综采面支架立柱安全阀运行工况检测技术研究

刘 正,郭宏伟

(国能神东煤炭集团有限责任公司移动应用项目部，陕西 榆林 719315)

0 引言

煤矿智能化建设进程加速推进，产生了大量的生产数据，支架压力数据就是其中一种，其不仅可以反映顶板来压状态和支架压力加载特性，还可以对支架安全阀运行工况进行监测。综采工作面液压支架在泵站的压力下达到初撑力，在顶板压力的持续作用下压力不断增加，经历增阻阶段，然后在支架立柱安全阀的调节作用下处于恒阻阶段达到工作阻力，发挥支架最佳支护特性。综采面周期来压时，顶板作用到支架上的压力增大，支架立柱通过两个安全阀的动作溢流来使得支架立柱下缩，以应对顶板的下沉，给顶板让出一定空间，防止支架零部件在巨大矿山压力作用下损坏，通过调动综采面相邻支架工作阻力，保证采场处于最佳整体支护状态。当支架立柱安全阀压力达到设定的关闭压力时，安全阀关闭溢流，立柱下腔压力开始回升，减少顶板下沉，如此周而复始。由此可见，安全阀在支架液压系统中的重要作用。

目前，综采面来压时，通过人工巡检的方式，观测到支架左右立柱安全阀溢流泄液时，进行立柱下沉量和立柱压力统计，作为来压剧烈情况的参考和判断，为生产决策提供帮助。日常检修时，支架工需每天对安全阀完好情况进行检查，定期升井校验安全阀压力，安全阀维护成本较高。支架压力传感器、支架立柱安全阀均与支架立柱下腔连通，通过立柱压力传感器数据即可获取安全阀和立柱压力实时数据。随着神东公司生产数据仓库的建成，13矿14井矿压数据已经全部统一集中存储。通过分析支架立柱压力历史曲线数据，提取每个综采面每台支架每个立柱的安全阀动作情况，及时获得当前时间段内整个综采面支架立柱安全阀泄液情况，统计安全阀动作支架数量及分布，关联各支架立柱下沉量，就可以判断出当前综采面的来压情况，从而更好地组织和安排下一步综采工作面生产工作；通过对“拒动”异常支架安全阀精确定位，还能提升日常安全阀检修效率和质量，为公司各综采面节约大量因维护投入的人力和物力费用。

1 安全阀工作过程及工作原理分析

液压支架是机械化综采工作面的核心设备之一，安装于立柱的安全阀是液压支架的重要组成部分，它被用来限制液压支架实际的工作阻力，使其不超过允许值。在液压支架实际工作过程中，当顶板来压突然下降，支架活塞杆随之下降，从而引起立柱内腔乳化液压力迅速上升，工作液体从安全阀进液口进入，作用在安全阀小阀芯和大阀芯端面上，同时乳化液通过主阀芯的阻尼小孔作用在差动式结构的环形面积上，随着液压支架活塞杆进一步下降。当立柱内腔压力升高到小阀芯的开启压力时，小阀芯幵始溢流，使工作液体从出液口流出，保证了压力的稳定。当活塞杆持续下降，压力继续升高，小阀芯逐渐全部开启但还不卸载的情况下，立柱内腔压力继续上升。当达到大阀芯开启压力时，大阀芯也开始溢流，大部分乳化液通过大阀芯出液口排出，立柱再次下沉，进而保证液压支架工作状态。当顶板下沉以及安全阀溢流到一定程度后，压力降至关闭压力后，安全阀就会停止泄液并进行复位，如图1所示。

图1 液压支架立柱安全阀工作回路Fig.1 Working circuit of hydraulic support column safety valve

2 支架压力历史数据分析及安全阀工况检测技术研究

2.1 单个液压支架立柱压力的历史数据分析

现代化综采工作面装备的液压支架系统都集成了多种传感器，如支架双立柱压力传感器、采高传感器、倾角传感器和推移行程传感器等，这些数据通过支架电液控制系统集中采集和上传。采集的数据都能满足秒级响应。一台支架立柱压力传感器1 h采集的实时压力数据量为3 600条，一个班按8 h计算，产生28 800条数据。因此，支架立柱压力传感器数据处理属于海量的时序数据处理。

首先要对原始数据进行预处理。这里用到了海量时序数据的“变化存储”进行数据预处理。具体讲就是要先经专业采集软件进行“变化存储”，所谓的“变化存储”就是数据有变化才会进行采集和存储，采用的是一种“旋转门压缩”算法，使得数据经过初步的压缩处理。数据压缩倍数为3 600条/42条，压缩量近百倍。通过数据预处理，数据从源头上成百倍地被压缩掉，但是基本的波形特征、骨干信息和数据细节都被保留了下来。

