宋濤

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司， 山西 太原 030006;2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司， 山西 太原 030006)

0 引言

我國(guó)陜蒙地區(qū)賦存大量厚度6～8 m、埋層較淺煤質(zhì)堅(jiān)硬的厚煤層，這類煤層更適宜采用一次采全高開采方法。為提高回采率，神東煤炭集團(tuán)公司大柳塔煤礦建立8.8 m綜采工作面，但現(xiàn)有的機(jī)械化超前支護(hù)設(shè)備不能適應(yīng)特大采高工作面的超高、超大工作壓力的超前支護(hù)要求，故研制開發(fā)8.8 m大采高綜采回風(fēng)巷支架組勢(shì)在必行。8.8 m工作面自動(dòng)化超前自移支架針對(duì)大采高工作面要求進(jìn)行設(shè)計(jì)[1-3]，通過(guò)機(jī)、電、液控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，隨著開采高度提升，工作阻力和支架質(zhì)量也相應(yīng)增加，電液控制系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化的要求更高，如何將兩順槽超前支架的控制系統(tǒng)融入整個(gè)工作面的自動(dòng)化智能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、報(bào)警、數(shù)據(jù)共享及4G信號(hào)傳輸?shù)淖詣?dòng)化控制系統(tǒng)，成為未來(lái)煤礦發(fā)展研究的重點(diǎn)。

1 總體結(jié)構(gòu)及組成形式

1.1 總體結(jié)構(gòu)

針對(duì)大柳塔煤礦太原煤科院設(shè)計(jì)了8.8 m大采高回風(fēng)巷支架組及電液控制系統(tǒng)。該支架組(圖1)由四架組成，分列于巷道兩側(cè)，兩種支架結(jié)構(gòu)大致相同，左右兩架支架的頂梁、底座之間都連接有防倒調(diào)架油缸, 互為扶持防倒，滿足巷道行車要求。巷道單側(cè)兩架支架之間的推移油缸完全伸出后的超前支護(hù)長(zhǎng)度為25 m，兩架支架之間的推移油缸完全收回后的超前支護(hù)長(zhǎng)度為24 m。當(dāng)一架支架前移時(shí)，其余三架對(duì)巷道頂板進(jìn)行有效支護(hù)，從而減少了移架時(shí)巷道的空頂面積。

1-前梁；2-頂梁；3-掩護(hù)梁；4-后梁；5-短柱；6-推移機(jī)構(gòu)；7-立柱；8-防倒油缸；9-前后連桿；10-側(cè)翻梁；11-底座。

1.2 支架組組成及參數(shù)

支架組由主頂梁、前梁、后梁、一二級(jí)側(cè)翻梁、四連桿機(jī)構(gòu)、底座等結(jié)構(gòu)件組成，油缸包括立柱、短柱、側(cè)翻梁千斤頂、推移千斤頂、放倒油缸組成。

支架組主要技術(shù)參數(shù)為:

支架型式

兩柱支撐掩護(hù)式

支架高度/mm

3 000～5 600 mm

工作阻力/(kN/組)

83 100

支架寬度/mm

5 550

支護(hù)強(qiáng)度/MPa

0.64(P=46 MPa)

頂梁比壓/MPa

2.56(P=46 MPa)

底座比壓/MPa

2.54(P=46 MPa)

控制方式

電液控制/遙控控制

2 支架組主要特點(diǎn)

1) 前后支架組底座間的推移機(jī)構(gòu)由推移千斤頂和推移桿組成，且支架間的兩根推移千斤頂單獨(dú)控制，推移千斤頂和防倒調(diào)架千斤頂配合使用，靈活控制支架組前進(jìn)方向。

2) 超前支架頂梁內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)側(cè)翻梁，外側(cè)預(yù)留側(cè)翻梁連接位置，頂梁側(cè)配置二級(jí)側(cè)翻梁(以滿足超寬巷道使用)，正幫側(cè)設(shè)計(jì)固定可拆卸擋矸板。

3) 底座腔體內(nèi)設(shè)計(jì)調(diào)底千斤頂，通過(guò)調(diào)底千斤頂調(diào)整支架行走位置，保證支架姿態(tài)。

