鮑江峰

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司東曲煤礦， 山西 古交 030200）

引言

液壓支架是綜采工作面成套裝備的核心組成部分，利用乳化液泵站系統(tǒng)提供的動(dòng)力實(shí)現(xiàn)護(hù)板支撐、油缸推移、推溜等循環(huán)工作，實(shí)現(xiàn)沿綜采工作面垂直方向以步距為單位行進(jìn)，為綜采工作面的煤礦開(kāi)采提供支撐保護(hù)。液壓支架動(dòng)作時(shí)可實(shí)現(xiàn)單機(jī)控制、成組控制以及自動(dòng)跟機(jī)控制，與采煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)息息相關(guān)[1]。傳統(tǒng)綜采工作面液壓支架、采煤機(jī)作業(yè)時(shí)，單獨(dú)配置專職司機(jī)，依靠自身經(jīng)驗(yàn)單獨(dú)完成液壓支架、采煤機(jī)控制。為進(jìn)一步提高液壓支架運(yùn)行效率和支護(hù)效率，需與采煤機(jī)協(xié)同控制，高效、安全、穩(wěn)定地完成綜采工作面采煤任務(wù)。如德國(guó)DBT 公司研制的液壓支架電液控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)液壓支架本體單機(jī)以及成組控制，同時(shí)可配合采煤機(jī)完成移架、支護(hù)工作；美國(guó)JOY 公司的液壓支架電液控制系統(tǒng)通過(guò)RS485 通信以及霍爾定位傳感器，實(shí)現(xiàn)液壓支架與采煤機(jī)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和更新，可精確指導(dǎo)其他液壓支架動(dòng)作[2-4]。國(guó)內(nèi)煤礦高校和企業(yè)聯(lián)合，利用圖像識(shí)別處理技術(shù)、視覺(jué)測(cè)量技術(shù)、激光定位矩陣調(diào)直技術(shù)等控制液壓支架和采煤機(jī)協(xié)同工作[5-7]。目前，液壓支架與采煤機(jī)協(xié)同控制時(shí)存在的關(guān)鍵問(wèn)題為采煤機(jī)速度與液壓支架動(dòng)作不匹配，發(fā)生采煤機(jī)截割滾筒截割液壓支架護(hù)幫的故障概率較高；采煤機(jī)運(yùn)行速度與液壓支架動(dòng)作不匹配，液壓支架支護(hù)的實(shí)時(shí)性差。文章針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)液壓支架、采煤機(jī)協(xié)同控制方案，保證液壓支架、采煤機(jī)的協(xié)同、高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

1 液壓支架工藝分析

綜采工作面液壓支架工藝流程見(jiàn)圖1 所示，液壓支架動(dòng)作時(shí)需分別對(duì)位于采煤機(jī)運(yùn)行方向前方以及采煤機(jī)運(yùn)行方向后方的液壓支架進(jìn)行討論。位于采煤機(jī)運(yùn)行方向前方的液壓支架完成“收護(hù)幫”動(dòng)作，為采煤機(jī)截割煤壁留出適當(dāng)?shù)目臻g；位于采煤機(jī)運(yùn)行方向后方的液壓支架，需快速完成降柱、抬底、移架、落底、升柱、伸護(hù)幫以及推溜動(dòng)作，及時(shí)完成采空區(qū)的支護(hù)工作，同時(shí)將刮板輸送機(jī)沿綜采工作面垂直方向推進(jìn)一個(gè)截割步距[8]。在對(duì)液壓支架進(jìn)行動(dòng)作控制時(shí)，可單架控制、成組控制以及自動(dòng)跟機(jī)控制。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架狀態(tài)以及動(dòng)作，在液壓支架機(jī)身安裝有油缸壓力傳感器、油缸液位傳感器、油缸溫度傳感器、油缸位移傳感器、行程傳感器等，液壓支架控制器周期性地上傳傳感器數(shù)據(jù)并完成邏輯處理[9-10]。

圖1 液壓支架單機(jī)動(dòng)作流程

2 液壓支架協(xié)同控制方案

2.1 協(xié)同控制模型

綜采工作面設(shè)備進(jìn)行采煤機(jī)作業(yè)時(shí)，在時(shí)刻T，綜采工作面液壓支架、采煤機(jī)以及刮板輸送機(jī)運(yùn)行狀態(tài)如下頁(yè)圖2 所示，液壓支架沿工作面方向水平排列，圖2 畫(huà)出編號(hào)為1～36 號(hào)液壓支架，采煤機(jī)以速度vd正向運(yùn)行，中心位置對(duì)應(yīng)的液壓支架編號(hào)為26。液壓支架與采煤機(jī)協(xié)同運(yùn)動(dòng)時(shí)，位于采煤機(jī)后方的液壓支架可完成移架、伸護(hù)幫、推溜等動(dòng)作，如編號(hào)為1～8 的液壓支架可完成推溜動(dòng)作，編號(hào)為9～14的液壓支架可完成伸護(hù)幫板動(dòng)作，編號(hào)為15～19 的液壓支架可完成移架動(dòng)作。位于采煤機(jī)前方的液壓支架可完成收護(hù)幫動(dòng)作，其中編號(hào)為26～27 的液壓支架已經(jīng)完成收護(hù)幫動(dòng)作，編號(hào)為33～36 的液壓支架正在完成收護(hù)幫動(dòng)作。液壓支架各動(dòng)作與采煤機(jī)的速度有密切關(guān)系，在分析液壓支架與采煤機(jī)協(xié)同控制方案時(shí)，需綜合考慮采煤機(jī)速度、液壓支架動(dòng)作時(shí)間、液壓支架位置信息之間的關(guān)系。

