薄煤层开采智能化移架控制技术研究.pdf

1662023 年第 9 期收稿日期 2023-02-06作者简介 杨雨晨（1993），男，山西忻州人，2015 年毕业于中北大学信息商务学院电气工程及其自动化专业，本科，助理工程师，现从事工贸行业综合安全管理技术工作，研究方向：矿山机电设备杨雨晨：薄煤层开采智能化移架控制技术研究薄煤层开采智能化移架控制技术研究杨雨晨（晋能控股装备制造集团有限公司，山西 晋城 048000）摘 要 为提高寺河煤矿薄煤层的开采效率，提出了智能化开采方案，通过液压支架受力变形特征和智能化控制技术研究，为该煤层的智能化开采奠定基础。研究结果表明：液压支架应力最大处为受力侧支柱顶端；智能化移架系统通过主要包括多网融合技术、找直技术、联机控制技术，通过液压支架的智能化控制，极大地提高了寺河煤矿薄层的开采效率。关键词 薄煤层；液压支架；智能移架控制技术中图分类号 TD355+.4 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.09.052Research on Intelligent Frame Moving Control Technology for Thin Coal Seam MiningYang Yuchen(Jinneng Holding Equipment Manufacturing Group Co.,Ltd.,Shanxi Jincheng 048000)Abstract:In order to improve the mining efficiency of thin coal seams in Sihe Coal Mine,an intelligent mining scheme is proposed.Through research on the force bearing deformation characteristics of hydraulic supports and intelligent control technology,the foundation for intelligent mining of this coal seam is laid.The research results indicate that the maximum stress of the hydraulic support is located at the top of the force bearing side pillar;The intelligent frame moving system greatly improves the mining efficiency of thin layers in Sihe Coal Mine by mainly including multi network fusion technology,straightening technology,online control technology,and through the intelligent control of hydraulic supports.Key words:thin coal seam;hydraulic support;intelligent frame moving control technology寺河二号井为薄煤层开采，主要特点是空间狭小，人员和设备难以移动和进出，传统的普采工艺严重阻碍了矿井的生产效率1-3。寺河煤矿开采初期采用普采工艺，之后引进了液压支架，实现了综合机械化采煤法。普通综采工艺不能彻底解决寺河二号井开采中遇到的一系列难题，为此提出了智能化开采方案。在寺河二号薄煤层智能化开采时，一项关键技术是实现液压支架的智能化控制，因而有必要对液压支架的智能化移架控制系统进行深入分析。1 液压支架有限元强度分析1.1 薄煤层液压支架建模寺河煤矿二号井位于山西省晋城市，94316 工作面走向和倾向长度分别为 1540 m 和 133.5 m，平均煤层倾角为 5，平均煤层厚度为 1.1 m 左右，煤厚变化幅度较小，总的可采储量为 33 万 t，采用ZY4000/09/19D 型液压支架。该液压支架主要由液压支架顶梁、液压支架掩护梁、液压支架底座、液压支架立柱、液压支架推移油缸等几部分组成。