全工作面液压支架电液控制系统验证装置研究

高 洋

1煤科 (北京) 检测技术有限公司 北京 100013

2煤炭科学技术研究院有限公司 北京 100013

3煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室 北京 100013

煤矿智能化系统的开发与建设始于 20 世纪 70年代的英国，随后澳大利亚、德国和美国等国家相继开展研究，促进了系统的不断进化与完善。1990 年，德国首先研发出综采电液控制系统。随着传感器技术和物联网的发展，自动化开采技术不断发展完善，澳大利亚联邦科学与工业研究组织 (CSIRO)开发了以设备定位技术为核心的 LASC (Longwall Automation Steering Committee) 长壁自动化系统。为了提高设备可靠性，德国艾柯夫公司研发出具有防碰撞、智能控制、截割等功能的智能煤机装备。除设备水平提高外，对井下安全生产以及设备运营情况的监控成为学者们研发的重点方向，美国 JOY 公司推出了地面远程监控技术的虚拟采矿方案。我国对煤矿智能化的研究起步较晚，发展速度较为缓慢，机械化程度较低。2007 年，我国研制出了首套国产电液控制系统[1]。至 2010 年，全国采煤机械化程度仅为 45%，综合机械化程度仅为 30%，生产率仅为澳大利亚的2.41%，为美国的 2.87%，为德国的 9.19%。我国煤矿面临的主要问题还是采煤机械化[2]。

“十二五”期间，在国家政策引导下，采煤机械化得到大力发展，采煤机械在极短的时间内逐步实现了国产化。我国液压支架取得安标证数量在 2012 年达到峰值 490 台，液压支架电液控制系统在各大煤矿也得到迅速推广。2014 年，黄陵矿业一号煤矿 1001工作面首次实现了智能化无人开采，开启了中国煤炭开采史上具有里程碑意义的一次革命；但智能化内涵与内容尚未达成统一共识。2019 年 7 月 7 日，煤矿智能化技术创新联盟成立，该联盟致力于解决煤矿智能化“卡脖子”问题[3]。为统一思想、凝聚共识，加快推动煤矿智能化发展，2020 年 3 月，《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中明确了煤矿智能化发展的总体要求、主要任务和保障措施，并提出了煤矿智能化发展的 3 个阶段性目标[4]。王国法院士及其团队充分阐述了智慧煤矿 2025 情景目标和发展路径[5]、煤矿智能化 (初级阶段) 研究与实践[6]、智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析[7]、煤炭智能化综采技术创新实践与发展展望[8]、煤矿智能化——煤炭工业高质量发展的核心技术支撑[9]、智慧煤矿与智能化开采技术的发展方向[10]。随后，煤炭智能化的相关标准开始陆续出台，为我国煤矿实现智能化生产指明方向[11]。随着智能化装备的不断优化与完善，我国煤矿智能化、机械化水平不断提高。截至 2022 年底，我国共建成智能化煤矿 572 处，智能化采掘工作面 1 019 处，31种煤矿机器人在煤矿现场得到推广应用。智能采煤工作面迈向常态化应用，减人增安提效的效果日益显现。

在智能化煤矿建设中，液压支架电液控制系统是井下工作面采煤过程中极其重要的设备。我国在液压支架电液控制系统的检测方法与设备研究方面刚刚起步，相关技术与设备尚未达到国标 (GB 25974.4—2010《煤矿用液压支架 第 4 部分：电液控制系统技术条件》)、欧标[12](EN 1804-4：2004《井下采矿机械-液压支架安全性要求 第 4 部分 电液控制系统》)和企业生产总体要求。由于对整套的电液控制系统缺乏系统性、多单元协调性的研究，系统无法安全稳定运行且抗干扰等性能较差。市场上部分低质量产品在井下工作面投入使用后存在极大安全隐患，制约了电液控工作面、智能化工作面和智慧矿山的发展[13-20]。

