煤礦井下液壓支架組智能控制系統(tǒng)的應用研究

＊索曉琛

（山西忻州神達晉保煤業(yè)有限公司 山西 036600）

引言

液壓支架是煤礦井下回采工作面“三機一架”的核心裝備，主要用于對綜采面進行支護，提高綜采作業(yè)的安全性。在工作過程中液壓支架是成組使用的，需要根據(jù)采煤機和液壓支架的相對位置狀態(tài)進行降柱一移架一收放護幫板作業(yè)，以滿足綜采安全性的需求。目前薛虎溝煤業(yè)對液壓支架運行狀態(tài)的控制一般采用支架控制器進行獨立控制的模式，不斷的判斷采煤機和液壓支架的相對位置狀態(tài)，據(jù)此調(diào)整液壓支架的動作時間與類型，此控制模式雖對煤礦生產(chǎn)有積極作用，但系統(tǒng)功能、性能卻存在一定問題。為改變這一問題，在液壓支架控制系統(tǒng)應用智能技術(shù)，構(gòu)建智能控制模式，替代傳統(tǒng)的控制方式。

1.液壓支架支護機理力學分析

液壓支架是采煤工作中不可或缺的部分，其在工作過程中支護強度具有固定性，一般保持在0.4～0.6MPa之間，但支架在工作中也存在一定的阻力，阻力維持在2000～6000kN之間，甚至在特殊情況下阻力可達10000kN。通過頂梁、掩護梁等設備與工作面煤巖體直接接觸，能最大程度上減小工作面上煤巖體的變形現(xiàn)象，保持工作面上煤巖體的整體性，使其處于最佳的受力狀態(tài)下。從經(jīng)典靜力學方法著手，將工作面煤巖體簡化為簡支梁，分析工作面煤巖體簡化后簡支梁的受力特點，模擬液壓支架在正常工作狀態(tài)下、遇到頂板巖層持續(xù)破碎、底板塌陷等特殊情況下的煤巖體受力情況[1]。正常工作時工作面煤巖體簡化后的簡支梁受到均布載荷q，簡化簡支梁長度為L，兩端約束，簡支梁2/L部位受到的彎矩最大，能得到最大值相關(guān)表達。

如遇頂板巖層持續(xù)破碎或者底板塌陷時，缺陷部位的應力過于集中，工作面煤巖體的完整性不足，當工作面趨于穩(wěn)定時，以缺陷部位作為端點，可形成兩個長度較短的簡支梁L1、L2。

在一系列分析下，一旦遇到頂板巖層持續(xù)破碎或者底板塌陷現(xiàn)象時，工作面應力狀態(tài)將發(fā)生顯著變化，其應力重新排布，在構(gòu)成較為穩(wěn)定的受力體系后，新形成的簡支梁L1、L2的1/2部位將產(chǎn)生彎矩峰值，而在簡支梁L1、L2兩端將同步產(chǎn)生較大的剪應力。煤巖體的脆性較大，如受到剪力影響，煤巖體極易出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，特別是在梁L1、L2的端點、破碎點，出現(xiàn)剪切破壞的幾率較高。煤巖體的結(jié)構(gòu)具有復雜性，存在節(jié)理發(fā)育，一旦遭遇外力作用，而此作用超過煤巖體自身的可承受極限，勢必在內(nèi)部產(chǎn)生一定的破壞現(xiàn)象，在極短的時間內(nèi)將發(fā)生嚴重崩解，造成重大事故。傳統(tǒng)的液壓支架支護系統(tǒng)設計中，相關(guān)人員全面分析工作面煤巖體的種類、工作面深度、煤巖體破碎情況、工作面高度等，通過計算得到支護強度、支護工作阻力、支護高度等參數(shù)，預留一定裕量保障工作面煤巖體簡支梁受力體系的完整性、穩(wěn)定性。當采煤作業(yè)中相關(guān)人員經(jīng)計算獲取了支護強度、高度與工作阻力等數(shù)值后，這些數(shù)值在后續(xù)無需調(diào)整，屬于靜態(tài)封閉體系。一旦遭遇頂板巖層持續(xù)破碎或者底板塌陷現(xiàn)象，支護系統(tǒng)一般無法應對這些特殊情形，支護效果不佳，極易出現(xiàn)安全事故[2]。而通過液壓支架智能化控制，能有效解決這一問題。

2.智能化液壓支架支護系統(tǒng)設計原理

在原液壓支架支護系統(tǒng)中嵌入智能化液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)兼具監(jiān)控、信號轉(zhuǎn)換、實時控制功能，一旦該系統(tǒng)投入使用，即使遭遇頂板巖層持續(xù)破碎、底板塌陷問題，監(jiān)控系統(tǒng)也能智能化采集相關(guān)信息，在終端上實時顯示結(jié)果，并同步向相關(guān)人員反饋數(shù)據(jù)，后臺人員接收到數(shù)據(jù)后能及時分析數(shù)據(jù)，得到現(xiàn)場工作情況，在短時間內(nèi)智能化調(diào)整液壓支架支護參數(shù)，使支護體系快速響應，能保障工作面巖體間支梁受力的穩(wěn)定性，為現(xiàn)場作業(yè)創(chuàng)造安全條件。與PLC技術(shù)高度一致，智能化液壓支架支護體系主要包含輸入與輸出模塊、通信模塊與控制模塊3個部分。

