曹哲哲，李 川，高小虎，楊 波，肖 曲

（陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727307）

0 引言

為了進(jìn)一步推動(dòng)國(guó)產(chǎn)大采高智能化綜采技術(shù)水平，提升智能化裝備能力，加快礦井安全、高效、少人化生產(chǎn)，實(shí)施大采高智能化開(kāi)采技術(shù)勢(shì)在必行［1-4］。在實(shí)施大采高綜采智能化工作面的過(guò)程中遇到很多困難，隨著薄煤層、中厚煤層智能化開(kāi)采技術(shù)的研究及成功應(yīng)用，并最終實(shí)現(xiàn)大采高智能化綜采工作面的常態(tài)化運(yùn)行，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)并為類(lèi)似開(kāi)采技術(shù)提供經(jīng)驗(yàn)顯得尤為重要。因此，選取大采高智能化綜采工作面在調(diào)試過(guò)程中液壓支架自動(dòng)跟機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹。

1 液壓支架全工作面自動(dòng)跟機(jī)工藝

黃陵礦業(yè)公司二號(hào)煤礦大采高工作面液壓支架自動(dòng)化控制的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)跟機(jī)自動(dòng)化與采煤機(jī)記憶截割相結(jié)合的高效自動(dòng)化采煤模式［5-8］。在大采高工作面，地質(zhì)條件極其復(fù)雜，三角煤區(qū)域不僅需要考慮支架移架、推溜和護(hù)幫等動(dòng)作，還需兼顧護(hù)幫板及端頭超前支架動(dòng)作速率［9-13］。經(jīng)黃陵礦業(yè)公司二號(hào)煤礦與天瑪公司研發(fā)人員深入生產(chǎn)一線，多次討論交流開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)，在工作面SAC電液控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，深入研究井下實(shí)際采煤工藝及工人操作方式，得出大采高智能化綜采工作面液壓支架自動(dòng)跟機(jī)工藝。

由實(shí)際情況分析可知，大采高智能化綜采工作面液壓支架自動(dòng)跟機(jī)工藝具有5個(gè)方面的提高。主要體現(xiàn)在，優(yōu)化了SAC電液控制系統(tǒng)跟機(jī)自動(dòng)化執(zhí)行階段，單個(gè)端頭三角區(qū)跟機(jī)作業(yè)僅劃分為4個(gè)階段，階段之間的轉(zhuǎn)換點(diǎn)和區(qū)域靈活性大幅增強(qiáng)。參照人工操作流程和習(xí)慣，調(diào)整跟機(jī)移架距離，有效提升了機(jī)身范圍內(nèi)頂板支護(hù)效果。在斜切進(jìn)刀段安裝慢速邏輯推移閥，精準(zhǔn)控制斜切進(jìn)刀段支架推溜動(dòng)作，減小了彎曲段支架行程控制誤差，實(shí)現(xiàn)了煤機(jī)進(jìn)刀過(guò)程的緩慢過(guò)渡，降低了設(shè)備的損耗。按照采煤作業(yè)規(guī)程，最大限度壓縮斜切進(jìn)刀距離，縮小采煤機(jī)回刀范圍，節(jié)省三角煤區(qū)域作業(yè)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。端頭支架采用遙控式方式進(jìn)行就地干預(yù)。

2 頂板破碎條件下液壓支架特殊工藝

根據(jù)黃陵礦業(yè)公司二號(hào)煤礦416大采高綜采工作面圍巖礦壓顯現(xiàn)特征及現(xiàn)場(chǎng)情況，工作面頂板破碎、煤層片幫及底板軟弱是工作面智能化開(kāi)采中突顯的重點(diǎn)問(wèn)題，針對(duì)此特殊問(wèn)題對(duì)液壓支架的特殊工藝進(jìn)行研究，需研究工作面頂板破碎條件下液壓支架特殊工藝。

