薄煤層開采智能化移架控制技術研究

楊雨晨

（晉能控股裝備制造集團有限公司，山西 晉城 048000）

寺河二號井為薄煤層開采，主要特點是空間狹小，人員和設備難以移動和進出，傳統的普采工藝嚴重阻礙了礦井的生產效率[1-3]。寺河煤礦開采初期采用普采工藝，之后引進了液壓支架，實現了綜合機械化采煤法。普通綜采工藝不能徹底解決寺河二號井開采中遇到的一系列難題，為此提出了智能化開采方案。在寺河二號薄煤層智能化開采時，一項關鍵技術是實現液壓支架的智能化控制，因而有必要對液壓支架的智能化移架控制系統進行深入分析。

1 液壓支架有限元強度分析

1.1 薄煤層液壓支架建模

寺河煤礦二號井位于山西省晉城市，94316 工作面走向和傾向長度分別為1540 m 和133.5 m，平均煤層傾角為5°，平均煤層厚度為1.1 m 左右，煤厚變化幅度較小，總的可采儲量為33 萬t，采用ZY4000/09/19D 型液壓支架。該液壓支架主要由液壓支架頂梁、液壓支架掩護梁、液壓支架底座、液壓支架立柱、液壓支架推移油缸等幾部分組成。將液壓支架的主要組成部分按照零件的建模方法建模并整體裝配，如圖1。

圖1 液壓支架三維模型圖

1.2 有限元結果分析

當遇到破碎頂板時很容易發生冒落或冒頂現象，此時液壓支架頂梁需要承受較大的載荷，尤其在兩端這種情況更是嚴重[4]。在冒頂現象發生時，如果液壓支架頂梁材料的強度不滿足要求，就會很容易造成支架的破壞。因此，在這種情況下，應對頂梁的強度進行有限元分析，從而保證實際采煤過程的安全高效運行。加載前需要在支架上放置好墊塊，加好墊塊后，通過對立柱內加載方式對支架施加載荷后分析，可得到應力分布云圖和整體變形圖，如圖2。

圖2 頂梁兩端加載底座扭轉時的應力與變形云圖

從圖2 中可以看出，應力最大處為墊塊的一角，液壓支架整體應力都不高，只有在厚度突變處，有較小范圍的材料屈服，不會導致支架垮塌。

工作面頂板和底板很少是光滑平整的，頂梁與頂板之間、底座與底板之間經常會出現不均勻接觸，可能導致頂梁和底座受到偏心載荷。頂梁的偏心加載會作用在它的邊緣處，而不是載荷作用的方向。由于支架只能傳導軸線的力，這時支架就會產生扭曲變形，因此對支架進行偏心加載也是很有必要的。在加載前需要在支架上放置好墊塊，通過對立柱內加載方式對支架施加載荷后分析，可得到應力分布云圖和整體變形圖如圖3。

圖3 頂梁偏轉底座扭轉時的應力與變形云圖

從圖3 中可以看出，應力最大處為受力側支柱頂端，可使用高強度材料制造，從而可以滿足現實生產要求。

2 液壓支架多方位信號采集與多網融合技術

在自動化綜采過程中需要了解液壓支架的各種信息，判定薄煤層工作面液壓支架的位置、姿態、載荷等信息，從而判定綜采工作面各設備是否正常工作。例如，刮板輸送機是否在直線狀態、采煤機是否在臥底量較大、頂板來壓是否正常等，為安全生產提供最大的保障。為了實現各種信號的采集，在液壓支架不同位置安裝了不同的傳感器，從多方位采集液壓支架工作參數。系統組成包括：控制器安裝在液壓支架頂梁上，每架1 臺；液壓主閥安裝在液壓支架頂梁上，每架1臺；系統包含壓力傳感器、推移行程傳感器、采高傳感器三種傳感器，每架各一個；反沖洗閥安裝在液壓支架頂梁上，每架1 個。如圖4。

圖4 單架液壓支架電液控制系統

通過液壓支架控制器，實現了多網合一融合技術，將照明動力網、各傳感器信號采集網絡、主閥控制網絡、電源網絡都融合在液壓支架控制器中。控制器和控制器之間通過一根電纜連接，就能實現液壓支架的多種信號傳輸。

3 基于慣性導航的液壓支架找直技術

慣性導航系統（INS）是一種不依賴外部信息且不向外部輻射能量的自主導航系統，通過慣性導航系統測出被測目標的加速度大小，根據加速度的變化計算其在時間歷程上的積分值，從而可以獲得被測目標的速度大小、空間方位等實時數據[5]。光纖陀螺儀工作時，光路變化主要是根據旋轉角速度的變化進行間接測量，而光路的旋轉角速度可以通過檢測兩條光路之間的相位差或干涉條紋的變化進行計算。綜上所述，光纖陀螺儀的工作原理[6]可以用式（1）表示：

