綜采工作面液壓支架狀態(tài)感知與分析技術(shù)研究

李建， 任懷偉， 鞏師鑫

（1. 煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2. 中煤科工開采研究院有限公司 智能化開采分院，北京 100013；3. 天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013）

0 引言

煤炭占我國一次能源消費(fèi)近60%和能源儲(chǔ)量的94%，是能源戰(zhàn)略安全的“壓艙石”。經(jīng)歷多年開發(fā)，深部開采、沖擊地壓、不穩(wěn)定煤層等復(fù)雜條件礦井日益增多，傳統(tǒng)機(jī)械化、自動(dòng)化開采理論技術(shù)無法應(yīng)對(duì)，井下部分環(huán)節(jié)仍需人工作業(yè)，工人“臟累苦險(xiǎn)”，重大事故時(shí)有發(fā)生。面對(duì)更加復(fù)雜的地質(zhì)條件和日益嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害，煤礦智能化是實(shí)現(xiàn)安全、高效采煤的根本途徑。2020年3月，國家發(fā)展改革委、國家能源局等八部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》，煤礦智能化建設(shè)持續(xù)推動(dòng)煤炭行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展和進(jìn)步。

煤礦智能化建設(shè)的核心是智能化開采，其目標(biāo)是通過5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息與通信技術(shù)釋放更多生產(chǎn)力，提升采煤效率，改善生產(chǎn)安全問題[1]。煤礦智能化開采涉及智能感知、智能控制和智能執(zhí)行3個(gè)方面，核心要求是實(shí)現(xiàn)綜采裝備的連續(xù)、可靠及自動(dòng)運(yùn)行。智能感知以傳感器硬件設(shè)備為基礎(chǔ)，對(duì)動(dòng)態(tài)變化的地質(zhì)環(huán)境、開采裝備及人員等信息進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)信息，并借助圖像識(shí)別、模式識(shí)別等前沿技術(shù)整合監(jiān)測信息，以獲取更深層次的規(guī)律，從而為下一步的開采行為（如液壓支架推移、割煤速度調(diào)節(jié)、支護(hù)方式和參數(shù)控制等）提供依據(jù)。智能控制是由感知數(shù)據(jù)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行的核心環(huán)節(jié)，通過強(qiáng)魯棒性的控制模型，使整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)形成固定的反饋機(jī)制。智能執(zhí)行主要是將計(jì)算得到的策略通過高精度、高適應(yīng)性的可控運(yùn)行裝備實(shí)現(xiàn)。

液壓支架是工作面開采最重要的設(shè)備之一，對(duì)工作面開挖后的上覆巖層起支撐作用，同時(shí)推動(dòng)刮板輸送機(jī)前移。因此，液壓支架的狀態(tài)感知及分析對(duì)于保障工作面安全、提高開采效率和智能化水平有重要意義。液壓支架壓力和位姿作為當(dāng)前最容易獲取的2種狀態(tài)數(shù)據(jù)，如何作為智能控制和智能執(zhí)行的依據(jù)，是當(dāng)前重要的研究方向。相關(guān)學(xué)者已通過多種理論方法開展了工作面液壓支架壓力數(shù)據(jù)分析工作。然而，液壓支架位姿作為除壓力外的關(guān)鍵參數(shù)之一，如何與壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析，并作為液壓支架智能控制與決策的依據(jù)尚未有深入的研究。本文通過分析綜采工作面液壓支架狀態(tài)感知體系，梳理總結(jié)液壓支架壓力和位姿感知及二者融合分析技術(shù)的研究現(xiàn)狀，展望了液壓支架狀態(tài)感知與分析技術(shù)的發(fā)展趨勢，以期為實(shí)現(xiàn)液壓支架狀態(tài)數(shù)據(jù)精細(xì)化分析、智能控制與決策提供參考。

1 綜采工作面液壓支架狀態(tài)感知體系

液壓支架狀態(tài)感知需求主要包括液壓支架姿態(tài)感知、載荷感知、動(dòng)作過程感知等[2]。目前，接觸式傳感器在液壓支架狀態(tài)感知技術(shù)上有良好的應(yīng)用基礎(chǔ)[3]，實(shí)現(xiàn)上述感知所需的傳感器及在液壓支架上的安裝位置如圖1所示。