針對(duì)工作面頂板破碎區(qū)域進(jìn)行提前預(yù)知（感知、視頻等手段），通過(guò)液壓支架超前拉架（相對(duì)自動(dòng)跟機(jī)情況下液壓支架提前進(jìn)行拉架操作）的方式完成對(duì)工作面頂板破碎條件下的智能化處理，并形成自動(dòng)跟機(jī)的頂板破碎條件下液壓支架特殊工藝。其頂板破碎條件下液壓支架特殊工藝，如圖1所示。第1工序首先確定工作面頂板破碎區(qū)域?qū)?yīng)的液壓支架號(hào)數(shù)范圍，從起始架開(kāi)始進(jìn)行拉架操作；例如：頂板破碎區(qū)域?yàn)?7#～96#架（416工作面架間距為1.75 m；采煤機(jī)機(jī)身長(zhǎng)度為21 m，也即12個(gè)支架距離），共計(jì)10架范圍。第2工序?yàn)榇_定超前拉架起始架號(hào)，超前拉架后支架位置比正常工序多1個(gè)工序，處于已拉架狀態(tài)，根據(jù)頂板破碎情況，最終確定拉半個(gè)推移行程或者全推移行程；例如，采煤機(jī)行程到86#架后，從第87#～96#架開(kāi)始拉架，拉架行程為960 mm，確保頂板破碎區(qū)域可以智能化開(kāi)采。第3工序?yàn)榇_定超前拉架起始架號(hào)，超前拉架后支架位置比正常工序多1個(gè)工序，處于已拉架狀態(tài)，根據(jù)頂板破碎情況，最終確定拉半個(gè)推移行程或者全推移行程；例如：采煤機(jī)行程到86#架后，從第87#～96#架開(kāi)始拉架，拉架行程為960 mm，確保頂板破碎區(qū)域可以智能化開(kāi)采。

3 煤壁片幫條件下液壓支架特殊工藝

針對(duì)工作面煤壁片幫區(qū)域進(jìn)行提前預(yù)知（壓力感知、視頻監(jiān)測(cè)等手段），并通過(guò)液壓支架壓力傳感器和行程傳感器的方式完成對(duì)工作面煤壁片幫條件下的智能化處理，并形成自動(dòng)跟機(jī)的煤壁片幫條件下液壓支架特殊工藝。煤壁片幫條件下液壓支架特殊工藝，如圖2所示。

為了實(shí)現(xiàn)大采高工作面煤幫與液壓支架護(hù)幫板的自適應(yīng)控制，一般選擇控制一級(jí)護(hù)幫板，二級(jí)護(hù)幫板通過(guò)雙向聯(lián)動(dòng)液壓鎖實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)聯(lián)動(dòng)控制，從而保證割煤過(guò)程中煤壁能夠得到及時(shí)支撐，從而實(shí)現(xiàn)防片幫控制。因此，如何實(shí)現(xiàn)液壓支架護(hù)幫板精準(zhǔn)控制就是如何實(shí)現(xiàn)一級(jí)護(hù)幫板的精準(zhǔn)控制。

3.1 煤壁片幫條件下液壓支架特殊工藝原理

工作面每個(gè)支架上均安裝接近開(kāi)關(guān)、壓力傳感器、行程傳感器、支架控制器；接近開(kāi)關(guān)、壓力傳感器、行程傳感器分別與支架控制器進(jìn)行通訊連接；工作面上支架控制器相互通訊組成通訊網(wǎng)絡(luò)。

接近開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)液壓支架護(hù)幫板是否完全收回，并將此信息通過(guò)通訊發(fā)送給支架控制器，在采煤機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，可以感知采煤機(jī)前滾筒附近液壓支架護(hù)幫板的收回狀態(tài)，若液壓支架護(hù)幫板沒(méi)有完全收回，支架控制器控制液壓支架護(hù)幫板自動(dòng)收回，直到接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)到液壓支架護(hù)幫板完全收回結(jié)束該動(dòng)作；若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)液壓支架護(hù)幫板沒(méi)有完全收回，支架控制器通過(guò)通訊網(wǎng)絡(luò)向工作面報(bào)送故障預(yù)警，提醒采煤機(jī)操作工人采煤機(jī)前滾筒附近液壓支架護(hù)幫板出現(xiàn)故障，從而避免采煤機(jī)和液壓支架發(fā)生碰撞產(chǎn)生事故。

