高 洋

1煤科 (北京) 檢測技術(shù)有限公司 北京 100013

2煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 北京 100013

3煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室 北京 100013

煤礦智能化系統(tǒng)的開發(fā)與建設(shè)始于 20 世紀(jì) 70年代的英國，隨后澳大利亞、德國和美國等國家相繼開展研究，促進(jìn)了系統(tǒng)的不斷進(jìn)化與完善。1990 年，德國首先研發(fā)出綜采電液控制系統(tǒng)。隨著傳感器技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，自動化開采技術(shù)不斷發(fā)展完善，澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織 (CSIRO)開發(fā)了以設(shè)備定位技術(shù)為核心的 LASC (Longwall Automation Steering Committee) 長壁自動化系統(tǒng)。為了提高設(shè)備可靠性，德國艾柯夫公司研發(fā)出具有防碰撞、智能控制、截割等功能的智能煤機(jī)裝備。除設(shè)備水平提高外，對井下安全生產(chǎn)以及設(shè)備運營情況的監(jiān)控成為學(xué)者們研發(fā)的重點方向，美國 JOY 公司推出了地面遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的虛擬采礦方案。我國對煤礦智能化的研究起步較晚，發(fā)展速度較為緩慢，機(jī)械化程度較低。2007 年，我國研制出了首套國產(chǎn)電液控制系統(tǒng)[1]。至 2010 年，全國采煤機(jī)械化程度僅為 45%，綜合機(jī)械化程度僅為 30%，生產(chǎn)率僅為澳大利亞的2.41%，為美國的 2.87%，為德國的 9.19%。我國煤礦面臨的主要問題還是采煤機(jī)械化[2]。

“十二五”期間，在國家政策引導(dǎo)下，采煤機(jī)械化得到大力發(fā)展，采煤機(jī)械在極短的時間內(nèi)逐步實現(xiàn)了國產(chǎn)化。我國液壓支架取得安標(biāo)證數(shù)量在 2012 年達(dá)到峰值 490 臺，液壓支架電液控制系統(tǒng)在各大煤礦也得到迅速推廣。2014 年，黃陵礦業(yè)一號煤礦 1001工作面首次實現(xiàn)了智能化無人開采，開啟了中國煤炭開采史上具有里程碑意義的一次革命；但智能化內(nèi)涵與內(nèi)容尚未達(dá)成統(tǒng)一共識。2019 年 7 月 7 日，煤礦智能化技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟成立，該聯(lián)盟致力于解決煤礦智能化“卡脖子”問題[3]。為統(tǒng)一思想、凝聚共識，加快推動煤礦智能化發(fā)展，2020 年 3 月，《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確了煤礦智能化發(fā)展的總體要求、主要任務(wù)和保障措施，并提出了煤礦智能化發(fā)展的 3 個階段性目標(biāo)[4]。王國法院士及其團(tuán)隊充分闡述了智慧煤礦 2025 情景目標(biāo)和發(fā)展路徑[5]、煤礦智能化 (初級階段) 研究與實踐[6]、智慧煤礦與智能化開采關(guān)鍵核心技術(shù)分析[7]、煤炭智能化綜采技術(shù)創(chuàng)新實踐與發(fā)展展望[8]、煤礦智能化——煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)支撐[9]、智慧煤礦與智能化開采技術(shù)的發(fā)展方向[10]。隨后，煤炭智能化的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開始陸續(xù)出臺，為我國煤礦實現(xiàn)智能化生產(chǎn)指明方向[11]。隨著智能化裝備的不斷優(yōu)化與完善，我國煤礦智能化、機(jī)械化水平不斷提高。截至 2022 年底，我國共建成智能化煤礦 572 處，智能化采掘工作面 1 019 處，31種煤礦機(jī)器人在煤礦現(xiàn)場得到推廣應(yīng)用。智能采煤工作面邁向常態(tài)化應(yīng)用，減人增安提效的效果日益顯現(xiàn)。

