浅析大采高智能化液压支架关键技术应用

曹哲哲，李 川，高小虎，杨 波，肖 曲

（陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727307）

0 引言

为了进一步推动国产大采高智能化综采技术水平，提升智能化装备能力，加快矿井安全、高效、少人化生产，实施大采高智能化开采技术势在必行［1-4］。在实施大采高综采智能化工作面的过程中遇到很多困难，随着薄煤层、中厚煤层智能化开采技术的研究及成功应用，并最终实现大采高智能化综采工作面的常态化运行，总结经验并为类似开采技术提供经验显得尤为重要。因此，选取大采高智能化综采工作面在调试过程中液压支架自动跟机的关键技术进行介绍。

1 液压支架全工作面自动跟机工艺

黄陵矿业公司二号煤矿大采高工作面液压支架自动化控制的主要目标是实现工作面液压支架电液控制系统跟机自动化与采煤机记忆截割相结合的高效自动化采煤模式［5-8］。在大采高工作面，地质条件极其复杂，三角煤区域不仅需要考虑支架移架、推溜和护帮等动作，还需兼顾护帮板及端头超前支架动作速率［9-13］。经黄陵矿业公司二号煤矿与天玛公司研发人员深入生产一线，多次讨论交流开采经验，在工作面SAC电液控制系统的基础上，深入研究井下实际采煤工艺及工人操作方式，得出大采高智能化综采工作面液压支架自动跟机工艺。

由实际情况分析可知，大采高智能化综采工作面液压支架自动跟机工艺具有5个方面的提高。主要体现在，优化了SAC电液控制系统跟机自动化执行阶段，单个端头三角区跟机作业仅划分为4个阶段，阶段之间的转换点和区域灵活性大幅增强。参照人工操作流程和习惯，调整跟机移架距离，有效提升了机身范围内顶板支护效果。在斜切进刀段安装慢速逻辑推移阀，精准控制斜切进刀段支架推溜动作，减小了弯曲段支架行程控制误差，实现了煤机进刀过程的缓慢过渡，降低了设备的损耗。按照采煤作业规程，最大限度压缩斜切进刀距离，缩小采煤机回刀范围，节省三角煤区域作业时间，提高了生产效率。端头支架采用遥控式方式进行就地干预。

2 顶板破碎条件下液压支架特殊工艺

根据黄陵矿业公司二号煤矿416大采高综采工作面围岩矿压显现特征及现场情况，工作面顶板破碎、煤层片帮及底板软弱是工作面智能化开采中突显的重点问题，针对此特殊问题对液压支架的特殊工艺进行研究，需研究工作面顶板破碎条件下液压支架特殊工艺。

针对工作面顶板破碎区域进行提前预知（感知、视频等手段），通过液压支架超前拉架（相对自动跟机情况下液压支架提前进行拉架操作）的方式完成对工作面顶板破碎条件下的智能化处理，并形成自动跟机的顶板破碎条件下液压支架特殊工艺。其顶板破碎条件下液压支架特殊工艺，如图1所示。第1工序首先确定工作面顶板破碎区域对应的液压支架号数范围，从起始架开始进行拉架操作；例如：顶板破碎区域为87#～96#架（416工作面架间距为1.75 m；采煤机机身长度为21 m，也即12个支架距离），共计10架范围。第2工序为确定超前拉架起始架号，超前拉架后支架位置比正常工序多1个工序，处于已拉架状态，根据顶板破碎情况，最终确定拉半个推移行程或者全推移行程；例如，采煤机行程到86#架后，从第87#～96#架开始拉架，拉架行程为960 mm，确保顶板破碎区域可以智能化开采。第3工序为确定超前拉架起始架号，超前拉架后支架位置比正常工序多1个工序，处于已拉架状态，根据顶板破碎情况，最终确定拉半个推移行程或者全推移行程；例如：采煤机行程到86#架后，从第87#～96#架开始拉架，拉架行程为960 mm，确保顶板破碎区域可以智能化开采。

3 煤壁片帮条件下液压支架特殊工艺

针对工作面煤壁片帮区域进行提前预知（压力感知、视频监测等手段），并通过液压支架压力传感器和行程传感器的方式完成对工作面煤壁片帮条件下的智能化处理，并形成自动跟机的煤壁片帮条件下液压支架特殊工艺。煤壁片帮条件下液压支架特殊工艺，如图2所示。

