全工作面液壓支架電液控制系統驗證裝置研究

高 洋

1煤科 (北京) 檢測技術有限公司 北京 100013

2煤炭科學技術研究院有限公司 北京 100013

3煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京 100013

煤礦智能化系統的開發與建設始于 20 世紀 70年代的英國，隨后澳大利亞、德國和美國等國家相繼開展研究，促進了系統的不斷進化與完善。1990 年，德國首先研發出綜采電液控制系統。隨著傳感器技術和物聯網的發展，自動化開采技術不斷發展完善，澳大利亞聯邦科學與工業研究組織 (CSIRO)開發了以設備定位技術為核心的 LASC (Longwall Automation Steering Committee) 長壁自動化系統。為了提高設備可靠性，德國艾柯夫公司研發出具有防碰撞、智能控制、截割等功能的智能煤機裝備。除設備水平提高外，對井下安全生產以及設備運營情況的監控成為學者們研發的重點方向，美國 JOY 公司推出了地面遠程監控技術的虛擬采礦方案。我國對煤礦智能化的研究起步較晚，發展速度較為緩慢，機械化程度較低。2007 年，我國研制出了首套國產電液控制系統[1]。至 2010 年，全國采煤機械化程度僅為 45%，綜合機械化程度僅為 30%，生產率僅為澳大利亞的2.41%，為美國的 2.87%，為德國的 9.19%。我國煤礦面臨的主要問題還是采煤機械化[2]。

“十二五”期間，在國家政策引導下，采煤機械化得到大力發展，采煤機械在極短的時間內逐步實現了國產化。我國液壓支架取得安標證數量在 2012 年達到峰值 490 臺，液壓支架電液控制系統在各大煤礦也得到迅速推廣。2014 年，黃陵礦業一號煤礦 1001工作面首次實現了智能化無人開采，開啟了中國煤炭開采史上具有里程碑意義的一次革命；但智能化內涵與內容尚未達成統一共識。2019 年 7 月 7 日，煤礦智能化技術創新聯盟成立，該聯盟致力于解決煤礦智能化“卡脖子”問題[3]。為統一思想、凝聚共識，加快推動煤礦智能化發展，2020 年 3 月，《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》中明確了煤礦智能化發展的總體要求、主要任務和保障措施，并提出了煤礦智能化發展的 3 個階段性目標[4]。王國法院士及其團隊充分闡述了智慧煤礦 2025 情景目標和發展路徑[5]、煤礦智能化 (初級階段) 研究與實踐[6]、智慧煤礦與智能化開采關鍵核心技術分析[7]、煤炭智能化綜采技術創新實踐與發展展望[8]、煤礦智能化——煤炭工業高質量發展的核心技術支撐[9]、智慧煤礦與智能化開采技術的發展方向[10]。隨后，煤炭智能化的相關標準開始陸續出臺，為我國煤礦實現智能化生產指明方向[11]。隨著智能化裝備的不斷優化與完善，我國煤礦智能化、機械化水平不斷提高。截至 2022 年底，我國共建成智能化煤礦 572 處，智能化采掘工作面 1 019 處，31種煤礦機器人在煤礦現場得到推廣應用。智能采煤工作面邁向常態化應用，減人增安提效的效果日益顯現。

在智能化煤礦建設中，液壓支架電液控制系統是井下工作面采煤過程中極其重要的設備。我國在液壓支架電液控制系統的檢測方法與設備研究方面剛剛起步，相關技術與設備尚未達到國標 (GB 25974.4—2010《煤礦用液壓支架 第 4 部分：電液控制系統技術條件》)、歐標[12](EN 1804-4：2004《井下采礦機械-液壓支架安全性要求 第 4 部分 電液控制系統》)和企業生產總體要求。由于對整套的電液控制系統缺乏系統性、多單元協調性的研究，系統無法安全穩定運行且抗干擾等性能較差。市場上部分低質量產品在井下工作面投入使用后存在極大安全隱患，制約了電液控工作面、智能化工作面和智慧礦山的發展[13-20]。

