井下超前支护用悬浮式单体液压支柱监测系统.pdf

第 4 1 卷 第 8期 2 0 1 5年 8月 工矿 自 动化 I nd us t r y a n d M i n e Aut o ma t i on VoI ． 41 NO ． 8 Au g ． 2 0 1 5 文章编 号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 5 0 8 0 0 1 3 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 X ． 2 0 1 5 ． 0 8 ． 0 0 4 陈鑫 ， 韩正铜 ， 郝敬宾， 等． 井 下超前支护用悬浮式单体液压 支柱监测 系统 E J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 8 1 3 1 6 ． 井下超前文护用悬浮式单体液压支柱监测系统 陈鑫 ， 韩正铜 ， 郝敬 宾 ， 李 宝林 中 国矿 业大 学 机 电工程 学 院 ， 江 苏 徐州 2 2 1 1 1 6 摘 要 介 绍 了一种 井下 超前 支护 用 悬 浮式 单体 液压 支柱 监 测 系统 ， 阐 述 了该 系统 的 工作 原 理 及 设 计 方 案 。该 系统 能够 实现 液压 支柱 压力及 弯 曲 变形 检测 、 L E D 灯报 警和数 据 无 线传 输 。基 于 某型 号液 压 支柱 的 测试结果表明， 该 系统测量值与理论值之 间的误差较小， 表明该 系统可真实地反映悬浮式单体液压支柱在承 受顶板 不 同来压 时 的弯 曲变形程 度 ， 为 支护 的安全 预警提 供 准确 数据 。 关键词 悬浮式单体液压支柱；井下超前支护；弯曲变形检测 ；压力检测 中图分类 号 T D3 5 5 ． 4 文 献标 志码 A 网络 出版 时 间 2 0 1 5 0 7 3 1 1 5 2 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www ． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． T P ． 2 0 1 5 0 7 3 1 ． 1 5 2 2 ． 0 0 5 ． h t ml M o n i t or i ng s y s t e m o f s u s p e n s i o n t y p e s i n g l e hy d r a ul i c p r o p f o r un d e r gr o u nd f o r e p o l i n g CHEN Xi n ，HAN Z h e n g t o n g ，HAO J i n g b i n，L I Ba o l i n Sc ho ol o f M e c ha n i c a l a n d El e c t r i c a l En gi n e e r i n g，Chi n a Uni v e r s i t y of M i ni ng a n d Te c h n o l o g y ，Xu z h o u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a Ab s t r a c t A mo ni t or i n g s y s t e m o f s u s pe ns i o n t y pe s i ng l e hy dr a ul i c pr o p f o r u nd e r gr o un d f or e p o l i ng wa s i nt r o d uc e d，a n d wor k i ng p r i nc i pl e a n d de s i g n s c he me o f t he s y s t e m we r e f o c u s e d on．The s y s t e m c a n r e a l i z e p r e s s ur e a n d be nd i ng de f o r m a t i o n de t e c t i o n o f hy dr a u l i c p r o p， LED wa r n i ng a nd wi r e l e s s d a t a t r a n s mi s s i o n．Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t b a s e d o n a t y p e o f h y d r a u l i c p r o p s h o ws t h a t t h e e r r o r b e t we e n me a s u r e m e nt v a l ue o f t he s ys t e m a nd t h e t he o r e t i c a l on e i s s m a l l ， whi c h v e r i f i e s t h a t t he s y s t e m c a n a c t u a l l y r e f l e c t b e n di n g de f o r m a t i o n de gr e e o f s u s p e ns i o n t y pe s i ng l e h yd r a ul i c pr o p whe n t he hy dr a ul i c p r o p s u f f e r s d i f f e r e n t s t r e s s f r o m r o o f a n d p r o v i d e a c c u r a t e d a t a f o r s a f e t y wa r n i n g o f f o r e p p o l i n g ． Ke y wo r ds s us pe ns i o n t y pe s i n gl e hyd r a ul i c pr o p； u nd e r gr o und f or e p o l i ng； b e nd i n g d e f or ma t i on d e t e c t i o n；p r e s s ur e de t e c t i o n 0 引言 井下综采工作面的超前支护是保障煤矿安全生 产 的前提 [ 1 ] 。 目前 ， 中 国仍 有 不少 煤 矿 采 用 悬 浮 式 单体 液压 支柱 与顶 梁配合 的方式对 工作 面端 头及 巷 道进 行超 前支 护 ， 能否实 时 、 准确监 测悬 浮式 单体 液 压支 柱 的工作状 态 ， 直 接 影 响 综 采 工作 面端 头 处 的 支护 质量 ， 进而 影 响煤矿 生产 过程 的安 全 。 悬浮式单体液压支柱支撑性能的好坏直接受其 密封质量的影响， 因此大多数研究是通过检测液压 支柱密 封质 量来 对其 进行 压力检 测 。何健 等_ 2 ] 研 究 了检测时间及压降率 ， 为支柱 密封质量短时间检测 和危险报警提供 了可靠依据 ； 参考文献 [ 3 1 0 ] 介绍 了几种悬浮式单体液压支柱密封检测仪 ， 可显示液 压支柱的工作压力 、 降压 比等信息。上述研究均没 有 提及 在顶 板周 期来 压时 对悬 浮式单 体液 压支 柱 的 收稿 日期 2 O 1 5 0 3 2 7 ； 修 回日期 2 0 1 5 0 6 2 0 ； 责任编辑 李明 。 基金项 目 国家高技术研究发展计划 8 6 3 计划 资助项 目 2 0 1 2 AA0 6 2 1 0 0 ； 江苏省 自然科 学基金资助项 目 B K2 0 1 3 0 1 8 4 ； 江 苏高校优势学科 建设 工程资 助项 目。 作者简介 陈鑫 1 9 9 1 一 ， 男 ， 宁夏银川人 ， 硕士研究生 ， 研究 方向为机 械工程 ， E ma i l c x _e n e r g y s o h u ． c o r n。 ‘ 1 4 工矿 自动 化 2 0 1 5年 第 4 1卷 弯曲变形进行检测的装置和方法。本文提出一种悬 浮式单 体液 压支 柱 监 测 系统 ， 其 能够 实 时 监 测综 采 工作面端头超前支护区域液压支柱的工作状态 ， 为 煤 矿一 线工 人 的生命 安全 和开采 过 程 的安 全 高效提 供保障。 1 悬 浮式 单体 液压支 柱 的静力 学分 析及支 护 形式 1 ． 1静 力学分 析 悬 浮式 单 体 液 压 支 柱 的 结 构 特 点 为 承 载 能 力 强 ， 活 柱体仅 受 2 0 左 右 的载 荷 ， 如 图 1所 示 。其 中 z 为活柱体外伸长度 ， mm； z 。为活柱体与油缸 的 套接长度 ， mm； d ， d 分别为活柱体的外径和内径 ， mm； D ， D 分别 为 油缸 的 内径 和外 径 ， mm； P为 乳 化液 压力 ， MP a ； N 为地 面 支撑 反力 ， k N； ， 分 别 为活 柱体 和油 缸 的 挠度 ， mm； F ， F 为 套 接 部 分 油 缸对 活柱 体 的 作 用 力 ， k N。在 现场 使 用 中 ， 一 旦 工 作面顶板周期来压 ， 悬浮式单体液压支柱所承受的 压 力 F 会突 然 达 到 或 超 过 其 工 作 阻 力 ， 如 果 安全 阀不 能迅 速打 开或 安 全 阀 流量 过 小 ， 液 压 支 柱会 被 压弯 ， 为人员逃脱争取宝贵时间l_ l 。 活体柱 安全 阀 油缸 a 结 构 b 弯 曲模 型 c 受 力 图 1 悬 浮式单体 液压支柱示意 对 于悬 浮式 单体 液 压 支 柱 ， 弯 曲变 形 的静 力 学 分 析 关 键 在 于 活 柱 体 与 油 缸 的 套 接 部 分 1 。