煤矿智能化发展背景下高端液压支架检测认证研究

康迎春，马 强

(1.安标国家矿用产品安全标志中心有限公司，北京 100013；2.煤炭科学技术研究院有限公司，北京 100013)

传统高端液压支架是指应用于高产高效工作面的液压支架，具有先进的设计理念、高可靠性、高支护质量、采用高强度焊接材料等特点，其试验寿命超过30000次工作循环[1]。随着煤矿智能化发展部署的落地，倒逼煤炭行业改变了对传统高端液压支架的认知，在已有特点的基础上提出了支架跟机自动化、自适护帮、自动补压、支架-围岩耦合自适应、支架姿态精准控制、智能姿态感知等一系列的新特点[2]。液压支架产品可靠性、动作准确性以及与其他设备的配合性等性能指标的好坏直接影响煤矿智能化能否实现。然而，我国液压支架行业依然存在产品质量参差不齐的现象，对于我国智能矿山建设和整体技术水平的提升非常不利。目前我国液压支架认证标准以国家标准GB25974.1-2010为基础，配合特殊支架行业标准一起使用，这些标准起草时间较早，评价指标偏向于产品认证的准入门槛，已无法满足煤矿智能化发展对高端液压支架的检测认证需求。特别是在智能化背景下的高端液压支架产品认证，目前仍处于标准不一、认知不全的阶段，为了适应煤矿智能化升级的需求，安标国家中心以先进标准为评价依据，鼓励企业生产品质高于普通产品的认证类型，引导产品向高端智能化的方向发展，从而促进产业升级，推动产品高质量进步。

因此在检测认证领域，与传统液压支架相比，高端液压支架在认证理念、项目、认证标准及试验方法等方面存在较大的提升空间。煤矿智能化背景下的高端液压支架是指用于智能化高效开采工作面的高可靠性液压支架(型式试验复合加载次数30000次以上)，设计理念充分考虑智能化、围岩耦合的需求，采用先进设计方法，具有高支护质量，具有先进加工工艺及先进制造技术，采用高强度材料，选用与之配套的高标准、高可靠性配套件(包括阀、立柱、千斤顶、软管、传感器等)，批量生产支架的质量管控措施与样机一致，成套支架采用高端液压支架认证模式进行认证，技术指标符合智能化工作面需求，功能完备，达到行业先进水平。

为了进一步推动高端液压支架技术发展，本文在煤矿智能化发展的背景下，在对国内外产品认证现状分析研究的基础上，探讨建立适合我国液压支架产品的高端产品认证模式，该认证区别于传统的“门槛”认证，要体现出产品的高技术、高标准、高品质，进而研究煤矿智能高产高效工作面对高端液压支架认证的新需求，创新新的认证标准及模式，以期对我国煤矿用液压支架认证标准的修订及认证模式的改进提出有意义的建议，为煤矿智能化稳步发展提供检测认证技术支撑。

1 煤矿智能化发展现状

煤矿智能化是5G、大数据、物联网、人工智能等新一代信息技术与煤矿采、掘、机、运、通等全生产工艺流程的深度融合，是我国煤炭行业第四次重大技术变革[3]。2020年2月，国家发展改革委等八部委联合印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，明确了煤矿智能化发展目标和任务；2020年9月召开的全国煤矿智能化现场推进会进一步明确提出了加快推进智能化煤矿建设的要求，全面推动了我国煤矿智能化发展[4]。这一变革将改变煤矿以人工为主的集约化传统工作模式，向着少人化、无人化的方向发展，为推动这一进程，煤炭行业已加大相关技术及配套设备的科研投入，努力提升科研水平。经过多年发展，我国已形成了薄煤层和中厚煤层智能化无人操作、大采高煤层人-机-环智能耦合高效综采、综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤、复杂条件智能化+机械化4种智能化开采模式，基本满足了智能化初级阶段发展需要[3]。

