矿井工作面液压支架自动控制技术研究

摘 要：为了提高采煤工作面自动化控制水平并提高作业安全系数，对液压支架自动控制技术展开分析研究。主要成果为：①液压支架自动控制系统中自动补压装置可确保液压支架工作阻力在设定范围内，从而避免顶板出现漏顶问题;②采用红外传感器监测采煤机位置、采用逐架回收方式回收护帮板实现护帮板回收与采煤机相配备，不仅提升采煤效率而且在一定程度上减少煤壁片帮发生;③自动控制系统内布置的各类传感器可对液压支架支撑、移动过程中各状态进行监测，确保支架始终处于稳定、合理状态。井下采用支架自动控制技术可显著提升综采工作面自动化控制水平，为智能化矿井建设奠定良好基础。

关键词：综采工作面;液压支架;采煤机;自动控制;传感器

现阶段我国绝大多数矿井已实现综合机械化回采，煤炭产能以及安全保证能力得以显著提升[1]。当采面开采的煤层厚度在3.5m以上时煤壁容易片帮，同时支架由于高度大容出现失稳问题，在一定程度上制约矿井生产效率提升[2-3]。文中就对采面煤壁片帮、顶板管理以及支架跟机控制方面进行研究，以期能在一定程度上提升液压支架综合自动化、智能化控制水平。

1 采面支架控制要求

1.1 顶板及煤壁管理

当采面煤层开采厚度在4m以上时，顶板周期性垮落时矿压显现明显，顶板来压时会给液压支架带来显著的冲击，严重时甚至会出现压架、死架。当支架工作阻力大于1.6MPa时顶板下沉量明显降低，因此可通过提高液压支架工作阻力来强化对顶板岩层控制。开采过程中若支架前探梁与煤壁距离较远时，悬空顶板在矿压出现下容易出现冒落问题，因此液压支架移动时前探梁与煤壁间距离最大应不超过480mm。

随着煤炭开采煤壁由三向受力转向两向受力，在采动动压影响下采面前方煤壁会受到较大的垂向应力以及剪切应力作用，当煤体抗剪强度小于受到的剪切应力时煤壁出现片帮。为了确保采面生产安全，液压支架应安装护帮板且高度在800mm以上。

1.2 支架防失稳

采面煤炭开采高度增加时液压支架重量及重心高度增加，因此可通過增加支架架宽及中心距方法来提升支架稳定性。支架在空载状态时提升至最大高度后，顶梁与底座中心位置偏差控制在80mm以内，且在支架底座安装防倒设施[4]。通过控制液压支架重心高度可避免支架失稳，移架时作用到顶梁的侧推力应小于支架自身重力。

2 支架自动控制原理

液压支架自动控制时需要布置相应检测传感器以及电液控制系统，通过传感器获取液压支架位置、状态数据，通过数据分析、处理后对支架自动控制模型进行修正并优化电液控制参数及控制程序，确保液压支架可平稳运行，实现自动化、智能化操控。

液压支架自动控制依据电液控制系统，并根据预先设定的智能控制方案，实现液压支架与顶板耦合作用、煤壁控制并避免自动移架时出现失稳或者邻近支架碰撞问题，实现液压支架自动控制，

控制器是实现液压支架自动控制的主要设备，每台液压支架上均布置独立的控制器，采用通信线缆、连接器等将控制器并联。控制系统中布置的压力传感器监测立柱、顶板以煤壁压力;行程传感器监测护帮千斤顶、推移千斤顶等位置，为判定液压支架位置以及状态提供参考;接近传感器用以监测多级护帮板工作状态，确保护帮板在运行时不会出现干涉问题;高度传感器用以监测液压支架支撑高度，在控制支架高度同时确保支架高度相同，避免个别支架支撑高度过大或者过低导致压实、不稳问题;红外传感器用以监测采煤机运行位置、姿态，确保在满足采煤机开采工艺下的自动跟机运行。

