液壓支架自動(dòng)化集中控制及試驗(yàn)應(yīng)用

曹 輝

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 太原 030206）

引言

液壓支架為綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，其與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)稱為工作面的“三機(jī)”，“三機(jī)”相互配合保證工作面安全、高效地生產(chǎn)。煤礦工作面數(shù)量眾多且成體系，必須實(shí)現(xiàn)對液壓支架集中、統(tǒng)一控制才能夠最終保證工作面安全支護(hù)，快速完成刮板輸送機(jī)的推溜任務(wù)，進(jìn)而保證采煤機(jī)的行走軌道及時(shí)就位[1]。因此，實(shí)現(xiàn)液壓支架高自動(dòng)化、智能化的集中控制對于保證綜采工作面的安全、高效生產(chǎn)具有重要意義。本文重點(diǎn)以某礦351231 工作面為例，對其液壓支架自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對其應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 351231 工作面工程概況

液壓支架的自動(dòng)化及安全性控制效率，不但與液壓支架回撤裝置的性能相關(guān)，而且與工作面頂?shù)装迩闆r相關(guān)。本文以351231 工作面為例開展研究，具體所研究液壓支架的型號為ZF7000/18/32。351231 工作面的煤層傾角為7°，對應(yīng)煤層的平均厚度為8 m，煤層最大厚度為8.9 m，最小厚度1.1 m，該工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 351231 工作面頂?shù)装迩闆r

ZF7000/18/32 的工作阻力為7 000 kN，最大支護(hù)強(qiáng)度為0.6 MPa，液壓支架為四柱支撐掩護(hù)式形式。針對351231 工作面的地質(zhì)條件，本文針對性地完成液壓支架自動(dòng)化集中控制方案。

2 液壓支架集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

液壓支架集中控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)為液壓支架電控系統(tǒng)，同時(shí)結(jié)合工作面實(shí)際情況得出相應(yīng)的控制指令。本節(jié)重點(diǎn)對液壓支架電控系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對其集中控制指令進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1 液壓支架電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合當(dāng)前工作面所配置液壓支架電控系統(tǒng)，其主要包括液壓支架控制器、電源、傳感器以及隔離耦合器等部件。

2.1.1 控制器的選型設(shè)計(jì)

液壓支架控制器為實(shí)現(xiàn)其電控功能的核心，其主要直接與液壓支架的電磁先導(dǎo)閥連接，接收手動(dòng)或者自動(dòng)的控制指令，對液壓支架的動(dòng)作進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制；同時(shí)，液壓支架控制器還可對現(xiàn)場傳感器所采集的參數(shù)信息進(jìn)行分析匯總，并上傳至上位機(jī)及其他控制器。結(jié)合綜采工作面的生產(chǎn)需求，液壓支架控制器需具備三種控制功能，包括就地控制、遠(yuǎn)程控制以及集中控制；考慮到綜采工作面相對惡劣的生產(chǎn)環(huán)境，要求為液壓支架電控系統(tǒng)所配置的控制器應(yīng)滿足在特殊環(huán)境下使用的要求，尤其是對高濕度、高瓦斯和粉塵濃度工作環(huán)境防護(hù)等級為IP67 以上[2]。

綜合上述各項(xiàng)因素，針對351231 工作面所選型液壓支架控制器的具體型號為ZDYZ-ZA，對應(yīng)的電路框圖下頁如圖1 所示。

圖1 液壓支架控制器電控框圖

2.1.2 傳感器的選型設(shè)計(jì)

傳感器為檢測液壓支架工作狀態(tài)和得出控制指令的主要依據(jù)。結(jié)合液壓支架電控系統(tǒng)的需求，為其自動(dòng)化集中控制系統(tǒng)配置壓力傳感器、行程傳感器以及紅外檢測器。壓力傳感器主要對液壓支架的支護(hù)狀態(tài)進(jìn)行檢測，其最大檢測值為60 MPa，對應(yīng)的型號為GYD60；行程傳感器主要是對液壓支架千斤頂、活塞桿的行程進(jìn)行檢測，是對推移刮板輸送機(jī)是否到位進(jìn)行檢測，對應(yīng)的型號為GUD960；紅外檢測器分為紅外發(fā)射器和接收器，其主要是對采煤機(jī)位置進(jìn)行檢測，進(jìn)而為后續(xù)控制指令提供依據(jù)；紅外發(fā)射器型號為FYF5，紅外接收器型號為FYS5。

2.2 液壓支架集中控制功能的實(shí)現(xiàn)

