采煤工作面液压支架姿态监测传感器研究

杨佳旻

（中天合创能源有限责任公司煤炭分公司门克庆煤矿， 内蒙古 鄂尔多斯 017000）

引言

在煤矿生产过程中，工作环境多变，液压支架条件复杂。由于煤岩的巨大冲击载荷，加之煤尘和煤雾的污染，液压支架的监测十分困难。这些都导致了液压支架升降口故障的发生，造成整个煤炭生产系统瘫痪，威胁着煤矿工人的生命安全。液压支架的工作状况直接影响到工作面的安全生产，具体表现为：一方面，液压支架的工作状态影响着开采进度、支架的初撑力和工作阻力、管理效率、工作面的正常移动等[1-3]；另一方面，液压支架的工作阻力、顶板支架的倾角等，可以间接反映工作面的应力场状况，这是矿业专业人士关注的热点问题。采煤作业使煤层原应力重新分布，应力场的变化直接导致工作面矿压的产生[4-5]。因此，充分掌握工作面应力场的变化，对保障工作人员的安全具有重要意义。

本文分析了液压支架的运动学模型，通过性能测试，验证了倾斜传感器的角度灵敏度和重复性，展示了工程监测实例，分析了基于光纤传感技术的液压支架监测系统的可靠性，获得了工作面生产过程中液压支架姿态的动态状态。此外，该传感器可广泛应用于其他类型液压支架（如四柱挡块式液压支架和立式支架）的准分布式测量和长期在线监测。液压支架的姿态监测技术和系统为采矿工作提供了安全保障，在工程领域发展了智能监测技术。

1 两柱掩护式液压支架姿态监测系统运动学模型

在目前使用的液压支架类型中，两柱掩护式液压支架占有相当大的比例。液压支架的掩护梁有利于改善液压支架的力学状态，适用于顶板压力来自采煤机导轨顶部的情况，是破碎顶板的良好选择。本文以两柱掩护液压式支架为研究对象，分析了该支架的运动学模型。掩护式液压支架主要由顶梁、掩护梁、底座和立柱组成。简化后的液压支架结构如图1 所示。在上覆顶板载荷作用下，液压支架的姿态趋势如图1 箭头所示，点C、D、E、G、I、J、K、N 和M 是铰链点。在顶板压力作用下，液压支架顶板梁会随着顶板的移动而产生一个仰角或俯角，同时立柱和平衡千斤顶会灵活地进行自适应。掩护梁承担顶板的载荷，液压支架连杆转动。液压支架底座的角度随底板的变化而变化。根据液压支架的实际工作情况可以看出，液压支架通过立柱和平衡千斤顶来调节其姿态，即通过立柱和平衡千斤顶的伸缩动作来调节液压支架的姿态。由此可以认为，液压支架机构的运动是确定的，可以从理论上计算出液压支架的姿态。

图1 两柱掩护式液压支架姿态监测系统结构图

2 光纤光栅倾斜传感器的工作原理及力学分析

如下页图2 所示，FBG 倾斜传感器固定在传感器壳体上。假设FBG 倾斜传感器在X-Y 平面上有角度变化。沉重的球和钟摆在重力的作用下，对均匀强度的梁1 施加推力Fp。由于均匀强度梁的宽度远大于厚度，均匀强度梁1 的变形可以忽略不计。等强度梁1将推力Fp传递到等强度梁2 的端部。在Fp的作用下，均匀强度梁2 发生弯曲变形，对光栅FBG1 和FBG2产生应变。此时，FBG 中心波长发生变化。通过监测光纤光栅中心波长的偏移，可以成功获得物体的姿态。同样，当被监测物体的角度在Y-Z 平面发生变化时，均匀强度梁2 的变形可以忽略不计。通过均匀强度光束1 的弯曲，可以计算出FBG2 的应变，得到FBG2 的FBG 中心波长位移。对于监测对象的任何其他角度变化，可视为上述两种情况的矢量叠加，综合角度矢量即可得到角度的方向和大小。重量球在Y-Z 平面和X-Y 平面运动时，均匀强度梁的受力分析相似。本文以重球在X-Y 平面上的运动为研究对象，研究传感结构的受力条件，为重球在Y-Z 平面上的运动提供参考。根据图2 中FBG 倾斜传感器的结构，可以得到如图3 所示的力学模型。

