中煤科工马英研究员：煤矿综采工作面装备快速精准推移与超前联动控制技术

采煤是煤矿生产的核心环节，经过近年来煤矿装备高端化发展，尤其是智能化建设的大力推进，我国采煤工作面开采技术快速发展，液压支架自动跟机移架、采煤机记忆截割、工作面视频监控、综采自动化集中控制、智能化集成供液等技术在条件较好的工作面广泛应用，初步实现了工作面智能化开采。然而，与国外先进开采水平相比，在开采效能方面尚存较大差距。由于采煤机（进口）割煤速度快，液压支架跟机速度慢，导致存在丢架现象。

为解决上述问题，笔者研究开发了敏捷供液系统，实现采煤机与液压支架的快速跟机移架。当前惯导定位技术实现了工作面直线度检测，但推移千斤顶无法精准到位且故障率高，难以实现液压支架与刮板输送机的协同推进；虽然，目前综采工作面自动化程度较高，但超前液压支架的自动化程度低，难以实现减人目标，且无法实现自动协同推进。

针对上述长期困扰行业的难题，笔者通过对采煤工作面快速精准推移、超前支架与工作面液压支架的超前联动技术和装备进行攻关，设计研发了煤矿综采工作面快速精准推移与超前联动控制技术，提升了工作面协同度和开采效率，全面提高了现有工作面推进效率和技术装备水平，降低了吨煤能耗，提高了煤炭资源开采效率，对实现煤炭资源的智能、高效、绿色开采具有推动作用。煤矿综采工作面快速精准推移与超前联动控制技术成果在陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司（简称柠条塔煤矿）S1204工作面全面应用，显著提高了工作面跟机移架速度、直线度管理水平和超前支架推进自动化水平。

 

文章来源：《智能矿山》2024年第3期重大进展特刊

作者简介：马英，研究员，博士，现任中煤科工开采研究院智能开采装备分院院长

作者单位：中煤科工开采研究院有限公司

引用格式：马英，张德生，任怀伟等.煤矿综采工作面装备快速精准推移与超前联动控制技术[J].智能矿山，2024，5（3）：16-20.

 

分布式敏捷高效供液系统

 

工作面液压系统理论及仿真分析

 

S1204工作面走向长度为4021.6m，倾向长度为339.1m，煤层平均厚度4.31m。采煤机采用久益7LS6C型采煤机，液压支架型号为ZY12000/22/45，中心距1.75m；刮板输送机型号为SGZ1000/3000，乳化液泵站流量为500L/min，额定工作压力为37.5MPa。采煤机割煤后，依次滞后采煤机后滚筒2~3架，以便及时移架支护顶板，刮板输送机滞后采煤机10~12架逐段推出。目前，工作面液压系统存在的主要问题是液压支架多架同时动作时推移刮板输送机速度较慢。笔者对选定的柠条塔煤矿S1204工作面液压系统进行了建模和仿真分析：

（1）根据工作面液压系统管路图和割煤后的液压支架运动情况，建立了工作面液压系统模型，并对超前支架、转载机和带式输送机等进行了简化，实现了工作面液压系统工作特性模拟。全工作面液压系统分析模型如图1所示。

 

图1　全工作面液压系统分析模型

 

（2）建立了回液管路、分布式蓄能器等关键元器件模型，分析了供液管径、供液管道布置位置及连接逻辑、蓄能器等对系统压力波动、液压支架推移速度的影响，揭示了蓄能器对与供液系统的相互作用规律。

 

分布式蓄能供液系统

 

以液压元部件特征试验和现场数据采集构建的特征参数数据库为基础，基于跟机自动化逻辑液压支架参数化建模实现了仿真架构搭建。基于工作面液压支架状态监测技术和优化模型，提出用液需求实时分析模型，开发了分布式补偿装置；与泵站集中供液系统构成互补系统，开展压力、流量和响应特性测试，开发出敏捷供液系统，实现了电液控与供液系统的快速联动控制。分布式蓄能器供液装置如图2所示。

 

图2　分布式蓄能器供液装置

 