将液压支架的主要组成部分按照零件的建模方法建模并整体装配，如图 1。1.顶梁；2.掩护梁；3.连杆；4.底座；5.立柱。图 1 液压支架三维模型图1.2 有限元结果分析当遇到破碎顶板时很容易发生冒落或冒顶现象，此时液压支架顶梁需要承受较大的载荷，尤其在两端这种情况更是严重4。在冒顶现象发生时，如果液压支架顶梁材料的强度不满足要求，就会很1672023 年第 9 期杨雨晨：薄煤层开采智能化移架控制技术研究容易造成支架的破坏。因此，在这种情况下，应对顶梁的强度进行有限元分析，从而保证实际采煤过程的安全高效运行。加载前需要在支架上放置好垫块，加好垫块后，通过对立柱内加载方式对支架施加载荷后分析，可得到应力分布云图和整体变形图，如图 2。（a）应力分布云图 （b）整体变形云图图 2 顶梁两端加载底座扭转时的应力与变形云图从图 2 中可以看出，应力最大处为垫块的一角，液压支架整体应力都不高，只有在厚度突变处，有较小范围的材料屈服，不会导致支架垮塌。工作面顶板和底板很少是光滑平整的，顶梁与顶板之间、底座与底板之间经常会出现不均匀接触，可能导致顶梁和底座受到偏心载荷。顶梁的偏心加载会作用在它的边缘处，而不是载荷作用的方向。由于支架只能传导轴线的力，这时支架就会产生扭曲变形，因此对支架进行偏心加载也是很有必要的。在加载前需要在支架上放置好垫块，通过对立柱内加载方式对支架施加载荷后分析，可得到应力分布云图和整体变形图如图 3。（a）应力分布云图 （b）整体变形云图图 3 顶梁偏转底座扭转时的应力与变形云图从图 3 中可以看出，应力最大处为受力侧支柱顶端，可使用高强度材料制造，从而可以满足现实生产要求。2 液压支架多方位信号采集与多网融合技术在自动化综采过程中需要了解液压支架的各种信息，判定薄煤层工作面液压支架的位置、姿态、载荷等信息，从而判定综采工作面各设备是否正常工作。例如，刮板输送机是否在直线状态、采煤机是否在卧底量较大、顶板来压是否正常等，为安全生产提供最大的保障。为了实现各种信号的采集，在液压支架不同位置安装了不同的传感器，从多方位采集液压支架工作参数。系统组成包括：控制器安装在液压支架顶梁上，每架 1 台；液压主阀安装在液压支架顶梁上，每架1台；系统包含压力传感器、推移行程传感器、采高传感器三种传感器，每架各一个；反冲洗阀安装在液压支架顶梁上，每架 1 个。如图 4。图 4 单架液压支架电液控制系统通过液压支架控制器，实现了多网合一融合技术，将照明动力网、各传感器信号采集网络、主阀控制网络、电源网络都融合在液压支架控制器中。控制器和控制器之间通过一根电缆连接，就能实现液压支架的多种信号传输。3 基于惯性导航的液压支架找直技术惯性导航系统（INS）是一种不依赖外部信息且不向外部辐射能量的自主导航系统，通过惯性导航系统测出被测目标的加速度大小，根据加速度的变化计算其在时间历程上的积分值，从而可以获得被测目标的速度大小、空间方位等实时数据5。光纤陀螺仪工作时，光路变化主要是根据旋转角速度的变化进行间接测量，而光路的旋转角速度可以通过检测两条光路之间的相位差或干涉条纹的变化进行计算。综上所述，光纤陀螺仪的工作原理6可以用式（1）表示：0 04=LRc （1）1682023 年第 9 期式中：为被测目标的角速度大小；表示惯导系统发射的两路光线在顺时针方向上的相位差；L 是光纤在回路内的度量值；R 表示光纤环的半径大小；0为光源波长；c0表示光在光纤中传播速度。采煤工作面液压支架的直线状态直接关系到刮板机和工作面的直线度，是工作面自动化能否顺利进行的关键。弯曲的工作面会给采煤机的前进带来很大的阻力，同时会给工作面的支护增加难度，增加工作面作业风险。通过惯性导航的工作原理，工作面采煤机行进过程中的定位方程可表示为：=nbbnSC S （2）式中：Sn表示工作面采煤机在“东北天”坐标系下点位为 n 处的位移增量矢量；Sb表示的是工作面采煤机轴编码器在时间为 b 点时采集到的位移在单位时间上的增加值；Cbn表示工作面采煤机在位置为 n 点、时间为 b 点条件下的方向余弦矩阵，并统一在“东北天”坐标系下进行表示。如式（3）所示：cos cossin sincos sincos sin cossin sincos cossin sin sincos coscos sin cossin sinsinsin coscos cos+=+nbC （3）式中：表示陀螺仪测得的工作面采煤机航向角大小；表示陀螺仪测得的工作面采煤机俯仰角大小；表示陀螺仪测得的工作面采煤机横滚角的值。