液压支架护帮板与采煤机滚筒截割干涉监测系统设计与实验研究

王克勤

（山西乡宁焦煤集团通合煤业有限公司， 山西 临汾 042100）

引言

在采煤机械中，液压支架的护帮板是整个液压支架结构中不可或缺的一部分，它的作用是防止煤矿井下发生片帮事故。如果液压支架护帮板在采煤机到来之前没有回收，综采设备在工作面进行采煤时，会发生护帮板和采煤机滚筒的截割事故。文中提到的截割干涉实际上是指液压支架护帮板与采煤机滚筒在同一空间位置相遇的危险情况[1]。如果发生上述情况采煤机与液压支架等相关采煤设备都将受到不同程度的损坏，严重时甚至影响整个工作面的开采。

1 液压支架监控技术研究现状

截至目前，国外对液压支架监控技术的研究主要有两个方面，一是液压支架的稳定性，二是电液控制。其中，美国学者对工作面支护设备顶底板的相互作用进行了研究，并从动力学和运动学的角度详细分析了支护的稳定性，得出了一种使机构增加约束的手段，从而增加了液压支架稳定性，这也延长了液压支架的工作寿命。

国内众多学者在这些方面都取得了不错的科研成果，如中国矿业大学的张霖将液压支架的位置监测以及机构自身调整等技术深入研究整合到一起，形成了一套完整的支架自主控制体系；中国矿业大学的徐西华发现支架电液控制系统监测功能尚不完善，从而研制出了一种多传感融合的液压支架监测系统；太原理工大学的朱殿瑞等人通过对液压支架各种形态进行多角度分析，得出了一套完整的液压支架监测理论。

2 液压支架护帮板与采煤机滚筒截割干涉监测系统总体设计

在煤矿井下多设备协作采煤的过程中，主要考虑的是液压支架护帮板和采煤机滚筒截割的干涉监测，它是井下回采工作面连续安全生产的重要前提。如果要开展护帮板与滚筒截割的干涉状态相关研究工作，有必要设计出一套完整的监测系统。

2.1 综采装备结构及协同工作过程

“三机”实际上是指采煤机、刮板输送机和液压支架，它们的具体工作是采煤机截煤、刮板输送机运煤、液压支架支护[2]，三者相辅相成共同完成综采工作面的回采工作。

目前液压支架是国内普遍应用的井下支护设备，它通过对煤层顶底板的支护，来为井下作业人员建立安全的工作环境。但是，液压支架的结构特点和支护方法不尽相同，常见的有支撑式、掩护式和支撑掩护式。虽然它们的结构有差异，但是它们在井下的工作原理是很相似的。一般液压支架的组成部分有三种，分别是机械结构、液压驱动装置以及电液控制系统。

采煤机是煤矿井下综采工作面的重要采煤设备。同样，采煤机的种类也有很多，针对驱动形式的不同可以细分为液压牵引、机械牵引和电牵引；同时，针对结构组成不同，又可以分为滚筒式和钻削式。如今国内市场主要流行双滚筒电牵引式采煤机，它的主要组成部分有截割部、牵引部、液压系统、电气控制系统和辅助设备等。

“三机”配套的井下具体工作安排是将采煤机放置在刮板输送机之上，工作时采煤机会跟随刮板输送机的轨道进行割煤，同时割掉的落煤会被刮板输送机装载并运至地面，液压支架则是在采完煤之后完成护帮支护工作，从而使得工作面能够推进。

2.2 液压支架护帮板与采煤机滚筒截割干涉发生机理

护帮板的主要作用就是完成煤壁的支护工作，其结构如下页图1 所示，液压支架护帮板安装在液压支架前梁的端头处，它可以通过前后的移动来控制护帮板与煤壁之间的间距，同时还能够改变护帮板的倾角大小。