为了对工作面液压支架电液控制系统进行验证测试，笔者将电液控制系统置于高低温、冷热冲击、高湿、粉尘、酸性、碱性等环境下，采集液压支架执行机构、压力开关、换向阀电磁铁等信号，随后基于工作面真实地貌和各项信号，建立了三级全工作面液压支架电液控制系统验证测试装置，并实现了井下液压支架控制情况的可视化。

1 液压支架电液控制系统验证测试需满足的功能要求

各种不同标准中规定的功能要求如图1 所示。对比可知，液压支架国标 GB 25974 与欧标 EN 1804 对应，但非等效标准。该系列标准第 1～ 3 部分：通用技术条件、立柱和千斤顶技术条件、液压控制系统及阀已于 2010 年发布，但与欧标 EN 1804-4 对应的 GB 25974.4《煤矿用液压支架 第 4 部分：电液控制系统技术条件》却迟迟未能定稿。

除国内智能化急速发展和标准要求越来越高外，还有一个重要原因是国内暂无符合要求的电液控制系统验证测试装置。安标认证检验暂时执行 MT 209—1990《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品通用技术要求》[21]和 MT 210—1990《煤矿通信、检测、控制用电工电子产品基本试验方法》[22]，并且只能为电液控制装置和元件认证，不能为电液控制系统认证。

部分企业标准超出上述 2 个通用要求，各企业间标准也不一致。调研过程中发现，各企业对液压支架电液控制系统验证测试提出了很多更高的需求，且各生产企业和高校也提出了井上调试、培训和教学的需要。

针对电液控制系统验证测试的标准在国内外尚未发布，而目前已有的电液控制系统验证测试装置只能用于部分元件认证，无法认证整个电液控制系统的现状，基于企业生产与高校教学科研的要求，开发满足要求的液压支架电液控制系统验证测试装置具有重要的工程和科研意义。

2 建立液压支架电液控制系统验证测试装置

采用三级试验环境模拟平台驱动可视化全工作面液压支架电液控制系统验证测试装置，随后将试验环境与各项参数输入以验证液压支架电液控制系统测试装置的有效性，并作为整体验证和测试的基础。液压支架电液控制系统验证测试装置结构框架图如图2 所示，将生产工作面勘探所得地质条件和液压支架试验信息、故障信息输入三维模型中，在环境模拟平台实现全工作面液压支架的可视化。通过对比工作面液压支架电液控制系统的各项指令与工作面液压支架的实际工作情况，验证了系统的远程控制功能，完成了标准验证。依据液压支架电液控制系统验证测试装置组成结构，建立了验证测试装置，如图3 所示。此外，优化系统各项指标可提高液压支架电液控制系统控制速度和处理故障、危机的能力，并为科研提供更多模拟数据。

图2 液压支架电液控制系统验证测试装置结构框架图Fig.2 Structural framework diagram of verification testing device for electro-hydraulic control system of hydraulic support

图3 液压支架电液控制系统验证测试装置Fig.3 Verification testing device for electro-hydraulic control system of hydraulic support

3 试验环境模拟平台构建

电液控制系统验证测试依赖于真实三机配套[23-24]。整个工作面液压支架数量多，投资巨大，且后期维护费用高昂。根据调研发现，超大型试验系统大多因使用、维护成本过高而闲置、废弃，效果不理想。笔者构筑了如图4 所示的三级全工作面环境模拟平台，并将试件置于高低温、冷热冲击、高湿、粉尘、酸性、碱性等环境下测试。

图4 试验环境模拟平台构建示意Fig.4 Construction diagram of testing environment simulation platform

3.1 三级全工作面环境模拟平台

三级全工作面环境模拟平台如图5 所示，采煤工作面液压支架数量设置为 300 台，足以满足实际使用上限。模型分为一级物理环境模拟系统、二级半物理模拟系统和三级电连环境模拟系统。

