穆曉晶

(大同煤礦集團 機電裝備力泰有限責(zé)任公司，山西 大同 037036)

0 引 言

目前，煤礦井下開采作業(yè)已經(jīng)逐漸的從機械化向著智能化方向發(fā)展，在井下開采設(shè)備智能化發(fā)展中，要求相關(guān)設(shè)備應(yīng)具有相對強的自適應(yīng)能力，在發(fā)展智能化技術(shù)方面，煤礦井下工作面最為重要的“三機”之中，采煤機設(shè)備以及刮板輸送機設(shè)備等均取得了優(yōu)越的發(fā)展以及改進，但是，在工作面中對頂板結(jié)構(gòu)進行控制的關(guān)鍵機械裝置，液壓支架的智能化控制發(fā)展卻相對落后。對于液壓支架裝置而言，其在初撐力、耦合檢測控制等很多方面均需和井下巷道實際環(huán)境改變而完成自適應(yīng)調(diào)節(jié)。另外，隨著煤礦開采效率進一步的提升，對于頂板結(jié)構(gòu)的支護效率要求同樣也有所提高，因此，同樣也要求對支架的智能化控制進行改進。如在實頂板的結(jié)構(gòu)相對優(yōu)良情況下，可以適宜的降低液壓支架初撐力，這便能夠確保頂板結(jié)構(gòu)在有效支護前提下進一步增加煤礦開采效率。

1 液壓支架電液控制系統(tǒng)

1.1 主要組成及原理

目前，很多自動化程度相對高的一些工作面中，所應(yīng)用到的液壓支架控制系統(tǒng)基本上都是電液控制系統(tǒng)。電液控制系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對液壓支架的實時控制，同時還能夠完成對液壓支架的遠(yuǎn)程監(jiān)測，在電液控制系統(tǒng)之中主要包含兩個部分:井上控制部分及井下控制部分。井上控制部分所包含的設(shè)備主要為主控計算技術(shù)設(shè)備，而井下控制部分則包含有井下主控制計算機設(shè)備、支架控制裝置、隔離耦合裝置及電源等等[1]。電液控制系統(tǒng)能夠針對液壓支架的實際狀況和運行參數(shù)等加以全面檢測以及記錄，并且也能夠通過井下主控計算機設(shè)備實時的完成信息查詢工作，而且電液控制系統(tǒng)還配置了信息通訊功能，確保所有支架控制裝置和主控計算機設(shè)備可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 電液控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

綜采工作面正常運行時，直接驅(qū)動液壓支架的是電液換向閥，通過電液換向閥的開通或斷開，控制向液壓油缸里充液或放液，從而控制液壓支架完成支護工作；電液換向閥組與支架控制器通過多根傳輸電纜相連，控制器的輸出驅(qū)動信號通過電纜控制電液換向閥的通斷。通常情況下，一個綜采工作面上有多臺液壓支架，每臺液壓支架都需配備一臺支架控制器和一組電液換向閥，并且相鄰的支架控制器之間通過通訊電纜相連，從而實現(xiàn)不同支架控制器之間的相互控制。

1.2 系統(tǒng)特點

液壓支架電液控制系統(tǒng)是集參數(shù)監(jiān)測與動作運行于一體的復(fù)雜控制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的閥組直接控制相比，在很多方面有明顯優(yōu)勢：

(1) 就地控制和遠(yuǎn)程控制。通過控制系統(tǒng)中的地面監(jiān)控、計算機控制及支架控制等多層次系統(tǒng)，不僅可以實現(xiàn)對井下工作面的就地控制，還可以實現(xiàn)多點的遠(yuǎn)程控制。所以在井下工作面處于不安全情況時，這種多種形式的遠(yuǎn)程控制，可以實現(xiàn)安全運行，顯著提高井下采煤作業(yè)的安全性。

(2) 急停閉鎖功能。在綜采工作面出現(xiàn)緊急情況時，那么整個井下工作面所有液壓支架必須立即停止動作，并且不執(zhí)行任何控制命令。因此，電液控制系統(tǒng)中有了急停閉鎖功能，可以有效降低井下采煤工作面的事故發(fā)生率。

