大采高智能化工作面液压支架自动跟机控制技术研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 雷照源姚一龙李 磊等.大采高智能化工作面液压支架自动跟机控制技术研究.煤炭科学技术 . / . . . / 大采高智能化工作面液压支架自动跟机控制技术研究 雷照源姚一龙李 磊肖 曲李 川曹 哲 陕西陕煤黄陵矿业有限公司 二号煤矿陕西 黄陵 摘 要大采高工作面支护作为安全高效开采的核心伴随智能化工作面不断的实践探索液压支架 的时空运动、支护效果更是首要条件因此对液压支架在智能化工作面的应用进行了研究以陕西 黄陵二号煤矿有限公司 大采高智能化工作面为背景 通过地质条件分析、支架与围岩关系、理论 分析、生产工艺等最终确定选用国产 // 型掩护式液压支架 基于对智能化元件的逻 辑支架时空运动指标分析、调试优化支架 系统的时间属性 完成了 系统与采煤机、刮 板输送机的自动根机拉架和自动成组推移刮板输送机作业等主要动作形成液压支架群组的自组织 协同控制方法 液压支架的协调控制实现了工作面的智能开采 建立了符合矿井工作面的液压支架 智能化标准有效地保证了大采高智能化工作面“和谐安全高效”生产 关键词大采高液压支架智能化工作面 系统跟机自动控制技术 中图分类号 文献标志码 文章编号 . .. . . . . // . . . . . 收稿日期责任编辑赵 瑞 基金项目国家自然科学基金资助项目 西安科技大学优秀青年科技基金资助项目 作者简介雷照源男陕西岐山人助理工程师硕士 . 引 言 第 次世界工业革命推动世界各行各业向智能 化迈进 根据中国制造 和煤炭十三五规 划的精神坚持创新发展理念加强先进适用技术 推广和重大科技示范工程建设完善煤炭科技创新 体系是推动的煤炭技术革命的关键 煤炭作 为我国最主要的一次性消费能源能源安全是关系 国家经济社会发展对国家繁荣发展、人民生活改善、 社会长治久安至关重要 矿井智能化的实现了科技 减人、科技安保、科技增效进而促进矿井“和谐 安全高效”生产 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 雷照源等大采高智能化工作面液压支架自动跟机控制技术研究 年第 期 随着科技驱动、创新驱动的不断深入近年来我 国专家学者在岩层控制、制造工艺、设备研发等方面 取得了丰硕成果 康红普等通过合理化加大工 作面长度开发超长工作面多信息的液压支架应群 组协同控制装备进而形成智能成套技术体系 王 国法等在液压支架技术体系的研究和实践中 通过建立液压支架与围岩的耦合及煤壁片帮的拉裂 滑移的动力学模型提出了大采高综采液压支架合 理阻力确定的双因素控制法确定出超大采高工作 面的液压支架型号 侯朝炯分析深部围岩的底 鼓和蠕变采用合理的一次支护和二次支护来实现 巷道的长期稳定 刘闯等通过支架模型进行了 不同工作阻力条件下的开采试验 弓培林等对 大采高采场覆岩结构特征、运动规律和建立对应的 顶板控制力学进行研究 付玉平等对大采高采 场顶板断裂关键块的稳定性做了分析 部分矿山从 业人员通过数值计算、理论分析、实践验证的方法在 不同条件下的围岩控制方面取得大量的应用研 究 随着煤企顺应革命浪潮陆续开展出具有 自身特色智能化矿井 大同矿区通过智能化开采设 备关键技术的研发利用电液控系统、云计算技术等 编制了千万吨矿井群装备系列型谱 神南矿区 结合数字化、信息化共享以空间信息处理技术、物 联网技术、大数据、虚拟现实技术、云计算技术为手 段实现智能化现代化矿区设计目标 国内外众多学者主要聚焦在支架设备、围岩运 动、智能化发展各方面的独立研究 但是在智能化 工作面支架从选型到应用的研究较少 笔者充分借 鉴前人在围岩与支架关系和智能化技术发展的成 果以陕西黄陵二号煤矿 大采高智能化工作面 为背景基于中深部厚煤层赋存环境、开采条件、开 采技术等客观情况结合理论分析确定出工作面支 架选型、 液压电液控系统的开发等开展中深 部大采高智能化工作面液压支架技术研究 这对构 建科学安全和谐的智能化开采模式具有现实的必 要性 矿井概况 . 