智能及輕量化煤炭開采液壓支架的設(shè)計研究

□余阿東□羅錦鋒□李翔龍

1信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院　河南信陽　464000

2四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院　成都　610065

智能及輕量化煤炭開采液壓支架的設(shè)計研究

□余阿東1□羅錦鋒1□李翔龍2

1信陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院河南信陽464000

2四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院成都610065

通過對特厚煤層綜采工作面及巷道圍巖控制理論的研究，設(shè)計了一種8.8 m液壓支架。支架采用特制的高強輕質(zhì)鋼板，同等強度下較傳統(tǒng)用材支架質(zhì)量減輕25%以上，方便井下運輸、安裝及搬遷。采用人工智能技術(shù)使綜采面用人減少55%以上，大大減輕工人的勞動強度，同時提高了綜采工作面的安全性，對于提高煤炭開采效率具有重要意義。

隨著大采高液壓支架在厚煤層的成功應(yīng)用，煤礦對液壓支架的高度有了更高要求［1］。綜合考慮綜采工作面覆巖運動與礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、開采條件、煤層硬度、技術(shù)裝備等因素，開發(fā)了一種最大支護(hù)高度可達(dá)8.8 m的液壓支架，采用電液控制，在提高生產(chǎn)能力和資源回采率的同時，可確保礦井安全生產(chǎn)［1］。

1　大采高液壓支架總體設(shè)計研究

根據(jù)煤礦的地質(zhì)條件和采煤工藝要求，以及適合所開采煤層的賦存條件和礦壓特點［2］來設(shè)計大采高液壓支架：要求其應(yīng)有良好的結(jié)構(gòu)功能和支護(hù)功能，頂板能及時維護(hù)，防止端面頂板的冒漏，同時可有效支撐頂板［3］；二柱掩護(hù)式支架單排立柱支撐，支撐合力距離煤壁較近，可有效防止端面頂板的早期離層和破壞；控頂距小、頂梁較短，對頂板的反復(fù)支撐次數(shù)少，減少了對直接頂?shù)钠茐模恢Ъ芙o頂板向煤壁方向的推力，有利于維護(hù)頂板的完整［4］。因此，筆者將二柱掩護(hù)式大采高8.8 m液壓支架作為設(shè)計研究對象。

筆者采用經(jīng)驗估算法、基于頂板分類的支護(hù)強度計算法、基于支架與圍巖相互作用關(guān)系的數(shù)值模擬法及類比法［5］，對8.8 m液壓支架支護(hù)強度進(jìn)行計算，最終確定支護(hù)強度為1.72 MPa～1.80 MPa。根據(jù)確定的支護(hù)強度，并結(jié)合配套尺寸、支架頂梁長度，確定支架的工作阻力為26 000 kN，支架中心距為2 500 mm，最大支護(hù)高度為8.8 m，最低支護(hù)高度為4 m。大采高兩柱掩護(hù)式液壓支架采用電液控制，支架為整體頂梁，前端帶有伸縮梁及一、二、三級護(hù)幫板，可以有效支護(hù)頂板及煤壁，防止片幫。為了保證支架整體的穩(wěn)定性及各個狀態(tài)受力均衡，運用專業(yè)的計算程序進(jìn)行四連桿機構(gòu)與底座、掩護(hù)梁配合間隙的優(yōu)化。液壓支架采用φ600 mm雙伸縮立柱，選擇30CrMnSi特殊材料，機械性能、淬透性能、防銹性能都優(yōu)于普通的27SiMn材料。立柱活柱、中缸均采用國內(nèi)首創(chuàng)的噴涂陶瓷工藝，適用于較惡劣的煤炭開采工況環(huán)境，其使用性能大大優(yōu)于普通立柱。

2　大采高液壓支架三維設(shè)計仿真研究

大采高液壓支架由一級護(hù)幫結(jié)構(gòu)、二級護(hù)幫結(jié)構(gòu)、三級護(hù)幫結(jié)構(gòu)、伸縮梁、頂梁、頂梁側(cè)護(hù)板、掩護(hù)梁、掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板、前連桿、后連桿、底座、推移桿、底座側(cè)推梁等組成。采用Pro/E三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品自頂向下的設(shè)計，通過建立支架的骨架參數(shù)模型，使設(shè)計信息集中在骨架參數(shù)模型中。在設(shè)計過程中，通過控制相關(guān)參數(shù)，可以進(jìn)行運動仿真、干涉檢查、強度分析，能夠使支架結(jié)構(gòu)設(shè)計更加合理。液壓支架的三維裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　支架三維裝配結(jié)構(gòu)圖

