俄霍布拉克煤礦下1煤1404綜采工作面支架電液控制系統(tǒng)的研究與應用

摘 要：文章對德國迪芬巴赫電液控制系統(tǒng)進行了全面分析研究，并將之成功應用到俄霍布拉克煤礦下1煤1404工作面，通過該系統(tǒng)的應用，改善了工作面煤壁和頂板支護狀況，提高回采效率，減少礦工勞動強度，保障安全生產，實現(xiàn)煤炭生產的高效化、現(xiàn)代化，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，技術成熟可靠，代表了當今煤礦采煤自動化發(fā)展的方向，應大力推廣。

關鍵詞：支架；電液控制；系統(tǒng)；研究；應用

1 引言

液壓支架電液控制系統(tǒng)是采用機電液一體化技術對液壓支架的液壓回路進行控制的系統(tǒng)，其目的是實現(xiàn)煤礦綜采工作面液壓支架的操作自動化，即手動操作改為電液自動控制、程序化操作，實現(xiàn)煤炭生產的快速、安全、高效、現(xiàn)代化。

2 俄霍布拉克煤礦概述

俄霍布拉克煤礦（簡稱俄礦），是徐礦集團早期援疆項目，自2002年開工以來，礦井不斷改擴建，產量年年翻番，目前產能為500萬t/a，遠景產能1000萬t/a。俄礦下1煤1404工作面位于礦井二水平下1煤四采區(qū)，走向約3930m，傾向約280m，煤層傾角13°，煤層平均厚度3.5m，儲量520萬t，采用走向長壁采煤法，一次采全高。由于工作面走向及傾向長度較大，布置161個支架，采用大功率1865kw的采煤機，割煤能力大、牽引速度快，割煤時達10m/min，使得工作面液壓支架人工操作量非常大，拉架慢，經常煤機割煤等拉支架，制約工作面回采速度，由于拉架慢，新割煤壁頂板支護不及時，頂板下沉煤壁片幫飛碳威脅操作人員安全。為提高1404綜采工作面回采速度和自動化程度，保證工作面的安全快速推進，達到安全高效的目的，工作面安裝高效支架電液控制系統(tǒng)十分迫切必要。

3 支架電液控系統(tǒng)基本原理

液壓支架電液控制系統(tǒng)在英美、澳洲、德國等煤炭生產發(fā)達國家已得到了普遍的應用，在國內的神東、兗礦等集團公司也得到了成功的應用，并取得了很好的安全經濟效果。經過考察，俄礦1404工作面采用由德國迪芬巴赫公司生產的電液控系統(tǒng)。

迪芬巴赫電液控系統(tǒng)基本原理是每架支架上裝備控制單元，各控制單元與順槽主控計算機連接，根據(jù)工作面情況設定控制程序參數(shù)，實現(xiàn)對工作面液壓支架的控制，其中起主要作用的是支架控制單元里的控制器ASG5，它借助于電液換向閥、壓力傳感器、位移傳感器、紅外線接收器等元件實現(xiàn)監(jiān)測支架的狀態(tài)、煤機位置、執(zhí)行各種指令。核心是通過電液閥將過去手工控制操作變?yōu)橛捎嬎銠C程序控制的電子信號操作。液壓支架不同位置的傳感器將工作環(huán)境和不同狀態(tài)的信號傳輸給計算機，計算機將根據(jù)不同的工作狀態(tài)和工藝的要求，對電液閥發(fā)出控制信號，達到對支架進行控制的目的，同時與順槽主控計算機通信，順槽主控計算機可通過以太網與地面監(jiān)控主站連接，實現(xiàn)地面監(jiān)控。系統(tǒng)構成如圖1所示。

4 支架電液控系統(tǒng)基本構成

每一支架內的電液控單元系統(tǒng)以一臺支架控制器ASG5為核心，還包括作為控制器外圍設備的三個傳感器和一套電液主閥組及其附件、電纜、電源箱等。一個壓力傳感器測量立柱下腔液壓力。一個行程傳感器測量推移千斤頂?shù)男谐?。一個紅外線接收器檢測采煤機的運行位置和方向，閥組控制支架動作，如圖2所示。

支架控制器ASG5連接電磁閥和傳感器，執(zhí)行自動功能，操作單一功能，開啟和關閉自動功能， 查看參數(shù)，配置，讀取傳感器數(shù)值，最多有22功能操作，最多7個傳感器插口，可選擇的無線電接收器通過雙通道高速通訊總線系統(tǒng)，控制完全自動化工作面，如圖3所示。