通过单个立柱压力传感器历史曲线的提取和展示，结合其实际安全阀开启情况进行业务关联匹配，从中去发掘数据形态与实际运行工况的对应关系。该立柱压力曲线的波形特征为：①和平常的压力曲线波形不同，该波形在46 MPa压力上下震荡，而正常压力波形在降架之前是一直升高的；②波形震荡区间波动幅度不大，且未突破下限44 MPa。而实际的安全阀设定的开启压力值为46.3 MPa，设定的安全阀关闭压力值为44.3 MPa。现场这一时间段内，支架右立柱安全阀在来压期间正常溢流泄液，直到下一割煤循环停止。

通过分析，安全阀在设定的开启压力下动作而泄液，在设定的关闭压力下而复位，对应的正常数据形态也应该如此。以下建立具体的安全阀动作模型，并依照数据的表现形态，进行时序数据分解对应，最终建立安全阀动作的压力数据模型。

2.2 单个液压支架立柱安全阀的“动作-数据”模型

安全阀动作要点分析：①达到设定开启压力时而动作，进行溢流；②正常动作时在顶板和安全阀自身结构共同作用下，立柱内腔压力在设定开启压力附近区间振荡；③达到设定关闭压力时而动作，停止泄液，立柱内腔压力开始回升；④安全阀异常时，达到设定开启压力而不动作，压力持续攀升；⑤降至关闭压力而不关闭泄液，立柱下沉量过大。

由于时序数据是连续立柱压力的离散采样，数据要么持续不变要么进行波动。利用相邻的2个采集数据做对比，就可以反应安全阀的动作情况。设当前有效数据为Vi，前一个有效数据为Vi-1。如图2所示，具体对应关系如下：

图2 立柱安全阀动作的压力数据模型时序动作分解示意Fig.2 Time sequence action decomposition of the pressure data model of the action of the column safety valve

(Vi-Vi-1)>0&&((VH-Vi-1)≥0&&(Vi-VH)≥0)用序列化符号F12标记，表示压力达到设定开启压力VH或压力区间振荡时而向上穿过VH。

(Vi-Vi-1)<0&&((VH-Vi-1)≤0&&(Vi-VH)≤0)用序列化符号F23标记，表示压力因溢流而向下穿过VH。

(Vi-Vi-1)<0&&((VL-Vi-1)≤0&&(Vi-VL)≤0)用序列化符号F34标记，表示压力达到设定关闭压力VL而向下穿过VL。

(Vi-Vi-1)>0&&((VL-Vi-1)≥0&&(Vi-VL)≥0)用序列化符号F45标记，表示压力因停止泄液而向上穿过VL。

通过以上描述，建立安全阀的“动作-数据”模型，把安全阀运行的状态时序数据进行序列化符号描述和标记(即4大基本时序动作用序列号符号F12、F23、F34和F45描述和标记)。

2.3 单个液压支架压力数据提取安全阀运行状态的数据处理方法

为了进行量化分析，分别设置isUpHigh、isDownHigh、isDownLow和isUpLow数据监测整型变量分别对4大基本时序动作F12、F23、F34和F45进行计数，初始值均为0。对时序动作还设置了Path字符串变量进行统一记录，初始值为空字符串。

具体做法：当触发时序动作F12时，isUpHigh自增1，Path字符串尾部连接字符串“，F12”(其中逗号作为分隔符)；当触发时序动作F23时，isDownHigh自增1，Path字符串尾部连接字符串“，F23”；当触发时序动作F34时，isDownLow自增1，path字符串尾部连接字符串“，F34”；当触发时序动作F45时，isUpLow自增1，Path字符串尾部连接字符串“，F45”。这样，对于4大基本时序动作就做到了数量上和时序先后的统一记录，即通过设置以上5个特征量，对安全阀运行的压力连续曲线数据进行量化描述。

