煤矿大采高支架自动化控制设计及应用

煤矿大采高支架自动化控制设计及应用

王将涛

陕煤集团神南产业发展有限公司  陕西神木 719300

摘要：近年来，我国对煤矿资源的需求不断增加，煤矿开采越来越多。针对当前传统液压支架跟机控制系统精度低下、效率不高和安全性差的问题，本文首先分析系统架构设计，其次探讨大采高煤矿液压支架自动化控制设计及应用，降低了工人的劳动强度,提高了综采工作面工作效率。

关键词：液压支架；自动化；跟机控制

引言

近年来，我国沿空留巷巷旁支护体经历了木垛-矸石垛-密集支柱-柔模支护的演变，在支护性能、隔绝密闭性及自动化程度等方面有极大提升；巷内支护在材料、构件、强度等方面不断优化升级，由被动承载支护方式发展为以锚杆（索）为代表的主动支护体系，进一步确保煤帮及顶板的稳定性和完整性。构建液压支架自动化后人工调控决策系统对整个液压支架自动跟机过程中每一架液压支架进行判断,从而快速调整位姿不合适的液压支架,对实际生产过程中的人工干预工况进行知识发现,实现对人工干预生产时的工况信息有效表达,提升整个综采工作面的生产效率。

1系统架构设计

依据决策系统的模型推演与程序运行需求,结合高河煤矿现有管控平台,现场井下工作面与数据传输方式需求,采用“云-边-端”架构技术,研发液压支架自动化后人工调控决策,分为设备层、边缘层与应用分析层。设备层将井下综采工作面液压支架所汇集的传感器与采煤机位置惯导信息通过万兆工业环网与OPC服务器传入边缘层,由井下综采工作面集控中心InfluxDB数据库实现数据的高效存储、备份与保护,之后调用数据库中海量现场数据进行液压支架群自动化后人工调控决策模型推理,结果通过Python算法进行逻辑计算,将控制策略推送至人机交互界面和端部控制器中。而应用分析层通过可视化界面宏观数据可视化分析、评价与测试,利用控制节点将训练模型更替或下沉至设备层,从而实现全局性的系统决策与大数据分析。

2大采高煤矿液压支架自动化控制设计及应用

2.1液压支架跟机模型

以煤矿的工作面为背景，按照SAC型电液控制系统为基础，设计出井下液压支架的整体采煤机采煤工艺的跟机过程，这有利于后期将整个液压支架的跟机动作全部通过自动化控制技术展现出来。此种方式以工作面的采煤工艺为设计基础，对不同的工艺进行区域划分，应对此区域内的动作进行详细的自动化控制规划，从而实现对整个液压支架的自动化控制。涉及到的液压支架+采煤机自适应控制即为主要实现的最终方法，通过自适应和自动化两个方面进行展示。依照相关工艺，完成工作面自动跟机的场景设定，同时还要以采煤机为基准点，做周边的数据及位置规定。

2.2应用APP界面开发

高河煤矿使用python开发了液压支架群自动化后人工调节决策软件,主要包含了综采工作面主要生产设备,整个综采工作面液压支架的24h立柱压力热力图,数据时间选择模块,采煤机实时位置显示等。主界面通过输入时间节点,系统自主从InfluxDB数据库中抽取出原始数据,对每一架液压支架数据进行标准化处理,计算结束后需要人工调控的液压支架会被标红框,点击每个液压支架会有液压支架自动化后人工调控策略建议弹窗,其中弹窗内有液压支架人工调控策略建议模块、液压支架自动跟机控制指标模块与液压支架关键数据历史曲线模块,对操作类型、操作参数、自动跟机控制指标、推移行程曲线图、位置时差曲线图与压力曲线图进行具体显示并由系统自动给出是否需要人工调控建议。当完成人工调控后,操作员需要在是否已完成人工调控“是”前面打“√”,完成后主界面被标红的液压支架会恢复正常状态。

2.3采场“三区三带”分布特征

微震监测与巷道压力及变形监测所得巷道承压范围基本一致，结合理论分析及计算可知：急倾斜煤层因自身倾角太大，直接顶上端岩体易在自重作用下沿层理面移动、滑落，覆岩破坏范围主要位于采空区偏上方岩层，最终采场上端未冒落覆岩形成水平横梁，构成“厂”型移动拱结构。岩层呈周期性垮落，每次垮落时来压明显，会对巷道产生较大冲击，在实际生产过程中，要加强来压预测预报，做好超前支护工作。

2.4液压支架调斜调偏控制模型

采煤机实时的位置信息及状态数据都通过系统中的传感器得到，例如采高及顶板倾角、工作面方向等参数，都可以作为接下来调整工作参照的基础。如设置在液压支架上的倾角传感器，可实时传输液压支架的倾角数据，设置的液压支架上的方向传感器，在第一时间将设备位置信息传输到上位机，得到的数据实时与设定的割煤工艺标准数据比较，一旦出现偏差即可完成调整指令下达，通过控制器分析下发最终调整措施，液压支架按照调整要求完成调斜调偏等动作。

2.5现场系统部署

液压支架自动化后人工调控决策平台于2023年在山西潞安集团高河煤矿综采工作面完成了系统部署。将平台部署在井下的集控中心运行,有标注需人工调控液压支架,实时监测采煤机位置,查看摄像头实时视频,高河煤矿实时数据通过搭建的OPC服务器采集到的液压支架手动动作数据、液压支架立柱压力数据、液压支架压力、液压支架油缸行程数据等工作面实时数据,通过OPC客户端将服务器采集到现场工作面的大量数据通过煤矿工业环网存储并备份在InfluxDB数据库中。同时将井下摄像头的实时视频接入液压支架自动化后人工调控决策平台,更有利于观察液压支架的自动跟机情况。液压支架自动化后人工调控决策平台打开后自动运行,并可以将模型推理结果保存至InfluxDB数据库,便于与实际工况进行对比,判断模型推理结果是否准确,进而修正模型。

2.6试验

设计的液压支架跟机控制系统需要在实际工况下进行验证，以判定设计的科学和效果，井下工作面用的最多的是ZY10800/28/63D型掩护式液压支架，在工作面进行简易的综采工作面实验验证工作，架设多架检测机器，对前五个支架进行具体的支护高度和移架时间的记录，获取液压支架支护数据，了解其跟机效果。在整个跟机工作中，液压支架跟机系统具有良好适应能力。在实际的工作中，整个降柱—移架—升柱动作执行有序，但由于支架供液系统出现的部分传输阻力，出现实际与理论的执行上的偏差，但都属科学偏差范围内，仍然能够保持7.16s平均移架速度，能够将井下的移架效率提升近21%，支护的控制精度也能够保持在要求范围。

结语

基于决策树算法的智采工作面液压支架集群自动化后工况分类模型与决策平台,实现实时工效驱动的液压支架自动化后人工调控智能决策模型技术应用与液压支架自动化后控制效果的自动识别和人工干预策略的自动推荐。相比煤矿传统人工巡检工作面后进行人工调控决策,巡检工能够通过相对便捷、简易的交互式操作查看可视化数据,获取能够进行工况判别的足够信息,更好地解决综采设备自适应能力较差,尤其是液压支架的自适应跟机问题,帮助工人快速高效地完成调控工作,缩短人工调控时间,降低工作强度,进而减少灾害发生与人员伤亡,建立安全高效的现代化煤矿,实现减人提效的安全生产。

参考文献

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