電液主閥為整體式結構，不銹鋼材質，閥芯采用插裝式，是控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件，主閥組按被控對象及動作功能分為若干單元，每個單元包括一個液動主控換向閥、一個與之對應的用來控制驅動主換向閥的電磁先導閥，先導閥用兩個電磁線圈驅動。電液閥組的一個單元一般用來控制同一液壓缸的伸和縮兩個動作（即兩個功能），兩個電磁線圈的分別吸合導致了這兩個對應的動作。閥組的單元數(shù)取決于被控對象和控制動作（功能）的多少，如圖4所示。本系統(tǒng)采用了兩塊閥組（12功能+8功能）共20功能閥組，控制支架各個動作。

5 支架電液控系統(tǒng)基本功能

5.1 本架、鄰架的手動操作功能

5.1.1 快捷單鍵操作。移架、升柱、降柱、伸護幫板、收護幫板、伸前梁、收前梁、伸側護板、收側護板；鄰架手動推溜及本架推溜鎖定。

5.1.2 菜單操作。除了快捷方式的動作外，其他動作都采用這種方式操控。這種方式動作的維持也必須持續(xù)按鍵。

5.1.3 采煤機司機操作手動噴霧，在控制器上按一個鍵，在采煤機上下兩滾筒處2架噴霧。

5.2 本架、鄰架自動動作

本架、鄰架自動降移升自動動作；根據(jù)立柱壓力和推移行程傳感器自動控制支架的降移升動作；可聯(lián)動護幫板、伸縮梁、側護板等功能。保證支架完成一次移架工作循環(huán)時間不大于10s。

5.3 成組自動動作功能

（1）成組自動降移升（組內支架依次移架）；（2）成組自動推溜（組內支架依次延時推溜或同時推溜）；（3）成組自動伸收護幫板（組內支架依次延時伸護幫板）；（4）成組自動伸收伸縮梁（組內支架依次延時伸伸縮梁）；（5）可通過參數(shù)設定和操作來選擇方向、動作架數(shù)、起始架號、動作延遲時間。

5.4 跟機自動控制

根據(jù)采煤工藝要求，在工作面不同區(qū)段實現(xiàn)不同的跟機自動移架、自動推溜、自動伸縮護幫板、自動伸縮伸縮梁；自動控制頂梁噴霧裝置。當采煤機通過時，分別與采煤機前后滾筒相對應的兩臺支架的頂梁噴霧裝置開始在采煤機上下兩個滾筒處自動跟機噴霧。

5.5 順槽主機實現(xiàn)的功能

監(jiān)測工作面設備狀態(tài)、調整系統(tǒng)參數(shù)；啟停、跟機自動功能；控制工作面支架動作；與礦井自動化系統(tǒng)接口；與其它控制設備接口；向第三方提供通訊協(xié)議。

5.6 支架在工作中發(fā)生卸載時的自動補壓功能

立柱在工作中發(fā)生卸載時的自動補壓功能，即立柱在支撐中如因某種原因發(fā)生壓力降落，當壓力降至某一設定值時，系統(tǒng)會自動執(zhí)行升柱，補壓到規(guī)定壓力，并可執(zhí)行多次，保證支護質量。

5.7 支架控制器的緊急停止及閉鎖功能

5.7.1 急停功能

如圖5所示，在緊急情況下，用力按下ASG5急停開關，紅色LED 燈開始閃爍，急停功能開啟。ASG5支架控制器會發(fā)出警報聲，將進行以下操作：在安全范圍內（±1～20 支架） 所有功能都將停止； 在安全范圍內（±1～20 支架） 所有自動功能都將停止，同時鎖定本架所有閥門輸出電路；本架左右鄰三架所有電氣功能都將被軟件禁止使用。

5.7.2 閉鎖功能

如圖6所示，在支架上或者支架區(qū)域內進行工作前必須鎖定支架。將ASG5開關逆時針旋轉，直到鎖定到位。黃色LED燈亮起，表明支架閉鎖開關被激活開啟。這個開關切斷所有閥門輸出的供電。因此ASG5控制器不會啟動任何支架動作。同時左右鄰架也不能操作閥門動作。站在支架區(qū)域內的人員不會再面對任何自動功能的危險。

5.8 查看鄰架信息功能

如圖7所示，可以在本架看到所選擇的鄰架控制器狀態(tài)信息，最多選擇的架數(shù)根據(jù)程序決定。

5.9其他功能

5.9.1 電液主控閥組在電氣故障處于修理狀態(tài)時，可以直接手動操作閥組先導閥，實現(xiàn)支架的各種單動作操作。電氣控制裝置為非主-從機型，當工作面控制系統(tǒng)與順槽控制中心斷開后，仍能完成各種操作功能和操作模式設置及自動化功能。