3　基于智能化的電液控制系統(tǒng)及采煤工作面控制系統(tǒng)的研究

8.8m液壓支架的電液控制系統(tǒng)具有高可靠性、高安全性等特點，現(xiàn)場的來壓周期預(yù)警信號、采煤機工作位置等狀態(tài)信息，通過無線方式傳遞至支架電控制系統(tǒng)。支架電液控制系統(tǒng)具備遙控操作功能，使設(shè)備布局更靈活，操作更方便。電液控制系統(tǒng)的主控芯片采用32位ARM9處理器，運算速度快，數(shù)據(jù)備份能力強，能存儲重要歷史數(shù)據(jù)［6］。

電液控制系統(tǒng)的壓力傳感器采用半導(dǎo)體硅材料，實現(xiàn)壓力與電信號的轉(zhuǎn)換，該傳感器耐高壓沖擊能力強、抗電磁干擾能力強、輸出信號穩(wěn)定。電液控制系統(tǒng)的磁致伸縮線性位移傳感器能實現(xiàn)非接觸式長行程絕對位置測量，具有良好的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。電液控制系統(tǒng)的紅外線傳感器精度高、抗干擾能力強。電磁閥驅(qū)動器采集壓力、位移、紅外等傳感器數(shù)據(jù)，接收控制器指令，驅(qū)動相應(yīng)電磁閥動作。電液控制系統(tǒng)的主控?fù)Q向閥由電磁先導(dǎo)閥和液控?fù)Q向閥組合而成，主閥采用基塊加片式結(jié)構(gòu)形式，可根據(jù)配套支架的動作要求自由組合。電磁先導(dǎo)閥進(jìn)液前安裝先導(dǎo)過濾器，保證先導(dǎo)閥對乳化液清潔度的要求。8.8 m液壓支架電液控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　8.8 m支架電液控制系統(tǒng)

在支架電液控制系統(tǒng)中，控制器安裝位置固定，在鄰架操作過程中由于大立柱遮擋視線，存在盲區(qū)，因此通過遙控操作可以最佳視角操作支架，完成各個動作。整套電液系統(tǒng)布局靈活，對支架操作不再依賴于控制器，且每套遙控系統(tǒng)包含多個遙控器及接收器，在同一個工作場地使用不存在互相干擾問題，每5臺支架安裝1個接收器，并將架號、位移傳感器、壓力傳感器信息發(fā)送給遙控器。

8.8m采煤工作面智能化集中控制系統(tǒng)以順槽集控中心為核心［7］，實時顯示支架、采煤機、刮板機、泵站等設(shè)備實時狀態(tài)及參數(shù)，可以對工作面任意一臺支架進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，包括液壓支架的單架單動作、單架順序動作、成組動作等。依據(jù)煤礦機電設(shè)備EtherNet/IP通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)規(guī)約建立起通信網(wǎng)絡(luò)，通過通信網(wǎng)絡(luò)與采煤機、支架、刮板機、視頻監(jiān)控、語音等子系統(tǒng)的有機結(jié)合，實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳遞，并根據(jù)采煤工藝實現(xiàn)三機聯(lián)動、設(shè)備及人身安全保護(hù)、故障診斷、聲光報警、智能化操作。地面監(jiān)控中心通過光纖實現(xiàn)與井下順槽集控裝置的通信，以及工作面設(shè)備數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測［8］。視頻監(jiān)控系統(tǒng)全工作面覆蓋，每2臺支架配備1臺高清微型本安紅外攝像機，攝像機具備紅外功能，無需布置光源也可清晰黑白成像。有光源則可彩色成像，工作面視頻通過千兆以太網(wǎng)實時傳輸至順槽與地面，可以對關(guān)鍵部位進(jìn)行錄像，保存在本地存儲空間，供參考使用，實現(xiàn)調(diào)度中心對工作面的在線實時監(jiān)控。8.8 m采煤工作面智能化集中控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3　8.8 m采煤工作面智能化集中控制系統(tǒng)

