巨文濤，趙東升，劉佳金

(1.中煤華晉集團(tuán)有限公司 王家?guī)X分公司， 山西 河津 043300； 2.中煤華晉集團(tuán)有限公司，山西 河津 043300；3.中國煤礦機(jī)械裝備有限責(zé)任公司， 北京 100011)

隨著我國智能開采技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，越來越多的礦井開始進(jìn)行智能化開采技術(shù)的探索和應(yīng)用，但目前國內(nèi)的智能開采技術(shù)無論是薄煤層開采還是大采高開采，都主要以一次性采全高技術(shù)的自動(dòng)化控制為主，針對(duì)放頂煤工作面的智能化開采技術(shù)研究和應(yīng)用相對(duì)較少[1]. 放頂煤工作面的智能開采技術(shù)與一次性采全高相比其難點(diǎn)主要體現(xiàn)在放煤過程的判斷和對(duì)放煤機(jī)構(gòu)的控制技術(shù)[2]. 放煤控制的及時(shí)和準(zhǔn)確將會(huì)增加放煤量，同時(shí)減少矸石的涌進(jìn)量，提高煤質(zhì)[3]. 中煤華晉集團(tuán)王家?guī)X礦開展智能化放頂煤控制技術(shù)研究，并對(duì)放頂煤工作面放煤機(jī)構(gòu)的精確控制進(jìn)行優(yōu)化改造，設(shè)計(jì)出一種適用于放頂煤精確控制的液壓系統(tǒng)。

1 精確控制放煤機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)

四柱支撐掩護(hù)式液壓支架采用正四連桿機(jī)構(gòu)，尾部放煤機(jī)構(gòu)采用插板式機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，在掩護(hù)梁下端有一個(gè)帶有伸縮插板的尾梁與其進(jìn)行鉸接，尾梁由尾梁千斤頂進(jìn)行連接控制，當(dāng)千斤頂進(jìn)行伸縮時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)尾梁擺動(dòng)角度的控制。當(dāng)落煤時(shí)，可以控制尾梁擺動(dòng)的角度來控制落煤量，若出現(xiàn)矸石，能夠及時(shí)控制尾梁擺角，對(duì)落煤及落矸情況進(jìn)行及時(shí)控制。同時(shí)在尾梁處還設(shè)置一個(gè)放煤插板，其一端通過液壓油缸對(duì)其控制，通過液壓油缸的伸縮來控制插板伸縮，增加和減少尾部的放煤面積，實(shí)現(xiàn)對(duì)尾部的連續(xù)放煤。同時(shí)該機(jī)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)部分大塊煤的破碎作用，若出現(xiàn)大塊煤堵死情況，可以適當(dāng)控制尾梁插板，通過反復(fù)收插，對(duì)大塊煤進(jìn)行擊打，實(shí)現(xiàn)對(duì)大塊煤的破碎，見圖1.

圖1 放頂煤支架尾梁結(jié)構(gòu)圖

在放煤過程中，先對(duì)尾梁插板進(jìn)行收回，提高放煤面積，同時(shí)尾梁下擺，提高尾部落煤空間，使支架尾部放下來的煤直接落入刮板運(yùn)輸機(jī)，該過程插板收回要快于尾梁下擺，以防止插板與刮板運(yùn)輸機(jī)磕碰。放煤結(jié)束后，尾梁上擺，減少尾部放煤空間，同時(shí)伸出尾梁插板，封閉尾部放煤空間，防止矸石涌入尾部刮板運(yùn)輸機(jī)中，該過程尾梁上擺要先于插板伸出，以防止插板與刮板運(yùn)輸機(jī)磕碰。

因此，對(duì)尾部放煤機(jī)構(gòu)的控制主要是針對(duì)尾梁擺動(dòng)幅度的控制和尾梁插板的伸收控制，設(shè)計(jì)其液壓控制系統(tǒng)見圖2.