5.9.2 電液控制系統(tǒng)保證支架完成一次移架工作循環(huán)時間不大10s。

5.9.3 每臺支架配備紅外線接收裝置，可接收采煤機數(shù)字信號，實現(xiàn)與采煤機及刮板運輸機的聯(lián)動功能。能滿足支架與采煤機、刮板運輸機進行自動割煤要求，在三角煤區(qū)域也能實現(xiàn)自動拉架。

5.9.4 強大數(shù)據(jù)傳輸功能。支架本身信息如立柱的工作壓力、推移油缸的工作行程、煤機的位置、方向等進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸；其它綜采設備（采煤機、刮板運輸機、轉載機、破碎機、乳化液泵站、組合開關等設備）所有信息及控制，也能通過支架順槽控制中心上傳地面控制中心并顯示，具有通訊協(xié)議和接口，能接入礦井現(xiàn)有通信系統(tǒng)（本套系統(tǒng)井上部分暫時未配置）。

5.9.5 ASG5型支架控制器可以保證在成功的安裝調試后，即使在井上電腦，井下電腦或者順槽控制器故障的情況下，自動功能仍然可以使用（比如成組功能，自動循環(huán)功能）。更換有故障的ASG5型支架控制器也是十分容易的，所有的配置，參數(shù)，本架地址，都能在2min內通過鄰架控制器傳送。

5.9.6 井下電腦或者順槽控制器安裝有可視化軟件，工作面所有支架的錯誤信息都可以準確無誤的即時顯示出來，更加方便檢修工找出并解決問題。

6 電液控系統(tǒng)對液壓介質要求

支架電液控制系統(tǒng)對液壓介質有較高的要求。在液壓支架電液控制系統(tǒng)使用過程中液壓介質的質量，往往成為影響系統(tǒng)運行狀況的重要因素。

6.1 水的要求

混合用水的質量，對乳化液的質量有至關重要的影響。所用水的質量一定要符合MT 76-2002標準。所用水必須不含固體或液體的污染物，水的PH值在7到9.5之間，固體顆粒物在1mg/L以下。井下配液用水多為地下或地面供水，其清潔度、酸堿度和硬度都很難達到使用標準，因此要保證電液控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行，就必須對井下配液用水進行前期處理，采取強制精細水過濾、水處理措施。 每月進行一次水質化驗分析。

6.2 乳化油（濃縮液）要求

一般采用進口或國產高端油品，要求乳化油（濃縮液）具有良好的穩(wěn)定性、防銹性、防腐蝕性、密封材料相容性、潤滑性。主要指標為：外觀在溫度為10～35℃時，產品為透明均一流體；40℃運動粘度不大于100m㎡/s。；閃點不低于110℃；凝點不高于 -5℃；耐凍融性：產品經 -16～-21℃凍凝，并經室溫10～35℃下融化，重復五個循環(huán)后，外觀恢復原狀；較好的水中分散性：產品加入水中應能均勻分散。

6.3 乳化液要求

乳化液應避免機械雜質污染和細菌引起的污染，防止煤沫進入乳化液中，特別是在運輸和更換膠管、換油時。即使短時間使用污染的臟水，細菌或化學污染的物質都會導致乳化液遭受污染變質產生腐蝕性，產生沉淀物，從而使閥芯卡堵、腐蝕、磨耗不能工作。所以對使用中的乳化液應進行濃度、成份、PH值、微生物污染和不清潔度等方面的監(jiān)測。同時禁止乳化液在高溫條件下運行，乳化液的最高運行溫度為55℃，一般情況下不允許超過45℃，高溫可使乳化液的穩(wěn)定性降低而析皂，密封件壽命降低；使用中加強對進回液的清潔過濾，泵站系統(tǒng)乳化液的進回液過濾站、支架過濾器必須投入使用。

7 電液控系統(tǒng)使用與維護

7.1 系統(tǒng)架內布置合理。應注意根據(jù)支架的結構和具體的生產條件，現(xiàn)場人員操作的習慣和方便性，合理設計系統(tǒng)各個部件的安裝位置和相互配合關系，避免管路、電纜線受擠壓、拉扯，電液控元件與支架部件干涉或人員操作不方便等情況出現(xiàn)。

7.2 加強培訓與現(xiàn)場管理。因為電液控制系統(tǒng)為新技術新裝備，正式使用前支架操作人員必須經過細致的培訓，經考試合格發(fā)證后，持證上崗，現(xiàn)場認真執(zhí)行操作規(guī)程，將新設備用好，發(fā)揮效益。① 操作支架前必須先檢查電液控制系統(tǒng)是否有錯誤提示，如有錯誤顯示，處理后方可操作；需要改動參數(shù)設定時，控制系統(tǒng)不得進行任何功能動作；遇緊急情況，需停止整個支架動作時，可按下急停按鈕，使電磁閥斷電，非緊急情況禁止按下急停按鈕。② 操作支架時，通知支架周圍的人員撤離被操作的支架，并最少隔一個支架的距離；人員禁止通過正在動作的支架，如需通過必須停止支架動作；蜂鳴器報警時，禁止任何人員站在支架前面、中間或通過支架；在使用鄰架操作時，必須注意支架的整體動作情況；在使用聯(lián)動功能操作支架時，必須通知工作面所有人員，以免發(fā)生人身事故。

