郭 鑫

（山西焦煤集團(tuán)股份公司西銘礦， 山西 太原 030024）

引言

放頂煤支架是現(xiàn)代煤礦高效綜采和安全生產(chǎn)最關(guān)鍵的設(shè)備之一，在綜合機(jī)械化放頂煤開采中起到支護(hù)頂板、維護(hù)作業(yè)空間和推移工作面采煤機(jī)以及運(yùn)輸機(jī)的作用。鑒于傳統(tǒng)的液壓支架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用追求的是其靜態(tài)的支撐能力，根據(jù)工作面煤巖體的種類、工作面的深度、工作面煤巖體的破碎情況及工作面的高度等，計(jì)算出采取相應(yīng)的加固措施后的巖土壓力，從而決定液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)高度、支護(hù)工作阻力等參數(shù)，支護(hù)參數(shù)較為固定，當(dāng)出現(xiàn)頂板破碎或底板沉陷等特殊情況時(shí)，難以及時(shí)作出應(yīng)對(duì)，缺乏智能化控制程序，支護(hù)系統(tǒng)安全系數(shù)較低。本文在分析正常狀態(tài)下和頂板破碎或底板沉陷時(shí)的力學(xué)原理的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)代單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種智能化監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，嵌入液壓支架支護(hù)系統(tǒng)中，當(dāng)遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時(shí)，能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架的支護(hù)參數(shù)變化，通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整液壓支架支護(hù)參數(shù)，確保工作面穩(wěn)定，極大提高了支護(hù)系統(tǒng)的安全系數(shù)。

1 液壓支架支護(hù)機(jī)理力學(xué)分析

液壓支架工作過(guò)程中，液壓支架的支護(hù)強(qiáng)度是固定的，一般為0.4~0.6 MPa，支架的工作阻力一般為2 000~6 000 kN，最大可以達(dá)到10 000 kN[1]，通過(guò)頂梁、掩護(hù)梁等設(shè)備與工作面煤巖體的硬性接觸，約束工作面煤巖體的變形，維持工作面煤巖體的整體性，確保工作面煤巖體受力體系穩(wěn)定。本文使用經(jīng)典靜力學(xué)方法，將工作面煤巖體簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁，通過(guò)對(duì)工作面煤巖體簡(jiǎn)化的簡(jiǎn)支梁受力分析模擬在液壓支架正常工作狀態(tài)下和遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷等特殊情況時(shí)工作面煤巖體的受力狀態(tài)。在正常狀態(tài)下，工作面煤巖體簡(jiǎn)化的簡(jiǎn)支梁上受到均布載荷q，簡(jiǎn)化簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度L，兩端約束，簡(jiǎn)支梁在L/2 處受到的彎矩最大，最大值為：

式中：q 為工作面處煤巖體受到的均布載荷，kN/m；L為簡(jiǎn)化煤巖體形成的簡(jiǎn)支梁長(zhǎng)度；m。

在簡(jiǎn)支梁兩端受到的剪力Vmax最大，最大值為:

當(dāng)遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時(shí)，在缺陷部位形成應(yīng)力集中，工作面煤巖體不再是一個(gè)完整的簡(jiǎn)支梁，在工作面穩(wěn)定以后，以缺陷部位為端點(diǎn)，形成兩個(gè)長(zhǎng)度較短的簡(jiǎn)支梁L1、L2，如圖1 所示。

圖1 頂板破碎、底板塌陷狀態(tài)下力學(xué)模型圖

由圖1 可知，當(dāng)遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷，工作面應(yīng)力重新分布并形成穩(wěn)定的受力體系后，在新形成的簡(jiǎn)支梁L1、L2的1/2 處存在彎矩峰值，在簡(jiǎn)支梁L1、L2的兩端形成較大的剪應(yīng)力，煤巖體是一種脆性較大的材料，容易受到剪力的影響產(chǎn)生破斷，在梁L1、L2的端點(diǎn)和破碎點(diǎn)容易發(fā)生剪切破壞。煤巖體各向異性、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤巖體內(nèi)節(jié)理發(fā)育，在外力作用下，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極易遭到破壞而呈碎塊狀崩開散落，甚至在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生崩解現(xiàn)象。傳統(tǒng)的液壓支架支護(hù)系統(tǒng)根據(jù)工作面煤巖體的種類、工作面的深度、工作面煤巖體的破碎情況、工作面的高度等計(jì)算出支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)工作阻力、支護(hù)高度后，采取留有一定裕量的措施確保工作面煤巖體簡(jiǎn)支梁受力體系的完整和穩(wěn)定。支護(hù)強(qiáng)度、高度和工作阻力等支護(hù)參數(shù)經(jīng)計(jì)算確定后，一般不再作出調(diào)整，是一種靜態(tài)的封閉體系，當(dāng)遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時(shí)，支護(hù)系統(tǒng)難以及時(shí)反應(yīng)，支護(hù)效率不高，支護(hù)穩(wěn)定性差，當(dāng)遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時(shí)，容易在頂板破碎或底板塌陷部位破壞頂板簡(jiǎn)支梁完整性，形成應(yīng)力集中，降低液壓支架支護(hù)系統(tǒng)安全系數(shù)，嚴(yán)重時(shí)可以使頂板煤巖體崩解失穩(wěn)，造成冒頂片幫事故。