1—單向鎖;2—尾梁擺動(dòng)油缸;3—尾梁先導(dǎo)控制電液換向閥;4—插板先導(dǎo)控制電液換向閥;5—插板油缸圖2 放煤機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)原理圖

從圖2可以看出，在放煤控制過程中尾梁的上下擺動(dòng)和插板的前后伸收主要由油缸進(jìn)行控制，因此，高效準(zhǔn)確地控制油缸是提高放煤可靠性的重要保障。在傳統(tǒng)的放頂煤控制中，對(duì)尾梁和插板的動(dòng)作無法監(jiān)控，且閥芯的流量相對(duì)較小，無法達(dá)到快速準(zhǔn)確地控制，導(dǎo)致液壓控制的精確性和及時(shí)性難以得到保障。對(duì)于智能化放頂煤工作面，尾梁和插板的控制不僅僅需要?jiǎng)幼鞯目焖傩?，還需要?jiǎng)幼鞯目煽啃裕@樣才能夠保障尾梁和插板的角度、時(shí)間、動(dòng)作等因素都能夠?qū)崿F(xiàn)精確控制，以保障對(duì)放煤控制的規(guī)律性研究和高效控制技術(shù)的實(shí)施。

2 放煤機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的優(yōu)化

針對(duì)王家?guī)X智能化放頂煤工作面項(xiàng)目，對(duì)液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)放煤控制的快速響應(yīng)、精確控制和可監(jiān)控性。

在傳統(tǒng)單向鎖的基礎(chǔ)上，對(duì)閥芯的材質(zhì)、孔徑及通斷方式進(jìn)行調(diào)整，改進(jìn)加工工藝，形成用于放頂煤精確控制的高精度大流量單向鎖，其流量能夠達(dá)到普通單向鎖的1.5倍，實(shí)現(xiàn)液壓回路的快速響應(yīng)。

閥芯原材料普遍選用20Cr13、30Cr13或錫青銅，近年來部分零件使用304等不銹鋼。機(jī)械性能方面，20Cr13、30Cr13等容易熱處理得到較高硬度，因此用于受沖擊、高壓、雜質(zhì)影響較大的零部件，其它非關(guān)鍵零部件，以耐銹蝕性能和機(jī)械性能綜合考量。孔加工精度一般采用鏜孔和精鉸實(shí)現(xiàn)，部分廠家采用滾壓等工藝手段，精度受機(jī)床精度、刀具精度和磨損狀況、零件本身材料特性影響都較大。增大流量方面，首先還是考慮更大過液面積的閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其次在強(qiáng)度不低于要求的情況下盡量采用大過液孔，或增加過液孔數(shù)量。

在尾梁和插板油缸內(nèi)安裝行程傳感器，根據(jù)行程傳感器的數(shù)值監(jiān)控尾梁和插板的動(dòng)作情況。采用兩組先導(dǎo)控制電液換向閥對(duì)尾梁的上下擺動(dòng)和插板的伸收分別進(jìn)行控制，根據(jù)放煤機(jī)構(gòu)打開和關(guān)閉過程中尾梁和插板的動(dòng)作邏輯和油缸行程，給出尾梁和插板先導(dǎo)控制電液換向閥動(dòng)作指令，實(shí)現(xiàn)精確控制。

圖3為放煤機(jī)構(gòu)關(guān)閉動(dòng)作曲線，放煤機(jī)構(gòu)關(guān)閉由尾梁油缸伸出和插板油缸伸出來實(shí)現(xiàn)。由圖3可見，尾梁油缸的伸出動(dòng)作從控制指令發(fā)出后0.5 s左右開始響應(yīng)，執(zhí)行尾梁上擺動(dòng)作。尾梁上擺動(dòng)作從0.5 s開始到3.7 s結(jié)束，整個(gè)動(dòng)作時(shí)間為3.2 s. 張凡[4]利用仿真軟件AMESim對(duì)改進(jìn)型號(hào)支架的放煤機(jī)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，尾梁油缸在1 s時(shí)啟動(dòng)響應(yīng)，到7 s完成伸長動(dòng)作，用時(shí)6 s. 霍昱名[5]在智能化放煤控制的研究中，仿真結(jié)果顯示尾梁千斤頂從1 s時(shí)開始伸長，7.45 s結(jié)束，耗時(shí)6.45 s. 對(duì)照其他學(xué)者的最新研究可以看出，本文改進(jìn)的放煤機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度和執(zhí)行效率均有大幅提升。