图2 FBG 倾斜传感器

图3 传感结构的力学分析

FBG 倾斜传感器的主要结构尺寸和规格如下：重球的重力是1.5 N，摆的重力是0.2 N，摆的长度是60 mm，等强度梁的有效长度是20 mm、厚度和宽度分别是1 mm 和5 mm。用于FBG 倾斜传感器性能测试的光谱分析仪为SM125 FBG 静态解调器（波长长度分辨率为1 pm，扫描频率为5 Hz，波长扫描范围为1510～1590 nm）。通过角位移控制器调节倾斜传感器的角度，其精度为800°，测量范围为-45°～45°。

3 液压支架姿态监测方案及结果分析

3.1 液压支架姿态监测工作面

工作面煤层平均厚度为2.0 m，煤层倾角小于1°，煤层稳定；底板平坦，为10 m 厚的粉砂岩；煤层顶部为0.4 m 泥岩，为伪顶板；直接顶板为5 m 厚粉砂岩，主顶板为8 m 厚充填砂，属中等稳定顶板。长壁工作面采用一次全高综采的方法，采用综放开采的方法对煤层顶板进行管理。工作面倾斜长300 m，开采长度3596 m。工作面液压支架包括端面液压支架、过渡液压支架和两柱掩护式液压支架。

3.2 液压支架姿态监测程序

在工作面，每10 个相邻工作面选取1 个液压支架作为监测点。在每个监测点，分别在顶梁、底座和液压支架前连杆上安装3 个FBG 倾斜传感器。光纤光栅倾斜传感器通过螺丝固定连接到液压支架上。将传感器安装在屋梁和底座上时，需调整传感器，使其与屋梁和底座的当前角度一致。安装前链路倾斜传感器时，先用水平尺调平倾斜传感器，然后测量并记录前链路的当前角度。

光纤连接跨接器的一端连接FBG 倾斜传感器，另一端连接光纤接线盒中的光纤。与液压支架其他通信线路固定在一起的光缆沿面敷设。光纤电缆连接到工作面入口的FBG 解调器通道，FBG 解调器放置在入口控制站并连接到矿井局域网（LAN）。解调主机设置在调度室内，并与矿用局域网连接，获取光纤光栅解调器的数据信息，客户端显示和处理来自解调主机的数据。

3.3 监测结果分析

连续采集了工作面正常开采时的液压支架姿态10 d。工作面液压支架的平均倾斜角和姿态如图4 所示。由图4 可知，工作面液压支架顶板梁的平均倾角分布在3°～5°；中间区域的屋面梁倾角较大，两端的屋面梁倾角较小。由于工作面中部顶板的地压较大，地压性状更明显，顶板明显下沉。在煤柱和端部液压支架的支撑下，工作面两侧顶板下沉较小。地板的倾斜角分布在-1°和1°之间。底板的倾斜度主要受浮煤量和底板平整度的影响。由于工作面底板较为平坦，硬度较高，因此液压支架底座整体水平倾角较好。通过与电液控制系统记录的立柱伸缩量和光纤传感监测系统得到的结果比较，基本一致，说明该系统的姿态监测原理和监测结果是可靠的。柱长变化趋势与顶梁变化趋势非常相似，说明顶梁倾角对柱的伸缩量有显著影响。

图4 液压支架的姿态

选取各监测站工作期间液压支架的平均姿态结果，如图5 所示。由于覆岩顶板回转，液压支架仰角逐渐增大且随着液压支架工作阻力的增大，对直接顶板的支撑作用逐渐增大，这与液压支架工作阻力的变化趋势一致。在2 h、4 h 和6 h 时，液压支架卸荷工作阻力较大并向前移动，导致顶梁在短时间内旋转，仰角增大。液压支架工作阻力恢复后，顶梁的倾斜角恢复到小角度状态。

图5 工作期间的平均液压支架姿态结果

基于光纤传感技术的液压支架位姿监测系统实现了对液压支架位姿的准确监测，在线展示了支架的工作状态和采场应力场的变化情况。

4 结论

通过监测顶梁、底座和前连杆的倾斜角，可以获得液压支架其他部件的姿态信息。设计了双光束均匀强度的FBG 倾斜传感器；提出了传感器倾斜角度与中心波长变化的关系，并提出了温度补偿和精度补偿的方法；设计了液压支架姿态监测方案，并对监测结果进行了分析。结果表明：工作面液压支架顶板梁倾角基本对称，中部较大，两端较小；基座的倾斜度一般是水平的。通过与电液控制系统记录的立柱伸缩量和光纤传感监测系统获取的立柱伸缩量对比，光纤传感监测系统能够提供准确、全面的液压支架姿态信息。