2 智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

在傳統(tǒng)的液壓支架支護(hù)體系中，主要考慮支護(hù)體系的承載需求，設(shè)計(jì)原則是根據(jù)工作面所處地質(zhì)條件、煤巖體的種類、工作面埋深等計(jì)算液壓支架支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)工作阻力等支護(hù)參數(shù)并留有一定裕量，當(dāng)遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷等特殊情況時(shí)，傳統(tǒng)液壓支架支護(hù)系統(tǒng)也應(yīng)滿足承載能力要求，但傳統(tǒng)的液壓支架支護(hù)系統(tǒng)也存在明顯的缺點(diǎn)，例如傳統(tǒng)的液壓支架支護(hù)系統(tǒng)不能辨識(shí)工作面頂板破碎或底板塌陷的特殊情況、不能根據(jù)工作面現(xiàn)場(chǎng)遇到的特殊情況采取針對(duì)性措施、不能及時(shí)向工作人員反饋工作面遇到的特殊情況。當(dāng)遇到頂板煤巖體持續(xù)破碎崩解時(shí)，傳統(tǒng)的液壓支架支護(hù)系統(tǒng)難以采取有效措施且不能及時(shí)反饋?lái)敯鍘r層破碎信息，當(dāng)頂板巖層破碎嚴(yán)重時(shí)，可能產(chǎn)生冒頂、塌方、片幫等生產(chǎn)事故[2]。

為了解決傳統(tǒng)液壓支架支護(hù)體系的短板，研究人員利用單片機(jī)技術(shù)，在原有支護(hù)系統(tǒng)中嵌入一套集監(jiān)測(cè)、信號(hào)轉(zhuǎn)換、實(shí)時(shí)控制等智能化液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)，以期當(dāng)遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷等特殊狀況時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)能及時(shí)收集、反饋實(shí)時(shí)信息，控制中心工作人員根據(jù)監(jiān)測(cè)信號(hào)及時(shí)調(diào)整液壓支架支護(hù)參數(shù)，確保工作面煤巖體簡(jiǎn)支梁受力系統(tǒng)的穩(wěn)定，保證作業(yè)安全。與PLC 技術(shù)類似，智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)的組成包括輸入模塊、輸出模塊、通信模塊和控制模塊，如圖2 所示。

圖2 智能化液壓支架監(jiān)控系統(tǒng)組成模塊

輸入模塊是帶有監(jiān)測(cè)功能的可編程邏輯控制器，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作面支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)工作阻力、支護(hù)高度等支護(hù)參數(shù)，當(dāng)遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時(shí)，輸入模塊將監(jiān)測(cè)到的信息傳輸給控制模塊，控制模塊根據(jù)遇到的特殊情況將控制動(dòng)作信號(hào)傳遞給輸出模塊，利用信號(hào)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)控制液壓支架動(dòng)作。在正常工作狀態(tài)下，智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)的液壓支架支護(hù)系統(tǒng)相似，能夠滿足工作面承載能力要求，當(dāng)遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時(shí)，智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)能及時(shí)識(shí)別這種特殊情況并判斷是否超過(guò)預(yù)警值，當(dāng)頂板破碎超過(guò)預(yù)警值時(shí)，可以通過(guò)控制模塊及時(shí)調(diào)整工作面支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)工作阻力、支護(hù)高度等支護(hù)參數(shù)；當(dāng)工作面煤巖體持續(xù)破碎超過(guò)極限值時(shí)，系統(tǒng)控制警報(bào)裝置發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，通知作業(yè)人員撤出工作面，避免出現(xiàn)安全生產(chǎn)事故。

智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是利用單片機(jī)技術(shù)，在輸入模塊中預(yù)先設(shè)定預(yù)警值和確保安全生產(chǎn)的極限值，當(dāng)轉(zhuǎn)換后的輸入信號(hào)達(dá)到預(yù)先設(shè)定的預(yù)警值或安全極限值時(shí)，輸出模塊輸出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)或緊急信號(hào)，工作人員根據(jù)輸出信號(hào)作出相應(yīng)的動(dòng)作，保證安全生產(chǎn)。預(yù)警值和安全極限值的確定一般通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法得到，通過(guò)廣泛地采集正常狀態(tài)下和特殊狀態(tài)下液壓支架的支護(hù)參數(shù)，并分析其變化規(guī)律，從而確定輸入模塊的預(yù)警值和安全極限值，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)值達(dá)到預(yù)警值或極限值時(shí)，警報(bào)設(shè)備能及時(shí)輸出預(yù)警信號(hào)或緊急信號(hào)。在本文的研究背景中，正常生產(chǎn)條件下，連續(xù)采集300 個(gè)工作日液壓支架的支護(hù)高度、支護(hù)工作阻力等支護(hù)參數(shù)，確定礦井液壓支架的預(yù)警值[3]。