为了实现大采高工作面煤帮与液压支架护帮板的自适应控制，一般选择控制一级护帮板，二级护帮板通过双向联动液压锁实现自适应联动控制，从而保证割煤过程中煤壁能够得到及时支撑，从而实现防片帮控制。因此，如何实现液压支架护帮板精准控制就是如何实现一级护帮板的精准控制。

3.1 煤壁片帮条件下液压支架特殊工艺原理

工作面每个支架上均安装接近开关、压力传感器、行程传感器、支架控制器；接近开关、压力传感器、行程传感器分别与支架控制器进行通讯连接；工作面上支架控制器相互通讯组成通讯网络。

接近开关用来检测液压支架护帮板是否完全收回，并将此信息通过通讯发送给支架控制器，在采煤机运行过程中，可以感知采煤机前滚筒附近液压支架护帮板的收回状态，若液压支架护帮板没有完全收回，支架控制器控制液压支架护帮板自动收回，直到接近开关检测到液压支架护帮板完全收回结束该动作；若在规定的时间内液压支架护帮板没有完全收回，支架控制器通过通讯网络向工作面报送故障预警，提醒采煤机操作工人采煤机前滚筒附近液压支架护帮板出现故障，从而避免采煤机和液压支架发生碰撞产生事故。

工作面液压支架护帮板处于支护煤壁状态时，压力传感器可以用来感知液压支架护帮板对煤壁的支护效果，并将此信息发送给液压支架控制器，如发现本架护帮板支护压力没有达到规定压力则根据设定压力自动进行护帮板动作，保证护帮板对煤壁的支护完好，有效防止大块煤垮落对生产设备和人员产生危害。

当采煤机运行到支架附近时，支架控制器根据行程传感器检测的护帮板收回行程值对液压支架护帮板动作进行精确控制，采煤机前滚筒前方距离最近的液压支架护帮板自动完全收回，采煤机前滚筒前方的其它支架按递减的方式依次自动收回不同的行程。现有工作面由于不能对液压支架护帮板收回行程进行精确控制，采煤机前滚筒前方的液压支架护帮板收回一般采用两种方式，一种为只有一个支架护帮完全收回，一种为有多个液压支架护帮板完全收回。采用第一种方式时护帮板收回效率较低，影响采煤机运行速度和采煤效率，采用第二种方式时采煤机前滚筒前部会有多个液压支架前的煤壁处在完全没有护帮板支护状态，此时有大块煤垮落极易造成设备损坏和人员伤亡。以下所述的液压支架护帮板阶梯收回的方式克服了两种方式的缺点。

3.2 煤壁片帮条件下液压支架特殊工序

在大采高工作面多级护帮板伸出动作时，支架控制器的自动执行顺序为：伸出一级护帮板→伸出二级护帮板。行程传感器实时检测一级护帮板的伸出行程值并报送给支架控制器，当一级护帮板伸出行程值达到设定时开始伸出二级护帮板；若一级护帮板伸出保护时间到达而一级护帮板伸出行程值没有达到时，禁止二级护帮板伸出动作，并发出一级护帮板伸出故障警告，防止发生多级护帮板动作干涉事故。图3为基于煤壁片帮的液压支架自动跟机工艺示意图。

在大采高工作面多级护帮板收回动作时，支架控制器的自动执行顺序为：收回二级护帮板→收回一级护帮板。行程传感器实时检测二级护帮板的收回行程值并报送给支架控制器，当二级护帮板收回行程值达到设定时开始收回一级护帮板；若二级护帮板收回保护时间到达而二级护帮板收回行程值没有达到时，禁止一级护帮板收回动作，并发出二级护帮板收回故障警告，防止发生护帮板干涉事故。

图3 基于煤壁片帮的液压支架自动跟机工艺示意图

4 底板软弱条件下液压支架特殊工艺

4.1 特殊工艺

针对工作面底板软弱区域进行提前预知（感知、视频等手段），通过液压支架多次降架模拟人工操作的方式完成对工作面底板软弱条件下的智能化处理，并形成自动跟机的底板软弱条件下液压支架特殊工艺。底板软弱条件下液压支架特殊工艺，如图4所示。