工程概况 陕黄陵二号煤矿是国家批建的 个大型煤炭 生产基地黄陇矿区的主要生产矿井之一是陕西 煤业能源有限责任公司特大型高产高效现代化矿 井是集团所属主要优质动力煤生产地之一 井田 位于黄龙矿区中部储量丰富地质构造简单 矿井初期普查勘探结果表明二号井开采范围 内 号煤层其中 工作面地表标高 井下标高 平均埋深 . 韧性指标为 工作面及附近钻孔揭露的煤层厚 度最大. 最小. 平均约为. 煤层埋 藏条件如图 所示 图 煤层柱状图 直接顶板以石英、长石为主基本顶以粉砂岩为 主夹薄层粉砂质泥岩层位分选区性较好属半坚 硬类不易软化岩石岩石普氏系数 底板以 泥岩为主发育较多的水平层理、小型交错层理以 具有节理、裂隙和滑面等结构面为特点 煤层顶底 板特性如下基本顶为 .. 厚的粉砂岩 直接顶为 .. 厚的细粒砂岩直接底为 .厚的泥岩 . 支架与围岩相互作用关系 “支 架围 岩” 互 作 用 是 个 双 馈 动 力 学 过 程如图 所示 全部直接顶岩重基本顶来压时形成的附加载荷 第 层悬顶距支架高度工作面煤层倾角 支架底座宽度支架自重作用方向与支架底座 下边缘的水平距离重心高度 图 支架与围岩相互作用关系 随着开采高度增加直接顶和基本顶垮落和运 移空间增大使得基本顶悬臂长度、回转角度和活动 程度增加支架能承受破断岩层大范围运动引起的 动载荷支架易失稳 在终深部条件下针对特厚煤 层大采高工作面覆岩大规模 剪切和大尺度回转 独特规律提出了大采高支架必须具备高初撑力以 控制顶板、煤壁双重剪切破坏以及加大支架水平抗 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 倾覆结构、承载能力以适应基本顶大尺度回转运动 对支架稳定性影响的双重控制机制 在中深部大采高智能化工作面支架选型过程中 不但支架能满足较大的工作阻力和初撑力而且对支 架控制、移动的逻辑顺序至关重要并可有效地避免 因采场围岩应力的释放导致压架、扭架等现象 支架选型分析 . 支架高度确定 支架支护最大高度 其中 为工作面设计最大采高取 . 为伪顶厚 度或浮煤冒落厚度取 . 支架支护最小高度 其中 为工作面设计最低采高取 . 为顶板最大下 沉量和支架前移时的最小可缩量取 . 根据 以上公式计算液压支架的最大高度为 . 最小 高度约 . . 初撑力及工作阻力的确定 根据煤层及覆岩特点选用高工作阻力的两柱 掩护式支架支护该支架能适应顶底板属于中等稳 定的长壁工作面 初步得出液压支架的中心距为 支护强度经验公式为 .其中 为工 作面合理支护强度/ 为采高取 为顶板岩石重力密度取 / 为工作面支架 应该支护的上覆岩层厚度与采高之比一般为 根据相邻综采工作面已知顶板情况此处选取 则支架的支护强度 . / 当顶梁宽度支架中心距为 . 最大控顶 距为 . . 控顶距需要支架阻力 其中 为安全系数取 . 为最大控顶距取 . 为顶梁宽度取 . 为支护强度 则支架工作阻力 . / 架 合理支架初撑力与额定工作阻力取最大值 之比应为 ..所以 . 高支架初撑力 为 . . 