湯明明

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)富康源煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100）

引言

放頂煤開采工藝為煤炭開采的常用方式之一，其中根據(jù)頂煤的冒落程度對(duì)放煤口開啟和關(guān)閉時(shí)機(jī)的把握是實(shí)現(xiàn)該開采工藝自動(dòng)化的核心問題。目前，液壓直接頂煤的冒落程度主要依靠現(xiàn)場(chǎng)工人目測(cè)并根據(jù)其經(jīng)驗(yàn)綜合判斷放煤口的開啟和關(guān)閉，在實(shí)際生產(chǎn)中常發(fā)生過放或欠放的情況，導(dǎo)致大量的煤矸石和丟煤混入原煤中，增加了后期的洗煤成本和煤炭資源的浪費(fèi)[1]。因此，針對(duì)液壓支架的智能化自適應(yīng)控制展開研究，在自動(dòng)化工作面的基礎(chǔ)上增加智能化放煤，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)礦井的智能化、數(shù)字化建設(shè)具有重要意義。

1 液壓支架智能化自適應(yīng)控制的理論基礎(chǔ)

為保證液壓支架根據(jù)頂煤的冒落程度完成其智能化自適應(yīng)控制的目的，避免過放和欠放現(xiàn)象的發(fā)生。針對(duì)綜采放頂煤開采工藝有必要對(duì)頂煤開采工藝對(duì)應(yīng)的圍巖變化規(guī)律、頂板的破話機(jī)理以及液壓支架與頂煤相互作用的機(jī)理進(jìn)行研究。

在綜采工作面的垂直方向，放頂煤開采體系包括有基本頂、直接頂、支架以及底板組成。放頂煤開采工藝與分層開采、一次全采高開采工藝不同，該工藝一次采出煤炭的厚度角度為放煤和機(jī)采兩部分的綜合厚度。放頂煤開采工藝對(duì)應(yīng)的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律的特點(diǎn)總結(jié)如下：

1）放頂煤開采工藝下工作面支承壓力的分布范圍交廣，其壓力峰值與一次采高和分層開采而言相對(duì)前移；

2）放煤開采工藝下液壓支架的承受載荷與工作面煤層的硬度相關(guān)。煤層硬度越大，液壓支架的支承載荷越大；且其支承載荷大于分層開采和一次采全高工藝；

3）放頂煤開采工藝容易發(fā)生煤壁片幫和液壓支架冒頂?shù)默F(xiàn)象。因此，針對(duì)放頂煤開采工藝下液壓支架的選型應(yīng)主要考慮其防片幫結(jié)構(gòu)和前端支承力；

4）放頂煤開采工藝下液壓支架容易出現(xiàn)低頭或仰頭的現(xiàn)象，且液壓支架的合力作用的變化范圍較為廣泛[2]。

本文所研究液壓支架的型號(hào)為ZFY18000/28/53D，該型液壓支架的主要參數(shù)如表1所示：

表1 ZFY18000/28/53D液壓支架主要參數(shù)

液壓支架實(shí)現(xiàn)智能自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)為液壓支架與圍巖智能耦合監(jiān)測(cè)，包括液壓支架姿態(tài)與工作面圍巖、頂煤的耦合監(jiān)測(cè)；液壓支架頂梁與頂板之間相互作用力的智能耦合監(jiān)測(cè)；液壓支架護(hù)幫板與工作面煤壁的智能耦合監(jiān)測(cè)。上述三類智能耦合監(jiān)測(cè)通過其布置的壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)、姿態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)和煤壁監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)，具體布置如下頁圖1所示。

基于如下頁圖1所示的各類傳感器對(duì)液壓支架的平衡上下腔、立柱下腔、掩護(hù)梁傾角、底座傾角以及頂梁傾角參數(shù)監(jiān)測(cè)后，通過支架姿態(tài)運(yùn)算處理后與支架參數(shù)閾值比較轉(zhuǎn)換器分析后，對(duì)液壓支架控制器進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的智能化自適應(yīng)控制[3]。

圖1 液壓支架智能耦合監(jiān)測(cè)布置圖

2 煤矸石精準(zhǔn)識(shí)別方法研究

實(shí)現(xiàn)液壓支架的自適應(yīng)智能化控制的關(guān)鍵在于解決放煤過程的智能化控制。目前，液壓支架的控制主要通過電液控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，該種控制方式相對(duì)比較機(jī)械化，無法保證其根據(jù)煤層的變化對(duì)放煤操作進(jìn)行智能化控制，即根據(jù)頂煤賦存條件變化對(duì)放煤口開啟和關(guān)閉的智能化控制。本項(xiàng)目以液壓支架尾梁安裝的振動(dòng)信號(hào)傳感器對(duì)頂煤冒放過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)煤層巖層的智能識(shí)別并通過電液控制器實(shí)現(xiàn)智能化放頂煤操作。