為了對工作面液壓支架電液控制系統進行驗證測試，筆者將電液控制系統置于高低溫、冷熱沖擊、高濕、粉塵、酸性、堿性等環境下，采集液壓支架執行機構、壓力開關、換向閥電磁鐵等信號，隨后基于工作面真實地貌和各項信號，建立了三級全工作面液壓支架電液控制系統驗證測試裝置，并實現了井下液壓支架控制情況的可視化。

1 液壓支架電液控制系統驗證測試需滿足的功能要求

各種不同標準中規定的功能要求如圖1 所示。對比可知，液壓支架國標 GB 25974 與歐標 EN 1804 對應，但非等效標準。該系列標準第 1～ 3 部分：通用技術條件、立柱和千斤頂技術條件、液壓控制系統及閥已于 2010 年發布，但與歐標 EN 1804-4 對應的 GB 25974.4《煤礦用液壓支架 第 4 部分：電液控制系統技術條件》卻遲遲未能定稿。

除國內智能化急速發展和標準要求越來越高外，還有一個重要原因是國內暫無符合要求的電液控制系統驗證測試裝置。安標認證檢驗暫時執行 MT 209—1990《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品通用技術要求》[21]和 MT 210—1990《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產品基本試驗方法》[22]，并且只能為電液控制裝置和元件認證，不能為電液控制系統認證。

部分企業標準超出上述 2 個通用要求，各企業間標準也不一致。調研過程中發現，各企業對液壓支架電液控制系統驗證測試提出了很多更高的需求，且各生產企業和高校也提出了井上調試、培訓和教學的需要。

針對電液控制系統驗證測試的標準在國內外尚未發布，而目前已有的電液控制系統驗證測試裝置只能用于部分元件認證，無法認證整個電液控制系統的現狀，基于企業生產與高校教學科研的要求，開發滿足要求的液壓支架電液控制系統驗證測試裝置具有重要的工程和科研意義。

2 建立液壓支架電液控制系統驗證測試裝置

采用三級試驗環境模擬平臺驅動可視化全工作面液壓支架電液控制系統驗證測試裝置，隨后將試驗環境與各項參數輸入以驗證液壓支架電液控制系統測試裝置的有效性，并作為整體驗證和測試的基礎。液壓支架電液控制系統驗證測試裝置結構框架圖如圖2 所示，將生產工作面勘探所得地質條件和液壓支架試驗信息、故障信息輸入三維模型中，在環境模擬平臺實現全工作面液壓支架的可視化。通過對比工作面液壓支架電液控制系統的各項指令與工作面液壓支架的實際工作情況，驗證了系統的遠程控制功能，完成了標準驗證。依據液壓支架電液控制系統驗證測試裝置組成結構，建立了驗證測試裝置，如圖3 所示。此外，優化系統各項指標可提高液壓支架電液控制系統控制速度和處理故障、危機的能力，并為科研提供更多模擬數據。

圖2 液壓支架電液控制系統驗證測試裝置結構框架圖Fig.2 Structural framework diagram of verification testing device for electro-hydraulic control system of hydraulic support

圖3 液壓支架電液控制系統驗證測試裝置Fig.3 Verification testing device for electro-hydraulic control system of hydraulic support

3 試驗環境模擬平臺構建

電液控制系統驗證測試依賴于真實三機配套[23-24]。整個工作面液壓支架數量多，投資巨大，且后期維護費用高昂。根據調研發現，超大型試驗系統大多因使用、維護成本過高而閑置、廢棄，效果不理想。筆者構筑了如圖4 所示的三級全工作面環境模擬平臺，并將試件置于高低溫、冷熱沖擊、高濕、粉塵、酸性、堿性等環境下測試。

圖4 試驗環境模擬平臺構建示意Fig.4 Construction diagram of testing environment simulation platform

3.1 三級全工作面環境模擬平臺

三級全工作面環境模擬平臺如圖5 所示，采煤工作面液壓支架數量設置為 300 臺，足以滿足實際使用上限。模型分為一級物理環境模擬系統、二級半物理模擬系統和三級電連環境模擬系統。

圖5 三級全工作面環境模擬平臺Fig.5 Three-stage full working face environment simulation platform