图5 三级全工作面环境模拟平台Fig.5 Three-stage full working face environment simulation platform

3.1.1 一级物理环境模拟系统

一级物理环境模拟系统构建框架如图6 所示，由23 台液压支架及电液控制系统、1 台采煤机、1 套刮板输送机、液压系统、电气系统，测控系统和传感器组成。验证测试装置采集系统三级执行机构信号，该级别可满足 GB 25974.4、EN 1804-4 标准验证要求，将电液控制系统验证级别提高到执行机构。一级物理环境模拟系统如图7 所示。

图6 一级物理环境模拟系统框架Fig.6 Framework of first-stage physical environment simulation system

图7 一级物理环境模拟系统Fig.7 First-stage physical environment simulation system

3.1.2 二级半物理环境模拟系统

如图8 所示，二级半物理环境模拟系统由 23 套电液控制系统、液压系统及行程开关、模拟采煤机、电气系统，测控系统和传感器组成，验证测试装置采集压力开关信号，可大幅扩展液压信号采集数量。

图8 二级半物理环境模拟系统框架Fig.8 Framework of two-stage semi-physical environment simulation system

3.1.3 三级电连环境模拟系统

工作面由n-46 套电液控制系统组成，其中n为该矿井工作面液压支架数量，验证测试装置采集电液控制系统中电磁铁电信号，可将测试数量扩展至全工作面支架，如图9 所示。

3.2 采煤工艺电液控制测试

常用的采煤工艺按采煤进刀方式可分为直接推入法、滚筒钻入法、工作面端部斜切进刀和工作面中部斜切进刀；按照工序配合方式可分为即时支护方式和滞后支护方式[25]。采煤机直接推入法、滚筒钻入法、即时支护、滞后支护的电液控制系统验证测试很容易通过一级物理环境模拟系统实现，工作面中部斜切进刀的验证测试可通过三级全工作面环境模拟平台实现，工作面端部斜切进刀采煤工艺的电液控制系统验证测试可通过一级物理环境模拟系统实现。

为在一级物理环境模拟系统中实现斜切进刀的模拟控制，需严格计算液压支架的数量。考虑到有限的场地条件，采煤机设置为开启后立刻加速，忽略启动滑行段。根据计算可知，工作面至少需要 23 台液压支架。

理论上需液压支架数量

式中：L为采煤机全长，m；a为采煤机加速段长度，m；b为刮板输送机弯曲段长度，m；s为采煤机启动滑行段长度，m；l为液压支架中心距，m。

4 开展井下矿井液压支架试验并提取测试结果和故障信息

开展井下试验可以得到液压支架整机及元部件在各种条件下的测试信息。基于测试结果和故障信息，利用排列器制造常规单、双、隔、全部，或周期性，或随机性的信号[26]。随后，将所有结果信号输入液压支架电液控制系统验证测试装置中，如图10 所示。

图10 某矿井预计使用液压支架试验和故障信息Fig.10 Expected hydraulic support test and fault information for a certain mine

4.1 液压支架试验信息

(1) 液压支架型式检验 利用各液压支架试验台可对该支架进行型式检验，记录故障信息。

(2) 水平状态下各部件运行特性测试 利用位移传感器与角度传感器，对该支架顶梁、前梁、伸缩梁、各级护帮、掩护梁、连杆、底座、推移、尾梁、插板、立柱、平衡机构进行运行特性测试。

(3) 底板不同状态下各部件运动特性测试 模拟不同底板状态，对该支架机构运动进行特性测试。

(4) 大倾角、仰采、俯采状态下各部件运行特性测试 利用大倾角试验台，布置 3 台支架，试验台底面梯形槽板上安装整块或拼接小块，组成不同形态底板条件；还可通过模拟岩石单轴压缩弹模、单轴抗压强度、单轴抗拉强度、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗弯强度等，形成模拟底板系列，以供试验和评价。