图4 底板软弱条件下液压支架特殊工艺

顶板破碎条件下液压支架第1工序为支架控制器执行自动移架程序中的降柱步骤；预设首次降柱时间、再次降柱时间和可移架压力，进行首次降柱动作，首次降柱时间结束时，如果立柱压力小于等于可移架压力，则降柱动作结束，否则进行再次降柱动作，当再次降柱时间结束时降柱动作结束；预设的首次降柱时间为T1（0.5～5 s），再次降柱时间为T2（0.5～5 s），可移架压力为P1（0～20 MPa）。

第2工序为降柱动作结束后，液压支架执行移架；预设移架动作时间和暂停行程，同时并行进行抬底动作和移架动作，即抬底动作开始时间和移架动作开始时间相同，抬底动作结束时间和移架动作结束时间相同；当液压支架移架到达暂停行程时，移架动作暂停一段时间，抬底功能一直保持，使得支架高度逐步增高，使得支架架脚在移架过程接触不到底板；当移架动作时间结束时，抬底动作和移架动作结束；预设的移架动作时间为T3（5～120 s）；移架动作每次暂停的时间为T4（0.5～2 s）。第3工序为抬底动作和移架动作结束后，开始执行升柱动作，升柱完成后，整个自动移架过程结束。

4.2 现场实例

黄陵矿业公司二号煤矿416工作面的现场实例如下，其中T1=3 s，T2=2 s，P1=8 MPa，T3=10 s。

第1工序中的降柱是否达到降柱效果通过压力表检测的柱与顶板的压力来判断，降柱若未达到预期降柱动作效果，使降柱没有达到程序预定的降柱幅度；程序开始实行再降柱过程直至降柱达到预期效果。在实际情况下，一次降柱可能达不到预期降柱效果，因此需要通过“再降柱”功能减小液压支架的降柱高度，使得液压支架抬底时能将液压支架抬的更高，达到预期降柱动作效果。

第2工序中移架动作的暂停行程由参数暂停次数控制，如果暂停次数为N次，则将移架全行程平均分为N+1段行程，当液压支架移架至每相邻两段行程之间的位置时移架动作暂停一段时间。液压支架移架全行程为960 mm，若暂停次数设为一次，则暂停行程为480 mm，即液压支架从960 mm处移架至480 mm时移架动作暂停一段时间；若暂停次数设为两次，则暂停行程分别为640 mm和320 mm。实际使用中，暂停次数为3次，将移架全行程平均分为4段行程，液压支架移架至每相邻两段行程之间的位置时移架动作暂停一段时间，即暂停行程分别为720 mm、480 mm和240 mm，每次暂停时间T4=1 s。

第3工序中当预设的移架动作时间结束时，不管移架动作有没有将全行程走完，都要停止移架动作，即使移架没有将960 mm全行程走完，抬底动作和移架动作也必须停止，这样才能保证后续的工序能够正常进行，不会耽误整体进度。

将抬底和移架动作并行进行，即在抬底的同时进行移架，或者说移架的过程中一直进行抬底动作，一边抬底一边移架，增强了抬底与移架的配合，同时，在移架动作过程中增加移架动作暂停过程，移架动作暂停期间抬底动作继续进行，以保证移架行程结束时抬底动作能进行足够的时间，以保证液压支架上升至足够的高度，整个移架过程结束后，使整个液压支架移架形成上阶梯的过程，这种方法使得液压支架高度逐步增高，使得液压支架架脚在移架过程中接触不到底板，有效地解决了底部破碎情况下液压支架移架过程中架前堆煤的问题，可以满足井下工作面使用的要求。

5 结语

重点围绕黄陵矿业公司二号煤矿大采高智能化综采工作面液压支架工艺进行研究。提出了大采高智能化工作面顶板破碎条件下基于超前拉架智能化处理的液压支架特殊工艺；介绍了大采高智能化工作面煤壁片帮条件下基于压力传感器和行程传感器的液压支架特殊工艺。提出了大采高智能化工作面底板软弱条件下基于多次降架模拟人工操作的液压支架特殊工艺；介绍了大采高智能化综采工作面采煤机与液压支架高效协同工艺。总结了大采高智能化液压支架自动跟机技术的经验，为类似开采技术提供了经验参考。