圖2 液壓支架-采煤機(jī)協(xié)同控制模型

2.2 協(xié)同方案設(shè)計(jì)

2.2.1 采煤機(jī)前方液壓支架協(xié)同控制

令在時(shí)刻T 采煤機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行速度為vq，方向?yàn)檎颍徊擅簷C(jī)機(jī)身中心位置所對(duì)液壓支架編號(hào)為i；采煤機(jī)前搖臂截割滾筒截割的安全距離為L(zhǎng)s，則可將動(dòng)作的液壓支架安全架數(shù)表示為式（1）：

式中：ki為動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)系數(shù)，d 為液壓支架的寬度；Δd為相鄰液壓支架間隔。采煤機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行速度vd需滿足式（2）：

式中：t1為液壓支架收護(hù)幫動(dòng)作時(shí)間。

當(dāng)vq≤（d+kiΔd）/t1時(shí)，液壓支架“收護(hù)幫”動(dòng)作的頻率可表示為式（3）：

在時(shí)刻T，可完成“收護(hù)幫”動(dòng)作的液壓支架編號(hào)為式（4）：

當(dāng)vq>（d+kiΔd）/t1時(shí)，液壓支架“收護(hù)幫”動(dòng)作頻率可表示為式（5）：

在該時(shí)刻T，可完成“收護(hù)幫”動(dòng)作的液壓支架編號(hào)為式（6）：

Na=N+Δn+1，…，（vqt1/（d+kiΔd））+Δn+1 （6）

2.2.2 采煤機(jī)后方液壓支架協(xié)同控制

采煤機(jī)零界速度可表示為式（7）：

式中：t2、t3、t4、t5、t6、t7分別為液壓支架降立柱、抬底、移架、落底、升立柱、伸護(hù)幫、推溜所需的時(shí)間。

當(dāng)vq≤（d+kiΔd）/（t2+t3+t4+t5+t6+t7）時(shí)，可動(dòng)作的液壓支架數(shù)量為1，液壓支架編號(hào)由（4）決定。

當(dāng)vq>（d+kiΔd）/（t2+t3+t4+t5+t6+t7）時(shí)，液壓支架動(dòng)作頻率可表示為式（8）：

可動(dòng)作的最后一架液壓支架編號(hào)由式（9）決定：

式中：Δm 為采煤機(jī)后方的安全距離。

3 試驗(yàn)分析

在試驗(yàn)實(shí)條件下完成液壓支架-采煤機(jī)協(xié)同控制方案的驗(yàn)證，分別討論位于采煤機(jī)前方的液壓支架“收護(hù)幫”動(dòng)作，位于采煤機(jī)后方的液壓支架“降立柱”“抬底”“移架”“落底”“升立柱”“伸護(hù)幫”以及“推溜”動(dòng)作。試驗(yàn)時(shí)，所使用的液壓支架寬度d 為1.5 m，設(shè)定的安全距離Ls為10 m，則可動(dòng)作的液壓支架安全架數(shù)Δn 可表示為式（10）：

假設(shè)ki值為1，相鄰液壓支架間隔Δd 為0.2 m，則可動(dòng)作的安全支架數(shù)為式（11）：

假設(shè)采煤機(jī)臨界速度為2.5 m/min 時(shí)，運(yùn)行速度為3 m/min，則位于采煤機(jī)前方的液壓支架“收護(hù)幫”動(dòng)作頻率為0.03 Hz，如式（12）所示：

即液壓支架電液控制器每隔33 s 發(fā)送“收護(hù)幫”控制命令，且在同一時(shí)刻只有一架液壓支架動(dòng)作。假設(shè)此刻采煤機(jī)機(jī)身中心位置對(duì)應(yīng)的液壓支架編號(hào)為26，則執(zhí)行“收護(hù)幫”控制命令的液壓支架編號(hào)為Na=i+Δn+1=26+6+1=33。

采煤機(jī)臨界速度為2.5 m/min 時(shí)，運(yùn)行速度為3 m/min，則位于采煤機(jī)后方的液壓支架動(dòng)作頻率為1.0 Hz，由式（13）表示。

液壓支架電液控制器每隔1 s 發(fā)送“降立柱”“抬底”“移架”“落底”“升立柱”“伸護(hù)幫”以及“推溜”控制命令。正在動(dòng)作的液壓支架編號(hào)為Nah=i-Δmfs-1=26-3-1-1=21。Δm 為采煤機(jī)后方的安全距離，值為3，如下頁(yè)圖3 所示。

圖3 液壓支架-采煤機(jī)協(xié)同控制方案時(shí)液壓支架對(duì)齊狀態(tài)

4 結(jié)語(yǔ)

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的液壓支架-采煤機(jī)協(xié)同控制方案在某煤礦綜采工作面已經(jīng)投入應(yīng)用，經(jīng)6 個(gè)月的工業(yè)性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，采煤機(jī)截割頭截割液壓支架護(hù)幫板的故障發(fā)生率明顯下降，液壓支架動(dòng)作后的對(duì)齊效果明顯，提高了綜采工作面工作效率，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，使得液壓支架、采煤機(jī)安全高效運(yùn)行。