(5) 支架移架速度测试[27]通过构建井下实际压力、流量动力源，利用支架移架速度试验台，对支架“降-移-升”动作进行移架速度测试。

(6) 支架耦合测试[28-30]利用支架耦合试验台，对支架进行耦合性测试。

(7) 小比例支架模型冲击测试 因国内外暂无支架冲击试验台，可制作小比例支架模型，利用 6 000 kN 立柱动载过载试验台进行支架冲击试验。

4.2 矿井液压支架元件试验信息

(1) 支架元件型式及自愿性检验 利用各立柱、千斤顶、阀试验台、过滤器 (站) 对支架上立柱、平衡护帮、前梁、尾梁、推移千斤顶等、换向阀、单向阀、安全阀、截止阀等进行型式检验，以及过滤器(站) 自愿性检验，记录故障信息。

(2) 支架支撑千斤顶安全阀大流量、冲击测试 利用 5 000 L/min 大流量安全阀试验台对支架立柱、平衡护帮、前梁、尾梁、推移千斤顶等安全阀进行大流量和冲击压力安全性测试。

(3) 支架立柱与千斤顶冲击测试 利用 26 000 kN 立柱试验台、6 000 kN 立柱动载过载试验台对支架立柱、支撑千斤顶进行冲击试验。

5 基于数字孪生的虚拟仿真和可视化验证测试系统

如图11 所示，利用 SolidWorks 软件将该电液控制系统所在工作面三机配套资料和地质勘探资料建立三维模型，再通过 3ds Max 建立可驱动模型。通过C# 编程语言进行不同部件的位置迭代计算，实现平滑、可控、无缝衔接的三维驱动动作，进而用于液压支架虚拟仿真和可视化分析[31-46]。同时，通过和电液控系统联动，对液压支架电液控制系统进行可视化分析验证。利用采集的测试结果与故障信息，将其信号化处理后输入系统，实现工作面液压支架的可视化，最终建立基于数字孪生的虚拟仿真和可视化验证测试系统，如图12 所示。

图11 基于数字孪生的虚拟仿真和可视化验证测试系统流程Fig.11 Process of virtual simulation and visual verification testing system based on digital twins

图12 基于数字孪生的虚拟仿真和可视化验证测试系统Fig.12 Virtual simulation and visual verification testing system based on digital twins

建立三级全工作面液压支架电液控制系统验证测试装置后，由从事综采机组研究的非设计人员进行操作并给出反馈意见。通过采集和监控不同环境 (高低温、冷热冲击、高湿、粉尘、酸性、碱性) 下各液压支架的信号，构建能真实反映工作面情况的可视化验证系统。系统运行结果表明：联网运行、操作和同步功能运行流畅；人机交互界面尚需继续完善；系统能够实现远程控制，同时具备一定的协同操作功能，但控制及协同操作功能需要对运动控制程序进一步优化。经过对系统各方面测试可知，设计时的目标功能已基本实现，各种功能模块运行良好，基本满足设计要求。

6 结语

建立了三级全工作面液压支架电液控制系统验证测试装置，该系统可满足 300 套电液控制系统的标准控制功能、安全功能、数据处理功能、电源波动适应能力、稳定性、可靠性等验证测试要求，还可进行采煤工艺、带压移架、不同底板工况下行走、顶板冲击下的电液控制系统验证测试。基于某工作面真实情况，利用数字孪生技术构建了虚拟和可视化验证测试系统，将电液控制系统置于高低温、冷热冲击、高湿、粉尘、酸性、碱性等环境下，采集液压支架执行机构、压力开关、换向阀电磁铁等信号，对三级全工作面液压支架电液控制系统验证测试装置进行测试。结果表明，其基本功能达到预期要求。三级全工作面液压支架电液控制系统验证测试装置的建设，对于GB 25974.4 的推出和电液控制系统测试技术发展具有促进作用。