3 自动控制方案

井下回采工作面作业空间为狭小的矩形，其中液压支架用以为采煤机、刮板输送机运行提供安全空间。在液压支架自动控制运行时应重点考虑以下几个方面：

3.1 顶板管理

采面顶板压力对液压支架状态有显著影响，制定的控制方案应包括以下方面：

3.1.1 支架升架时应有足够初撑力

支架在供液系统压力下升起，顶板与顶板应密切接触，给液压支架足够的初撑力可减少顶板下沉量并确保顶板稳定，使得液压支架可迅速进入恒阻状态。为了减少移架期间顶板下沉量应在移架升柱期后给支架足够的初撑力;当采面回采过破碎带时应采用带压移架方式，从而在移架期间对破碎顶板进行控制。

支架升柱完成后由于各方面原因会导致支架卸压、立柱压力降低，此时应通过自动补压装置给立柱自动补充乳化液，确保支架次初撑力在预定范围内。液压支架高度出现变化时会导致顶梁出现位移。支架高度由3.5m增加至5.0m时顶梁位移变化8mm、高度由5.0m增加至5.1m时顶梁位移变化11mm。因此，支架升架后应立即伸出伸缩梁，并调整护顶技术方案。

3.1.2 煤壁管理

通过行程传感器以及压力传感器可检测液压支架护帮帮位置状态以及煤壁压力。通过行程传感器获取护帮板工作状态确保护帮板可为煤壁提供足够水平支撑力。当采面开采煤层厚度较大时采用的多级护帮板需按一定的顺序动作，采用护帮板上布置的接近传感器对护帮板姿态进行监测、控制。在采煤机回采时若探测到护帮板未及时收回，采煤机立即停机运行。

3.1.3 支架失稳控制

液压支架重心位置随着支架高度增加而升高，重心越高支架稳定性越差，越容易出现倒架、侧滑问题。通过增加支架宽度、底座长度并缩短移架间隙可在一定程度上提升支架稳定性。采用倾角传感器测量掩护梁、顶梁摆角，确保摆角差值在15°之内。

3.2 支架智能跟机控制

液压支架智能跟机控制是依据采煤工艺并通过液压支架、采煤机相互配合达到有序控制目的，避免支架在跟机期间出现丢架问题，确保自动、智能跟机效果。

图1   支架护帮板逐架回收示意图

由于液压支架多级护帮采用联动控制方式，护帮板回收速度响度较慢，与采煤机推移速度不匹配。若采用降低采煤机回采推进速度方式则会明显降低采面产量，为了解决上述问题，提出采用逐架回收方式来与采煤机回采进行匹配。具体操作为：对液压支架护帮板回收动作进行分级，在与采煤机相距较远位置支架护帮板回收动作小。采煤机前方6架支架护帮板动作，与采煤机相邻的支架依次按照全部回收、回收5/6、4/6、3/6、2/6、1/6架进行控制，具体控制见图1。采用逐架回收不仅可满足采煤机与护帮板回收匹配问题，而且避免煤壁片帮。

4 总结

①对井下综采工作面液压支架自动控制技术进行分析，通过传感器、电液控制系统实现液压支架自动跟机移动，采用自动补压装置对支撑压力不足的支架进行自动补压，确保支架工作阻力，维护顶板稳定;

②液压支架护板帮采用逐架回收方式与采煤机进行匹配，不仅满足采面煤炭开采需要而且降低煤壁片帮发生率。液压支架自动跟机技术避免人工移架时造成支架工作阻力分布不均衡、劳动强度大等问题;

③液压支架自动控制时采用优化支架重心位置、带压移架等方式避免支架失稳，为厚煤层开采创造良好条件。

参考文献：

[1]任阳.大采高工作面液压支架自动控制技术研究[J].煤矿机械，2020，41（09）：49-52.

[2]张克伟，崔科飞，张幸福.厚煤层工作面液压支架自动动作研究和应用[J].煤矿机械，2020，41（06）：155-157.

[3]罗超.塔山煤矿液压支架采用电液控制的设计研究[J].山东煤炭科技，2020（03）：123-125.

[4]任建庭.液压支架电控系统的设计[J].机械管理开发，2020，35（01）：176-177+200.

作者简介：

雷庆海（1985- ），山西省沁源县人，2007年6月毕业于山西煤炭职业技术学院，大专，现为工程师。