结合国内外高产高效工作面经验 采工作 面采用掩护式液压支架支撑高度 . 支护强 度不小于 . / 工作阻力大于 / 架推移行程不小于 支架中心距 支架的顶梁要求采用整体刚性结构不使用铰 接顶梁以使掩护式支架具有结构简单、操纵方便、 造价较低、便于维修的特点 带 个护帮板支架底 座采用带有提底座千斤顶的刚性底座 初步选用国 产 // 型掩护式液压支架 液压支架电液控制系统 . 液压支架电液控制系统功能 液压支架电液控制系统又称 系统是实现 液压支架各种动作的电动控制及支架信息的采集和 上传 配合采煤机、刮板输送机完成自动根机拉架 和自动推移刮板输送机是智能化不可或缺的重要 组成部分 液压支架控制系统包含上位机、控制器、传感 器、液压主阀和电控系统 每台支架配备控制器液 压主阀通过电缆与相应传感器、控制器相连 电液 控制系统经交换机进入到综合自动化系统 液压支 架主要元件安装要求及配置见表 表 液压支架主要元件安装要求及配置 名称安装位置及要求配置 上位机巷道控制室内 液压支架运行状态对液 压支架进行远程控制 控制器 支架四连杆前部每 架 台 显示每台液压支架状态 控制液压支架的功能 液压主阀 支架四连杆前部每 架 台 执行液压支架液压动作 电源箱 支架四连杆每 架 个 工作面各支架元件供电 系统的应用软件满足煤矿工作面的实际 情况和采煤工艺具体要求实现单台或多台支架的 降、移、升自动控制 通过参数设置使 系统完 全适合井下的实际工况、采煤工艺和地质条件其显 示、检测、辅助等系统的功能如下 控制器显示界面显示立柱压力、推移行程、 采煤机位置、支架姿态和护帮板状态 单架功能分为邻架、隔架、成组、计算机远 程控制功能 成组功能以任何一个支架为操作架向左 或向右连续相邻的若干个支架为 组、执行支架的 某一单动作或联合动作 如推移刮板输送机、伸护 帮自动喷雾等 误差补偿功能液压支架推移结构件间的机 械误差可以通过电液控制系统来消除间隙精确的 传感器读数来保障平直的工作面推进曲线 数据查询和存储功能具有对支架或控制系 统的故障诊断、显示、报警及纪录、查询功能以及存 储功能 人员定位感知人员定位探测器与电液控制 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 雷照源等大采高智能化工作面液压支架自动跟机控制技术研究 年第 期 系统相结合并对其所在支架附近 架实施自动闭 锁暂停相关自动化动作 立柱压力监测预警与防片帮控制若出现连 续多架压力严重超高的情况则控制器发出声光报 警并在集控主机上也有报警显示 控制器控制同 时向外打开护帮防止工作面大面积片帮 支架采高和支架姿态监控支架所在工作 面的俯仰情况以及支架是否左右倾斜、顶板与底 座是否存在扭曲角度、支架是否处于理想支护状 态等 . 液压支架自适性控制 工作面煤壁片帮且中部底板存在松软现 象自动跟机过程中出现护帮板支护效果不佳、支架 抬底动作不明显容易造成移架结束后架前堆煤、扭 架现象 针对此特点改进支架的自动移架流程如 图 所示 通过移架开始时间、移架暂停范围、暂停时间、 到达移架时间、抬底开始时间、抬底到达时间的 个 流程的反复计算优化支架移架与抬底动作配合时 序 如图 所示移架开始时间与达到移架时间的 循环与抬底开始时间、抬底到达时间形成并列的逻 辑顺序达到移架时间内包含暂停范围和暂停时间 个循环 移架过程中移架可暂停若干次同时支 架可单独进行多次“再降柱再抬底”暂停结束后 抬底动作继续保持直到移架结束 多次循环提高移架的质量和支架与采煤机跟机 配合效率使跟机移架距离由原来的距离采煤机 