(3) 參數(shù)采集、傳輸、共享的功能。在井下作業(yè)時，支架控制器與相連的傳感器實時定時采樣，得到實時的各種運行參數(shù)，通過電纜通信到端頭控制器、井下主機和地面監(jiān)控中心。因而電液控制系統(tǒng)的各個層次都能實時掌握井下工作面的工作狀態(tài)，有效縮短故障檢修時間，提高采煤生產(chǎn)效率。

1.3 應(yīng)用存在的問題

(1) 系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性不高。井下工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，存在著大量的電磁干擾，現(xiàn)在國產(chǎn)零件抗干擾性較差，控制器制作工藝較低，沒有充分的考慮電磁兼容問題，造成控制器在井下較多的誤動作。所以液壓支架電液控制系統(tǒng)在研究應(yīng)用時需提升控制系統(tǒng)的干擾性設(shè)計，進而提高穩(wěn)定性和可靠性。

(2) 優(yōu)化電液控制系統(tǒng)的通信設(shè)計。液壓支架電液控制系統(tǒng)是一個較為復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，內(nèi)部需要大量的傳輸數(shù)據(jù)，所以穩(wěn)定可靠的通信設(shè)計是必須的。目前實際井下工作中，傳輸速率低，傳輸穩(wěn)定性差，使得系統(tǒng)的可靠性不高，阻礙了推廣使用。

(3) 優(yōu)化電液控制系統(tǒng)的輸出與先導(dǎo)閥的匹配。在井下工作面工作中，液壓支架電液控制系統(tǒng)的輸出信號，控制著先導(dǎo)閥的通斷進而控制電液主閥的通斷。所以需要高要求的匹配設(shè)計，否則在多臺液壓支架同時工作中，會出現(xiàn)輸出能力不足的問題，影響電液控制系統(tǒng)的功能[2]。

(4) 提高電液控制系統(tǒng)的智能化，集中控制。雖然現(xiàn)在煤礦開采采取了很多的安全保障措施，但井下事故的發(fā)生率還是比較高的。煤礦大多數(shù)的電液控制系統(tǒng)是就地控制的，不能實現(xiàn)液壓支架的集中控制，即通過判斷采煤機位置實現(xiàn)液壓支架自動完成支護功能，所以應(yīng)該提高系統(tǒng)的智能化，這是必然趨勢。

2 支架控制系統(tǒng)

在此電液控制系統(tǒng)之中，可以控制液壓支架的裝置包含有主控計算機裝置以及支架控制裝置。主控計算機設(shè)備可以借助于支架控制裝置輸送的相關(guān)信息，針對液壓支架實際的運行狀況和相應(yīng)支護過程加以記錄以及分析，同時可以將相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸至井上主控計算機設(shè)備之中。而支架控制裝置則可以實時的控制液壓支架不同工序。

2.1 主要組成

在每一個液壓支架裝置之上均設(shè)置有支架控制系統(tǒng)，在該控制系統(tǒng)之中包含有支架控制裝置、主控閥裝置以及各種傳感和信息通訊裝置等，具體的框架示意圖如圖2所示。

圖2 支架控制系統(tǒng)框架示意圖

在支架控制系統(tǒng)之中，最為重要的部分便是支架控制裝置，其屬于整個支架控制系統(tǒng)的核心裝置。支架控制裝置能夠接受井下主控設(shè)備以及井上主控設(shè)備所輸出的相應(yīng)指令信息，結(jié)合所收到的指令信息而完成相應(yīng)的控制工作。同時，支架控制裝置還能夠借助于自身實現(xiàn)設(shè)定的一些參數(shù)數(shù)據(jù)，或者是通過操作人員的實際操作，而實現(xiàn)有效控制支架動作的目的。另外，液壓支架控制系統(tǒng)還會經(jīng)由總線把所收集到的各種數(shù)據(jù)信息實時輸送到主控設(shè)備之中。