工作面液壓支架護(hù)幫板處于支護(hù)煤壁狀態(tài)時(shí)，壓力傳感器可以用來(lái)感知液壓支架護(hù)幫板對(duì)煤壁的支護(hù)效果，并將此信息發(fā)送給液壓支架控制器，如發(fā)現(xiàn)本架護(hù)幫板支護(hù)壓力沒(méi)有達(dá)到規(guī)定壓力則根據(jù)設(shè)定壓力自動(dòng)進(jìn)行護(hù)幫板動(dòng)作，保證護(hù)幫板對(duì)煤壁的支護(hù)完好，有效防止大塊煤垮落對(duì)生產(chǎn)設(shè)備和人員產(chǎn)生危害。

當(dāng)采煤機(jī)運(yùn)行到支架附近時(shí)，支架控制器根據(jù)行程傳感器檢測(cè)的護(hù)幫板收回行程值對(duì)液壓支架護(hù)幫板動(dòng)作進(jìn)行精確控制，采煤機(jī)前滾筒前方距離最近的液壓支架護(hù)幫板自動(dòng)完全收回，采煤機(jī)前滾筒前方的其它支架按遞減的方式依次自動(dòng)收回不同的行程?，F(xiàn)有工作面由于不能對(duì)液壓支架護(hù)幫板收回行程進(jìn)行精確控制，采煤機(jī)前滾筒前方的液壓支架護(hù)幫板收回一般采用兩種方式，一種為只有一個(gè)支架護(hù)幫完全收回，一種為有多個(gè)液壓支架護(hù)幫板完全收回。采用第一種方式時(shí)護(hù)幫板收回效率較低，影響采煤機(jī)運(yùn)行速度和采煤效率，采用第二種方式時(shí)采煤機(jī)前滾筒前部會(huì)有多個(gè)液壓支架前的煤壁處在完全沒(méi)有護(hù)幫板支護(hù)狀態(tài)，此時(shí)有大塊煤垮落極易造成設(shè)備損壞和人員傷亡。以下所述的液壓支架護(hù)幫板階梯收回的方式克服了兩種方式的缺點(diǎn)。

3.2 煤壁片幫條件下液壓支架特殊工序

在大采高工作面多級(jí)護(hù)幫板伸出動(dòng)作時(shí)，支架控制器的自動(dòng)執(zhí)行順序?yàn)椋荷斐鲆患?jí)護(hù)幫板→伸出二級(jí)護(hù)幫板。行程傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)一級(jí)護(hù)幫板的伸出行程值并報(bào)送給支架控制器，當(dāng)一級(jí)護(hù)幫板伸出行程值達(dá)到設(shè)定時(shí)開(kāi)始伸出二級(jí)護(hù)幫板；若一級(jí)護(hù)幫板伸出保護(hù)時(shí)間到達(dá)而一級(jí)護(hù)幫板伸出行程值沒(méi)有達(dá)到時(shí)，禁止二級(jí)護(hù)幫板伸出動(dòng)作，并發(fā)出一級(jí)護(hù)幫板伸出故障警告，防止發(fā)生多級(jí)護(hù)幫板動(dòng)作干涉事故。圖3為基于煤壁片幫的液壓支架自動(dòng)跟機(jī)工藝示意圖。