圖1 液壓支架狀態(tài)感知傳感器安裝位置Fig. 1 Installation positions of state sensors for hydraulic support

通過傾角傳感器、攝像頭、高度傳感器等采集液壓支架整體位姿及各部件之間的空間信息、液壓支架位置變動(dòng)信息，進(jìn)而探索壓力和位姿在時(shí)間和空間上的耦合關(guān)系。智能化綜采工作面液壓支架感知架構(gòu)（圖2）給出了液壓支架狀態(tài)感知需求及對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。液壓支架壓力感知：① 獲取液壓支架自身的受力，從而判斷其工作狀態(tài)；② 反映上覆巖層應(yīng)力變化，保障工作面安全生產(chǎn)。液壓支架位姿感知：① 描述單個(gè)液壓支架的空間姿態(tài)；② 描述液壓支架群的空間分布趨勢，反映工作面頂?shù)装迤鸱妥呦颍虎?輔助分析工作面礦壓和液壓支架受力狀態(tài)。

圖2 智能化綜采工作面液壓支架感知架構(gòu)Fig. 2 Intelligent perception framework of hydraulic support in fully mechanized working face

2 工作面液壓支架壓力感知與分析

目前，液壓支架可采集的壓力數(shù)據(jù)主要來自立柱壓力傳感器、平衡千斤頂壓力傳感器及銷軸部位的壓力傳感器。這些傳感器主要是應(yīng)用應(yīng)變片、光纖和壓力枕來實(shí)現(xiàn)壓力測量。然而，安裝的傳感器越多，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量就越大。在工作面復(fù)雜環(huán)境中部署相關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是巨大的挑戰(zhàn)，而離線式壓力監(jiān)測系統(tǒng)難以及時(shí)獲取壓力數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析[4]，進(jìn)而指導(dǎo)生產(chǎn)決策。目前在線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)包括有線和無線2種方式。有線傳輸方式包括CAN總線、以太網(wǎng)等[5]；無線傳輸方式包括WiFi，ZigBee等短距離通信技術(shù)[6]，以及4G/5G和遠(yuǎn)距離無線電（Long Rang Radio，LoRa）技術(shù)[7]。通過有線和無線2種數(shù)據(jù)傳輸方式對(duì)液壓支架壓力傳感器進(jìn)行組網(wǎng)[9]，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架壓力的在線實(shí)時(shí)監(jiān)測，如圖3所示。在監(jiān)測主機(jī)安裝液壓支架壓力監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，還能實(shí)現(xiàn)液壓支架工作狀態(tài)評(píng)估、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)表生成等功能[10]。

圖3 工作面液壓支架壓力的有線+無線組網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 3 Wired+wireless networking monitoring system of hydraulic support pressure in working face

1） 液壓支架受力分析。液壓支架整體因上覆巖層運(yùn)移而受力，其各個(gè)部件（如頂梁、掩護(hù)梁、立柱等）由于結(jié)構(gòu)上相互連接，運(yùn)動(dòng)存在限制，所以各部件的受力具有內(nèi)在聯(lián)系。液壓支架受力狀況還與其位姿有關(guān)，而位姿受限于工作面布置方式及工作面煤層及圍巖的空間狀態(tài)，大傾角、大采高等圍巖條件下液壓支架受力更為復(fù)雜。王國法等[11]提出了液壓支架與圍巖的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性三耦合理論。此外，煤巖硬度、基本頂質(zhì)量、基本頂初始高度及斷裂點(diǎn)位置等地質(zhì)條件也影響液壓支架的受力和工況[13-14]。通過建立液壓支架的整體力學(xué)結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合傳感器接收到的各部位壓力，可以分析各部位是否會(huì)因受力過大而損壞[15]，還可以反演液壓支架整體受力情況[16]。利用Pro/Engineer三維建模軟件、ANSYS有限元分析軟件[17]、Adams動(dòng)力學(xué)仿真軟件[18]可以較好地計(jì)算液壓支架在不同支護(hù)高度和頂板壓力下的受力情況，為液壓支架的設(shè)計(jì)、選型及井下安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