3 智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

實(shí)驗(yàn)室條件下，模擬工作面煤巖體情況進(jìn)行智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)和傳統(tǒng)液壓支架支護(hù)系統(tǒng)支護(hù)能力對(duì)比試驗(yàn)，測(cè)試兩者在正常工作狀態(tài)和遇到頂板巖層持續(xù)破碎或底板塌陷時(shí)的工作狀態(tài)。選用兩臺(tái)ZY4000/13/28/型掩護(hù)式液壓支架，其中一臺(tái)嵌入以單片機(jī)技術(shù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為工作阻力6 400 kN、初撐力6 184 kN、支撐高度1.6 m、中心距1.5 m、支護(hù)強(qiáng)度0.85 MPa，利用計(jì)算機(jī)模擬工作面煤巖體頂板破碎壓力值和底板沉陷沉降值。在模擬頂板巖層破碎過(guò)程中，初始?jí)毫? 000 kN，預(yù)警值為6 500 kN，極限值為7 000 kN，每次增加100 kN，模擬液壓支架工作時(shí)的正常狀態(tài)和工作面頂板持續(xù)破碎狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行30 次。結(jié)果表明，隨著工作面頂板壓力的增加，當(dāng)模擬壓力達(dá)到預(yù)警值時(shí)，智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)開始控制液壓支架調(diào)整支護(hù)工作阻力，當(dāng)頂板壓力達(dá)到極限值時(shí)智能化液壓支架和傳統(tǒng)液壓支架同時(shí)出現(xiàn)機(jī)械故障，智能化液壓支架系統(tǒng)及時(shí)控制警報(bào)設(shè)備發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)。在模擬底板沉降過(guò)程中，設(shè)置初始沉降值為40 mm，預(yù)警值為80 mm，安全極限值為100 mm，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沉降值每次增加5 mm。結(jié)果表明，隨著沉降值的增加，當(dāng)模擬壓力達(dá)到預(yù)警值時(shí)，智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)開始控制液壓支架調(diào)整頂梁和掩護(hù)梁高度；當(dāng)?shù)装宄两抵颠_(dá)到安全極限值時(shí)，智能化液壓支架系統(tǒng)及時(shí)控制警報(bào)設(shè)備發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，傳統(tǒng)的支架系統(tǒng)始終保持架設(shè)時(shí)的初始設(shè)置值，不能根據(jù)工作面具體情況調(diào)整支架高度。

上述模擬實(shí)驗(yàn)表明，在正常工作狀態(tài)下，傳統(tǒng)液壓支架支護(hù)系統(tǒng)和智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)都可以滿足工作面巖土壓力承載要求；在工作面頂板持續(xù)破碎或底板沉陷條件下，智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)可以及時(shí)識(shí)別工作面變化，通過(guò)預(yù)先設(shè)置的預(yù)警值和極限值，辨識(shí)頂板破碎或底板沉陷的工作條件，并控制智能化液壓支架及時(shí)采取相應(yīng)動(dòng)作；而傳統(tǒng)的液壓支架支護(hù)體系不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工作條件及時(shí)調(diào)整支護(hù)強(qiáng)度、支護(hù)工作阻力及支護(hù)高度等支護(hù)參數(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

1）簡(jiǎn)化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)為簡(jiǎn)支梁受力體系，正常工作狀態(tài)下，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在簡(jiǎn)支梁的兩端；當(dāng)遇到頂板持續(xù)破碎或底板沉陷時(shí)，液壓支架不能發(fā)揮支護(hù)作用，最大剪應(yīng)力出現(xiàn)在簡(jiǎn)支梁的兩端和斷點(diǎn)處，在斷點(diǎn)處形成應(yīng)力集中，降低支護(hù)系統(tǒng)的安全系數(shù)。

2）智能化液壓支架支護(hù)體系在傳統(tǒng)的液壓支架支護(hù)體系中嵌入智能監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，當(dāng)頂板煤巖體持續(xù)破碎或底板沉陷超過(guò)預(yù)警值時(shí)，能及時(shí)識(shí)別并控制液壓支架系統(tǒng)調(diào)整支護(hù)工作阻力、支護(hù)強(qiáng)度及支護(hù)高度等支護(hù)參數(shù)。

3）通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)表明，在正常工作狀態(tài)下，傳統(tǒng)液壓支架支護(hù)系統(tǒng)和智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)都可以滿足工作面巖土壓力承載要求；在工作面頂板持續(xù)破碎或底板沉陷條件下，智能化液壓支架支護(hù)系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性和安全性。