在智能化煤礦建設(shè)中，液壓支架電液控制系統(tǒng)是井下工作面采煤過程中極其重要的設(shè)備。我國在液壓支架電液控制系統(tǒng)的檢測方法與設(shè)備研究方面剛剛起步，相關(guān)技術(shù)與設(shè)備尚未達(dá)到國標(biāo) (GB 25974.4—2010《煤礦用液壓支架 第 4 部分：電液控制系統(tǒng)技術(shù)條件》)、歐標(biāo)[12](EN 1804-4：2004《井下采礦機(jī)械-液壓支架安全性要求 第 4 部分 電液控制系統(tǒng)》)和企業(yè)生產(chǎn)總體要求。由于對整套的電液控制系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)性、多單元協(xié)調(diào)性的研究，系統(tǒng)無法安全穩(wěn)定運行且抗干擾等性能較差。市場上部分低質(zhì)量產(chǎn)品在井下工作面投入使用后存在極大安全隱患，制約了電液控工作面、智能化工作面和智慧礦山的發(fā)展[13-20]。

為了對工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)進(jìn)行驗證測試，筆者將電液控制系統(tǒng)置于高低溫、冷熱沖擊、高濕、粉塵、酸性、堿性等環(huán)境下，采集液壓支架執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓力開關(guān)、換向閥電磁鐵等信號，隨后基于工作面真實地貌和各項信號，建立了三級全工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置，并實現(xiàn)了井下液壓支架控制情況的可視化。

1 液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試需滿足的功能要求

各種不同標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的功能要求如圖1 所示。對比可知，液壓支架國標(biāo) GB 25974 與歐標(biāo) EN 1804 對應(yīng)，但非等效標(biāo)準(zhǔn)。該系列標(biāo)準(zhǔn)第 1～ 3 部分：通用技術(shù)條件、立柱和千斤頂技術(shù)條件、液壓控制系統(tǒng)及閥已于 2010 年發(fā)布，但與歐標(biāo) EN 1804-4 對應(yīng)的 GB 25974.4《煤礦用液壓支架 第 4 部分：電液控制系統(tǒng)技術(shù)條件》卻遲遲未能定稿。

除國內(nèi)智能化急速發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)要求越來越高外，還有一個重要原因是國內(nèi)暫無符合要求的電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置。安標(biāo)認(rèn)證檢驗暫時執(zhí)行 MT 209—1990《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品通用技術(shù)要求》[21]和 MT 210—1990《煤礦通信、檢測、控制用電工電子產(chǎn)品基本試驗方法》[22]，并且只能為電液控制裝置和元件認(rèn)證，不能為電液控制系統(tǒng)認(rèn)證。

部分企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)超出上述 2 個通用要求，各企業(yè)間標(biāo)準(zhǔn)也不一致。調(diào)研過程中發(fā)現(xiàn)，各企業(yè)對液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試提出了很多更高的需求，且各生產(chǎn)企業(yè)和高校也提出了井上調(diào)試、培訓(xùn)和教學(xué)的需要。

針對電液控制系統(tǒng)驗證測試的標(biāo)準(zhǔn)在國內(nèi)外尚未發(fā)布，而目前已有的電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置只能用于部分元件認(rèn)證，無法認(rèn)證整個電液控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀，基于企業(yè)生產(chǎn)與高校教學(xué)科研的要求，開發(fā)滿足要求的液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置具有重要的工程和科研意義。

2 建立液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置

采用三級試驗環(huán)境模擬平臺驅(qū)動可視化全工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置，隨后將試驗環(huán)境與各項參數(shù)輸入以驗證液壓支架電液控制系統(tǒng)測試裝置的有效性，并作為整體驗證和測試的基礎(chǔ)。液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置結(jié)構(gòu)框架圖如圖2 所示，將生產(chǎn)工作面勘探所得地質(zhì)條件和液壓支架試驗信息、故障信息輸入三維模型中，在環(huán)境模擬平臺實現(xiàn)全工作面液壓支架的可視化。通過對比工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)的各項指令與工作面液壓支架的實際工作情況，驗證了系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制功能，完成了標(biāo)準(zhǔn)驗證。依據(jù)液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置組成結(jié)構(gòu)，建立了驗證測試裝置，如圖3 所示。此外，優(yōu)化系統(tǒng)各項指標(biāo)可提高液壓支架電液控制系統(tǒng)控制速度和處理故障、危機(jī)的能力，并為科研提供更多模擬數(shù)據(jù)。