針對(duì)工作面頂煤冒放過程的監(jiān)測(cè)，可采用射線含量測(cè)定、熱成像儀、聲音辨識(shí)、圖像處理法等方法。但是，由于γ射線含量不確定、煤炭和巖石的熱效應(yīng)特征不明顯、工作面噪聲較大、粉塵濃度大圖像不清晰等問題，均導(dǎo)致上述方法效果不佳。為此，在液壓支架尾梁安裝振動(dòng)傳感器對(duì)放煤過程中的煤矸石進(jìn)行識(shí)別。本方向選用ADXL00liMEMS型煤矸識(shí)別傳感器保證上述功能的實(shí)現(xiàn)。

煤矸識(shí)別傳感器的安裝如圖2所示：

圖2 煤矸識(shí)別傳感器安裝示意圖

如圖2所示，將煤矸識(shí)別傳感器通過強(qiáng)力磁鐵安裝與液壓支架的尾梁腹板位置處。其中，液壓支架與液壓支架以及液壓支架與顯示終端采用無線通訊方式對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行傳輸。

實(shí)踐表明，采用上述煤矸石傳感器可準(zhǔn)確判斷出巖石和煤炭撞擊液壓支架信號(hào)的區(qū)別。因此，基于煤矸識(shí)別傳感器可對(duì)煤矸放落過程進(jìn)行辨識(shí)。同時(shí)，經(jīng)實(shí)踐研究可知：矸石與液壓支架撞擊后滑落2.5 s后落入帶式輸送機(jī)。因此，為避免大尺寸矸石對(duì)裝載機(jī)和破碎機(jī)的沖擊應(yīng)通過電液控制器的尾梁在2 s內(nèi)完成收縮操作[4]。

3 液壓支架自適應(yīng)控制技術(shù)研究

通過對(duì)煤矸的精準(zhǔn)識(shí)別，對(duì)液壓支架支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓支架支護(hù)狀態(tài)的自適應(yīng)調(diào)整，從而保證液壓支架工作面圍巖、頂板的支護(hù)效果，提高了液壓支架的使用壽命，最終保障了綜采工作面安全生產(chǎn)。

首先，對(duì)于煤矸的精準(zhǔn)識(shí)別可由煤矸石精準(zhǔn)識(shí)別方法中所研究的高性能加速計(jì)完成；其次，對(duì)于液壓支架支護(hù)質(zhì)量的監(jiān)測(cè)，由現(xiàn)場(chǎng)布置于液壓支架的各類傳感器對(duì)每臺(tái)液壓支架的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，并在此基礎(chǔ)上基于無線通訊模塊形成質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。液壓支架支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器的布置如圖3所示：

圖3 液壓支架支護(hù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)傳感器布置圖

為對(duì)液壓支架智能化自適應(yīng)控制技術(shù)的深入研究，采用工業(yè)性試驗(yàn)開展驗(yàn)證試驗(yàn)。首先，在液壓支架的頂梁、前后連桿、底座和掩護(hù)梁各安裝一臺(tái)傾角傳感器，并對(duì)頂梁-掩護(hù)梁-底座、頂梁-后連桿-底座以及頂梁-前連桿-底座三種算法所得理論計(jì)算與實(shí)測(cè)高度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，并得出如表2所示的結(jié)論。

分析表2可知，以后連桿為主的算法與以前連桿算法為主液壓支架的支護(hù)高度的自適應(yīng)控制與理論之間的誤差較小。因此，以前后連桿姿態(tài)算法實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架的智能化自適應(yīng)控制的可靠性更高[5]。

算法 最大誤差/mm最小誤差/mm平均誤差/mm以掩護(hù)梁為主 359 16 127.28以前連桿為主 161 8 79.04以后連桿為主 162 9 74.52

4 結(jié)語

液壓支架作為綜采工作面的主要支護(hù)設(shè)備，其支護(hù)質(zhì)量好壞直接影響工作面生產(chǎn)安全性的高低。在實(shí)際生產(chǎn)中，要求液壓支架需根據(jù)煤層賦存條件的變化和放頂煤參數(shù)的變化進(jìn)行智能化控制。為此，以高性能加速計(jì)為核心實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面煤矸的準(zhǔn)確識(shí)別，為液壓支架的智能化控制奠定基礎(chǔ)。實(shí)踐表明，通過前后連桿姿態(tài)算法對(duì)液壓支架的智能化控制功能的實(shí)現(xiàn)可靠性最高。為后續(xù)液壓支架智能化自適應(yīng)控制功能的實(shí)踐應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。