液壓支架自動跟機控制技術(shù)在綜采工作面的應(yīng)用

劉常玉

(西山煤電集團公司 職工教育培訓(xùn)中心， 山西 太原 030053)

我國井工煤礦綜采工作面煤塵重、作業(yè)空間狹小、環(huán)境差，將職工從高危環(huán)境中解放出來已勢在必行，采煤系統(tǒng)自動化成為發(fā)展的必然趨勢。液壓支架電液控系統(tǒng)作為采煤系統(tǒng)自動化的核心，已在礦井綜采工作面得到了廣泛應(yīng)用。郅富標(biāo)[1]基于SAC型電液控系統(tǒng)技術(shù)特點，分析該系統(tǒng)在綜采工作面自動跟機中的作用及效果。劉清等[2]針對工作面采煤機與液壓支架協(xié)同控制效率較低問題，提出了一種協(xié)同控制技術(shù)。國內(nèi)外相關(guān)人員針對支架的相關(guān)部件、圍巖運動規(guī)律、智能化發(fā)展的方向等提出了見解，并取得了一定成果。屯蘭礦為建設(shè)山西焦煤集團“高突”礦井中的第一個智能化工作面，引進了液壓支架自動跟機控制技術(shù)，為22301智能化工作面的建設(shè)提供基礎(chǔ)條件。

1 礦井概況

1.1 地質(zhì)概況

屯蘭礦22301大采高綜采工作面地表東鄰聯(lián)校聯(lián)營煤礦，以西鄰近風(fēng)平嶺斷層，北靠近金之中煤礦，其軌道順槽全長2 560 m，皮帶順槽全長 2 640 m，煤層傾斜長度210 m，煤層傾角為2°～6°，平均為4°. 軌道巷寬度5 m，高3.5 m；皮帶巷寬4.5 m，高3.5 m. 該工作面盤區(qū)煤巖總體厚度為4.16～5.5 m，平均厚度4.8 m，煤層有益厚度3.68 m. 1#煤、2#煤、3#煤合并開采，可采儲量約264萬t. 此綜采工作面巖石的抗壓強度為49.0 MPa，普氏硬度5，直接頂?shù)闹饕煞忠陨百|(zhì)泥巖為主，平均厚度為0.80 m，基本頂巖石抗壓強度為58.8 MPa，以細粒砂巖為主要成分，普氏硬度6，平均厚度為2.90 m；基本底巖石抗壓強度68.6 MPa，以粉砂巖為主要成分，普氏硬度7，平均厚度為4.68 m.

1.2 圍巖與支架關(guān)系

受地質(zhì)條件影響，大采高綜采工作面采高不斷變化，隨著直接頂、基本頂?shù)目迓湟约斑\移空間的增加，使得回轉(zhuǎn)角度、基本頂懸臂長度及活動范圍增加，破斷巖層大范圍運動引起的動載荷等相關(guān)因素的變化導(dǎo)致液壓支架失穩(wěn)。基于大采高綜采工作面所具有的大尺度回轉(zhuǎn)及覆巖大規(guī)模剪切的規(guī)律，閆少宏、王大威等提出了利用增大初撐力的方式提高對頂板的控制效果、降低對煤壁的剪切破壞，同時提高了支架的水平抗傾覆能力[3-5]. 因此，屯蘭礦22301大采高智能化綜采工作面在進行支架選型時，需在滿足較大工作阻力和初撐力的前提下，還需滿足在回采過程中的控制、移動的邏輯要求，避免出現(xiàn)扭架及壓架現(xiàn)象。

2 支架選型分析

2.1 支架高度確定

液壓支架支護的最大高度要大于工作面設(shè)計的偽頂厚度以及最大采高的總和；支護的最小高度應(yīng)不大于頂板最大下沉量與工作面設(shè)計最低采高之差[6]. 偽頂厚度一般為0.2 m，根據(jù)22301工作面相關(guān)地質(zhì)條件因素，液壓支架的選型最小高度應(yīng)為2.55 m，最大高度應(yīng)為5.5 m.