2.2 支架控制器的選用

國產(chǎn)支架控制器在結(jié)構(gòu)上主要分為一件式和兩件式兩種結(jié)構(gòu)型式。一件式控制器將人機操作界面、傳感器數(shù)據(jù)采集和電磁驅(qū)動集成為一體, 具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、成本低等優(yōu)點, 缺點是當(dāng)主閥與控制器安裝位置距離較遠(yuǎn)時, 電磁先導(dǎo)閥連接器線纜較長不利于維護, 同時, 當(dāng)操作鍵盤等易損件出現(xiàn)故障時將直接影響支架的動作控制; 兩件式結(jié)構(gòu)是根據(jù)不同的需求對一件式結(jié)構(gòu)的改進, 將人機界面從控制器分離出來, 將易損件操作鍵盤分離出來, 提高了控制器的可靠性, 當(dāng)人機界面出現(xiàn)故障時, 可對左右鄰架進行操作, 不會影響支架的動作[3]。

2.3 傳感器的選用

傳感器對支架電液控制動作進行感知, 實現(xiàn)支架動作的閉環(huán)控制, 國產(chǎn)傳感器技術(shù)已經(jīng)成熟, 基本能夠滿足支架電液控制系統(tǒng)的要求。傳感器的各項性能指標(biāo)已達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。

液控主閥是控制系統(tǒng)的關(guān)鍵部件, 主流產(chǎn)品均采用整體插裝式結(jié)構(gòu), 便于維護和更換, 所有金屬零件均采用不銹鋼或銅合金等防銹耐腐蝕材料。各國主要制造商分別開發(fā)出多種結(jié)構(gòu)的液控主閥產(chǎn)品: 金屬-塑料密封、浮動回液閥座結(jié)構(gòu)主閥, 金屬-塑料密封具有差動功能的插裝式主閥, 金屬-塑料軟密封滑閥結(jié)構(gòu)的插裝式直動控制主閥以及金屬-金屬硬密封對頂結(jié)構(gòu)的插裝式主閥, 以上4種典型結(jié)構(gòu)的液控主閥均已得到廣泛應(yīng)用, 性能穩(wěn)定。壓力傳感器安裝在煤礦井下采煤工作面的液壓支架上, 用來檢測支架相關(guān)腔體的壓力, 為支架控制器提供控制動作的依據(jù), 實現(xiàn)支架電液控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。

行程傳感器安裝在煤礦井下采煤工作面的液壓支架上, 用來檢測推移千斤頂行程, 為支架控制器提供推移動作控制的依據(jù), 實現(xiàn)支架電液控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制。紅外傳感器對采煤機的位置進行檢測可實現(xiàn)支架跟隨采煤機的自動控制, 需要在每架上安裝1臺接收器, 該方式技術(shù)成熟可靠。

3 液壓支架智能控制

在電液控制系統(tǒng)中，借助于井上主控設(shè)備以及井下主控設(shè)備等，均能夠完成針對所有液壓之間的控制操作，可實現(xiàn)遠(yuǎn)程的調(diào)控及修改液壓支架支護參數(shù)，另外，支架控制裝置通過合理的參數(shù)設(shè)定，同樣能夠確保更為有效的對液壓支架相關(guān)操作加以準(zhǔn)確控制，因此針對液壓支架初撐動作的控制在硬件方面無需進行太多改造。但是，要想實現(xiàn)液壓支架的智能化控制目標(biāo)，之前所采用的電液控制系統(tǒng)需要在軟件程序方面進一步的加以優(yōu)化改進，程序化計算初撐力、頂板厚度和壓力以及強度等精確數(shù)值，實現(xiàn)循環(huán)，確?？刂葡到y(tǒng)在實際的控制過程中可以完成自主決策。

4 結(jié) 語

在煤礦井下作業(yè)過程中，由于其所處的環(huán)境條件相對較差，存在較多的安全隱患，也會使得井下作業(yè)人員面臨的職業(yè)危害增加，所以進一步強化煤礦井下機械設(shè)備的智能化水平，將一些落后的工藝以及設(shè)備及時淘汰或者改進，逐步的引導(dǎo)煤礦企業(yè)朝著高效化以及綠色化的發(fā)展方向前進，逐步的確保煤礦開采達(dá)到少人化以及無人化的目標(biāo)，這也是現(xiàn)階段煤礦企業(yè)發(fā)展以及企業(yè)現(xiàn)代化的需求。