2） 上覆巖層礦壓分析。礦壓是采礦行業(yè)專家學(xué)者研究的熱門領(lǐng)域，國內(nèi)外學(xué)者借鑒彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)、散體力學(xué)、地下流體滲流規(guī)律等研究成果，考慮礦井開采工程空間和采礦工藝特點(diǎn)，形成了多種理論和方法。工作面情況復(fù)雜，且地質(zhì)環(huán)境處于動(dòng)態(tài)變化之中，是礦壓研究的重點(diǎn)空間區(qū)域。在理論研究基礎(chǔ)上，專家學(xué)者大多開展相似材料模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，2種方法各有優(yōu)劣。其中，相似材料模型試驗(yàn)可以直接觀測開挖工程中模擬巖層的運(yùn)移情況和裂隙發(fā)育規(guī)律，而數(shù)值模擬能夠更精確地計(jì)算出巖體各部位的受力情況。

基于大數(shù)據(jù)的礦壓分析目前尚未應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際，無法對(duì)生產(chǎn)決策做出輔助。工作面礦壓與巷道壓力數(shù)據(jù)未實(shí)現(xiàn)同步測量，未實(shí)現(xiàn)整個(gè)采場的全面數(shù)據(jù)分析。另外，對(duì)于超前液壓支架的關(guān)注度還不夠。工作面液壓支架壓力與超前支架區(qū)域礦壓都反映工作面附近一定范圍內(nèi)的應(yīng)力，二者理應(yīng)一同考慮。支架載荷、上覆巖層垂直應(yīng)力與水平應(yīng)力、圍巖變形都是影響采場應(yīng)力的重要因素。支架受力通過支架立柱壓力傳感器采集，這是一種典型的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Recurrent Neural Network，RNN）可以用于時(shí)間序列數(shù)據(jù)預(yù)測，長短時(shí)記憶（Long Short-Term Memory，LSTM）網(wǎng)絡(luò)是RNN的改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，可以解決RNN在長序列時(shí)間數(shù)據(jù)預(yù)測中出現(xiàn)的梯度衰減問題。因此，利用深度學(xué)習(xí)LSTM網(wǎng)絡(luò)捕捉工作面在推進(jìn)過程中壓力變化的時(shí)序特性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架壓力的預(yù)測[19]。通過遷移學(xué)習(xí)方法可提升測試模型的泛化能力，將訓(xùn)練好的模型應(yīng)用到其他工作面，避免了數(shù)據(jù)采集初期訓(xùn)練數(shù)據(jù)量不夠的問題[20]。文獻(xiàn)[21]提出了一種基于流形正則域適應(yīng)函數(shù)鏈接預(yù)測誤差集成算法（Manifold Regular Domain Adaptation integrated Function Link Prediction Error Method，MRDA-FLPEM）的綜采工作面礦壓預(yù)測建模方法，從而完成綜采工作面礦壓超前預(yù)測。

上述研究為實(shí)現(xiàn)工作面礦壓預(yù)警、支護(hù)方式調(diào)整，避免礦壓災(zāi)害、支架損壞提供了理論依據(jù)。

3 工作面液壓支架位姿感知與分析

3.1 液壓支架位姿感知方法

液壓支架位姿數(shù)據(jù)主要通過傾角傳感器或氣壓計(jì)、液壓計(jì)等獲取，多采用有線方式傳輸，傳感器數(shù)量多，布設(shè)復(fù)雜?，F(xiàn)有的液壓支架位姿測量方法受限于井下復(fù)雜多變的環(huán)境，主要分為接觸式傳感器測量和視覺傳感器測量[22]，如圖4所示的工作面液壓支架群組位姿監(jiān)測系統(tǒng)采用上述2種測量方法。接觸式傳感器測量簡單，能夠直接得到被測數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)上傳。視覺傳感器可以利用工作面智能化改造過程中安裝的攝像頭來獲取信息，無需額外安裝傳感器，降低了設(shè)備成本和維護(hù)成本，缺點(diǎn)是視覺信息需要通過算法解算[23]，算法時(shí)間復(fù)雜度對(duì)結(jié)果的實(shí)時(shí)性有一定影響，可通過采用邊緣計(jì)算技術(shù)和算力更高的服務(wù)器來解決。