2.2 初撐力及工作阻力的確定

根據(jù)22301工作面頂板條件，借鑒其他大型礦井智能化工作面的成功經(jīng)驗，選用具有高工作阻力的兩柱式掩護式液壓支架，中心距為1 750 mm. 控頂距離的計算以及支護強度理論計算相結(jié)合[5-6]，依據(jù)所需要的支架其他參數(shù)可選工作阻力為9 000 kN/架，合理液壓支架的初撐力以及工作面最大阻力數(shù)值比為0.8，選用型號為ZY9600/25.5/50D掩護式液壓支架。

3 液壓支架電液控制系統(tǒng)

3.1 液壓支架電液控制系統(tǒng)功能

液壓支架電液控制系統(tǒng)主要包括支架服務(wù)器、上位機、傳感器、控制器、液壓主閥及電控系統(tǒng)等。22301工作面電液控系統(tǒng)圖見圖1，各支架控制器之間的數(shù)據(jù)通訊依靠CAN通訊協(xié)議實現(xiàn)，利用支架服務(wù)器與集控中心的電液控工控機實現(xiàn)命令控制與數(shù)據(jù)傳輸功能，通過集控中心的電液控工控機及支架服務(wù)器將控制命令發(fā)出，從而可以實現(xiàn)包括降、移、升、伸、收片幫等成組動作。與此同時協(xié)同三機一起完成自動推移刮板輸送機及跟機拉架等功能。該系統(tǒng)通過改變參數(shù)適應(yīng)煤礦井下變化的工況、地質(zhì)條件，能夠滿足工作面全工藝段的自動跟機功能。

圖1 22301工作面電液控系統(tǒng)圖

22301工作面電液控系統(tǒng)選用天津華寧公司的電液控制系統(tǒng)，主要部件支架控制器在液壓支架電液控制裝置中可連接電磁閥驅(qū)動器、壓力、行程、無線收發(fā)器和紅外接收器、角度測量傳感器、支架報警照明燈等；與工作面其他支架控制器聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)支架鄰/隔架、成組及本架自動化控制功能；支持遙控器功能；具有急停、閉鎖功能。

3.2 液壓支架自適性控制

液壓支架自動跟機的調(diào)試過程初期，出現(xiàn)支架抬底動作效果不好及護幫板支護效果不佳等問題。對此，通過對成組移架的6個流程，移架開始時間、暫停范圍、暫停時間、到達時間、抬底開始時間、抬底到達時間進行反復(fù)優(yōu)化設(shè)計及調(diào)整，實現(xiàn)了移架完美匹配，支架自動跟機動作流程見圖2. 支架移架到達和開始時間之間的循環(huán)與抬底到達時間及開始時間形成了并列邏輯順序；到達移架時間含暫停時間2個循環(huán)及范圍。移架的過程中，可若干次地停止，同時可單獨進行多次 “抬底+降柱”，抬底動作將持續(xù)保持至移架動作的結(jié)束前。如此往復(fù)循環(huán)提高了支架及采煤機跟機配合的效率和移架質(zhì)量，使移架距離由原來距采煤機7架縮小到中間位置；支架伸護幫板距縮小為3架，使頂板支護效果加強且保障了安全距離[6-7].

電液控制系統(tǒng)在伸一級護幫板的時候，復(fù)合其二級護幫板，使其適應(yīng)煤壁的形態(tài)而置于差動狀態(tài)，在結(jié)束后，短暫地伸二級護幫板以保證支護效果，聯(lián)動過程中，二級護幫板首先短暫動作，再執(zhí)行收一級護幫，這樣減少了對千斤頂磨損，也避免了其插入煤體。

4 智能化工作面應(yīng)用效果分析

屯蘭礦22301綜采工作面使用掩護式電液控液壓支架，實現(xiàn)了與采機的協(xié)調(diào)控制及聯(lián)動，能夠?qū)崟r顯示支架故障、通訊等狀態(tài)；具有自動跟機和成組作業(yè)的功能。依據(jù)電液控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與液壓支架視頻相結(jié)合，在液壓支架電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)跟機自動化的基礎(chǔ)上，通過集控中心對液壓支架遠程操作，滿足了大采高綜采工作面復(fù)雜環(huán)境下液壓支架的自動跟機控制。

支架上安裝的壓力傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測工作面的頂板壓力，監(jiān)測顯示，支架從第100號架開始，工作阻力變化較為明顯，呈現(xiàn)出了阻力增加趨勢，可得出此區(qū)域內(nèi)頂板呈現(xiàn)出較大壓力，為支護工藝提供了依據(jù)。

5 結(jié) 語

1) 22301智能化綜采工作面通過引入電液控系統(tǒng)，協(xié)同采煤機、刮板輸送機實現(xiàn)跟機拉架和自動成組推移刮板輸送機作業(yè)，提高了綜采工作面回采效率的同時降低了職工勞動強度，減少了因職工誤操作而產(chǎn)生的風(fēng)險。

圖2 支架自動跟機動作流程圖

2) 通過使用電液控系統(tǒng)實現(xiàn)自動跟機、拉架、推溜等一系列動作，使頂板得到了及時支護，減少了滾幫煤產(chǎn)生的危害，提高了支護質(zhì)量。

3) 跟機移架靠采煤機中間位置，跟機伸護幫板至距離采煤機3架位置，支護能夠達到預(yù)定支護效果，與此同時能保持支架護幫的最佳姿態(tài)。