智能及轻量化煤炭开采液压支架的设计研究

□余阿东□罗锦锋□李翔龙

1信阳职业技术学院　河南信阳　464000

2四川大学 制造科学与工程学院　成都　610065

智能及轻量化煤炭开采液压支架的设计研究

□余阿东1□罗锦锋1□李翔龙2

1信阳职业技术学院河南信阳464000

2四川大学 制造科学与工程学院成都610065

通过对特厚煤层综采工作面及巷道围岩控制理论的研究，设计了一种8.8 m液压支架。支架采用特制的高强轻质钢板，同等强度下较传统用材支架质量减轻25%以上，方便井下运输、安装及搬迁。采用人工智能技术使综采面用人减少55%以上，大大减轻工人的劳动强度，同时提高了综采工作面的安全性，对于提高煤炭开采效率具有重要意义。

随着大采高液压支架在厚煤层的成功应用，煤矿对液压支架的高度有了更高要求［1］。综合考虑综采工作面覆岩运动与矿压显现规律、开采条件、煤层硬度、技术装备等因素，开发了一种最大支护高度可达8.8 m的液压支架，采用电液控制，在提高生产能力和资源回采率的同时，可确保矿井安全生产［1］。

1　大采高液压支架总体设计研究

根据煤矿的地质条件和采煤工艺要求，以及适合所开采煤层的赋存条件和矿压特点［2］来设计大采高液压支架：要求其应有良好的结构功能和支护功能，顶板能及时维护，防止端面顶板的冒漏，同时可有效支撑顶板［3］；二柱掩护式支架单排立柱支撑，支撑合力距离煤壁较近，可有效防止端面顶板的早期离层和破坏；控顶距小、顶梁较短，对顶板的反复支撑次数少，减少了对直接顶的破坏；支架给顶板向煤壁方向的推力，有利于维护顶板的完整［4］。因此，笔者将二柱掩护式大采高8.8 m液压支架作为设计研究对象。

笔者采用经验估算法、基于顶板分类的支护强度计算法、基于支架与围岩相互作用关系的数值模拟法及类比法［5］，对8.8 m液压支架支护强度进行计算，最终确定支护强度为1.72 MPa～1.80 MPa。根据确定的支护强度，并结合配套尺寸、支架顶梁长度，确定支架的工作阻力为26 000 kN，支架中心距为2 500 mm，最大支护高度为8.8 m，最低支护高度为4 m。大采高两柱掩护式液压支架采用电液控制，支架为整体顶梁，前端带有伸缩梁及一、二、三级护帮板，可以有效支护顶板及煤壁，防止片帮。为了保证支架整体的稳定性及各个状态受力均衡，运用专业的计算程序进行四连杆机构与底座、掩护梁配合间隙的优化。液压支架采用φ600 mm双伸缩立柱，选择30CrMnSi特殊材料，机械性能、淬透性能、防锈性能都优于普通的27SiMn材料。立柱活柱、中缸均采用国内首创的喷涂陶瓷工艺，适用于较恶劣的煤炭开采工况环境，其使用性能大大优于普通立柱。

2　大采高液压支架三维设计仿真研究

大采高液压支架由一级护帮结构、二级护帮结构、三级护帮结构、伸缩梁、顶梁、顶梁侧护板、掩护梁、掩护梁侧护板、前连杆、后连杆、底座、推移杆、底座侧推梁等组成。采用Pro/E三维软件进行产品自顶向下的设计，通过建立支架的骨架参数模型，使设计信息集中在骨架参数模型中。在设计过程中，通过控制相关参数，可以进行运动仿真、干涉检查、强度分析，能够使支架结构设计更加合理。液压支架的三维装配结构如图1所示。