圖4 液壓支架群組位姿監(jiān)測系統(tǒng)Fig. 4 Posture monitoring system of hydraulic support groups

接觸式傳感器應(yīng)用廣泛，性能可靠。利用頂梁、掩護(hù)梁、四連桿和底座長度，以及頂梁、掩護(hù)梁和四連桿在走向方向與水平面的夾角，可以實(shí)現(xiàn)液壓支架間接測高[24]。將多傳感器得到的數(shù)據(jù)融合分析計(jì)算[25]，或調(diào)整傳感器安裝位置[26]，可以解決因傳感器角度測量誤差而造成液壓支架高度測量誤差累計(jì)問題。利用SolidWorks建立液壓支架三維桿系仿真模型，可以推導(dǎo)出液壓支架在任意狀態(tài)下各關(guān)鍵部件的姿態(tài)[27]，從而驗(yàn)證通過傾角來測量液壓支架高度的可行性?；诨疑碚摚筛鶕?jù)單臺(tái)液壓支架姿態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)同一時(shí)刻群組支架姿態(tài)預(yù)測和下一時(shí)刻本臺(tái)支架的姿態(tài)預(yù)測[28]。

隨著煤礦智能化升級(jí)改造，工作面安裝了多組攝像頭，基于機(jī)器視覺圖像處理方法可以實(shí)現(xiàn)井下裝備、人員識(shí)別及監(jiān)測。然而，機(jī)器視覺在煤礦井下的應(yīng)用還不夠廣泛。井下環(huán)境復(fù)雜，照度低，用于訓(xùn)練AI模型的視頻數(shù)據(jù)場景單一。文獻(xiàn)[29]提出利用深度視覺原理來實(shí)現(xiàn)液壓支架高度和姿態(tài)測量，攝像頭安裝位置如圖5所示。文獻(xiàn)[30]在液壓支架缸體上安裝LED紅外標(biāo)志板，通過安裝在采煤機(jī)上的攝像頭對(duì)LED進(jìn)行特征提取，從而識(shí)別液壓支架位姿。有學(xué)者建立了礦用液壓支架支護(hù)質(zhì)量綜合監(jiān)測保障系統(tǒng)[31]，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架位姿等信息的實(shí)時(shí)獲取和顯示及護(hù)幫板回收狀態(tài)監(jiān)測[32-32]。

圖5 液壓支架攝像頭安裝位置Fig. 5 Installation position of hydraulic support camera

3.2 液壓支架位姿分析

液壓支架位姿影響上覆載荷對(duì)液壓支架的作用，位姿不同，載荷對(duì)液壓支架各部分的作用力不同，液壓支架對(duì)上覆巖層的反作用力也不同，從而影響支護(hù)效果。因此，液壓支架位姿數(shù)據(jù)和載荷數(shù)據(jù)具有相同的重要性，液壓支架要發(fā)揮應(yīng)有的支護(hù)效果，需要有正常的工作狀態(tài)；同時(shí)，液壓支架的非正常工作狀態(tài)也能反映頂板的異常變化。

立柱、平衡千斤頂油壓與液壓支架位姿數(shù)據(jù)和頂梁載荷之間存在一定的數(shù)學(xué)幾何關(guān)系，可以建立基于油缸壓力的液壓支架位姿及受載信息反演的力學(xué)模型[34]。沖擊載荷作用于頂梁不同位置時(shí)，液壓支架各部位對(duì)沖擊載荷的敏感度不同[35]。特大采高條件下，不同液壓支架位姿工況對(duì)支架穩(wěn)定性的影響也有所差別[36]，可以利用傾斜砌體結(jié)構(gòu)理論分析液壓支架與圍巖的相互作用關(guān)系[37]。同時(shí)，在大傾角工作面特殊開采時(shí)期（工作面垮落或過斷層），液壓支架的穩(wěn)定性非常重要（傾倒和滑移），可以分別從傾向和走向方向進(jìn)行力學(xué)分析[38]。國內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注液壓支架位姿對(duì)支架各部件之間受力的影響及工作面（特別是大采高、大傾角等特殊條件下）整體工況的研究。