完整数据处理流程表述：对实时采集的液压支架压力时序数据或者历史压力数据进行连续处理，通过对时序动作的持续捕捉，同时通过设置序列化符号形成的字符串记录变量(Path)、各状态数量监测变量(isUpHigh、isDownHigh、isDownLow和isUpLow)进行记录，就可对形成的记录进行量化分析。最后，又经过大量生产数据测试，形成了以下运行状态的具体判别依据。①当支架压力在达到设定开启压力情况下，多次在上区间(VH-Δ，VH+Δ)振荡，就可判定立柱安全阀正常进行开启和溢流，具体判定参数为isUpHigh>0&&isDownHigh>0。②当支架压力在达到设定关闭压力情况下，压力缓慢回升，即可判定立柱安全阀正常关闭和停止泄液，具体判定参数为isUpHigh>0&&isDownLow>0&&isDownLow<2。上述两者均正常，即可判定此安全阀运行状态正常，具体判定参数为isUpHigh>0&&isDownLow>0&&isDownLow<2。③当支架压力在达到设定开启压力情况下，压力持续上升，通常是设定的安全阀开启压力过高，即VH与实际不符，或是安全阀异常，具体判定参数为isUpHigh>0&&isDownHigh<1。④当支架压力在达到设定关闭压力情况下，压力持续下探，通常是设定的安全阀关闭压力过低，即VL与实际不符，或是安全阀异常，具体判定参数为isUpHigh>0&&isUpLow<1。核心算法和数据处理流程如图3所示。

图3 核心算法和数据处理流程Fig.3 Core algorithm and data processing flow

除此之外，还有一种情况未囊括其中，就是当支架设定的安全阀开启压力远远低于VL的情形，此种形态，可借助统计学原理进行排查。以下介绍整个综采面支架安全阀运行工况的统计学排查方法和原理。

2.4 多台液压支架某个时间段安全阀运行工况的统计学分析

当综采工作面剧烈来压时，采场上覆岩层形成“砌体梁”结构，该力学结构传递静载荷和动载荷到综采面成组支架上，正常情况下，该部分力被区域内支架共同承担，分布到每台支架的载荷具有连续性。利用该矿山压力理论，绘制来压时间段内的综采面所有支架安全阀开启情况分布图，如图4所示。

图4 综采工作面支架立柱安全阀动作分布Fig.4 Action distribution of safety valve of support column in fully mechanized mining face

通过对综采面所有支架安全阀动作情况统计汇总，统计安全阀动作支架数量及分布，不仅可通过动作数量和分布规律来反映当前综采面的来压范围，而且根据来压分布的连续性，45#、48#、54#和65#支架这些应该动作却未动作的“拒动”支架安全阀被凸显，假若连续两次剧烈来压而未动作，就可以判定安全阀处于异常状态。

3 技术的计算机实现与技术优点

采用计算机编程的方式实现，然后对采集到的数据进行实时或者历史计算，使得每个综采工作面全部支架左右立柱压力数据可被在线实时或者历史自动提取。需要指出，无论采用哪种编程方式，核心思想及判据不会变，算法的具体实现与所用编程语言无关。

该检测技术是依靠煤矿综采工作面支架立柱压力传感器数据进行支架立柱安全阀运行工况检测的核心方法。该方法不依靠信号处理手段检测振荡波形这种数据处理方法，完全结合现场业务逻辑、立柱压力传感器采集数据特点以及支架立柱安全阀动作特点，采用建立立柱安全阀动作的压力数据模型，划分安全阀运行4大基本时序动作的方式来提取关键特征，形成了基于立柱压力数据检测整个综采面安全阀运行工况的一整套技术体系及数据处理流程。

4 技术应用

神东矿区13矿14井30多个综采工作面支架立柱压力传感器数据涉及到玛柯、天玛及EEP多个厂家电液控制系统，实现立柱压力数据采集与存储秒级响应。该技术体系成功应用于神东矿区所有煤矿，并提供了历史数据查询和检测结果校验功能，使得系统功能不断健全。两年多来，系统数据准确率在96%以上。

5 结语

通过支架压力数据来提取安全阀动作轨迹，根据业务逻辑将安全阀动作轨迹分解为时序动作，通过时序动作可对支架各安全阀的运行工况进行判断；能识别安全阀异常工况：达到设定开启压力而没有开启或达到设定关闭压力而持续泄液不保压情况；通过汇总功能而具有统计分析能力，给出任意综采面任意时间段内安全阀动作支架数量和分布，进而对实际“拒动”的支架安全阀进行异常检测；按班进行数据计算和报表生成，为综采区队班前会的生产组织安排提供数据支持。总之，该检测技术利用煤矿综采工作面液压支架立柱压力传感器数据，形成一整套计算支架立柱安全阀运行工况的技术体系和数据处理体系，并经过实践检验，成功用于整个综采面立柱安全阀运行工况监测。