7.3 加強備品備件供應。因為系統(tǒng)的部件數(shù)量較多，應注意防止在下井運輸、安裝使用過程中的損壞，要保證一定數(shù)量的備件，優(yōu)先保證用國內配套件替代以減少采購環(huán)節(jié)和時間，降低費用。對于確需要從國外采購的部件應注意提前足夠的時間訂購（3個月以上）。

7.4 提高系統(tǒng)內配套件質量

為保證電液控制系統(tǒng)高可靠性運行，支架液壓系統(tǒng)其他輔助閥類、密封件之類，作為支架液壓系統(tǒng)的一部分，其部件需采用高端產品，與普通支架常規(guī)用閥和密封件相比在品質上有根本提升，技術指標和性能指標達到或超越進口閥與密封件水平。

7.5 加強維護保養(yǎng)

指定專人負責系統(tǒng)的維護保養(yǎng)檢修，電控部件受潮后容易造成損壞或失靈，因此在淋水嚴重的工作面要采取有效的防水措施；嚴禁隨意拆卸元件，隨意甩棄元件不用，隨意調整系統(tǒng)參數(shù)，液壓系統(tǒng)檢修時絕對不能混入雜質。維護人員認真學習，加強與廠家售后服務人員溝通交流，不斷總結使用維護經驗，逐步達到自我診斷、自我修理，保證每一套系統(tǒng)有較長的完好周期、切實發(fā)揮效益。

8 電液控制系統(tǒng)應用效果

俄礦1404工作面2013年10月安裝安裝使用支架電液控制系統(tǒng)以來，安全采煤150萬t，該支架電液控制系統(tǒng)與手動控制系統(tǒng)相比，具有以下優(yōu)點：

8.1 在回采3.5m左右的煤層時，由于本工作面布置較長（280m），且井下頂板有偽頂存在，煤壁易于發(fā)生片幫和頂板沉降的情況，電液控制系統(tǒng)的采用計算機來合理安排采煤工序 ， 對支架進行編組拉移，取消了人工控制過程中的輔助時間，反應速度快，跟上煤機割煤炭速度，支護及時，改善工作面煤壁頂板支護狀況，保障了安全生產。

8.2 電液控制系統(tǒng)集監(jiān)測與控制于一體，解決了在工作面液壓支架初撐力達不到額定阻力和帶壓移架問題，為改善工作面頂板的維護提供了有利條件，可減少頂板事故的發(fā)生；同時操作人員可鄰架控制，故可避免遭受片幫、架間漏頂、膠管斷裂傷人現(xiàn)象，保證人員的安全。

8.3 提高采煤工作效率，減少勞動強度。同時對多個支架進行控制操作，最大限度地發(fā)揮機械設備的能力，大幅度提高采煤機械的利用率和生產效率，減少勞動強度，減少現(xiàn)場作業(yè)人員數(shù)量。

8.4 提高工作面質量標準化水平。電液控移架步距準確，切頂線整齊，改善了支護效果，并且使刮板輸送機和整個工作面直線性好，采煤機截深準確；多架同時推溜，使刮板輸送機緩慢彎曲，避免溜槽連接處產生過大的應力，改善了刮板輸送機和采煤機的運行工況。

9 結束語

支架電液控制系統(tǒng)它綜合應用了計算機技術、現(xiàn)代通訊技術、傳感技術、機電一體化等技術，將綜采工作面液壓支架的降架、拉架、升架、推移輸送機、伸收護幫板、插梁，側護板、噴霧灑水等動作進行電液自動控制程序化操作，實現(xiàn)了液壓支架操作的自動化，并與采煤機和刮板輸送機的自動控制系統(tǒng)配合聯(lián)動，實現(xiàn)煤炭生產的自動化、高效化、現(xiàn)代化，代表當今煤礦采煤自動化發(fā)展的方向，對推動煤炭科技裝備發(fā)展意義重大，在有條件適合使用的工作面都應該大力推廣，并消化吸收關鍵技術逐步實現(xiàn)裝備國產化配套。

作者簡介：陳國強（1972-），男，江蘇金壇人，畢業(yè)于中國礦業(yè)大學礦山機電專業(yè)，研究生學歷，碩士學位，現(xiàn)為徐礦集團天山礦業(yè)有限責任公司機電副總經理，高級工程師。