图1　支架三维装配结构图

3　基于智能化的电液控制系统及采煤工作面控制系统的研究

8.8m液压支架的电液控制系统具有高可靠性、高安全性等特点，现场的来压周期预警信号、采煤机工作位置等状态信息，通过无线方式传递至支架电控制系统。支架电液控制系统具备遥控操作功能，使设备布局更灵活，操作更方便。电液控制系统的主控芯片采用32位ARM9处理器，运算速度快，数据备份能力强，能存储重要历史数据［6］。

电液控制系统的压力传感器采用半导体硅材料，实现压力与电信号的转换，该传感器耐高压冲击能力强、抗电磁干扰能力强、输出信号稳定。电液控制系统的磁致伸缩线性位移传感器能实现非接触式长行程绝对位置测量，具有良好的环境适应性和可靠性。电液控制系统的红外线传感器精度高、抗干扰能力强。电磁阀驱动器采集压力、位移、红外等传感器数据，接收控制器指令，驱动相应电磁阀动作。电液控制系统的主控换向阀由电磁先导阀和液控换向阀组合而成，主阀采用基块加片式结构形式，可根据配套支架的动作要求自由组合。电磁先导阀进液前安装先导过滤器，保证先导阀对乳化液清洁度的要求。8.8 m液压支架电液控制系统如图2所示。

图2　8.8 m支架电液控制系统

在支架电液控制系统中，控制器安装位置固定，在邻架操作过程中由于大立柱遮挡视线，存在盲区，因此通过遥控操作可以最佳视角操作支架，完成各个动作。整套电液系统布局灵活，对支架操作不再依赖于控制器，且每套遥控系统包含多个遥控器及接收器，在同一个工作场地使用不存在互相干扰问题，每5台支架安装1个接收器，并将架号、位移传感器、压力传感器信息发送给遥控器。

8.8m采煤工作面智能化集中控制系统以顺槽集控中心为核心［7］，实时显示支架、采煤机、刮板机、泵站等设备实时状态及参数，可以对工作面任意一台支架进行远程操作，包括液压支架的单架单动作、单架顺序动作、成组动作等。依据煤矿机电设备EtherNet/IP通信协议标准规约建立起通信网络，通过通信网络与采煤机、支架、刮板机、视频监控、语音等子系统的有机结合，实现各子系统之间的数据传递，并根据采煤工艺实现三机联动、设备及人身安全保护、故障诊断、声光报警、智能化操作。地面监控中心通过光纤实现与井下顺槽集控装置的通信，以及工作面设备数据的实时监测［8］。视频监控系统全工作面覆盖，每2台支架配备1台高清微型本安红外摄像机，摄像机具备红外功能，无需布置光源也可清晰黑白成像。有光源则可彩色成像，工作面视频通过千兆以太网实时传输至顺槽与地面，可以对关键部位进行录像，保存在本地存储空间，供参考使用，实现调度中心对工作面的在线实时监控。8.8 m采煤工作面智能化集中控制系统如图3所示。

图3　8.8 m采煤工作面智能化集中控制系统

4　大采高支架轻质高强度钢板结构件的应用研究

大采高液压支架质量的不断加重为客户带来了诸多不利，如运输费用昂贵、井下安装与搬运困难等。如何在保证质量的前提下减轻质量，成了研究关注的焦点。经过研究发现，在质量完全不受影响的前提下，8.8 m液压支架结构件使用高强度钢板，经正火、正火加回火或淬火加回火后，钢板具有很高的综合力学性能，因此8.8 m大采高液压支架大量采用此轻质高强度钢板。采用此高强钢板的液压支架比常规液压支架整机质量降低25%左右，结构件质量降低35%左右。轻质高强度钢板可满足支架结构件焊接使用，平均屈服强度达到1 200 MPa，断裂强度达到1 289 MPa，屈强比达到0.95左右，远超煤机行业对产品材料的性能要求。大量应用高强度钢板，在减轻支架板材质量的同时大幅度提升了支架的强度、安全因数及寿命［9］。材料的优越性能为支架的高品质奠定了基础，制造过程的质量控制同样非常关键。液压支架70%的质量为钢板焊接的结构件，焊接质量至关重要，钢板焊接时采用了专用焊体，大幅提高了焊缝质量，同时还对焊后结构件进行探伤检验。支架质量的减轻，为煤炭开采创造了更多的价值，方便了井下运输、安装及搬迁。

