煤礦井下液壓支架組智能控制系統的應用研究

＊索曉琛

（山西忻州神達晉保煤業有限公司 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，提高綜采作業的安全性。在工作過程中液壓支架是成組使用的，需要根據采煤機和液壓支架的相對位置狀態進行降柱一移架一收放護幫板作業，以滿足綜采安全性的需求。目前薛虎溝煤業對液壓支架運行狀態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，據此調整液壓支架的動作時間與類型，此控制模式雖對煤礦生產有積極作用，但系統功能、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應用智能技術，構建智能控制模式，替代傳統的控制方式。

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下。從經典靜力學方法著手，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下、遇到頂板巖層持續破碎、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，能得到最大值相關表達。

如遇頂板巖層持續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破碎或者底板塌陷現象時，工作面應力狀態將發生顯著變化，其應力重新排布，在構成較為穩定的受力體系后，新形成的簡支梁L1、L2的1/2部位將產生彎矩峰值，而在簡支梁L1、L2兩端將同步產生較大的剪應力。煤巖體的脆性較大，如受到剪力影響，煤巖體極易出現斷裂現象，特別是在梁L1、L2的端點、破碎點，出現剪切破壞的幾率較高。煤巖體的結構具有復雜性，存在節理發育，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，勢必在內部產生一定的破壞現象，在極短的時間內將發生嚴重崩解，造成重大事故。傳統的液壓支架支護系統設計中，相關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，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、穩定性。當采煤作業中相關人員經計算獲取了支護強度、高度與工作阻力等數值后，這些數值在后續無需調整，屬于靜態封閉體系。一旦遭遇頂板巖層持續破碎或者底板塌陷現象，支護系統一般無法應對這些特殊情形，支護效果不佳，極易出現安全事故[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設計原理

在原液壓支架支護系統中嵌入智能化液壓支架監控系統，該系統兼具監控、信號轉換、實時控制功能，一旦該系統投入使用，即使遭遇頂板巖層持續破碎、底板塌陷問題，監控系統也能智能化采集相關信息，在終端上實時顯示結果，并同步向相關人員反饋數據，后臺人員接收到數據后能及時分析數據，得到現場工作情況，在短時間內智能化調整液壓支架支護參數，使支護體系快速響應，能保障工作面巖體間支梁受力的穩定性，為現場作業創造安全條件。與PLC技術高度一致，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。

輸入模塊自帶監控功能，本質上屬于可編程邏輯控制器，在采煤工作中輸入模塊的監控工作具有實時性特點，能隨時獲取支護強度、工作阻力、支護高度等關鍵參數，遇到頂板巖層持續破碎、底板塌陷問題時，輸入模塊能自動調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的信息后，能自動分析和處理，從中提取到關鍵信息，依據實際情況調整液壓支架支護參數，發送控制指令。

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

3.系統功能設計

該系統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系，在此前提下發送控制操作指令，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需實時監測指令執行情形，當動作執行與計劃要求完全一致后再發送下一步操作指令。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.系統結構設計

(1)控制系統整體結構

新的液壓支架組智能控制系統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。為了確保數據信息傳遞的精確性，各個模塊間的數據傳遞采用了RS485數據總線。

傳感器模塊為智能控制系統的關鍵構成，能采集、傳輸數據，為獲取完整、準確數據，結合煤礦生產作業情況，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、對液壓支架執行油缸伸縮量的判斷，以及對執行油缸工作狀態的判斷，滿足精確監控的需求。間架傳感器是該控制系統的基礎控制單元，不僅能監測每一傳感器的工作情況、數據采集情況，還能自動接收傳感器所監測到的數據并將其傳輸到端頭控制器，再發送控制指令，精準控制液壓支架的工作狀態，為井下作業創造安全條件[4]。

端頭控制器作為該控制系統的橋梁，起著聯系監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、相對采煤機的位置進行判斷，然后發出集中調控指令，實現對液壓支架組運行狀態的統一控制；另一方面將相關信息傳遞給監控中心，達到自動化、遠程化控制的目標。

(2)控制系統硬件結構設計

端頭控制器作為聯系上下游控制的核心，需要具有強大的數據處理功能。因此，在設計端頭控制器時采用了雙“CPU”設計方案，對數據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主要用于分析各監控單元所返回的監測數據信號并將分析結果傳遞給監控中心；主控CPU主要用于接收控制中心傳遞過來的數據指令，并控制各間架控制器執行相關動作。兩個CPU之間的數據交換采用了快速接口，能夠確保數據傳輸的快速性和精確性，對外數據的傳輸均通過RS485通信電路完成[5]。

(3)控制系統軟件結構設計

整個控制系統中端頭控制器作為執行單元而存在，由集控中心發送指令其執行，執行指令時可同步獲得井下作業中采煤機作業、液壓支架工作的相關參數，再將結果反饋給集控中心。端頭控制器在動作執行、數據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下，否則，采集參數與設計情況的偏差較大，需立即標注異常數據并同步啟動預警。正常工作狀態下端頭控制器向對應支架的架間控制器發出控制指令，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進行調控的過程中，首先對液壓支架組內各個支架的工作情況進行巡檢并結合紅外線位置定位系統的信息確定采煤機的具體位置，結合采煤機綜采作業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、噴霧作業的支架的編號，然后，發出調節指令；在控制的過程中為了避免出現誤調節的情況，在控制時對各支架執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完成動作，系統將自動進行報警并退出，從而實現了雙閉環調節控制，確保了調節穩定性，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的應用情況進行分析，對薛虎溝煤業井下工作面液壓支架組的控制系統進行升級改造。根據新控制系統3個月的運行情況統計，優化后系統對液壓支架的控制效率顯著提升，未出現過因調整不及時導致的綜采停線情況，在使用過程中出現了2次因升柱不及時導致的報警情況，影響綜采作業11min，比優化前的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.液壓支架智能化發展現狀及未來方向

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。依據實際情況調查，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，未來在行業發展的過程中，液壓支架智能化控制系統的研究需著力向高可靠性方向邁進，采用更為先進的現代化技術，提高液壓支架控制系統的智能化水平。

7.結論

針對井下液壓支架組控制系統復雜、滯后性大，導致經常出現片幫的問題。為解決此問題，可構建液壓支架組智能控制系統，由此系統實現智能化、統一化管理。結合在許多煤礦企業內液壓支架組智能控制系統的應用情況，其具備以下優勢：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據傳輸與指令發送，增強了系統的可靠性；端頭支架控制器配備有2個CPU，二者配合下能促進數據的高效、安全傳輸，更有利于控制操作，未來的煤礦生產作業中，此控制方式值得推廣。