警值時，能及時識別并控制液壓支架系統(tǒng)調(diào)整支護工作阻力、支護強度及支護高度等支護參數(shù)。

3）通過模擬實驗表明，在正常工作狀態(tài)下，傳統(tǒng)液壓支架支護系統(tǒng)和智能化液壓支架支護系統(tǒng)都可以滿足工作面巖土壓力承載要求；在工作面頂板持續(xù)破碎或底板沉陷條件下，智能化液壓支架支護系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性和安全性。