4) 四架支架部件相同，安裝維護(hù)方便，減少備件，同時(shí)根據(jù)實(shí)際支護(hù)情況需求，在原支架組基礎(chǔ)上直接增加支架，達(dá)到更長(zhǎng)距離的超前支護(hù)要求。

3 支架組控制系統(tǒng)

3.1 總體概述

超前支架組組由4架組成，采用4個(gè)控制器連在一起，共用一個(gè)電源，使用一個(gè)自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器，自動(dòng)反沖洗過(guò)濾器放在1#架。

支架組采用本架/鄰架電控/無(wú)線遙控電液控制方式，采用電液控制系統(tǒng)[4]。電液換向閥和支架控制器均安裝于本架內(nèi)，各架可被其他支架鄰架或者隔架操作，也可實(shí)現(xiàn)本架電磁閥按鈕的手動(dòng)操作，操作靈活、安全可靠。

3.2 電液控制原理與功能

1#架：共計(jì)18功能(前立柱升降、后立柱升降、1#架與3#架間推移千斤頂伸縮、前短柱伸縮、后短柱伸縮、左側(cè)翻梁千斤頂伸縮、右側(cè)翻梁千斤頂伸縮、前挑梁伸縮、底調(diào)千斤頂伸縮)，采用1個(gè)20功能電液換向閥，1個(gè)支架控制器實(shí)現(xiàn)電控動(dòng)作；1#架可被其他支架鄰架或者隔架操作，也可實(shí)現(xiàn)本架電磁閥按鈕的手動(dòng)操作。

2#架：共計(jì)20功能(前立柱升降、后立柱升降、2#架與4#架間推移千斤頂伸縮、前短柱伸縮、后短柱伸縮、側(cè)翻梁千斤頂伸縮、前挑梁伸縮、頂梁防倒千斤頂1伸縮、頂梁防倒千斤頂2伸縮、底調(diào)千斤頂伸縮)，2#架可被其他支架鄰架或者隔架操作，也可實(shí)現(xiàn)本架電磁閥按鈕的手動(dòng)操作。

3#架：共計(jì)16功能(前立柱升、前立柱降、后立柱升、后立柱降、前短柱伸、前短柱縮、后短柱伸、后短柱縮、左側(cè)翻梁千斤頂伸、左側(cè)翻梁千斤頂縮、右側(cè)翻梁千斤頂伸、右側(cè)翻梁千斤頂縮、前挑梁伸、前挑梁縮、底座防倒千斤頂縮、底調(diào)千斤頂伸、底調(diào)千斤頂縮)，3#架可被其他支架鄰架或者隔架操作，也可實(shí)現(xiàn)本架電磁閥按鈕的手動(dòng)操作。

4#架：共計(jì)16功能(前立柱升降、后立柱升降、前短柱伸縮、后短柱伸縮、側(cè)翻梁千斤頂伸縮、前挑梁伸縮、頂梁防倒千斤頂1伸縮、頂梁防倒千斤頂2伸縮、底調(diào)千斤頂伸縮)，4#架可被其他支架鄰架或者隔架操作，實(shí)現(xiàn)本架電磁閥按鈕手動(dòng)操作。

支架立柱設(shè)計(jì)配置3種安全閥，分別為1 000 L、1 000 L充氮安全閥、250 L安全閥(40 MPa)，其中在1 000 L充氮安全閥出廠時(shí)，調(diào)定壓力46 MPa(對(duì)應(yīng)支架組工作阻力81 100 kN，支護(hù)強(qiáng)度0.63 MPa),同時(shí)設(shè)置立柱進(jìn)液1 000 L安全閥保障立柱進(jìn)液壓力，更好地控制支架對(duì)頂板的實(shí)際支護(hù)阻力。

4 電液控制系統(tǒng)基本配置

大采高支架電液控制系統(tǒng)方案[6-7]主要解決8 m以上液壓支架工作面的控制問(wèn)題，即通過(guò)對(duì)支架姿態(tài)有效的控制，加強(qiáng)護(hù)幫板對(duì)煤壁支護(hù)，精確控制立柱降柱，防止煤機(jī)干涉，以解決超大采高工作面出現(xiàn)的問(wèn)題。主要功能為：