笔者研制了高速高精度数据采集装置，对安装分布式供液装置前后的数据进行采集，分析了液压系统压力波动对液压支架跟机移架速度的影响，验证了分布式供液装置的作业效果及性能，证明了分布式供液装置能够有效降低系统压力波动，提高跟机速度。分布式蓄能器工作效果测试如图3所示。

 

图3　分布式蓄能器工作效果测试

 

液压支架推移油缸位置精准控制方法

 

压力-位移一体化传感器

 

针对现有推移千斤顶故障率高、位置控制不准确、无法保障液压支架执行动作过程中精准控制的难题，笔者创新研制了油缸拉绳位移传感器，研究了旋转磁场物理信号−数字信号−标准输出信号转换装置，完成了数据采集电路、软件和上位机设计；搭建了基于高精度直线模组的行程标定平台，完成了传感器精度标定，提出了自适应卡尔曼滤波算法，有效将传感器位置测量精度提高至±0.1mm。压力−位移一体化传感器如图4所示。

 

图4　压力−位移一体化传感器

 

基于电液换向阀的油缸位置精准控制算法

 

建立了高压大流量乳化液作用下液压缸各部件及液压系统整体数学模型，对液压系统关键参数进行参数辨识，探究液压缸位置控制精度的主要影响因素，揭示了基于电液换向阀的数字油缸在液压支架工作过程中的运动规律，建立了一套数字液压缸运动特性理论模型，提出了一套液压缸位置高精度控制方法，解决了基于电液换向阀液压缸难以实现位置精确控制的问题。

为实现上述目标，笔者开展了高压大流量水基液压系统建模、关键参数辨识以及数字液压缸位置控制等问题的研究：

（1）高压大流量水基液压系统建模及液压缸运动特性分析：建立关键元件的液压系统动力学模型，研究电液换向阀在高压乳化液作用下的延时特性；分析了液压缸容腔压力特性，研究乳化液在高压高速情况下进入液压缸容腔时与液压缸的相互作用关系。

（2）高压大流量水基液压系统参数辨识：基于建立的液压系统及运动特性模型，研究系统模型辨识方法，开展了液压缸动态速度、容腔动态压力、液压缸负载等关键参数辨识；研究水基电液换向阀在不同压力、不同流量、不同乳化液作用下的动作规律。

（3）基于电液换向阀的数字油缸位置控制方法：利用液压系统模型，对所有参数进行主成分分析，得出影响数字液压缸位置控制的关键参数；建立关键参数与电液换向阀动作时间关系模型；构建了基于迭代控制方法的液压缸位置精度修正算法，建立液压缸在井下复杂条件下控制准则，实验证明控制精度可达±2cm。推移油缸控制精度测试结果如图5所示。

 

图5　推移油缸控制精度测试结果

 

超前支护智能自动化协同控制系统

 

超前支架与转载机一体式作业工艺

 

通过对超前支架的行走方式、连接机构等进行研究，解决了工作面转载机与超前支护协同控制问题。针对转载机和超前支架的动作等问题，研究相应的自动化协同控制集成系统，更进一步地达到“生产自动化、管理信息化、工作面数字化、操作少人化”，以实现工作面连续、安全、高效开采模式。笔者分析并优化了临时支护设备的技术参数和作业流程，优化了超前支护装备设计方法，为解决超前支护协同控制问题提供了理论支撑：

（1）分析了目前用于运输巷临时支护的单体液压支柱及超前液压支架的技术特点及支护方式存在的问题，设计规划了超前支架支护方式及工艺流程，研究超前支架在巷道内的工作和布置方式及运移路线。

（2）针对目前超前支护工艺不能与转载机协同控制、导向性差等问题，笔者研究了具有与转载机协同控制、导向性佳的巷道超前液压支架，通过理论、仿真分析及现场试验研究，建立了以外载荷、孔铰直径、平面接触面积等物理参数与支架前移方向角度的关系，以便后续的支架结构设计。采用有限元分析软件，通过调整三维网格中的多面体单元拟合实际的结构，制造实物样机进行试验研究。

 

转载机和超前支架运-支一体化装备

 

笔者针对综采工作面两巷超前支护装备一体化推进技术，开发了自动协同推进关键装备。提出了一种新型结构工艺，以实现运输−支护一体化，解决了两巷缺乏可靠高效的超前支护装备难题。有效减少了超前支护区域作业人数，实现复杂条件综采工作面安全高效协调运行。