圖2 液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置結(jié)構(gòu)框架圖Fig.2 Structural framework diagram of verification testing device for electro-hydraulic control system of hydraulic support

圖3 液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置Fig.3 Verification testing device for electro-hydraulic control system of hydraulic support

3 試驗環(huán)境模擬平臺構(gòu)建

電液控制系統(tǒng)驗證測試依賴于真實三機(jī)配套[23-24]。整個工作面液壓支架數(shù)量多，投資巨大，且后期維護(hù)費用高昂。根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，超大型試驗系統(tǒng)大多因使用、維護(hù)成本過高而閑置、廢棄，效果不理想。筆者構(gòu)筑了如圖4 所示的三級全工作面環(huán)境模擬平臺，并將試件置于高低溫、冷熱沖擊、高濕、粉塵、酸性、堿性等環(huán)境下測試。

圖4 試驗環(huán)境模擬平臺構(gòu)建示意Fig.4 Construction diagram of testing environment simulation platform

3.1 三級全工作面環(huán)境模擬平臺

三級全工作面環(huán)境模擬平臺如圖5 所示，采煤工作面液壓支架數(shù)量設(shè)置為 300 臺，足以滿足實際使用上限。模型分為一級物理環(huán)境模擬系統(tǒng)、二級半物理模擬系統(tǒng)和三級電連環(huán)境模擬系統(tǒng)。

圖5 三級全工作面環(huán)境模擬平臺Fig.5 Three-stage full working face environment simulation platform

3.1.1 一級物理環(huán)境模擬系統(tǒng)

一級物理環(huán)境模擬系統(tǒng)構(gòu)建框架如圖6 所示，由23 臺液壓支架及電液控制系統(tǒng)、1 臺采煤機(jī)、1 套刮板輸送機(jī)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)，測控系統(tǒng)和傳感器組成。驗證測試裝置采集系統(tǒng)三級執(zhí)行機(jī)構(gòu)信號，該級別可滿足 GB 25974.4、EN 1804-4 標(biāo)準(zhǔn)驗證要求，將電液控制系統(tǒng)驗證級別提高到執(zhí)行機(jī)構(gòu)。一級物理環(huán)境模擬系統(tǒng)如圖7 所示。

圖6 一級物理環(huán)境模擬系統(tǒng)框架Fig.6 Framework of first-stage physical environment simulation system

圖7 一級物理環(huán)境模擬系統(tǒng)Fig.7 First-stage physical environment simulation system

3.1.2 二級半物理環(huán)境模擬系統(tǒng)

如圖8 所示，二級半物理環(huán)境模擬系統(tǒng)由 23 套電液控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及行程開關(guān)、模擬采煤機(jī)、電氣系統(tǒng)，測控系統(tǒng)和傳感器組成，驗證測試裝置采集壓力開關(guān)信號，可大幅擴(kuò)展液壓信號采集數(shù)量。

圖8 二級半物理環(huán)境模擬系統(tǒng)框架Fig.8 Framework of two-stage semi-physical environment simulation system

3.1.3 三級電連環(huán)境模擬系統(tǒng)

工作面由n-46 套電液控制系統(tǒng)組成，其中n為該礦井工作面液壓支架數(shù)量，驗證測試裝置采集電液控制系統(tǒng)中電磁鐵電信號，可將測試數(shù)量擴(kuò)展至全工作面支架，如圖9 所示。