4　大采高支架輕質(zhì)高強度鋼板結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用研究

大采高液壓支架質(zhì)量的不斷加重為客戶帶來了諸多不利，如運輸費用昂貴、井下安裝與搬運困難等。如何在保證質(zhì)量的前提下減輕質(zhì)量，成了研究關(guān)注的焦點。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，在質(zhì)量完全不受影響的前提下，8.8 m液壓支架結(jié)構(gòu)件使用高強度鋼板，經(jīng)正火、正火加回火或淬火加回火后，鋼板具有很高的綜合力學(xué)性能，因此8.8 m大采高液壓支架大量采用此輕質(zhì)高強度鋼板。采用此高強鋼板的液壓支架比常規(guī)液壓支架整機質(zhì)量降低25%左右，結(jié)構(gòu)件質(zhì)量降低35%左右。輕質(zhì)高強度鋼板可滿足支架結(jié)構(gòu)件焊接使用，平均屈服強度達(dá)到1 200 MPa，斷裂強度達(dá)到1 289 MPa，屈強比達(dá)到0.95左右，遠(yuǎn)超煤機行業(yè)對產(chǎn)品材料的性能要求。大量應(yīng)用高強度鋼板，在減輕支架板材質(zhì)量的同時大幅度提升了支架的強度、安全因數(shù)及壽命［9］。材料的優(yōu)越性能為支架的高品質(zhì)奠定了基礎(chǔ)，制造過程的質(zhì)量控制同樣非常關(guān)鍵。液壓支架70%的質(zhì)量為鋼板焊接的結(jié)構(gòu)件，焊接質(zhì)量至關(guān)重要，鋼板焊接時采用了專用焊體，大幅提高了焊縫質(zhì)量，同時還對焊后結(jié)構(gòu)件進(jìn)行探傷檢驗。支架質(zhì)量的減輕，為煤炭開采創(chuàng)造了更多的價值，方便了井下運輸、安裝及搬遷。

5　大采高液壓支架40 000 kN試驗臺綜合耐久性測試

為進(jìn)一步驗證減重支架的可行性，選用了一臺支架樣機，按照煤炭行業(yè)《MT 312—2000液壓支架通用技術(shù)條件》［10］標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行綜合耐久性試驗，試驗時支架放置在40 000 kN試驗臺內(nèi)，按照不同的高度加復(fù)合墊塊進(jìn)行內(nèi)加載試驗。強度測試用1.2倍額定工作阻力，每個測試項加載3次，每次保壓5 min。耐久性測試用1.05倍和0.25倍額定工作阻力交替加載，定期變換加載墊塊的位置。支架耐久性試驗達(dá)到24 600次，遠(yuǎn)超標(biāo)準(zhǔn)要求。另外在耐久性試驗中通過設(shè)定試驗參數(shù)，自動控制循環(huán)加載，可以使支架耐久性試驗次數(shù)超過歐洲標(biāo)準(zhǔn)的要求，滿足對支架進(jìn)行更加嚴(yán)苛的試驗，以確保支架的安全性和可靠性。

6　結(jié)束語

高智能和輕量化8.8 m液壓支架在大采高工作面安全支護(hù)與防冒頂防片幫新技術(shù)、超長超大直徑立柱穩(wěn)定性與可靠性高壽命技術(shù)、輕量化超高強新鋼板材料新工藝焊接制造技術(shù)、支架遙控智能控制技術(shù)，以及超大設(shè)備高可靠性長壽命驗證新技術(shù)新手段等方面都進(jìn)行了深入的研究，該產(chǎn)品的研發(fā)，將推動8 m以上特厚煤層開采新工藝的發(fā)展，帶動煤機裝備制造業(yè)的全面升級，進(jìn)一步提升綜采割煤高度，提高資源回收率、回采產(chǎn)量及工效，降低煤炭產(chǎn)品含矸率，經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益十分顯著。

［1］袁安營.厚煤層綜放開采采高效應(yīng)模擬研究［J］.煤炭技術(shù)，2015，34（11）：4-7.

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［3］楊禮.大傾角大采高工作面頂板結(jié)構(gòu)研究［J］.煤炭技術(shù)，2015，34（9）：25-27.

［4］郭衛(wèi)彬，劉長友，吳鋒鋒，等.堅硬頂板大采高工作面壓架事故及支架阻力分析［J］.煤炭學(xué)報，2014，39（7）：1212-1219.

［5］王國法.液壓支架技術(shù)［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

［6］李磊，宋建成，田慕琴，等.基于DSP和RS485總線的液壓支架電液控制通信系統(tǒng)的設(shè)計［J］.煤炭學(xué)報，2010，35（4）：701-704.

［7］王艷燕，劉凱，李昊.液壓支架監(jiān)控主機系統(tǒng)設(shè)計［J］.煤炭技術(shù)，2015，34（7）：237-239.

［8］楊靜.國內(nèi)外智能化控制系統(tǒng)發(fā)展態(tài)勢的研究［J］.裝備機械，2016（1）：59-64.

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［10］液壓支架通用技術(shù)條件：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.

液壓支架；高強輕質(zhì)鋼板；人工智能技術(shù)

Hydraulic Support；High-strength Lightweight SteelPlate；AITechnology

TH122；TH133.3

A

1672-0555（2016）02-045-04

2016年1月

余阿東（1982—），男，碩士，講師，主要從事礦山機械產(chǎn)品設(shè)計研究工作