在大采高工作面多級(jí)護(hù)幫板收回動(dòng)作時(shí)，支架控制器的自動(dòng)執(zhí)行順序?yàn)椋菏栈囟?jí)護(hù)幫板→收回一級(jí)護(hù)幫板。行程傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)二級(jí)護(hù)幫板的收回行程值并報(bào)送給支架控制器，當(dāng)二級(jí)護(hù)幫板收回行程值達(dá)到設(shè)定時(shí)開(kāi)始收回一級(jí)護(hù)幫板；若二級(jí)護(hù)幫板收回保護(hù)時(shí)間到達(dá)而二級(jí)護(hù)幫板收回行程值沒(méi)有達(dá)到時(shí)，禁止一級(jí)護(hù)幫板收回動(dòng)作，并發(fā)出二級(jí)護(hù)幫板收回故障警告，防止發(fā)生護(hù)幫板干涉事故。

圖3 基于煤壁片幫的液壓支架自動(dòng)跟機(jī)工藝示意圖

4 底板軟弱條件下液壓支架特殊工藝

4.1 特殊工藝

針對(duì)工作面底板軟弱區(qū)域進(jìn)行提前預(yù)知（感知、視頻等手段），通過(guò)液壓支架多次降架模擬人工操作的方式完成對(duì)工作面底板軟弱條件下的智能化處理，并形成自動(dòng)跟機(jī)的底板軟弱條件下液壓支架特殊工藝。底板軟弱條件下液壓支架特殊工藝，如圖4所示。

圖4 底板軟弱條件下液壓支架特殊工藝

頂板破碎條件下液壓支架第1工序?yàn)橹Ъ芸刂破鲌?zhí)行自動(dòng)移架程序中的降柱步驟；預(yù)設(shè)首次降柱時(shí)間、再次降柱時(shí)間和可移架壓力，進(jìn)行首次降柱動(dòng)作，首次降柱時(shí)間結(jié)束時(shí)，如果立柱壓力小于等于可移架壓力，則降柱動(dòng)作結(jié)束，否則進(jìn)行再次降柱動(dòng)作，當(dāng)再次降柱時(shí)間結(jié)束時(shí)降柱動(dòng)作結(jié)束；預(yù)設(shè)的首次降柱時(shí)間為T(mén)1（0.5～5 s），再次降柱時(shí)間為T(mén)2（0.5～5 s），可移架壓力為P1（0～20 MPa）。

第2工序?yàn)榻抵鶆?dòng)作結(jié)束后，液壓支架執(zhí)行移架；預(yù)設(shè)移架動(dòng)作時(shí)間和暫停行程，同時(shí)并行進(jìn)行抬底動(dòng)作和移架動(dòng)作，即抬底動(dòng)作開(kāi)始時(shí)間和移架動(dòng)作開(kāi)始時(shí)間相同，抬底動(dòng)作結(jié)束時(shí)間和移架動(dòng)作結(jié)束時(shí)間相同；當(dāng)液壓支架移架到達(dá)暫停行程時(shí)，移架動(dòng)作暫停一段時(shí)間，抬底功能一直保持，使得支架高度逐步增高，使得支架架腳在移架過(guò)程接觸不到底板；當(dāng)移架動(dòng)作時(shí)間結(jié)束時(shí)，抬底動(dòng)作和移架動(dòng)作結(jié)束；預(yù)設(shè)的移架動(dòng)作時(shí)間為T(mén)3（5～120 s）；移架動(dòng)作每次暫停的時(shí)間為T(mén)4（0.5～2 s）。第3工序?yàn)樘У讋?dòng)作和移架動(dòng)作結(jié)束后，開(kāi)始執(zhí)行升柱動(dòng)作，升柱完成后，整個(gè)自動(dòng)移架過(guò)程結(jié)束。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例

黃陵礦業(yè)公司二號(hào)煤礦416工作面的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)例如下，其中T1=3 s，T2=2 s，P1=8 MPa，T3=10 s。