尾梁上擺動(dòng)作結(jié)束后，間隔0.2 s左右插板開始伸出，由于插板油缸的缸徑比尾梁油缸小，插板油缸動(dòng)作速度也較尾梁油缸的動(dòng)作快，在1.5 s左右即完成了伸出動(dòng)作。由于后部放煤處存在大塊煤或矸石的堆積情況，插板伸出接近一半行程時(shí)阻力增大，伸出速度有一定程度的降低。

1—尾梁油缸伸出動(dòng)作曲線；2—插板油缸伸出動(dòng)作曲線 圖3 放煤機(jī)構(gòu)關(guān)閉動(dòng)作曲線圖

油缸動(dòng)作到位后，在1分鐘內(nèi)未發(fā)生位置偏差，見圖4，說明其穩(wěn)壓性相對(duì)較好，其機(jī)械結(jié)構(gòu)也能夠保障對(duì)放煤后尾部矸石的充分屏蔽。

1—尾梁油缸位移曲線；2—插板油缸位移曲線圖4 關(guān)閉動(dòng)作結(jié)束后油缸行程狀態(tài)監(jiān)測圖

放煤機(jī)構(gòu)打開動(dòng)作曲線見圖5，放煤機(jī)構(gòu)打開由尾梁油缸收回和插板油缸收回來實(shí)現(xiàn)。由圖5可見，尾梁及插板同時(shí)進(jìn)行動(dòng)作，尾梁在下擺過程中，插板同時(shí)進(jìn)行收回動(dòng)作。在收到遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)發(fā)出的命令后，油缸在0.5 s左右將動(dòng)作信息反饋至控制系統(tǒng)，尾梁油缸在初始時(shí)動(dòng)作速度相對(duì)較快，但到2 s左右時(shí)，其速度出現(xiàn)拐點(diǎn)，開始下降，可能因其流量的變化導(dǎo)致油缸收回的速度降低，出現(xiàn)曲線斜率的變化，但整體動(dòng)作上能夠在3.5 s左右實(shí)現(xiàn)尾梁油缸的全部動(dòng)作。插板油缸與尾梁油缸在接到控制命令后同時(shí)進(jìn)行動(dòng)作，插板油缸收回的速度較快，由于其缸徑較小，受流量變化的影響相對(duì)較弱，因此其變化曲線基本能夠維持相對(duì)穩(wěn)定的斜率，其收回的速度也較尾梁下擺快，基本在2 s左右完成收回動(dòng)作。

1—尾梁油缸收回動(dòng)作曲線；2—插板油缸收回動(dòng)作曲線圖5 放煤機(jī)構(gòu)打開動(dòng)作曲線圖

在放煤過程中，放煤機(jī)構(gòu)動(dòng)作相對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)無論是打開還是關(guān)閉都提高了動(dòng)作速度和響應(yīng)時(shí)間，整體的控制精度和可控性也得到提升。

3 結(jié) 語

放頂煤智能開采的核心是放煤，放煤的核心是對(duì)支架放煤機(jī)構(gòu)的控制和對(duì)后部煤量的判斷，通過對(duì)放煤機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠有效提升放煤機(jī)構(gòu)的動(dòng)作精度和速度。通過對(duì)尾梁和插板油缸安裝行程傳感器，能夠精確監(jiān)測尾梁和插板的動(dòng)作狀況，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)對(duì)尾梁和插板動(dòng)作情況的有效監(jiān)測。王家?guī)X煤礦12309工作面通過對(duì)放頂煤支架放煤機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，已成功實(shí)現(xiàn)對(duì)其遠(yuǎn)程精確控制，控制動(dòng)作響應(yīng)及時(shí)，動(dòng)作幅度可實(shí)時(shí)監(jiān)測，準(zhǔn)確掌握放煤的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，為智能化開采提供有效支撐。