5　大采高液压支架40 000 kN试验台综合耐久性测试

为进一步验证减重支架的可行性，选用了一台支架样机，按照煤炭行业《MT 312—2000液压支架通用技术条件》［10］标准进行综合耐久性试验，试验时支架放置在40 000 kN试验台内，按照不同的高度加复合垫块进行内加载试验。强度测试用1.2倍额定工作阻力，每个测试项加载3次，每次保压5 min。耐久性测试用1.05倍和0.25倍额定工作阻力交替加载，定期变换加载垫块的位置。支架耐久性试验达到24 600次，远超标准要求。另外在耐久性试验中通过设定试验参数，自动控制循环加载，可以使支架耐久性试验次数超过欧洲标准的要求，满足对支架进行更加严苛的试验，以确保支架的安全性和可靠性。

6　结束语

高智能和轻量化8.8 m液压支架在大采高工作面安全支护与防冒顶防片帮新技术、超长超大直径立柱稳定性与可靠性高寿命技术、轻量化超高强新钢板材料新工艺焊接制造技术、支架遥控智能控制技术，以及超大设备高可靠性长寿命验证新技术新手段等方面都进行了深入的研究，该产品的研发，将推动8 m以上特厚煤层开采新工艺的发展，带动煤机装备制造业的全面升级，进一步提升综采割煤高度，提高资源回收率、回采产量及工效，降低煤炭产品含矸率，经济效益、环境效益和社会效益十分显著。

［1］袁安营.厚煤层综放开采采高效应模拟研究［J］.煤炭技术，2015，34（11）：4-7.

［2］钱学森.软厚煤层大采高工作面采场覆岩运移规律研究［J］.煤炭技术，2015，34（10）：7-9.

［3］杨礼.大倾角大采高工作面顶板结构研究［J］.煤炭技术，2015，34（9）：25-27.

［4］郭卫彬，刘长友，吴锋锋，等.坚硬顶板大采高工作面压架事故及支架阻力分析［J］.煤炭学报，2014，39（7）：1212-1219.

［5］王国法.液压支架技术［M］.北京：煤炭工业出版社，1999.

［6］李磊，宋建成，田慕琴，等.基于DSP和RS485总线的液压支架电液控制通信系统的设计［J］.煤炭学报，2010，35（4）：701-704.

［7］王艳燕，刘凯，李昊.液压支架监控主机系统设计［J］.煤炭技术，2015，34（7）：237-239.

［8］杨静.国内外智能化控制系统发展态势的研究［J］.装备机械，2016（1）：59-64.

［9］刘丹.碳钢和不锈钢焊接接头性能分析［J］.上海电气技术，2014，7（2）：33-36，51.

［10］液压支架通用技术条件：MT312—2000［S］.

By studying the control theory for special thick layer of coal mining face and surrounding rock，an 8.8 m hydraulic support was designed and the support adopts a special high-strength lightweight steel plate. Under the same strength，its weight is reduced by 25%than that of the support made of traditional material，the new support is convenient in underground transportation，installation and removal.When AI technology is used the employ persons at the coal mining face could be reduced by more than 55%while the labor intensity could be reduced greatly and the safety at coal mining face could be improved.It has important significance to improve the efficiency of coal mining.

液压支架；高强轻质钢板；人工智能技术

Hydraulic Support；High-strength Lightweight SteelPlate；AITechnology

TH122；TH133.3

A

1672-0555（2016）02-045-04

2016年1月

余阿东（1982—），男，硕士，讲师，主要从事矿山机械产品设计研究工作