3.2 采煤工藝電液控制測試

常用的采煤工藝按采煤進(jìn)刀方式可分為直接推入法、滾筒鉆入法、工作面端部斜切進(jìn)刀和工作面中部斜切進(jìn)刀；按照工序配合方式可分為即時支護(hù)方式和滯后支護(hù)方式[25]。采煤機(jī)直接推入法、滾筒鉆入法、即時支護(hù)、滯后支護(hù)的電液控制系統(tǒng)驗證測試很容易通過一級物理環(huán)境模擬系統(tǒng)實現(xiàn)，工作面中部斜切進(jìn)刀的驗證測試可通過三級全工作面環(huán)境模擬平臺實現(xiàn)，工作面端部斜切進(jìn)刀采煤工藝的電液控制系統(tǒng)驗證測試可通過一級物理環(huán)境模擬系統(tǒng)實現(xiàn)。

為在一級物理環(huán)境模擬系統(tǒng)中實現(xiàn)斜切進(jìn)刀的模擬控制，需嚴(yán)格計算液壓支架的數(shù)量?？紤]到有限的場地條件，采煤機(jī)設(shè)置為開啟后立刻加速，忽略啟動滑行段。根據(jù)計算可知，工作面至少需要 23 臺液壓支架。

理論上需液壓支架數(shù)量

式中：L為采煤機(jī)全長，m；a為采煤機(jī)加速段長度，m；b為刮板輸送機(jī)彎曲段長度，m；s為采煤機(jī)啟動滑行段長度，m；l為液壓支架中心距，m。

4 開展井下礦井液壓支架試驗并提取測試結(jié)果和故障信息

開展井下試驗可以得到液壓支架整機(jī)及元部件在各種條件下的測試信息?；跍y試結(jié)果和故障信息，利用排列器制造常規(guī)單、雙、隔、全部，或周期性，或隨機(jī)性的信號[26]。隨后，將所有結(jié)果信號輸入液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置中，如圖10 所示。

圖10 某礦井預(yù)計使用液壓支架試驗和故障信息Fig.10 Expected hydraulic support test and fault information for a certain mine

4.1 液壓支架試驗信息

(1) 液壓支架型式檢驗 利用各液壓支架試驗臺可對該支架進(jìn)行型式檢驗，記錄故障信息。

(2) 水平狀態(tài)下各部件運行特性測試 利用位移傳感器與角度傳感器，對該支架頂梁、前梁、伸縮梁、各級護(hù)幫、掩護(hù)梁、連桿、底座、推移、尾梁、插板、立柱、平衡機(jī)構(gòu)進(jìn)行運行特性測試。

(3) 底板不同狀態(tài)下各部件運動特性測試 模擬不同底板狀態(tài)，對該支架機(jī)構(gòu)運動進(jìn)行特性測試。

(4) 大傾角、仰采、俯采狀態(tài)下各部件運行特性測試 利用大傾角試驗臺，布置 3 臺支架，試驗臺底面梯形槽板上安裝整塊或拼接小塊，組成不同形態(tài)底板條件；還可通過模擬巖石單軸壓縮彈模、單軸抗壓強(qiáng)度、單軸抗拉強(qiáng)度、泊松比、黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗彎強(qiáng)度等，形成模擬底板系列，以供試驗和評價。

(5) 支架移架速度測試[27]通過構(gòu)建井下實際壓力、流量動力源，利用支架移架速度試驗臺，對支架“降-移-升”動作進(jìn)行移架速度測試。

(6) 支架耦合測試[28-30]利用支架耦合試驗臺，對支架進(jìn)行耦合性測試。

(7) 小比例支架模型沖擊測試 因國內(nèi)外暫無支架沖擊試驗臺，可制作小比例支架模型，利用 6 000 kN 立柱動載過載試驗臺進(jìn)行支架沖擊試驗。

4.2 礦井液壓支架元件試驗信息

(1) 支架元件型式及自愿性檢驗 利用各立柱、千斤頂、閥試驗臺、過濾器 (站) 對支架上立柱、平衡護(hù)幫、前梁、尾梁、推移千斤頂?shù)?、換向閥、單向閥、安全閥、截止閥等進(jìn)行型式檢驗，以及過濾器(站) 自愿性檢驗，記錄故障信息。