根据 Sn位移的增量矢量迭代表达式，能够计算得到薄煤层工作面采煤机割煤行进过程中的位置坐标，如式（4）所示：Pnj（t）=Pnj（t-1）+Sn（t）（4）式中：Pnj（t）表示迭代次数为 j、采样时刻为t时工作面采煤机在东北天坐标系下的位置；Pnj（t-1）表示迭代次数为 j、采样时刻为（t-1）时工作面采煤机在东北天坐标系下的位置；Sn（t）表示的是工作面采煤机一个采样周期内的位移增量，用矢量的形式进行表示。为了降低误差，使工作面采煤机在行进过程中的误差不随时间的增加逐渐累积，因此决定采用组合导航对薄煤层工作面采煤机的计算误差进行进一步的校正。在坐标系的 y 轴上增加一个里程增量，用符号 D 表示，如式（5）所示：nb0=0 xnybzPPCDP （5）在公式（5）中：Px Py PznT分别表示导航坐标系下里程仪的输出里程增量以及原始坐标系下的里程增量。为了更加精细化地刻画采煤工作面的形状特征，对工作面行进过程中的运动轨迹形状进行抽象，并由标准化向量组表示。数据模型如图 5。图 5 工作面推进过程中的推进偏离情况在图 5 中，DPn为工作面采煤机第 n 刀割煤后的理想工作面形状；PCn表示为满足采煤机割煤过程中的工作面保持直平面状态所需施加的修正度量值。远程控制主机根据修正值的大小，继而计算出工作面上方液压支架在该次割煤过程中所需的移架位移，然后将移架位移数据发送到相应的工作面液压支架控制器上，由控制器实现液压支架的推移。4 液压支架联机控制技术工作面液压支架自动控制系统分三部分：数据采集层、设备控制层、管理监控层7。其中，数据采集层传感器采集工作面液压支架的实时工作状态数据后，将采集到的信息转化为标准电流信号进行传输，最终将标准电流信号传输到液压支架的控制站，以便进行后续的决策与控制管理。设备控制层通过控制器将数据采集层获得的信号传输到可对控制系统发出操作命令的主机上，待其发出操作指令后由设备控制层进行执行。管理监控层主要实现的功能有：将工作面液压支架的工作状态、工作参数以及是否正常运行等重要数据在计算机上实时显示出来，并通过以上获得的信息进行决策后将控制命令发送给控制主站。液压支架集中控制流程可大致表示为：首先，液压支架控制器按照事先设定好的程序向控制系统发送控制电信号；然后，液压支架控制系统的输入机构将该信号转化为机械信号并由传动机构进行放大处理；继而，传动机构进一步对控制执行机构的主控阀操作进行控制；完成上述操作流程后，工作面液压支架便可根据设定好的程序实现支撑立柱的上升与下降、整架的移动等各种操作。为了形成整个工作面的液压支架联合控制，需要将每个液压支（下转第 172 页）1722023 年第 9 期架串联到一起，因此设置了电源供给系统和信号隔离系统，电源箱安装在液压支架顶梁上，每六架一个。每三架液压支架上安装有一个隔离耦合器，位置在液压支架的顶梁上方或者电源箱上边，如图6。图 6 液压支架联机控制系统 表 1 电缆局部放电量与绝缘状态关系表电缆绝缘状态电缆局部放电量/pc 1010200200500 5001000 1000正常良好计划性维修异常检修周期维修故障值班期维修故障断电维修5 结语针对云岗矿高低压配电系统经多次扩容，复杂程度增加，但由于井下恶劣工况，高压电网漏电故障频发的问题，进行电缆绝缘性监测研究，形成以下结论：1）井下电缆绝缘在线监测系统利用高频电磁耦合传感器对电缆局部放电信号进行采集，将信号通过高频同轴电缆输送至系统的电信号采集模块进行信号预处理后传至监测系统上位机进行特征提取、降噪运算等核心运算处理；2）采用 VMD 和信息熵的局部放电信号降噪算法对局部放电信号降噪分析，得到的电缆局部放电量图谱图作为电缆绝缘性能评价依据；3）通实验室测试和实际工况测试两种方法对电缆绝缘监测系统的 PD 信号降噪效果和绝缘性测定功能进行了测试，试验结果达标。【参考文献】1 夏俊峰，施楠楠，孙建生.高压 XLPE 电缆主绝缘典型缺陷形态对电场畸变影响的仿真分析 J.电线电缆，2022（06）：1-6.2 王二强.煤矿井下 6 kV 动力电缆绝缘线监测系统的设计与应用 J.矿业装备，2022（06）：132-133.3 陈杰，李文杰，刘顺满，等.铝护套结构对 XLPE电缆绝缘屏蔽层悬浮电位影响J.