輸入模塊自帶監(jiān)控功能，本質(zhì)上屬于可編程邏輯控制器，在采煤工作中輸入模塊的監(jiān)控工作具有實時性特點，能隨時獲取支護強度、工作阻力、支護高度等關(guān)鍵參數(shù)，遇到頂板巖層持續(xù)破碎、底板塌陷問題時，輸入模塊能自動調(diào)取并傳輸信息給控制模塊，而控制模塊在接收到輸入模塊所傳輸?shù)男畔⒑?，能自動分析和處理，從中提取到關(guān)鍵信息，依據(jù)實際情況調(diào)整液壓支架支護參數(shù)，發(fā)送控制指令。

智能化液壓支架支護系統(tǒng)中，單片機技術(shù)必不可少，此項技術(shù)支持下相關(guān)人員需在輸入模塊預先設定預警值、安全生產(chǎn)極限值，一旦轉(zhuǎn)換后的輸入信號達到了預警值或者安全極限值，輸出模塊將自動發(fā)送聲光報警或者緊急信號，提醒相關(guān)人員依據(jù)這些報警情況給出反饋，在最短的時間內(nèi)制定應急措施。有關(guān)人員在確定預警值、安全極限值時需通過統(tǒng)計方法來實現(xiàn)，通過大量收集、分析正常狀態(tài)與非正常狀態(tài)下的液壓支架支護參數(shù)，分析其中的規(guī)律，即可提取出安全極限值、預警值。后續(xù)工作中如系統(tǒng)監(jiān)測到的數(shù)值達到了極限值、預警值，立即發(fā)送信號，能通過緊急預警減少安全生產(chǎn)事故[3]。

3.系統(tǒng)功能設計

該系統(tǒng)在設計中采用了集成化思想，用集中化替代了分散化控制，在已有的地面中心內(nèi)設置集控中心，其中配備大型服務器等設施。為增強集控中心的控制能力，相關(guān)人員在前期的工作中需判定采煤機、液壓支架的相對位置關(guān)系，在此前提下發(fā)送控制操作指令，液壓支架接收到指令后需立即進入動作階段，此階段的工作中控制系統(tǒng)需實時監(jiān)測指令執(zhí)行情形，當動作執(zhí)行與計劃要求完全一致后再發(fā)送下一步操作指令。集中化、智能化控制模式的響應速度快，控制與動作的準確度高，幾乎無誤判和誤動問題。

4.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

(1)控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

新的液壓支架組智能控制系統(tǒng)采用了模塊化設計的思想，主要包括傳感器模塊、端頭控制模塊和間架控制器3個部分。為了確保數(shù)據(jù)信息傳遞的精確性，各個模塊間的數(shù)據(jù)傳遞采用了RS485數(shù)據(jù)總線。

傳感器模塊為智能控制系統(tǒng)的關(guān)鍵構(gòu)成，能采集、傳輸數(shù)據(jù)，為獲取完整、準確數(shù)據(jù)，結(jié)合煤礦生產(chǎn)作業(yè)情況，需在井下合適位置分別布設紅外接收器、位移傳感器、壓力傳感器等，用于對液壓支架和采煤機相對位置的判斷、對液壓支架執(zhí)行油缸伸縮量的判斷，以及對執(zhí)行油缸工作狀態(tài)的判斷，滿足精確監(jiān)控的需求。間架傳感器是該控制系統(tǒng)的基礎控制單元，不僅能監(jiān)測每一傳感器的工作情況、數(shù)據(jù)采集情況，還能自動接收傳感器所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)蕉祟^控制器，再發(fā)送控制指令，精準控制液壓支架的工作狀態(tài)，為井下作業(yè)創(chuàng)造安全條件[4]。

端頭控制器作為該控制系統(tǒng)的橋梁，起著聯(lián)系監(jiān)控中心和間架控制器的作用，其一方面對各液壓支架的狀態(tài)、相對采煤機的位置進行判斷，然后發(fā)出集中調(diào)控指令，實現(xiàn)對液壓支架組運行狀態(tài)的統(tǒng)一控制；另一方面將相關(guān)信息傳遞給監(jiān)控中心，達到自動化、遠程化控制的目標。