如 图 1 b 所示 ， 活柱 体 和油缸 之 间 的最大 相 对 位移 取 决于相应的密封间隙。由于采用空芯结构 ， 活柱体 内腔 与油缸 内腔 是 相 通 的 ， 所 以二 者 所 受 的 内压 相 同 ， 受力 如 图 1 c 所 示 。由 图 1 c 可 看 出 ， 液 压 支 柱在 受 压工况 下 的最大 挠度 发生 在 z 处 。活柱 体 最大 挠度 为口 一 F 3 2 m 1 式 中 F⋯ 为液 压支 柱 最 大工 作 阻力 ， k N； A 为活 柱 体 的横 断 面 积 ， mm。 ； 为 油 缸 的 最大 挠 度 ， mm； w 为活柱 体 的断 面模数 。 1 ． 2 工况条件 和 液压 支柱 分布 实 际应 用 中 ， 悬 浮式 单 体 液压 支 柱 多 与顶 梁 配 合对 工作 面及 巷道 进 行 超 前 支 护 ， 其 具 体 实 现 形 式 往往 取决 于工 作 面巷道 的实 际条件 。例 如 鹤壁煤 业 集 团 有 限责 任公 司三 矿采用 悬 浮式单 体液 压支 柱 与 3 ． 5 m 长金 属 7 c 型顶梁 的支 护方 式 ； 宁夏 王 洼煤 矿 采 取工字 钢梁 、 悬 浮 式 单 体 液压 支 柱 及 一 字 形 铰 接金属梁 的组合方式， 对其 E 1 1 0 8大倾角综采工作 面 的上下端 头进 行支 护 _ 1 ， 如 图 2所 示 。 1 ， 1 一 上 端头 ；2一顶 梁 ；3 一悬 浮式 单 体 液 压 支 柱 ；4 一 液 压 支 架 ； 5 一采煤机 ； 6 一刮板输送机 ；7 一下端 头 图 2 悬 浮式单体 液压 支柱与顶梁联合支护示意 2 悬浮 式单 体液 压支 柱监 测 系统原 理 悬 浮式单 体液 压支 柱监 测 系统 主要包 括压 力传 感器 、 光纤 传 感 器 、 单 片 机 、 L E D灯 和无 线 传 感 器 。 液压 支柱感 受 到工 作 面 顶 板 来压 时 ， 活 柱体 腔 内乳 化液压力升高 ， 压力传感器测量到压力超过液压支 柱承 受压 力时 ， 会控 制 开关控 制 电路 闭合 ， 将压 力信 号传 送至 单片 机 。单片 机控 制 L E D灯 报警 ， 并 控制 无线 传感 器将 压力 数据 发送 至地 面监 控室 。在 顶板 周期 来压 期 间 ， 液 压 支柱 的安 全 阀有 可 能 没有 及 时 打开或安全 阀流量过小 ， 导致液压支柱被压弯。安 装于手把体 内的光纤传感器可检测支柱沿任意方 向 的弯 曲压力 ， 并 将测 量 信 号 转 换 为 电 信 号发 送 至 单 片机 ， 单片机控制 L E D灯及无线传感器做 出响应， 及时 提醒 井下 工人及 地 面监 测人 员采用 应 急措施 。 3悬浮 式单体 液压 支柱 监 测系统 设计 3 ． 1 压 力 传 感 器 压力传 感 器主要 包 括隔膜 膜 片 、 灌 充液 、 波纹 管 和螺旋 弹簧 、 导 压 块 和 导 压杆 等 。隔 膜膜 片作 为 弹 性 敏 感元件 ， 感 受活 柱体 腔 内乳化 液压 力 ； 灌 充液 等 值传递活柱体腔内乳化液压力； 波纹管和螺旋弹簧 将 压力 值转 换 为位 移 ， 并 带 动 导 压块 和导 压 杆 做 垂 直移 动 。压 力传 感 器 工 作 过 程 隔膜 膜 片在 活 柱 体 2 0 1 5年第 8期 陈鑫等 井下超前支护用悬浮式单体液压支柱监测 系统 1 5 腔 内乳化 液 的作用 下 发 生 形 变 ， 通 过灌 充 液 将 压 力 作用于波纹管和螺旋弹簧底部， 使波纹管产生垂直 向上位移 ， 并 带动 导压块 和 导压杆 做垂 直 向上移 动 ， 从 而触控 上方 的开 关控 制 电路 。 3 ． 2 光 纤传 感 器 光纤传感器包括光源 、 一定长度 的传感 或传输 用 光纤 、 光接 收器 l_ 1 引。为了在 检 测液 压 支 柱 发生 弯 曲变形时挠度的同时， 检测作用于液压支柱顶盖上 的顶板来压 ， 采用微弯式光纤传感器 ， 如 图 3所示 ， 其 中 F为施 加外力 ， z 为微 弯 段 长度 ， 以为 微 弯结 构 的机械 周期 。 F 光输入 输 出 1 一上 齿 形 板 ；2 一 下 齿 形 板 ；3 一传 感 或 传 输 用 光 纤 图 3 微弯式光纤传感器 微弯式光纤传感器由 2个相对放置的齿形板组 成。2 个齿形板之 间留有空隙 ， 传感或传输用光纤 从空隙穿过， 在上齿形板上方施加外力 F， 光纤在齿 形板挤压下产生一定周期性 的弯 曲变形， 光纤的弯 曲变形 程 度随施 加外 力 的变化 而变化 。齿 形板 位 移 与施 加外 力之 间 的关系 为_ 1 。 ] △ T 一 F K 学 ～ 式 中 △ T为 光强 损 耗 ； A X 为 齿形 板 位 移 ；△ T／ △ X 为灵 敏度 ； K 为 光 纤 的力 学 常 数 ； A 为 光 纤 截 面 积 ； y 为 光 纤 的 杨 氏 模 量 ； l 为 微 弯 结 构 的 垫 片 长度 。 系统采用的光纤传感器包括光 源发射器、 3根 光纤 和光 接 收器 ， 如 图 4所示 。光 源发 射 器 发 出光 耦合 ， 光纤一将光耦合传至调制 区。来 自液压支柱 任意方向的弯曲压力作用于光纤二上 ， 使其光学性 质发生变化 ， 生成被调制的光信号 ， 该信号经过光纤 1 一光源发射 器；2 一光纤一 ； 3 一光纤二 4 一手把体 ；5 一光纤三 ； 6 一光接收器 图 4 光纤传感器组成及测量原理 三传送至光接收器。光接收器对接收的光信号进行 转换后输出电信号 ， 再通过导线输入单片机。 3 ． 3 L E D报 警装 置 L E D报警 装 置 包 括 开 关 控 制 电 路 、 单 片 机 和 L E D灯 ， 如 图 5所 示 。导 压 杆 垂 直 向上 移 动 时 ， 触 碰开关 K 闭合 ， 开关控制 电路接通 ， 单 片机输入端 接 收 到高 电平 ， 输 出 端 输 出 高 电 平 ， NP N 型 三极 管 Q导通， 电磁继 电器 K得 电， K 被吸合 ， L E D灯 点 亮 ， 实现报警。 灯 图 5 L ED报 警 装 置 电路 3 ． 4无 线传 感 器 无线 传感 器包 括 编码 器 、 调 制 解 调器 、 放 大 器 、 R F射 频器 、 天 线 、 环 形 天 线 、 选 频 器 、 放 大 器 、 调 制 解调器、 R S 4 2 2收发器 ， 如图 6所示 。单片机输入端 接收到一定的电平信号后 ， 单片机响应并将信号依 次送 入编 码器 、 调 制解 调 器 、 放 大 器 、 R F射 频 器 ， 经 天线发射信号， 再经过布置于分支巷道和主巷道 内 的若干射发器将信号发送至环形天线 。环形天线将 所 载信号 送 人 选 频 器 、 放 大 器 、 调 制 解 调 器 、 RS 4 2 2 收发器 ， 经双绞缆传至地面计算机口 。 井下 电 ▲ 单H L E D 灯 控 制 电 路 图 6 无线传感器组成 4测试 结 果分析 选用 某 型号悬 浮式 单体 液压 支柱 对该 系统 的可 靠性和准确性进行测试 。该悬浮式单体液压支柱具 体参数见表 1 。 根据式 1 计算该悬浮式单体液压支柱 活柱体 的最大挠度 ， 采用系统 中安装于手把体凹槽 内的光 纤传感器采集液压支柱在承受不同压力时的最大挠 1 6 工矿 自动化 2 0 1 5年 第 4 1卷 从表 2可 看 出 ， 活 柱 体 实 际 弯 曲值 与 测 试 值 的 最大 相对误 差 为 6 ． 5 4 1 0 ， 表 明该 系统 监 测数 [ 6 ] 据准 确性 较高 。 5 结 语 井 下超 前支 护用 悬 浮式单体 液 压支柱 监测 系统 的实验值与理论值非常接 近， 最大误差在可接受 范 围内， 说明该系统可真实反映液压支柱在承受顶板 不 同来压时的弯曲变形程度 ， 为支护 的安全预警提 供准确数据 。下一步的研究重点是使 系统更智能、 更精确和更可靠地监测悬浮式单体液压支柱的弯曲 变 形 。 参 考文献 [1] [2] [3] [4] [5] 尚彦 亭． 关 于煤矿 综采 工作 面 支护技 术 问题 的探 究 [ J ] ． 科协论坛 ， 2 0 1 3 7 4 5 4 6 ． 何建 ， 席振宇． 单体液压 支柱压 力变化分 析 与快速 检 测 的研究 E J ] ． 液压气动 与密 封 ， 2 o 1 2 8 3 4 3 6 ． 秦玉鑫． 基 于 8 9 s 5 2单片机的单体液压支柱智能压力 检测仪设 计 [ J ] ． 云南 大学 学 报 自然科 学 版 ， 2 0 0 9 ， 3 1 增 刊 2 2 8 4 2 8 7 ． 张建 中 ， 姜 海燕 ， 苑红 波 ， 等． 基 于 VB的单体 液压 支 柱智能检 测 系统 [ J ] ． 山东科 技大 学学 报 自然 科学 版 ， 2 0 0 6 ， 2 5 3 2 9 3 1 ． 秦海忠 ， 吴志刚． 单体 液压支柱 动 静 态检测 系统设 [7 ] [ 8] [9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] [ 1 2 ] [ 1 3 ] [- 1 4 ] E 1 5 ] [- 1 6 ] [ 1 7 ] 计与实现 [ J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 1 0 ， 1 5 5 7 6 7 7 ． 武装． K J D T单体支柱 密封 质量监 测 系统[ D ] 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