架缩短至机身中间位置跟机伸护帮板距离缩短至 距离采煤机 架位置如图 所示的护帮传感器 这样的多次循环使顶板支护效果明显加强也保障 了护帮与煤机后滚筒安全距离 图 自动移架循环流程 图 支架自动跟机动作安全距离 为增加自动移架循环的质量大采高工作面支架 一级护帮安装压力传感器、行程传感器如图 所示 图 支架护帮板传感器 为达到支护效果且保持支架护帮的最佳姿态 通过优化护帮板联动控制逻辑达到最佳支护效果 时的护帮动作时间如下 一级伸目标压力/ . 一级伸开始动作时间/ 一级伸执行动作时间/ 联伸时二级第 次动作收 联伸时二级第 次开始时间/ 联伸时二级第 次执行时间/ 联伸时二级第 次动作伸 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 联伸时二级第 次开始时间/ 联伸时二级第 次执行时间/ 一级收目标行程/ 一级收开始动作时间/ 一级收执行动作时间/ 联收时二级第 次动作收 联收时二级第 次开始时间/ 联收时二级第 次执行时间/ 联收时二级第 次动作伸 联收时二级第 次开始时间/ 联收时二级第 次执行时间/ 由此可知电液控系统利用一、二级护帮板伸、 收存在的液压联动功能在伸一级护帮板时复合二 级护帮板收动作使二级护帮板处于差动状态自适 应煤壁形态当伸一级护帮板动作结束后再短暂执 行伸二级护帮板动作保证二级护帮板起到支护作 用 支架护帮板联动收过程中二级护帮板优先执 行短暂的收动作再开始收一级护帮板动作 减少 对支架护帮板油缸千斤顶的磨损也避免了联动前 二级护帮板插入煤壁 工程应用效果分析 根据 二 号 井 智 能 化 工 作 面 应 用 国 产 // 型掩护式液压支架 移架方式采 用 电液阀控制并要求能与采煤机联动 这种 方式能显示支架工作状态、故障情况具有随机操作 和成组操作功能移架速度低于 等优势 为了更好地监测大采高支架的运行情况利用 电液控制系统自动监测工作面推进过程中支 架的工况情况 通过观测工作面正常生产期间无来压支 架总体的工作阻力有小幅度的起伏变化当支架位 置继续向倾向方向延伸时工作阻力变化不同 号和 号支架的初撑力和实际工作阻力变化最为 明显 如图 所示其平均值约 最大值达 到 工作阻力最大值约 且多次 出现应力波峰变化 在相邻监测时期内的工作阻力 变化相差不大 相对 号以前支架而言工作阻力 呈现增加趋势说明在相对应工作面倾向范围内的 顶板压力较大 号支架初撑力基本保持在 平均工作阻力保持在 生产阶段支架自动跟机和护帮板的精准控制 起到良好的作用如图 所示 跟机移架距离由原 来的距离在采煤机机身偏中间位置跟机伸护帮板 至距离采煤机 架位置 支架控制起到了实时 监控可更改支架状态、煤机支架护帮板动态的 相对位置关系 图 号和 号支架阻力监测结果统计 . . 图 电液控主机传感器显示界面 结 论 最终确定国产 // 型掩护式液 压支架主要技术参数为支撑高度. 支架中 心距 工作阻力 采用 电 液控制系统控制支架状态 系统能够实现液压支架各种动作配合 采煤机、刮板输送机完成自动根机拉架和自动成组 推移刮板输送机作业有效避免了联动前二级护帮 板插入煤壁 跟机移架距采煤机偏中间位置跟机伸护帮 板至距离采煤机 架位置 支架达到支护效果且保 持支架护帮的最佳姿态 参考文献 谢和平钱鸣高彭苏萍等.中国煤炭及科学产能发展的战略 研究 / / 科技创新促进中国能源可持续发展北京化学工 业出版社. 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