电力工程技术，2022，41（06）：147-153+162.4 郭智刚，高健，闫峰，等.长距离 330 kV 电缆依频模型局放传输特性分析及信号定位试验验证J.电网与清洁能源，2022，38（11）：17-26.5 曲宝玮.煤矿高压电缆绝缘监测系统设计与应用研究 J.矿业装备，2022（03）：236-237.6 侯帅，张逸凡，赵远涛，等.脱气对 525 kV 交联聚乙烯绝缘直流电缆空间电荷特性的影响 J.南方电网技术，2021，15（12）：78-85.7 刘宗喜，张磊，欧阳本红，等.500 kV 直流电缆接头增强绝缘设计关键参数及其控制研究 J.绝缘材料，2021，54（12）：80-86.8 魏晓峰，杨晓东，黎冲，等.煤矿井下高压电缆高可靠性绝缘监测技术研究 J.建井技术，2020，41（06）：58-61.9 李三旦.矿用高压电缆绝缘性在线监测技术研究 J.机 械 工 程 与 自 动 化，2018（05）：156-157+160.5 结语针对寺和二号井薄煤层的开采特点，对液压支架的多方位信息采集与多网融合技术、液压支架找直技术以及液压支架的联机控制技术进行了研究。这些关键技术的研究形成了一个有机的统一整体，并在寺河二号井薄煤层开采中得到了运用。结果表明，通过智能化移架控制技术可大幅减少薄煤层开采作业人员的劳动强度，提高生产效率，并缩短回采时间。同时，该技术可为类似的薄煤层矿井开采提供相应的经验与示范效应。【参考文献】1 袁永，屠世浩，陈忠顺，等.薄煤层智能开采技术研究现状与进展 J.煤炭科学技术，2020，48（上接第 168 页）（下转第 175 页）1752023 年第 9 期徐振哲：副井变电站主变备自投在线调试方式的改进备自投动作完成，如图 3。注释：备自投动作报告记录正常动作步骤，其中 1DL 为 603，2DL 为 604，4DL 为 301，5DL 为 302。图 3 备自投装置事件报告3.2.5 功能检验试验车间定期通过装置定值及功能校验内容，在一般情况下，可结合有关回路的检验验证装置功能，可不再进行定值校验；在定检周期内进行过软硬件升级，未进行过完整试验的，或结合定检进行软硬件升级时，定检时应逐项检验，确保功能正常。3.2.6 备自投带负荷传动试验按照规范要求，备自投装置在回路检查及功能校验正确，具备传动试验条件后，必须进行完整的带负荷传动试验。4 改造创新点使用真实的备用进线开关+模拟运行进线故障跳闸的方式，同时拆掉备自投控制运行回路的跳闸接线，用模拟器模拟运行开关的状态，手动模拟主进线故障跳闸，让备用开关在试验位置真实动作投运，更接近于实际投运方式，改变了以往完全模拟动作的试验方式。5 安全效益分析1）采用在线调试方式，可以无限接近实际备自投运行状态和动作形式，试验结论可靠、准确，具有效力。2）备用合闸的主变两侧开关手车实际位置为试验位置，合闸动作后，安全可靠，不会造成其他误动。3）运行的主变两侧开关，跳闸回路未接入备自投，跳闸和合闸位置指示均采用模拟指示，可以有效避免运行开关柜的误动作，真正做到了备自投调试的零误动。6 结语通过分析变压器高低压侧分段断路器备自投原则、方式和动作过程，龙口煤电有限公司供电部针对煤矿供电的需要，在 35 kV 主井变电所和副井变电所使用了变压器自投，从近年模拟试验情况和投入运行后的实际动作结果来看，备自投均能正确动作，确实提高了供电可靠性。试验结果表明对变压器在线调试备自投原则、方式和动作过程是合理的、安全的。（上接第 172 页）（05）：1-17.2 刘峰.MG450/1100-WD 型薄煤层大功率采煤机研制 J.煤矿机械，2022，43（02）：34-36.3 邢政.薄煤层综合机械化采煤技术研究与实践 J.黑龙江科学，2021，12（14）：108-109.4 刘向丽，董峰，袁慧娟.掩护式液压支架掩护梁受力有限元分析及其结构优化 J.煤矿机械，2021，42（04）：126-130.5 王国锋，沈飞，程立严，等.顾桥煤矿智能化综采工作面建设关键技术及改进方向J.中国煤炭，2022，48（10）：80-86.6 符如康，张长友，张豪.煤矿综采综掘设备智能感知与控制技术研究及展望 J.煤炭科学技术，2017，45（09）：72-78.7 周忠国，程长勇，张孟军.急倾斜中厚煤层综采工作面矿压在线监测技术 J.科技创新与应用，2020，318（26）：146-147+149.