3.1.1 一級物理環境模擬系統

一級物理環境模擬系統構建框架如圖6 所示，由23 臺液壓支架及電液控制系統、1 臺采煤機、1 套刮板輸送機、液壓系統、電氣系統，測控系統和傳感器組成。驗證測試裝置采集系統三級執行機構信號，該級別可滿足 GB 25974.4、EN 1804-4 標準驗證要求，將電液控制系統驗證級別提高到執行機構。一級物理環境模擬系統如圖7 所示。

圖6 一級物理環境模擬系統框架Fig.6 Framework of first-stage physical environment simulation system

圖7 一級物理環境模擬系統Fig.7 First-stage physical environment simulation system

3.1.2 二級半物理環境模擬系統

如圖8 所示，二級半物理環境模擬系統由 23 套電液控制系統、液壓系統及行程開關、模擬采煤機、電氣系統，測控系統和傳感器組成，驗證測試裝置采集壓力開關信號，可大幅擴展液壓信號采集數量。

圖8 二級半物理環境模擬系統框架Fig.8 Framework of two-stage semi-physical environment simulation system

3.1.3 三級電連環境模擬系統

工作面由n-46 套電液控制系統組成，其中n為該礦井工作面液壓支架數量，驗證測試裝置采集電液控制系統中電磁鐵電信號，可將測試數量擴展至全工作面支架，如圖9 所示。

3.2 采煤工藝電液控制測試

常用的采煤工藝按采煤進刀方式可分為直接推入法、滾筒鉆入法、工作面端部斜切進刀和工作面中部斜切進刀；按照工序配合方式可分為即時支護方式和滯后支護方式[25]。采煤機直接推入法、滾筒鉆入法、即時支護、滯后支護的電液控制系統驗證測試很容易通過一級物理環境模擬系統實現，工作面中部斜切進刀的驗證測試可通過三級全工作面環境模擬平臺實現，工作面端部斜切進刀采煤工藝的電液控制系統驗證測試可通過一級物理環境模擬系統實現。

為在一級物理環境模擬系統中實現斜切進刀的模擬控制，需嚴格計算液壓支架的數量。考慮到有限的場地條件，采煤機設置為開啟后立刻加速，忽略啟動滑行段。根據計算可知，工作面至少需要 23 臺液壓支架。

理論上需液壓支架數量

式中：L為采煤機全長，m；a為采煤機加速段長度，m；b為刮板輸送機彎曲段長度，m；s為采煤機啟動滑行段長度，m；l為液壓支架中心距，m。

4 開展井下礦井液壓支架試驗并提取測試結果和故障信息

開展井下試驗可以得到液壓支架整機及元部件在各種條件下的測試信息。基于測試結果和故障信息，利用排列器制造常規單、雙、隔、全部，或周期性，或隨機性的信號[26]。隨后，將所有結果信號輸入液壓支架電液控制系統驗證測試裝置中，如圖10 所示。

圖10 某礦井預計使用液壓支架試驗和故障信息Fig.10 Expected hydraulic support test and fault information for a certain mine

4.1 液壓支架試驗信息

(1) 液壓支架型式檢驗 利用各液壓支架試驗臺可對該支架進行型式檢驗，記錄故障信息。

(2) 水平狀態下各部件運行特性測試 利用位移傳感器與角度傳感器，對該支架頂梁、前梁、伸縮梁、各級護幫、掩護梁、連桿、底座、推移、尾梁、插板、立柱、平衡機構進行運行特性測試。

(3) 底板不同狀態下各部件運動特性測試 模擬不同底板狀態，對該支架機構運動進行特性測試。

(4) 大傾角、仰采、俯采狀態下各部件運行特性測試 利用大傾角試驗臺，布置 3 臺支架，試驗臺底面梯形槽板上安裝整塊或拼接小塊，組成不同形態底板條件；還可通過模擬巖石單軸壓縮彈模、單軸抗壓強度、單軸抗拉強度、泊松比、黏聚力、內摩擦角、抗彎強度等，形成模擬底板系列，以供試驗和評價。

