超前支護(hù)液壓支架非等強(qiáng)支護(hù)技術(shù)及自動(dòng)控制裝置研究

陳有力 張子明 王海彬

（遼寧通用重型機(jī)械股份有限公司，遼寧 調(diào)兵山 112700）

1 引言

液壓支架的初撐力是指在泵站工作壓力作用下，支架立柱全部升起，頂梁與頂板接緊時(shí)，支架對(duì)頂板的支撐力。由于工作面開(kāi)采擾動(dòng)使頂板壓力超前，并從工作面向巷道方向呈遞減式分布。采用非等強(qiáng)支護(hù)技術(shù)，對(duì)不同相對(duì)位置超前支護(hù)液壓支架進(jìn)行非等強(qiáng)支護(hù)自動(dòng)控制，使立柱下腔供液壓力能夠根據(jù)巷道頂板條件和壓力分布情況進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)非等強(qiáng)支護(hù)，減小人為操作對(duì)頂板自然狀態(tài)的破壞，有利于加強(qiáng)巷道頂板安全科學(xué)管理，有力保障安全生產(chǎn)。

2 理論依據(jù)

液壓支架初撐力與乳化液泵站壓力和立柱下腔有效作用面積有關(guān)，即：

立柱初撐力計(jì)算公式：

式中：P為立柱的初撐力 ，kN；q為支架的初撐力，kN；D為立柱缸體內(nèi)徑或活塞直徑，mm；m為泵站工作壓力 ，MPa；n為每臺(tái)支架的立柱數(shù)；k為支護(hù)效率。

3 技術(shù)原理

3.1 煤礦超前支護(hù)液壓支架在巷道布置方式

煤礦超前支護(hù)液壓支架布置在臨近工作面巷道兩幫，左右兩列布置，每列3 架或多架。每列液壓支架的1#、2#及2#、3#間縱向使用移架千斤頂連接，左右兩列超前支護(hù)液壓支架使用防倒千斤頂連接，長(zhǎng)度能夠根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件進(jìn)行調(diào)節(jié)，增加液壓支架的穩(wěn)定性。超前支護(hù)液壓支架在巷道內(nèi)布置方式如圖1。

圖1 超前支護(hù)液壓支架在巷道內(nèi)布置方式

3.2 裝置液壓系統(tǒng)

煤礦超前支護(hù)液壓支架非等強(qiáng)支護(hù)自動(dòng)控制裝置液壓系統(tǒng)由減壓閥、先導(dǎo)式電液換向閥、過(guò)濾器、單向閥、液控單向閥、安全閥和立柱組成。超前支護(hù)液壓支架非等強(qiáng)支護(hù)自動(dòng)控制裝置液壓系統(tǒng)原理圖如圖2。

圖2 裝置液壓系統(tǒng)原理圖

3.3 裝置電氣系統(tǒng)

超前支護(hù)液壓支架非等強(qiáng)支護(hù)自動(dòng)控制裝置電氣系統(tǒng)由礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電氣控制箱（PLC）[1-2]、礦用隔爆型液晶顯示屏、礦用隔爆兼本安型報(bào)警音箱、礦用本安型壓力變送器、礦用隔爆型控制按鈕、礦用隔爆型接線箱、礦用本安電路用接線盒和礦用控制電纜等組成。超前支護(hù)液壓支架非等強(qiáng)支護(hù)自動(dòng)控制裝置電氣原理框圖如圖3。

圖3 裝置電氣原理框圖

3.4 工作原理

運(yùn)用控制液壓支架立柱下腔壓力的方法控制初撐力。立柱下腔壓力由乳化液泵站供液壓力經(jīng)減壓閥減壓后得到，立柱下腔壓力（或初撐力及工作阻力）通過(guò)液晶顯示屏進(jìn)行顯示。

保持超前支護(hù)液壓支架整體結(jié)構(gòu)不變，增設(shè)減壓閥和先導(dǎo)式電液換向閥，采用控制按鈕操作立柱升降并單獨(dú)對(duì)液壓支架上升段立柱下腔壓力進(jìn)行控制，根據(jù)超前支護(hù)液壓支架在巷道的相對(duì)位置確定支護(hù)強(qiáng)度，預(yù)先調(diào)定減壓閥出口壓力，支架的其他執(zhí)行機(jī)構(gòu)及功能不受影響。乳化液泵站供液經(jīng)減壓閥減壓后進(jìn)入先導(dǎo)式電液換向閥，先導(dǎo)式電液換向閥的出液口與立柱供液管連接，將手動(dòng)操縱閥出液口封堵。壓力變送器安裝在立柱下腔供液口，用于采集支架立柱下腔壓力信號(hào)，經(jīng)可編程序控制器PLC 運(yùn)算處理后由液晶顯示屏顯示立柱下腔壓力、初撐力和工作阻力。立柱升降控制按鈕安裝在原手動(dòng)操縱閥上方，用于對(duì)支架立柱升降進(jìn)行控制。