第1工序中的降柱是否達(dá)到降柱效果通過(guò)壓力表檢測(cè)的柱與頂板的壓力來(lái)判斷，降柱若未達(dá)到預(yù)期降柱動(dòng)作效果，使降柱沒(méi)有達(dá)到程序預(yù)定的降柱幅度；程序開(kāi)始實(shí)行再降柱過(guò)程直至降柱達(dá)到預(yù)期效果。在實(shí)際情況下，一次降柱可能達(dá)不到預(yù)期降柱效果，因此需要通過(guò)“再降柱”功能減小液壓支架的降柱高度，使得液壓支架抬底時(shí)能將液壓支架抬的更高，達(dá)到預(yù)期降柱動(dòng)作效果。

第2工序中移架動(dòng)作的暫停行程由參數(shù)暫停次數(shù)控制，如果暫停次數(shù)為N次，則將移架全行程平均分為N+1段行程，當(dāng)液壓支架移架至每相鄰兩段行程之間的位置時(shí)移架動(dòng)作暫停一段時(shí)間。液壓支架移架全行程為960 mm，若暫停次數(shù)設(shè)為一次，則暫停行程為480 mm，即液壓支架從960 mm處移架至480 mm時(shí)移架動(dòng)作暫停一段時(shí)間；若暫停次數(shù)設(shè)為兩次，則暫停行程分別為640 mm和320 mm。實(shí)際使用中，暫停次數(shù)為3次，將移架全行程平均分為4段行程，液壓支架移架至每相鄰兩段行程之間的位置時(shí)移架動(dòng)作暫停一段時(shí)間，即暫停行程分別為720 mm、480 mm和240 mm，每次暫停時(shí)間T4=1 s。

第3工序中當(dāng)預(yù)設(shè)的移架動(dòng)作時(shí)間結(jié)束時(shí)，不管移架動(dòng)作有沒(méi)有將全行程走完，都要停止移架動(dòng)作，即使移架沒(méi)有將960 mm全行程走完，抬底動(dòng)作和移架動(dòng)作也必須停止，這樣才能保證后續(xù)的工序能夠正常進(jìn)行，不會(huì)耽誤整體進(jìn)度。

將抬底和移架動(dòng)作并行進(jìn)行，即在抬底的同時(shí)進(jìn)行移架，或者說(shuō)移架的過(guò)程中一直進(jìn)行抬底動(dòng)作，一邊抬底一邊移架，增強(qiáng)了抬底與移架的配合，同時(shí)，在移架動(dòng)作過(guò)程中增加移架動(dòng)作暫停過(guò)程，移架動(dòng)作暫停期間抬底動(dòng)作繼續(xù)進(jìn)行，以保證移架行程結(jié)束時(shí)抬底動(dòng)作能進(jìn)行足夠的時(shí)間，以保證液壓支架上升至足夠的高度，整個(gè)移架過(guò)程結(jié)束后，使整個(gè)液壓支架移架形成上階梯的過(guò)程，這種方法使得液壓支架高度逐步增高，使得液壓支架架腳在移架過(guò)程中接觸不到底板，有效地解決了底部破碎情況下液壓支架移架過(guò)程中架前堆煤的問(wèn)題，可以滿(mǎn)足井下工作面使用的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

重點(diǎn)圍繞黃陵礦業(yè)公司二號(hào)煤礦大采高智能化綜采工作面液壓支架工藝進(jìn)行研究。提出了大采高智能化工作面頂板破碎條件下基于超前拉架智能化處理的液壓支架特殊工藝；介紹了大采高智能化工作面煤壁片幫條件下基于壓力傳感器和行程傳感器的液壓支架特殊工藝。提出了大采高智能化工作面底板軟弱條件下基于多次降架模擬人工操作的液壓支架特殊工藝；介紹了大采高智能化綜采工作面采煤機(jī)與液壓支架高效協(xié)同工藝?？偨Y(jié)了大采高智能化液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)，為類(lèi)似開(kāi)采技術(shù)提供了經(jīng)驗(yàn)參考。