图1 护帮结构示意图

由于井下工作面的工作环境恶劣，液压支架常常会因为油路阻塞、机械故障等原因，使得液压支架前梁的回收距离达不到预期，亦或是回收护帮板时回收的角度大小不够，就会出现液压支架护帮板与采煤机滚筒发生截割干涉，此时工作人员必须及时采取一定的措施，如果采煤机滚筒抵达液压支架的护帮板处，就会产生井下安全事故。

2.3 监测系统的设计

上述井下安全事故发生的实质就是两种设备在工作时由于没有协调好，使得某个部分在同一位置发生碰撞，所以，为了达到对截割干涉状态的监控目的，需要实时了解滚筒和护帮板的相对空间位置信息。本文针对液压支架护帮板和采煤机滚筒设计了一套截割干涉监测系统，这种监测系统是在机器视觉技术的基础上来推算护帮板的位置，采用PLC 控制器来获取采煤机的位置信息与截割的深浅，采用液压支架电液控制系统，获取液压支架的推动距离和支架高度，从而建立滚筒与护帮板的空间相对位置模型，来实现截割干涉状态的监控效果。

3 实验研究

3.1 实验总体设计

在液压支架的护帮板处设置监控摄像头，主要作用是对护帮板的图像进行收集；将位移传感装置与角度传感装置设置在伸缩前梁处；其他的支架信息以及采煤机的信息就由数据网络输送到远程监控中心进行处理。

远程监控中心的具体工作则是在接收信息后，针对护帮板的监控录像进行图像增加、相关要素的提取以及具体位置的推算工作，将实验推算出的护帮板的位置情况以及支架的情况、采煤机滚筒具体信息进行空间相对位置模型的建立，从而验证截割干涉监测系统的具体效果，具体流程如图2 所示。

图2 实验总体流程图

3.2 实验方案

本次实验总共分成两个步骤，首先就是收集液压支架护帮板的位置信息，其次对收到的护帮板位置信息进行数据处理。实验步骤如下：

3.2.1 液压支架护帮板位置信息的收集工作

工作人员将护帮板的倾角大小进行调整，将角度调整到90°。操纵前梁的千斤顶，让护帮板的移动距离慢慢从0 变成0.06 m。在工人调整护帮板的时候收集监控图像，与此同时通过位移传感装置以及角度传感装置来对护帮板的位置及倾角大小信息进行收集。

3.2.2 实验位姿信号处理

为了验证本次实验的效果，将收集到的护帮板监控图像进行筛选，然后进行每张图像的均衡化以及同种形态滤波的图像强化工作，并且与本文实验推测的结果进行对比。然后在收集到的护帮板位置信息数据中自由选取40 组，并且对选取的每一组数据进行图像增加、相关要素的提取以及具体位置的推算工作，由此就可以得到理论的护帮板位移距离大小以及倾角的大小，如图3 所示，同时将所得结果与传感装置收集的数据进行对比，达到验证的效果。

图3 护帮板与滚筒的相对位置模型

在本次实验中，针对护帮板监控图像进行了图像增强、相关要素的提取以及具体位置的推算工作，从而得到液压支架护帮板与采煤机滚筒之间的截割干涉状态。当采煤机靠近液压支架时，如果液压支架护帮板与采煤机滚筒之间的截割干涉相对安全，则不会受到监控和警告；如果上述的状态变得紧迫，那么采煤机就会收到立即减速的指令；如果上述的状态变得危险，那么采煤机会立即停止工作等待工作人员检查，实现截割干涉的监测目的[3]。

4 结语

液压支架和采煤机都是综采工作面生产过程中的重要设备，当它们与刮板输送机共同完成采煤工作时产生的截割干涉情况无时无刻不危及煤矿井下的安全生产工作，同时它又是制约煤矿井下智能化发展的重要因素。因此针对液压支架护帮板与采煤机的截割干涉展开监测工作是非常有意义的，其不仅可以使综采工作面的工作人员避免由于设备损坏造成的伤害，还能推动井下智能化开采技术。