(2)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計

端頭控制器作為聯(lián)系上下游控制的核心，需要具有強大的數(shù)據(jù)處理功能。因此，在設計端頭控制器時采用了雙“CPU”設計方案，對數(shù)據(jù)進行分開計算和處理。端頭控制器中的CPU分為巡檢CPU和主控CPU，其中，巡檢CPU主要用于分析各監(jiān)控單元所返回的監(jiān)測數(shù)據(jù)信號并將分析結(jié)果傳遞給監(jiān)控中心；主控CPU主要用于接收控制中心傳遞過來的數(shù)據(jù)指令，并控制各間架控制器執(zhí)行相關(guān)動作。兩個CPU之間的數(shù)據(jù)交換采用了快速接口，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目焖傩院途_性，對外數(shù)據(jù)的傳輸均通過RS485通信電路完成[5]。

(3)控制系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設計

整個控制系統(tǒng)中端頭控制器作為執(zhí)行單元而存在，由集控中心發(fā)送指令其執(zhí)行，執(zhí)行指令時可同步獲得井下作業(yè)中采煤機作業(yè)、液壓支架工作的相關(guān)參數(shù)，再將結(jié)果反饋給集控中心。端頭控制器在動作執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集方面有著不可替代的作用，如在實際的工作中采集到的參數(shù)與設計情況完全一致，則采煤機、液壓支架處于正常工作狀態(tài)下，否則，采集參數(shù)與設計情況的偏差較大，需立即標注異常數(shù)據(jù)并同步啟動預警。正常工作狀態(tài)下端頭控制器向?qū)Ъ艿募荛g控制器發(fā)出控制指令，該端頭控制器獲取集控中心指令的控制流程，如圖1（a）所示。

圖1 端頭控制器不同階段控制邏輯

端頭控制器對各液壓支架的運行狀態(tài)進行調(diào)控的過程中，首先對液壓支架組內(nèi)各個支架的工作情況進行巡檢并結(jié)合紅外線位置定位系統(tǒng)的信息確定采煤機的具體位置，結(jié)合采煤機綜采作業(yè)的方向判斷出采煤機前后方向上需要進行降柱、移架、升柱、推溜、收放護幫板、噴霧作業(yè)的支架的編號，然后，發(fā)出調(diào)節(jié)指令；在控制的過程中為了避免出現(xiàn)誤調(diào)節(jié)的情況，在控制時對各支架執(zhí)行不同的動作設置了相應的極限運動時間，若不能在極限時間內(nèi)完成動作，系統(tǒng)將自動進行報警并退出，從而實現(xiàn)了雙閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，確保了調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，其控制流程，如圖1（b）所示。

5.應用分析

為了對該集中控制系統(tǒng)的應用情況進行分析，對薛虎溝煤業(yè)井下工作面液壓支架組的控制系統(tǒng)進行升級改造。根據(jù)新控制系統(tǒng)3個月的運行情況統(tǒng)計，優(yōu)化后系統(tǒng)對液壓支架的控制效率顯著提升，未出現(xiàn)過因調(diào)整不及時導致的綜采停線情況，在使用過程中出現(xiàn)了2次因升柱不及時導致的報警情況，影響綜采作業(yè)11min，比優(yōu)化前的112min降低了90.2%，顯著提升了井下液壓支架組控制的精度和效率。

6.液壓支架智能化發(fā)展現(xiàn)狀及未來方向

目前國外普通綜采工作面液壓支架基本實現(xiàn)了微機紅外線電液自動控制，可成組、成排向前移架，額定供液壓力、流量、供液管徑分別達到了40MPa、300～450L/min、100～120mm。依據(jù)實際情況調(diào)查，前移一組支架所需時間為1min。國外還廣泛應用了高壓大流量乳化液泵站，額定壓力、流量分別為10～50 MPa、100～500L/min，能達到工作面成組或成排快速移架的目的。顯然，我國當下雖在液壓支架智能化方面開展了大量研究，但現(xiàn)有研究的深度和廣度不足，且很多理論研究成果并未應用于實踐，未來在行業(yè)發(fā)展的過程中，液壓支架智能化控制系統(tǒng)的研究需著力向高可靠性方向邁進，采用更為先進的現(xiàn)代化技術(shù)，提高液壓支架控制系統(tǒng)的智能化水平。

7.結(jié)論

針對井下液壓支架組控制系統(tǒng)復雜、滯后性大，導致經(jīng)常出現(xiàn)片幫的問題。為解決此問題，可構(gòu)建液壓支架組智能控制系統(tǒng)，由此系統(tǒng)實現(xiàn)智能化、統(tǒng)一化管理。結(jié)合在許多煤礦企業(yè)內(nèi)液壓支架組智能控制系統(tǒng)的應用情況，其具備以下優(yōu)勢：為模塊化設計思路，每一模塊既能獨立工作，也能相互配合完成數(shù)據(jù)傳輸與指令發(fā)送，增強了系統(tǒng)的可靠性；端頭支架控制器配備有2個CPU，二者配合下能促進數(shù)據(jù)的高效、安全傳輸，更有利于控制操作，未來的煤礦生產(chǎn)作業(yè)中，此控制方式值得推廣。