综采放顶煤液压支架智能控制技术研究

郭 鑫

（山西焦煤集团股份公司西铭矿， 山西 太原 030024）

引言

放顶煤支架是现代煤矿高效综采和安全生产最关键的设备之一，在综合机械化放顶煤开采中起到支护顶板、维护作业空间和推移工作面采煤机以及运输机的作用。鉴于传统的液压支架系统的设计和使用追求的是其静态的支撑能力，根据工作面煤岩体的种类、工作面的深度、工作面煤岩体的破碎情况及工作面的高度等，计算出采取相应的加固措施后的岩土压力，从而决定液压支架的支护强度、支护高度、支护工作阻力等参数，支护参数较为固定，当出现顶板破碎或底板沉陷等特殊情况时，难以及时作出应对，缺乏智能化控制程序，支护系统安全系数较低。本文在分析正常状态下和顶板破碎或底板沉陷时的力学原理的基础上，利用现代单片机技术，设计了一种智能化监测控制系统，嵌入液压支架支护系统中，当遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷时，能实时监测液压支架的支护参数变化，通过远程控制系统及时调整液压支架支护参数，确保工作面稳定，极大提高了支护系统的安全系数。

1 液压支架支护机理力学分析

液压支架工作过程中，液压支架的支护强度是固定的，一般为0.4~0.6 MPa，支架的工作阻力一般为2 000~6 000 kN，最大可以达到10 000 kN[1]，通过顶梁、掩护梁等设备与工作面煤岩体的硬性接触，约束工作面煤岩体的变形，维持工作面煤岩体的整体性，确保工作面煤岩体受力体系稳定。本文使用经典静力学方法，将工作面煤岩体简化为简支梁，通过对工作面煤岩体简化的简支梁受力分析模拟在液压支架正常工作状态下和遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷等特殊情况时工作面煤岩体的受力状态。在正常状态下，工作面煤岩体简化的简支梁上受到均布载荷q，简化简支梁长度L，两端约束，简支梁在L/2 处受到的弯矩最大，最大值为：

式中：q 为工作面处煤岩体受到的均布载荷，kN/m；L为简化煤岩体形成的简支梁长度；m。

在简支梁两端受到的剪力Vmax最大，最大值为:

当遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷时，在缺陷部位形成应力集中，工作面煤岩体不再是一个完整的简支梁，在工作面稳定以后，以缺陷部位为端点，形成两个长度较短的简支梁L1、L2，如图1 所示。

图1 顶板破碎、底板塌陷状态下力学模型图

由图1 可知，当遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷，工作面应力重新分布并形成稳定的受力体系后，在新形成的简支梁L1、L2的1/2 处存在弯矩峰值，在简支梁L1、L2的两端形成较大的剪应力，煤岩体是一种脆性较大的材料，容易受到剪力的影响产生破断，在梁L1、L2的端点和破碎点容易发生剪切破坏。煤岩体各向异性、结构复杂，煤岩体内节理发育，在外力作用下，内部结构极易遭到破坏而呈碎块状崩开散落，甚至在短时间内产生崩解现象。传统的液压支架支护系统根据工作面煤岩体的种类、工作面的深度、工作面煤岩体的破碎情况、工作面的高度等计算出支护强度、支护工作阻力、支护高度后，采取留有一定裕量的措施确保工作面煤岩体简支梁受力体系的完整和稳定。支护强度、高度和工作阻力等支护参数经计算确定后，一般不再作出调整，是一种静态的封闭体系，当遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷时，支护系统难以及时反应，支护效率不高，支护稳定性差，当遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷时，容易在顶板破碎或底板塌陷部位破坏顶板简支梁完整性，形成应力集中，降低液压支架支护系统安全系数，严重时可以使顶板煤岩体崩解失稳，造成冒顶片帮事故。

2 智能化液压支架支护系统设计原理

在传统的液压支架支护体系中，主要考虑支护体系的承载需求，设计原则是根据工作面所处地质条件、煤岩体的种类、工作面埋深等计算液压支架支护强度、支护工作阻力等支护参数并留有一定裕量，当遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷等特殊情况时，传统液压支架支护系统也应满足承载能力要求，但传统的液压支架支护系统也存在明显的缺点，例如传统的液压支架支护系统不能辨识工作面顶板破碎或底板塌陷的特殊情况、不能根据工作面现场遇到的特殊情况采取针对性措施、不能及时向工作人员反馈工作面遇到的特殊情况。当遇到顶板煤岩体持续破碎崩解时，传统的液压支架支护系统难以采取有效措施且不能及时反馈顶板岩层破碎信息，当顶板岩层破碎严重时，可能产生冒顶、塌方、片帮等生产事故[2]。

为了解决传统液压支架支护体系的短板，研究人员利用单片机技术，在原有支护系统中嵌入一套集监测、信号转换、实时控制等智能化液压支架监控系统，以期当遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷等特殊状况时，监控系统能及时收集、反馈实时信息，控制中心工作人员根据监测信号及时调整液压支架支护参数，确保工作面煤岩体简支梁受力系统的稳定，保证作业安全。与PLC 技术类似，智能化液压支架支护系统的组成包括输入模块、输出模块、通信模块和控制模块，如图2 所示。