結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)，采煤機(jī)一般需完成中間段、斜切進(jìn)刀和割三角煤三種工作流程[3]。其中，采煤機(jī)的斜切進(jìn)刀為普遍作業(yè)流程，本節(jié)以斜切進(jìn)刀為例說明液壓支架的集中控制。

所謂斜切進(jìn)刀指的是液壓支架在推溜功能的作用下，將所匹配的刮板輸送機(jī)推移至工作面煤層相應(yīng)彎曲狀態(tài)的形狀，為采煤機(jī)行走提供軌道，使得采煤機(jī)以斜切角度切入煤層，從下一階段的回采確定縱深。對應(yīng)的采煤機(jī)斜切進(jìn)刀流程如圖2 所示。

圖2 采煤機(jī)斜切進(jìn)刀工作流程示意圖

在上述斜切進(jìn)刀作業(yè)流程中，液壓支架紅外傳感器監(jiān)測采煤機(jī)的位置，實(shí)時(shí)對壓力傳感器和行程傳感器的參數(shù)進(jìn)行采集并上傳至上位機(jī)，在單片機(jī)處理分析下液壓支架控制器得到相應(yīng)的集中控制指令，保證液壓支架根據(jù)距離遞增的推溜指令完成斜切進(jìn)刀支護(hù)及推溜任務(wù)，保證采煤機(jī)能夠以一定的角度斜切進(jìn)入煤層，完成煤層的截割[4]。對應(yīng)的液壓支架斜切進(jìn)刀工藝流程的集中控制流程如圖3所示。

圖3 液壓支架斜切進(jìn)刀工藝流程圖

結(jié)合液壓支架的斜切進(jìn)刀支護(hù)及推溜工藝流程，當(dāng)液壓支架控制器得到斜切進(jìn)刀工藝流程后即開始推溜動(dòng)作，并且依次退出千斤頂，保證相鄰液壓支架的推移距離相差0.06 m。根據(jù)行程傳感器的數(shù)據(jù)判斷是否推溜到位，并對推溜到位的液壓支架及時(shí)完成支護(hù)任務(wù)，并通過壓力傳感器保證是否支護(hù)到位。

3 液壓支架集中控制系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)351231 工作面煤層的生產(chǎn)情況分別完成中間煤和三角煤截割時(shí)對應(yīng)的液壓支架的集中控制流程圖，并將其應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。在試驗(yàn)監(jiān)測的2020 年2 月19 日—9 月3 日，液壓支架在大方向能夠根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)需求完成自動(dòng)化集中控制功能，在為期將近7 個(gè)月的應(yīng)用中，液壓支架自動(dòng)化集中控制功能累計(jì)輔助工作面推進(jìn)1 473 m，煤炭產(chǎn)出量為153.1 萬t。整體上講，液壓支架故障率低、自動(dòng)化水平高、維修方便等[5]。但是，在實(shí)際生產(chǎn)中還有如下問題需改進(jìn)：

1）由于行程傳感器的引線出現(xiàn)短路情況，導(dǎo)致控制器無該項(xiàng)數(shù)據(jù)的顯示，后續(xù)需進(jìn)一步增加行程傳感器引線的焊接間距；

2）由于壓力傳感器內(nèi)部壓變片固定不穩(wěn)定造成松動(dòng)，最終導(dǎo)致壓力傳感器無讀數(shù)或讀數(shù)不穩(wěn)定，后續(xù)應(yīng)考慮更換壓力傳感器；

3）由于液壓支架乳化液泵站提供的乳化液純度不夠?qū)е码姶畔葘?dǎo)閥出現(xiàn)卡死、串液的問題，后續(xù)應(yīng)考慮加大乳化液的過濾精度，并對出現(xiàn)故障的電磁先導(dǎo)閥進(jìn)行徹底清理。

4 結(jié)語

液壓支架為綜采工作面與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)相互配合的關(guān)鍵設(shè)備，是保證綜采工作面安全、高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)液壓支架的自動(dòng)化集中控制功能，對于提升工作面生產(chǎn)的效率和安全性具有重要意義。本文根據(jù)某礦351231 工作面生產(chǎn)情況，完成液壓支架電控系統(tǒng)中的關(guān)鍵控制器和相關(guān)傳感器的選型，并以采煤機(jī)斜切進(jìn)刀工藝為例設(shè)計(jì)了液壓支架對應(yīng)的集中控制工藝流程。經(jīng)實(shí)踐表明，液壓支架集中控制功能能夠整體上得到發(fā)揮，但是行程、壓力傳感器和電磁先導(dǎo)閥均出現(xiàn)故障，有待進(jìn)一步改進(jìn)。