煤矿智能化的实现主要依靠各机械设备在控制系统、感知系统的控制下稳定可靠的运行，以实现智能开采的常态化运转。各系统或设备中的任意一个环节出现偏差都会产生系统性的影响，尤其是受到工作面环境复杂多变、多系统耦合的制约[5]，例如传感器系统的数据采集精度、传输准确性，液压支架等机械设备的执行精准度、可靠性都无法得到长期有效的延续，类似问题都将影响煤矿智能化进程的平稳的推进。

由此可以看出，液压支架作为煤矿综采工作面的重要设备、工作面快速、高效推进的重要环节、顶板有效支护的唯一装备，在进行认证时，不能再将其视为一个单体进行考虑，而是需要将液压支架检测认证评价与智能化需求紧密结合，进一步延伸高端液压支架认证模式及标准。

2 国内外高端液压支架认证差异分析

2.1 高端液压支架认证国内外现状

2.1.1 国内认证现状

高可靠性采掘装备是实现工作面自动化、智能化开采的基本保障，高端液压支架现代设计理论、材料、关键元部件及其先进制造技术和试验检测技术的新突破将大幅提高国产高端液压支架的产业化水平[1]。智能矿山技术的发展为高端液压支架发展提供新的契机，我国高端液压支架已应用于薄煤、中厚煤层、大采高煤层智能化工作面。在认证方面，根据国家煤矿支护设备检验检测中心近十年数据统计，高端支架认证项目包含有一般要求、操作性能、密封性能、支护性能、适应性能、让缩性能、结构强度及耐久性能[6]，耐久性能试验次数合计在30000～60000次循环之间。

2.1.2 国外认证现状

与国内相比，国外煤矿开采水平呈现两极化特点，俄罗斯、印度、土耳其等国家仍处于人工采煤或自动化采煤的初始阶段，而美国、澳大利亚等发达国家依靠先进的技术优势、高效的开采效率以及良好的管理机制，较早进入自动化开采研究的阶段，并且将进一步提升设备可靠性和系统自动化作为重要的发展方向[7]。在认证方面，国外大多在欧洲标准EN1804.1、美国Cansol标准基础上制定企标，以满足不同区域、不同矿区对液压支架的检测认证需求，其特点有：①认证项目的试验方法更加接近于实际应用工况；②耐久性能试验次数一般在60000次以上循环加载；③认证项目不局限于增加循环加载次数，通常认证公司从产品设计、过程监检、型式试验等全流程深度参与，最终形成一套详尽的评估材料，提供给煤矿业主。

2.2 认证管理差异分析

液压支架认证方面，世界主要产煤国均建立了符合本国行政管理要求和各自煤炭工业发展特点的较为完善的采矿设备安全准入管理体系，但我国与美国、澳大利亚、俄罗斯、印度等国外主要产煤国家都存在一些差异，见表1[8-11]。

表1 国内外液压支架设备认证管理对比

2.3 认证标准及检验方式差异分析

国内外在高端液压支架检测认证方面的差异主要有：①设计相关，不仅在产品设计阶段给予设计改进、工艺改进的建议，在认证后还会结合认证过程中的故障点或发现的问题向生产企业提供设计改进的建议；②过程控制方面，认证时煤矿业主会委托专门的认证或监理公司对产品重要原材料或配套件(如进厂验收等)、加工过程(如超声波探伤、尺寸检查等)、整机出厂(如整机调试等)、试验环境(如工作液清洁度、温度控制等)等环节进行全程监督；③整机型式试验方面，操作性能、支护性能、适应性能是由于我国煤矿环境复杂，需有针对性的设计考核；在耐久性能测试方面，国外循环加载次数较国内产品要多，同时增加了整机试验期间的应力应变测试、试验前后各结构件铰接孔与连接销轴配合间隙的变形量测试等。

3 我国高端液压支架认证研究

3.1 认证模式创新

针对如何从众多制造商中辨别真正高端的液压支架产品，创新性提出高端液压支架认证评价模式-“高端液压支架产品自愿性认证”，内容包括“制造商申请+专家评审+技术审查+检验方案制定+产品检验+获证后监督”。与传统液压支架认证相比，增加了专家评审环节，即高端液压支架技术先进性评审、工艺先进性评审、生产设备自动化水平评审、质量控制先进性评审、企业管理水平评审等。

