煤矿井下液压支架姿态监控系统的研究

林新元

（阳泉煤业集团翼城东沟煤业有限公司， 山西 临汾 041000）

引言

由于煤矿井下地质条件复杂，为了确保煤炭综采作业的安全性，在综采面需要设置大量的液压支架实现对顶板的可靠支护，防止出现顶板垮塌事故，但是由于在各种矿压波动或者综采作业扰动作用下，会导致液压支架的支护状态出现变化，会对支护安全产生一定的影响，目前各煤矿主要采用了人工巡查的方案确保各液压支架的支护安全性，但采用人工巡查的方式不仅效率低、巡查质量差，而且还存在着较大的危险性[1]。因此本文分析一种新的液压支架姿态监控系统。

1 液压支架姿态监控系统

该液压支架的姿态监控系统整体结构如图1 所示，其主要包括了地面远程监测中心、榫槽远程监控中心、井下综采监控中心和传感器监视模块[2]。

图1 液压支架监测控制系统结构示意图

传感器监视模块主要包括了惯性测量系统、倾角传感器测量系统、液压支架姿态监测系统以及液压支架姿态调节系统，利用各类传感器设备对液压支架工作过程中的位置、倾角和姿态信息进行监测，将监测结果和理论支护姿态进行对比，计算出各部位的偏差量，然后通过液压支架姿态调节系统对液压支架的支护姿态进行调整，使其满足理论支护状态的支护要求。液压支架姿态调整系统通过数据通信网络和地面上的监控中心连接，使监控中心能够直观的监控到各液压支架的支护状态，同时能够实现对井下液压支架支护状态的远程调节。

2 姿态监测系统传感器的设置

液压支架姿态监测系统中，各类传感器设置位置的合理性直接关系到对液压支架支护姿态监控的准确性，在通过多次现场实际模拟，最终确认了各传感器安装位置及安装注意事项。

倾角传感器的安装位置如下页图2-1 所示，在液压支架顶梁的内侧、液压支架底座的前端以及液压支架后连杆的内侧均设置一个倾角传感器，用于测量传感器顶梁、机身以及底座的倾角、起抬高度。由于煤矿井下地质环境复杂，因此对各倾角传感器监测结果应统一为一个标准的坐标系（oxyz），其中x轴的方向和液压支架的移架方向一致，z 轴和液压支架的支护高度方向一致，y 轴则垂直于液压支架移架方向，各个传感器的测量的标的x、y、z 方向应分别和oxyz 坐标系的各轴方向一致[3]。

液压支架的姿态惯性监测体系主要依赖于布置在液压支架上的惯性测量单元，通过对液压支架支护过程中姿态变化趋势的分析，确定在液压支架顶梁的内侧和液压支架底座的前侧分别设置两组惯性测量单元，其布置位置如下页图2-2 所示，该体系内包括了液压支架的测量坐标系oxbybzb以及参考坐标系oxnynzn，测量坐标系随着由于支架支护姿态的变化而变化，而参考坐标系以区域内的地心为原点，在整个过程中不会发生改变[4]。

3 液压支架姿态监测结果分析

图2 液压支架姿态监测传感器安装位置示意图

为了对该液压支架支护姿态监测系统的监测准确性进行分析，分别选取4 组液压支架，对其实际状态、监测状态进行的差异性进行分析，为了确保测量结果的准确性，每组液压支架均进行3 次测量[5]，结果如表1、表2 所示。

由表1 可知，该液压支架监测系统对支架的支护高度监测精度可达20 mm，远超人工调节的精度，完全可满足对井下液压支架自主调整控制的需求。

由表2 可知，该液压支架监测系统对支架顶梁俯仰角的监测精度可达0.16°，远超人工调节的精度，完全可满足对井下液压支架自主调整控制的需求。

4 结论

1）该液压支架的姿态监控系统主要包括了地面远程监测中心、榫槽远程监控中心、井下综采监控中心和传感器监视模块，能够实现对煤矿井下液压支架支护姿态的精确监控；

2）将液压支架的倾角传感器分别设置到液压支架顶梁的内侧、液压支架底座的前端以及液压支架后连杆的内侧，将惯性测量单元分别设置在液压支架顶梁的内侧和液压支架底座的前侧，能够实现对液压支架支护姿态的全方位监控；

表1 液压支架支护高度监测结果汇总表

表2 液压支架顶梁俯仰角监测结果汇总表

3）液压支架在高度方向上的监测误差约为20 mm，对顶梁俯仰角的监测误差约为0.16°，完全可以满足井下液压支架姿态精确监控的要求，极大提升了煤矿井下的支护安全性。