上述研究都是將傳統(tǒng)的、已廣泛應(yīng)用的各類傾角傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，未分析各類數(shù)據(jù)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)聯(lián)系和規(guī)律。

4 工作面液壓支架壓力-位姿數(shù)據(jù)融合分析

開展液壓支架壓力和位姿數(shù)據(jù)融合分析研究，可以進(jìn)一步解析不同工作面空間態(tài)勢下的礦壓變化情況，揭示工作面空間布局對(duì)于礦壓分布的影響，以及不同采高、煤層和頂板厚度變化對(duì)礦壓分布的影響。

采高不同，液壓支架各部件的受力不同[18]，頂板垮落規(guī)律也不同，因此在設(shè)計(jì)液壓支架時(shí)，需要依據(jù)動(dòng)載荷方法合理確定工作阻力[39]。液壓支架整體傾角也是影響其受力的重要因素，在實(shí)際生產(chǎn)中液壓支架受力會(huì)處于偏載狀態(tài)[40]，通過仿真軟件可以分析液壓支架在偏載或大傾角地質(zhì)條件下的受力[41]。文獻(xiàn)[42]建立了大采高工作面頂板巖層斷裂的“懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)模型及液壓支架與圍巖的簡化動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)大采高液壓支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及適應(yīng)性分析。文獻(xiàn)[43]研究了神東礦區(qū)北部中等埋深厚煤層大采高工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律、液壓支架合理工作阻力，分析了國家能源集團(tuán)神東煤炭布爾臺(tái)煤礦厚煤層大采高液壓支架的適應(yīng)性。上述研究圍繞超大采高圍巖與液壓支架關(guān)系、頂板結(jié)構(gòu)對(duì)液壓支架阻力的影響、頂板斷裂結(jié)構(gòu)模型對(duì)液壓支架設(shè)計(jì)的作用、中等埋深厚煤層礦壓與液壓支架工作阻力關(guān)系等方面展開。

5 展望

目前，綜采工作面液壓支架狀態(tài)感知及分析已取得了多項(xiàng)重要成果，為工作面安全高效開采奠定了基礎(chǔ)。隨著智能化開采水平的不斷提升，大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)技術(shù)將逐步應(yīng)用于生產(chǎn)輔助決策中。為了適應(yīng)智能化開采帶來的精細(xì)化、差異化支護(hù)需求，需在以下方面繼續(xù)開展深入研究。

1） 大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用。隨著智能化監(jiān)測水平的提高，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的液壓支架壓力分析及控制方法有望成為新的發(fā)展方向。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)在煤炭行業(yè)的逐步落地應(yīng)用，可利用云平臺(tái)提供的海量算力提高礦壓分析中數(shù)值模擬計(jì)算的速度和頻率；通過采集的工作面真實(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬和相似材料模型試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，利用深度學(xué)習(xí)等方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和預(yù)測，有助于提高預(yù)測和決策的科學(xué)性、合理性。

2） 多維數(shù)據(jù)融合感知與分析。目前對(duì)工作面液壓支架壓力數(shù)據(jù)的研究主要關(guān)注工作面來壓判斷、來壓步距計(jì)算、油缸安全閥開啟識(shí)別等，停留在定性分析層面，尚未開展工作面超前區(qū)域壓力變化與工作面中部液壓支架壓力變化聯(lián)合分析?？紤]工作面超前區(qū)域支架載荷變化情況及融合位姿數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)采場多維數(shù)據(jù)分析，從而發(fā)現(xiàn)礦山壓力領(lǐng)域新的機(jī)理，將是未來研究的重點(diǎn)。

3） 數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用。雖然在井下應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)還有許多亟待解決的難點(diǎn)，但這是實(shí)現(xiàn)井下無人化采煤必不可少的技術(shù)支撐。隨著工作面感知技術(shù)的突破，應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)可以建立整個(gè)綜采工作面走向及傾向方向開采態(tài)勢的可視化模型，從而分析綜采工作面推進(jìn)過程中的開采態(tài)勢動(dòng)態(tài)變化。而透明工作面的實(shí)現(xiàn)可為支護(hù)裝備控制參數(shù)提供優(yōu)化依據(jù)，達(dá)到提前預(yù)知并應(yīng)對(duì)礦壓災(zāi)害的目的。