针对综采工作面端头和运输巷超前段多设备密集分布、端头支架顶梁支点布设和超前支架转运困难等问题，笔者通过研究端头T形区压力分布特征，优化支护形式，研究液压支架多点支撑配套方式，解决了顶板超远悬置问题，实现了端头区的有效支护；针对运输巷超前支架与转载机一体式支护−降架−移架−定位−支护的循环作业支护方式，将转载机阻碍点变为动力部；提出了两巷多工序与工作面装备的整体协同推进技术。

笔者研制了ZQ4000/24/40门式超前液压支架单元，采用整体顶梁结构和抗冲击立柱，额定工作阻力为4000kN，支护高度为2.4~4.0m，跨度为4.8m，可满足高×宽为3.5m×5.5m的巷道超前支护需求。超前支架与转载机一体式装备如图6所示。

 

图6　超前支架与转载机一体式装备

 

超前巷道一体化控制系统

 

超前巷道一体化控制系统由超前支架姿态监测系统和超前控制装置组成。位姿监测系统可实现超前支架组、转载机和自移机尾的定向、定位、定姿，以及前方障碍物实时监测、超限报警等功能，为自动控制提供依据。超前支架位姿监测系统如图7所示。

 

图7　超前支架位姿监测系统

 

超前支架组内的油缸安装压力−位移一体式传感器，以监测推移行程和运动过程中的压力异常；在超前支架底座上安装毫米波测距传感器，可监测超前支架到煤壁的距离，实现防碰撞预警；此外，超前支架上的倾角传感器可用于感知支架是否存在倾斜；压力传感器可对超前支架初撑力进行控制，以及对顶板压力显现规律进行监测分析。针对多传感参数融合、多工序联动的特点，笔者研制了超前支架专用控制器。该专用控制器可满足12路模拟量信号采集；支持边缘侧本架、邻架、成组控制，实现超前支架的操作、急停、闭锁、复位功能；支持传感器（0.5~4.5V/4~20mA）数据转换、显示等功能；可实现终端间数据通信，包括视频流、传感器数据、控制指令等；终端间数据传输采用串行传输方式，以保证数据上传至远程主机，该方法可支持远程主机下发控制命令，包括成组动作、单点动作。

超前巷道一体化控制系统还包括上位机控制软件，可部署在超前巷道集控中心或地面调度中心，将传感器及热成像摄像头数据传输至显示界面，为远程控制人员下发控制指令提供参考依据。该控制系统具备工艺调整功能，可根据矿井实际条件调整超前巷道设备动作时序。数据分析模块可查询超前支架立柱压力等关键数据，为分析超前支护区域支护效果及来压情况提供数据基础。超前巷道一体化控制系统如图8所示。

 

图8　超前巷道一体化控制系统

 

现场应用情况

 

煤矿综采工作面快速精准推移与超前联动控制技术提出了采煤工作面装备高效协同作业系统，实现了超前支架与转载机的协同作业，完成了液压支架高效、精准、快速推进。

该技术在柠条塔煤矿S1204工作面进行推广应用，巷道运支一体化协同推进装备自2022年4月开始常态化运行。回采期间，整个超前支护系统运行良好，每天推进15刀以上，每刀截深0.86m。整个推移系统实现了本地和远程控制，能够实时监测超前支护装备运行参数，通过设置状态参数阈值实现多模式自动化运行。应用数字油缸控制技术后，精准推移算法能够将推移油缸运动控制精度由±5cm降低至±2cm，实现精准推移刮板输送机、拉架等操作。分布式敏捷高效供液系统在测试现场正常工作，测试得液压系统压力波动对单架液压支架压力波动的影响降低了70%，有效提升了跟机稳定性。

 

结语

 

综采工作面装备快速精准推移相关技术成果已在柠条塔煤矿完成工业试验应用，全面提高了工作面推进效率和工作面管理水平，降低吨煤能耗、提高煤炭资源开采效率，实现煤炭资源绿色高效开发；提高了工作面装备群的协同度，真正实现智能提效，破解了智能化开采难题；提高了煤机装备适应性和智能化水平，对高端装备制造的发展起到推动作用。

 

来源：智能矿山杂志