測(cè)量立柱壓力，測(cè)量推移行程，視頻攝像頭，支架高度姿態(tài)測(cè)量，平衡油缸壓力測(cè)量，智能立柱高效支撐頂板，巷道礦壓監(jiān)測(cè)建立周期來(lái)壓數(shù)學(xué)模型。

電液控制系統(tǒng)配置見(jiàn)圖2,系統(tǒng)包含以太網(wǎng)控制器、聲光報(bào)警燈、采高傳感器、井下攝像頭、液壓主閥等，上位機(jī)和供電系統(tǒng)通過(guò)對(duì)超前支架組就地和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)可視化、可控化[4-5]。

1-以太網(wǎng)控制器；2-外置聲光報(bào)警燈；3-采高傳感器；4-井下攝像頭。

1) 以太網(wǎng)控制器。每架安裝1個(gè)控制器，安裝在底座上四連桿之前，控制器由安裝架進(jìn)行防護(hù)?？刂破魍ㄟ^(guò)人機(jī)界面接受操作人員控制指令，執(zhí)行目標(biāo)支架所選定的液壓動(dòng)作，或接收傳感器所測(cè)量到的數(shù)據(jù)，比對(duì)相應(yīng)設(shè)定值，依據(jù)控制器內(nèi)部應(yīng)用程序發(fā)出控制指令，執(zhí)行目標(biāo)支架相應(yīng)的液壓動(dòng)作，控制器采用以太網(wǎng)通訊協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速率為100 Mbit/s。以太網(wǎng)控制器作為數(shù)據(jù)傳輸和控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸，支架控制，視頻傳輸，環(huán)境監(jiān)測(cè)，人員識(shí)別，語(yǔ)音傳輸和智能照明七網(wǎng)合一。

2) 采高傳感器。每架安裝1個(gè)采高傳感器。采高傳感器一端安裝在頂梁上，一端和控制器相連。采高傳感器測(cè)量液壓支架絕對(duì)高度，可以測(cè)量煤壁高度，采高傳感器依據(jù)重力原理確定測(cè)量基準(zhǔn)，精確測(cè)量工作面高度，誤差小于2 cm，集成傾角測(cè)量功能，測(cè)量支架頂梁姿態(tài)，且與控制器內(nèi)安裝的傾角傳感器相配合，以確定液壓支架三維姿態(tài)。

3) 井下攝像頭。井下攝像頭，結(jié)構(gòu)緊湊，云臺(tái)設(shè)計(jì)，330°旋轉(zhuǎn)，紅外補(bǔ)光，彩色圖片，720p高清圖像自動(dòng)清潔設(shè)計(jì)，通過(guò)控制器傳輸視頻圖像。

4) 外置聲光報(bào)警燈。報(bào)警燈依據(jù)工作面液壓支架控制器狀態(tài)，通過(guò)顏色變化和警示聲音顯示液壓支架實(shí)時(shí)狀態(tài)，在工作面內(nèi)劃分安全和危險(xiǎn)區(qū)域。

5 應(yīng)用效果分析

1) 支架組采用了電液控制，其系統(tǒng)具有遙控操作功能。當(dāng)遙控功能發(fā)生故障時(shí)，仍能夠采取傳統(tǒng)電控的操作方式，避免影響正常生產(chǎn)。

2) 可知該電控系統(tǒng)對(duì)支架組立柱的工作壓力、推移油缸的行程、頂板的位置、方向等進(jìn)行監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)傳輸，能將數(shù)據(jù)傳輸至地面控制中心并顯示，對(duì)立柱的工作壓力按循環(huán)生成相應(yīng)的圖表可供查詢。

3) 該控制系統(tǒng)與神東綜合自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)雙向通信，便于神東在將來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化遠(yuǎn)程控制。

6 結(jié)論

針對(duì)大柳塔煤礦開發(fā)了8.8 m工作面自動(dòng)化超前支架組研制成功，通過(guò)機(jī)、電、液控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，將兩順槽超前支架的控制系統(tǒng)融入整個(gè)工作面的自動(dòng)化智能平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控、報(bào)警、數(shù)據(jù)共享的功能，現(xiàn)場(chǎng)使用效果良好，同時(shí)為未來(lái)智能化煤礦發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。