(2) 支架支撐千斤頂安全閥大流量、沖擊測試 利用 5 000 L/min 大流量安全閥試驗臺對支架立柱、平衡護(hù)幫、前梁、尾梁、推移千斤頂?shù)劝踩y進(jìn)行大流量和沖擊壓力安全性測試。

(3) 支架立柱與千斤頂沖擊測試 利用 26 000 kN 立柱試驗臺、6 000 kN 立柱動載過載試驗臺對支架立柱、支撐千斤頂進(jìn)行沖擊試驗。

5 基于數(shù)字孿生的虛擬仿真和可視化驗證測試系統(tǒng)

如圖11 所示，利用 SolidWorks 軟件將該電液控制系統(tǒng)所在工作面三機(jī)配套資料和地質(zhì)勘探資料建立三維模型，再通過 3ds Max 建立可驅(qū)動模型。通過C# 編程語言進(jìn)行不同部件的位置迭代計算，實現(xiàn)平滑、可控、無縫銜接的三維驅(qū)動動作，進(jìn)而用于液壓支架虛擬仿真和可視化分析[31-46]。同時，通過和電液控系統(tǒng)聯(lián)動，對液壓支架電液控制系統(tǒng)進(jìn)行可視化分析驗證。利用采集的測試結(jié)果與故障信息，將其信號化處理后輸入系統(tǒng)，實現(xiàn)工作面液壓支架的可視化，最終建立基于數(shù)字孿生的虛擬仿真和可視化驗證測試系統(tǒng)，如圖12 所示。

圖11 基于數(shù)字孿生的虛擬仿真和可視化驗證測試系統(tǒng)流程Fig.11 Process of virtual simulation and visual verification testing system based on digital twins

圖12 基于數(shù)字孿生的虛擬仿真和可視化驗證測試系統(tǒng)Fig.12 Virtual simulation and visual verification testing system based on digital twins

建立三級全工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置后，由從事綜采機(jī)組研究的非設(shè)計人員進(jìn)行操作并給出反饋意見。通過采集和監(jiān)控不同環(huán)境 (高低溫、冷熱沖擊、高濕、粉塵、酸性、堿性) 下各液壓支架的信號，構(gòu)建能真實反映工作面情況的可視化驗證系統(tǒng)。系統(tǒng)運行結(jié)果表明：聯(lián)網(wǎng)運行、操作和同步功能運行流暢；人機(jī)交互界面尚需繼續(xù)完善；系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程控制，同時具備一定的協(xié)同操作功能，但控制及協(xié)同操作功能需要對運動控制程序進(jìn)一步優(yōu)化。經(jīng)過對系統(tǒng)各方面測試可知，設(shè)計時的目標(biāo)功能已基本實現(xiàn)，各種功能模塊運行良好，基本滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)語

建立了三級全工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置，該系統(tǒng)可滿足 300 套電液控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)控制功能、安全功能、數(shù)據(jù)處理功能、電源波動適應(yīng)能力、穩(wěn)定性、可靠性等驗證測試要求，還可進(jìn)行采煤工藝、帶壓移架、不同底板工況下行走、頂板沖擊下的電液控制系統(tǒng)驗證測試?；谀彻ぷ髅嬲鎸嵡闆r，利用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建了虛擬和可視化驗證測試系統(tǒng)，將電液控制系統(tǒng)置于高低溫、冷熱沖擊、高濕、粉塵、酸性、堿性等環(huán)境下，采集液壓支架執(zhí)行機(jī)構(gòu)、壓力開關(guān)、換向閥電磁鐵等信號，對三級全工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置進(jìn)行測試。結(jié)果表明，其基本功能達(dá)到預(yù)期要求。三級全工作面液壓支架電液控制系統(tǒng)驗證測試裝置的建設(shè)，對于GB 25974.4 的推出和電液控制系統(tǒng)測試技術(shù)發(fā)展具有促進(jìn)作用。