(5) 支架移架速度測試[27]通過構建井下實際壓力、流量動力源，利用支架移架速度試驗臺，對支架“降-移-升”動作進行移架速度測試。

(6) 支架耦合測試[28-30]利用支架耦合試驗臺，對支架進行耦合性測試。

(7) 小比例支架模型沖擊測試 因國內外暫無支架沖擊試驗臺，可制作小比例支架模型，利用 6 000 kN 立柱動載過載試驗臺進行支架沖擊試驗。

4.2 礦井液壓支架元件試驗信息

(1) 支架元件型式及自愿性檢驗 利用各立柱、千斤頂、閥試驗臺、過濾器 (站) 對支架上立柱、平衡護幫、前梁、尾梁、推移千斤頂等、換向閥、單向閥、安全閥、截止閥等進行型式檢驗，以及過濾器(站) 自愿性檢驗，記錄故障信息。

(2) 支架支撐千斤頂安全閥大流量、沖擊測試 利用 5 000 L/min 大流量安全閥試驗臺對支架立柱、平衡護幫、前梁、尾梁、推移千斤頂等安全閥進行大流量和沖擊壓力安全性測試。

(3) 支架立柱與千斤頂沖擊測試 利用 26 000 kN 立柱試驗臺、6 000 kN 立柱動載過載試驗臺對支架立柱、支撐千斤頂進行沖擊試驗。

5 基于數字孿生的虛擬仿真和可視化驗證測試系統

如圖11 所示，利用 SolidWorks 軟件將該電液控制系統所在工作面三機配套資料和地質勘探資料建立三維模型，再通過 3ds Max 建立可驅動模型。通過C# 編程語言進行不同部件的位置迭代計算，實現平滑、可控、無縫銜接的三維驅動動作，進而用于液壓支架虛擬仿真和可視化分析[31-46]。同時，通過和電液控系統聯動，對液壓支架電液控制系統進行可視化分析驗證。利用采集的測試結果與故障信息，將其信號化處理后輸入系統，實現工作面液壓支架的可視化，最終建立基于數字孿生的虛擬仿真和可視化驗證測試系統，如圖12 所示。

圖11 基于數字孿生的虛擬仿真和可視化驗證測試系統流程Fig.11 Process of virtual simulation and visual verification testing system based on digital twins

圖12 基于數字孿生的虛擬仿真和可視化驗證測試系統Fig.12 Virtual simulation and visual verification testing system based on digital twins

建立三級全工作面液壓支架電液控制系統驗證測試裝置后，由從事綜采機組研究的非設計人員進行操作并給出反饋意見。通過采集和監控不同環境 (高低溫、冷熱沖擊、高濕、粉塵、酸性、堿性) 下各液壓支架的信號，構建能真實反映工作面情況的可視化驗證系統。系統運行結果表明：聯網運行、操作和同步功能運行流暢；人機交互界面尚需繼續完善；系統能夠實現遠程控制，同時具備一定的協同操作功能，但控制及協同操作功能需要對運動控制程序進一步優化。經過對系統各方面測試可知，設計時的目標功能已基本實現，各種功能模塊運行良好，基本滿足設計要求。

6 結語

建立了三級全工作面液壓支架電液控制系統驗證測試裝置，該系統可滿足 300 套電液控制系統的標準控制功能、安全功能、數據處理功能、電源波動適應能力、穩定性、可靠性等驗證測試要求，還可進行采煤工藝、帶壓移架、不同底板工況下行走、頂板沖擊下的電液控制系統驗證測試。基于某工作面真實情況，利用數字孿生技術構建了虛擬和可視化驗證測試系統，將電液控制系統置于高低溫、冷熱沖擊、高濕、粉塵、酸性、堿性等環境下，采集液壓支架執行機構、壓力開關、換向閥電磁鐵等信號，對三級全工作面液壓支架電液控制系統驗證測試裝置進行測試。結果表明，其基本功能達到預期要求。三級全工作面液壓支架電液控制系統驗證測試裝置的建設，對于GB 25974.4 的推出和電液控制系統測試技術發展具有促進作用。