3.2 认证标准创新

在煤矿智能化的背景下，国内高端液压支架认证需根据目前液压支架标准体系现状，结合智能化发展特色，适当的增加煤矿智能化发展背景下液压支架控制、感知等方面的要求，结合产品特点将这些要求融入到相应的标准中，指导煤矿业主或认证机构强化这些方面的检测认证内容，提升高端液压支架产品的质量及技术先进性。

3.2.1 全周期管控方面

从全周期管控方面出发，包含有产品设计、工艺优化、配套件选型等评价内容，验证产品设计过程中是否充分考虑了该工作面特点、设计先进性等因素，并以此为依据开展专家评审、制定检验方案。

3.2.2 质量监督方面

对成套产品开展系列化的质量监督，专家评审后根据产品特点编制详细的质量监督大纲，由认证机构安排专员驻厂全程监督，在产品批量交付前，向煤矿业主提供该批次产品的详尽质量监督分析报告。

3.2.3 整机试验方面

在传统液压支架认证标准项目的基础上，增加以下内容：

1)应力应变测试。对液压支架进行应力测试是验证有限元计算准确性的有效方法，是获取支架关键部位应变的必要措施。试验前以支架整机受力计算、有限元分析数据为依据，确定测点施加应变片，在安全性及可靠性测试期间，采用动态或静态应变测试仪进行全程数据采集，试验期间实时显示应变曲线，结束后形成应力应变分析报告，分析被试支架的应力分布情况。

2)孔轴间隙变化量测量。销轴是液压支架顶梁、掩护梁、连杆及底座的连接机构，其受力复杂，若出现销轴间隙过大会影响液压支架横向稳定性，导致支架失稳，影响运行姿态，严重时将影响其使用寿命，特别是高端智能化液压支架的间隙控制显得尤为重要。因此，高端液压支架试验增加孔轴间隙变化量测量(如图1所示)，试验前后分别测量孔轴尺寸，计算试验前后的变化量，并形成测试报告。

图1 销轴测量示意图

3)关键结构件变形量测量。高端液压支架耐久性能循环加载试验后关键结构件的变形情况是考核可靠性高低的重要判定依据，也是验证设计合理性的重要指标，常规检测仅对支架顶梁和底座残余变形量、扭翘变形量提出了简单考核指标及方法，测量数据量少，无法全面、详细地对部件变形量进行测量。因此，针对高端液压支架的顶梁、掩护梁、底座、尾梁制定更加科学的变形量测量方案(如图2所示)，加载试验后通过特定计算分析，为可靠性评价提供详实的测量数据。

4)位姿监测试验。工作面设备实现自适应智能控制首先要实现设备运行位姿信息的精准感知和动态检测，姿态状态的好坏直接影响采场顶板的支护效果及工作面综采装备的自动化协同推进，目前位姿参数测量存在多传感器融合、故障率高、测量及传输精度无法保证等问题[12]。现有实验室测试仅对压力、位移等传感器进行电信号的模拟测试，缺少多传感器成套后的位姿检测系统整机模拟测试，导致位姿监测系统投入使用后出现数据采集准确度低、系统传输稳定性低等问题，严重影响支架的智能控制实现。为此，位姿监测系统正式投入使用前需经过实验室检测，在实验室构建模拟井下工况的液压支架位姿监测试验系统(如图3所示)，能够模拟俯采、仰采及倾斜工况下液压支架的主动及被动位姿变化，考核支架在姿态变化后监测系统的数据采集精度及系统传输准确度等性能。

5)移架速度试验。液压支架移架速度是实现跟机自动化的重要指标，控制过程受到多因素影响，特别是降、移、升动作速度受供液压力、流量及顶底板工况影响较大，移架速度不够将导致液压支架跟不上采煤机，出现空顶等问题[13]。目前在实验室尚未对该项指标进行考核，无法在设计阶段识别出影响移架速度的因素，无法量化移架速度指标，未经验证的液压系统直接投入井下使用已成为制约跟机自动化的主要因素。因此，针对智能化的需求，在实验室模拟支架移架过程进行测试(如图4所示)，将不同底板与液压支架的摩擦阻力等效处理，量化移架速度各项指标，查找影响快速移架的关键因素，为液压支架系统设计优化提供试验数据。