图2 智能化液压支架监控系统组成模块

输入模块是带有监测功能的可编程逻辑控制器，它可以实时监测工作面支护系统的支护强度、支护工作阻力、支护高度等支护参数，当遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷时，输入模块将监测到的信息传输给控制模块，控制模块根据遇到的特殊情况将控制动作信号传递给输出模块，利用信号转换器转换成电信号控制液压支架动作。在正常工作状态下，智能化液压支架支护系统与传统的液压支架支护系统相似，能够满足工作面承载能力要求，当遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷时，智能化液压支架支护系统能及时识别这种特殊情况并判断是否超过预警值，当顶板破碎超过预警值时，可以通过控制模块及时调整工作面支护系统的支护强度、支护工作阻力、支护高度等支护参数；当工作面煤岩体持续破碎超过极限值时，系统控制警报装置发出声光报警信号，通知作业人员撤出工作面，避免出现安全生产事故。

智能化液压支架支护系统的关键技术是利用单片机技术，在输入模块中预先设定预警值和确保安全生产的极限值，当转换后的输入信号达到预先设定的预警值或安全极限值时，输出模块输出相应的报警信号或紧急信号，工作人员根据输出信号作出相应的动作，保证安全生产。预警值和安全极限值的确定一般通过统计方法得到，通过广泛地采集正常状态下和特殊状态下液压支架的支护参数，并分析其变化规律，从而确定输入模块的预警值和安全极限值，当监测数值达到预警值或极限值时，警报设备能及时输出预警信号或紧急信号。在本文的研究背景中，正常生产条件下，连续采集300 个工作日液压支架的支护高度、支护工作阻力等支护参数，确定矿井液压支架的预警值[3]。

3 智能化液压支架支护系统的应用

实验室条件下，模拟工作面煤岩体情况进行智能化液压支架支护系统和传统液压支架支护系统支护能力对比试验，测试两者在正常工作状态和遇到顶板岩层持续破碎或底板塌陷时的工作状态。选用两台ZY4000/13/28/型掩护式液压支架，其中一台嵌入以单片机技术实验参数为工作阻力6 400 kN、初撑力6 184 kN、支撑高度1.6 m、中心距1.5 m、支护强度0.85 MPa，利用计算机模拟工作面煤岩体顶板破碎压力值和底板沉陷沉降值。在模拟顶板岩层破碎过程中，初始压力为6 000 kN，预警值为6 500 kN，极限值为7 000 kN，每次增加100 kN，模拟液压支架工作时的正常状态和工作面顶板持续破碎状态，实验共进行30 次。结果表明，随着工作面顶板压力的增加，当模拟压力达到预警值时，智能化液压支架支护系统开始控制液压支架调整支护工作阻力，当顶板压力达到极限值时智能化液压支架和传统液压支架同时出现机械故障，智能化液压支架系统及时控制警报设备发出声光报警信号。在模拟底板沉降过程中，设置初始沉降值为40 mm，预警值为80 mm，安全极限值为100 mm，实验过程中沉降值每次增加5 mm。结果表明，随着沉降值的增加，当模拟压力达到预警值时，智能化液压支架支护系统开始控制液压支架调整顶梁和掩护梁高度；当底板沉降值达到安全极限值时，智能化液压支架系统及时控制警报设备发出声光报警信号，传统的支架系统始终保持架设时的初始设置值，不能根据工作面具体情况调整支架高度。

上述模拟实验表明，在正常工作状态下，传统液压支架支护系统和智能化液压支架支护系统都可以满足工作面岩土压力承载要求；在工作面顶板持续破碎或底板沉陷条件下，智能化液压支架支护系统可以及时识别工作面变化，通过预先设置的预警值和极限值，辨识顶板破碎或底板沉陷的工作条件，并控制智能化液压支架及时采取相应动作；而传统的液压支架支护体系不能根据现场的工作条件及时调整支护强度、支护工作阻力及支护高度等支护参数。

4 结语

1）简化液压支架支护系统为简支梁受力体系，正常工作状态下，最大剪应力出现在简支梁的两端；当遇到顶板持续破碎或底板沉陷时，液压支架不能发挥支护作用，最大剪应力出现在简支梁的两端和断点处，在断点处形成应力集中，降低支护系统的安全系数。

2）智能化液压支架支护体系在传统的液压支架支护体系中嵌入智能监测控制系统，当顶板煤岩体持续破碎或底板沉陷超过预警值时，能及时识别并控制液压支架系统调整支护工作阻力、支护强度及支护高度等支护参数。

3）通过模拟实验表明，在正常工作状态下，传统液压支架支护系统和智能化液压支架支护系统都可以满足工作面岩土压力承载要求；在工作面顶板持续破碎或底板沉陷条件下，智能化液压支架支护系统具有更好的适应性和安全性。