式中：△為被測目標的角速度大小；△φ表示慣導系統發射的兩路光線在順時針方向上的相位差；L是光纖在回路內的度量值；R表示光纖環的半徑大小；λ0為光源波長；c0表示光在光纖中傳播速度。

采煤工作面液壓支架的直線狀態直接關系到刮板機和工作面的直線度，是工作面自動化能否順利進行的關鍵。彎曲的工作面會給采煤機的前進帶來很大的阻力，同時會給工作面的支護增加難度，增加工作面作業風險。通過慣性導航的工作原理，工作面采煤機行進過程中的定位方程可表示為：

式中：Sn表示工作面采煤機在“東北天”坐標系下點位為n處的位移增量矢量；Sb表示的是工作面采煤機軸編碼器在時間為b點時采集到的位移在單位時間上的增加值；Cbn 表示工作面采煤機在位置為n點、時間為b點條件下的方向余弦矩陣，并統一在“東北天”坐標系下進行表示。如式（3）所示：

式中：φ表示陀螺儀測得的工作面采煤機航向角大小；θ表示陀螺儀測得的工作面采煤機俯仰角大小；γ表示陀螺儀測得的工作面采煤機橫滾角的值。根據Sn位移的增量矢量迭代表達式，能夠計算得到薄煤層工作面采煤機割煤行進過程中的位置坐標，如式（4）所示：

式中：Pnj（t）表示迭代次數為j、采樣時刻為t時工作面采煤機在東北天坐標系下的位置；Pnj（t-1）表示迭代次數為j、采樣時刻為（t-1）時工作面采煤機在東北天坐標系下的位置；Sn（t）表示的是工作面采煤機一個采樣周期內的位移增量，用矢量的形式進行表示。為了降低誤差，使工作面采煤機在行進過程中的誤差不隨時間的增加逐漸累積，因此決定采用組合導航對薄煤層工作面采煤機的計算誤差進行進一步的校正。在坐標系的y軸上增加一個里程增量，用符號D表示，如式（5）所示：

圖5 工作面推進過程中的推進偏離情況

在圖5 中，DPn為工作面采煤機第n刀割煤后的理想工作面形狀；PCn表示為滿足采煤機割煤過程中的工作面保持直平面狀態所需施加的修正度量值。遠程控制主機根據修正值的大小，繼而計算出工作面上方液壓支架在該次割煤過程中所需的移架位移，然后將移架位移數據發送到相應的工作面液壓支架控制器上，由控制器實現液壓支架的推移。

4 液壓支架聯機控制技術

工作面液壓支架自動控制系統分三部分：數據采集層、設備控制層、管理監控層[7]。其中，數據采集層傳感器采集工作面液壓支架的實時工作狀態數據后，將采集到的信息轉化為標準電流信號進行傳輸，最終將標準電流信號傳輸到液壓支架的控制站，以便進行后續的決策與控制管理。設備控制層通過控制器將數據采集層獲得的信號傳輸到可對控制系統發出操作命令的主機上，待其發出操作指令后由設備控制層進行執行。管理監控層主要實現的功能有：將工作面液壓支架的工作狀態、工作參數以及是否正常運行等重要數據在計算機上實時顯示出來，并通過以上獲得的信息進行決策后將控制命令發送給控制主站。

液壓支架集中控制流程可大致表示為：首先，液壓支架控制器按照事先設定好的程序向控制系統發送控制電信號；然后，液壓支架控制系統的輸入機構將該信號轉化為機械信號并由傳動機構進行放大處理；繼而，傳動機構進一步對控制執行機構的主控閥操作進行控制；完成上述操作流程后，工作面液壓支架便可根據設定好的程序實現支撐立柱的上升與下降、整架的移動等各種操作。為了形成整個工作面的液壓支架聯合控制，需要將每個液壓支架串聯到一起，因此設置了電源供給系統和信號隔離系統，電源箱安裝在液壓支架頂梁上，每六架一個。每三架液壓支架上安裝有一個隔離耦合器，位置在液壓支架的頂梁上方或者電源箱上邊，如圖6。

圖6 液壓支架聯機控制系統

5 結語

針對寺和二號井薄煤層的開采特點，對液壓支架的多方位信息采集與多網融合技術、液壓支架找直技術以及液壓支架的聯機控制技術進行了研究。這些關鍵技術的研究形成了一個有機的統一整體，并在寺河二號井薄煤層開采中得到了運用。結果表明，通過智能化移架控制技術可大幅減少薄煤層開采作業人員的勞動強度，提高生產效率，并縮短回采時間。同時，該技術可為類似的薄煤層礦井開采提供相應的經驗與示范效應。