图2 变形量测试图

图3 液压支架位姿监测试验系统

图4 移架速度试验系统

6)推移机构动态可靠性试验。高端智能化工作面液压支架推移机构不仅实现工作面的向前推进，还是工作面找直的重要执行机构，在推进过程中对推移机构的姿态变化量进行测量[14]，推移机构的可靠性及运动精度尤为重要，传统推移机构实验室测试仅针对结构强度及静态可靠性进行了考核，缺少往复运动的动态可靠性试验及安装行程传感器后的感知系统测试。因此，针对高端液压支架推移机构增加安装行程传感器后的推移机构动态试验(如图5所示)，将推移机构前端固定，模拟实际工况进行推遛、拉架循环动态测试，考核推移机构的动态可靠性及传感器长期浸泡在乳化液时的动态可靠性。

图5 推移机构动态可靠性试验

7)自适护帮试验。对于大采高工作面，护帮机构对工作面的安全生产尤为重要，随着智能化发展，应能实现护帮板与煤壁耦合状态感知的功能，根据煤壁变化适时调节护帮状态，避免出现各级护帮伸出过量或伸出量不足等状况[15]。传统护帮试验考核重点为护帮机构的可靠性及结构强度，缺少护帮机构与传感器耦合后的感知功能性考核，因此，需在实验室增加护帮自适应试验项目(如图6所示)，模拟考核煤壁多角度变化时多级护帮的感知、决策性能，测试护帮与煤壁的耦合自适应功能。

图6 自适应护帮试验

8)支架载荷-位移特性试验。液压支架的载荷-位移特性是支架设计中的一个重要参数，是指支架承受外载过程中，由初撑力到额定工作阻力期间支架所产生的下沉位移量，初撑力无法得到保证将导致顶板松动、断裂，影响工作面自动推进，在此期间产生的载荷-位移特性是支架围岩相互作用的综合体现，顶板控制效果也是影响工作面自动推进的一个重要因素[16-18]。液压支架国标中的让缩性能试验重点是考核支架被动下缩时的让压特性，未对载荷-位移对应关系进行测试，因此，需研发基于外加载试验台的载荷-位移测量试验系统(如图7所示)，对支架在不同高度时的载荷-位移特性进行测试，以验证被试支架载荷-位移特性受初撑力、支架结构型式、立柱型式等因素的影响程度，为支架设计优化提供试验数据。

图7 载荷-位移特性试验原理框图

4 结 论

1)为做好高端支架产品认证，需要立足于客户需求，同时紧密结合行业发展，在现有技术可以达到的前提下，制定高于“门槛”检测认证的标准指标，认证时不能将液压支架视为一个单体进行考虑，而是将液压支架检测认证评价与智能化需求紧密结合，从而更好的识别、筛选出高标准、高品质的液压支架产品。通过分析国内外高端液压支架认证模式及理念，结合我国煤矿智能化发展的现状，提出了一套新型高端液压支架检测认证模式-自愿性高端液压支架产品认证模式，包括制造商申请、专家评审、技术审查、检验方案制定、产品检验、获证后监督。

2)认证标准方案考虑了我国煤层赋存多样、区域差异性大的特点，高度重视煤矿智能化采煤工作面的发展[19]，以液压支架国家标准为基础，深入到设计、采购、生产、总装等环节，对成套产品开展系列化的质量监督，以便确保批量生产的液压支架均能满足高端产品的要求。

3)认证项目在满足产品安全性、功能性的基础上，增加了量化高可靠性指标的测量项目：应力应变测试、孔轴间隙变化量测量、关键结构件变形量测量；增加了与智能化相关的测试项目：姿态监测试验、移架速度试验、推移机构动态可靠性试验、自适护帮试验、支架载荷-位移特性试验。