當(dāng)操作控制按鈕控制液壓支架上升時(shí)，先導(dǎo)式電液換向閥得電動(dòng)作為立柱下腔供液，立柱及頂梁上升，壓力變送器實(shí)時(shí)采集立柱下腔壓力信號(hào)并輸入可編程序控制器PLC，液晶顯示屏顯示立柱下腔壓力及支撐力。頂梁接頂后停止立柱上升操作，電液換向閥斷電，立柱下腔壓力為減壓閥出口壓力，液控單向閥鎖住立柱下腔壓力，液壓支架保持該下腔壓力產(chǎn)生的初撐力，保證頂板完整狀態(tài)不被破壞。由于頂板活動(dòng)使支架工作阻力增大時(shí)，液控單向閥處于閉鎖狀態(tài)，達(dá)到額定工作阻力時(shí)立柱安全閥卸載。

初撐力參數(shù)設(shè)置：設(shè)備調(diào)試時(shí)按液晶顯示屏顯示的減壓閥出口壓力值，設(shè)定初撐力保護(hù)壓力值略大于減壓閥出口壓力值。按鈕操作升架過(guò)程中，如果立柱下腔壓力大于減壓閥出口壓力10%時(shí)，經(jīng)PLC 運(yùn)算處理輸出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警音箱發(fā)出語(yǔ)音報(bào)警，提示更換減壓閥或重新調(diào)定減壓閥出口壓力值。

當(dāng)需要液壓支架按正常初撐力進(jìn)行支護(hù)時(shí)，將立柱供液管改回原手動(dòng)操縱閥接口位置，使用手動(dòng)操縱閥操作，同時(shí)將先導(dǎo)式電液換向閥接口封堵，使超前支護(hù)液壓支架具備兩種初撐力支護(hù)模式，滿足不同工況支護(hù)要求。

4 實(shí)施方法

（1）每架超前支護(hù)液壓支架分別增設(shè)減壓閥和先導(dǎo)式電液換向閥，安裝在原手動(dòng)操縱閥后面合適位置，以不影響支架正常操作及動(dòng)作為宜。出液接口與立柱升降管路連接，手動(dòng)控制立柱操縱閥的出液口用光堵封堵。

（2）1#超前支護(hù)液壓支架位于采煤工作面遠(yuǎn)端，設(shè)置支護(hù)強(qiáng)度最低，減壓閥出口壓力設(shè)定為乳化液泵站額定壓力的30%；2#超前支護(hù)液壓支架位于中間，減壓閥出口壓力設(shè)定為乳化液泵站額定壓力的60%；3#超前支護(hù)液壓支架臨近采煤工作面，減壓閥出口壓力設(shè)定為乳化液泵站額定壓力的90%，或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巷道實(shí)際條件設(shè)定。每架超前支護(hù)液壓支架分別增設(shè)減壓閥和先導(dǎo)式電液換向閥能夠縮短立柱進(jìn)液和回液膠管長(zhǎng)度，盡量減少壓力損失，同時(shí)有利于綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化管理。

（3）控制電纜接線箱安裝在每臺(tái)超前支護(hù)液壓支架合適位置，以不影響支架正常操作及動(dòng)作為宜。分出的控制電纜分別連接本架的控制按鈕、壓力變送器和先導(dǎo)式電液換向閥。

（4）立柱升降控制按鈕安裝在原手動(dòng)操縱閥上方。

（5）壓力變送器安裝在立柱下腔進(jìn)液口。

（6）左右兩列各3 組超前支護(hù)液壓支架的減壓閥、先導(dǎo)式電液換向閥、控制按鈕、壓力變送器、控制電纜和接線箱安裝位置和安裝方式相同，控制電纜布線方式相同，布局合理美觀。

（7）礦用隔爆兼本安型電氣控制箱就近安裝在串車(chē)合適位置，礦用隔爆型液晶顯示屏和礦用隔爆兼本安型音箱布置在左側(cè)或右側(cè)中間架上，便于觀察超前支護(hù)液壓支架立柱下腔壓力和初撐力數(shù)值。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)煤礦超前支護(hù)液壓支護(hù)初撐力進(jìn)行合理控制，從而實(shí)現(xiàn)巷道不同相對(duì)位置超前支護(hù)液壓支架非等強(qiáng)支護(hù)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，具有受控或手動(dòng)兩種工作模式，最大限度保證巷道頂板完整穩(wěn)定。自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠精確控制立柱下腔壓力從而控制超前支護(hù)液壓支架初撐力，減少直接供液對(duì)巷道頂板的破壞，降低巷道維護(hù)成本，能夠有效提高采煤工作面回采效率和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化管理水平，消除安全隱患，有利于煤礦安全生產(chǎn)。