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2020 年第 6 期2020 年 6 月 晋圣亿欣煤业 7192 综采面位于北四盘区中部，两 条顺槽方位角 275毅，东部为北四盘区三条大巷，其余 三面均为实煤区，上覆无采空区，顺槽设计走向长 4 351 m，工作面平均煤厚 3.2 m，属于典型的薄煤层 综采作业区域，可采储量 2.6伊107t。目前已掘进 760 m， 在 520耀650 m 受右侧 DF16逆断层 （ 在 580 m 处探测落 差为 7 m ） 影响，在 730耀890 m 工作面右侧受疑似陷 落柱 SXLZ6 （ 长轴 120 m，短轴 110 m，复杂断层 ） 的 影响，其间还伴生有 0耀5 m 落差不等断层的联合作用， 尤其对掘进成型和顶板支护造成较大的影响。7192 综 采面井下所采用的液压支架为 ZY3200/08 型薄煤层液 压支架，综采作业时井下地质环境复杂且空间极为狭 小，在调整液压支架的支护状态、移动液压支架时均 通过人工调整，不仅工人的劳动强度极大，而且效率 和一次调整率均较低，给煤矿井下的综采作业效率和 安全性造成了极大的影响。晋圣亿欣煤业 2018 年开始 对其进行自动化改造，利用可编程逻辑控制器 [1]和 PROFIBUS 数据通信总线实现了对液压支架整个工作过 程的联合调整控制，实现了对井下液压支架的无人调 整控制，极大地提升了薄煤层液压支架调整的效率和 可靠性。目前，该液压支架自动调整控制系统已在多 个煤矿得到了应用，取得了较好的应用效果。 1液压支架电液调控系统整体方案 系统改造时以 ZY3200/08 型薄煤层液压支架为对 象，在控制系统中增加支架控制器。为了确保控制器改 造的经济性和实用性，选择了 S7-300PLC 可编程逻辑 控制器为控制核心元件，在每个液压支架上均设置一 个支架控制器，要求该控制器输入开关量的接口数量不 少于 160 个，每个工作点位的最大输出工作电流不超过 0.75 A。为了确保对液压支架电液调控系统调节的有效 性，采用了可编程逻辑控制器直接控制液压系统电磁换 向阀的控制模式，确保了输出工作电流能够直接作用在 电磁换向阀上，动作灵敏性高，可靠性好。电磁换向阀 采用了电磁先导换向的工作模式，能够显著降低电磁换 向阀工作时磁铁的功率消耗，提高对液压支架控制的灵 活性[2]。图 1 为液压支架电液调控系统结构示意图。 在每个液压支架上还配备有一个压力传感器，该压 力传感器设置在液压支架立柱液压缸的无杆腔内[3]，对 支护过程中液压支架的支护状态进行判断。在液压支 架电液调控系统中设定了一个支护临界值，若监测到 的压力大于该临界值，则表明该液压支架处于支护状 态；若小于该临界值，则说明处于卸荷状态。在液压支 架推移液压缸处设置有一个位移传感器，用于监测液 压支架液压缸的伸出情况，判断支护高度。 该液压支架电液调控信号主要来源于液压支架和 采煤机之间的位置关系，为了实现对采煤机、液压支架 收稿日期2020-04-16 作者简介毋小龙，1989年生，男，山西晋城人，2012年毕业于山 西农业大学机械设计制造及其自动化专业，助理工程师。 煤矿井下液压支架电液调控系统优化分析 毋小龙 （ 晋煤集团晋圣公司生产基建部，山西 晋城 048000 ） 摘要 晋圣亿欣煤业 7192 综采面为薄煤层作业面，液压支架在支护、调整时均通过人工进行，存在效率低、稳定性 差、调整困难等问题，极大地影响了煤矿井下综采作业的安全性和效率。为此，提出了一种新的煤矿井下液压支架电液 调控系统，以可编程逻辑控制器和 PROFIBUS 数据通信总线为核心，实现了对液压支架在薄煤层条件下支护状态的自动 调节，为井下无人支护奠定了基础。 关键词 液压支架；电液调控；可编程逻辑控制器；PROFIBUS 中图分类号 TD63文献标识码 A文章编号 2095-0802-202006-0128-02 Optimization Analysis of Electro-hydraulic Control System for Underground Hydraulic Support of Coal Mine WU Xiaolong Production and Infrastructure Department of Jinsheng Company, Jincheng Anthracite Mining Group, Jincheng 048000, Shanxi, China Abstract The 7192 fully mechanized mining face of Jinsheng Yixin Coal Industry Co., Ltd. is a thin coal seam working face. The hydraulic support is carried out manually in support and adjustment, which has low efficiency, poor stability and adjustment difficulties, greatly affecting the safety and efficiency of the fully mechanized mining operation. For this reason, this paper proposed a new electro-hydraulic control system for the underground hydraulic support of coal mine. With PLC and PROFIBUS data communication bus as the core, it realizes the automatic adjustment of the support state of the hydraulic support under the condition of thin coal seam, which lays the foundation for the underground unmanned support. Key words hydraulic support; electro-hydraulic control; PLC; PROFIBUS （总第 177 期） 技术研究 128 2020 年第 6 期2020 年 6 月 相对位置关系的精确判断，在采煤机的机身中心位置 设置了一个红外线发射装置，在液压支架中部设置了 一个红外线接收装置，接收到红外线信号后传递给可 编程逻辑控制器，经过运算分析后确认采煤机与支架 之间的位置关系，进而根据采煤机的运行情况控制各 液压支架执行相应的动作，满足自主支护的要求。 图 1液压支架电液调控系统结构示意图 PC主控机 PROFIBUS总线 本安电源 人机操作面板人机操作面板人机操作面板 电液换向阀电液换向阀电液换向阀 PLC 人机操作面板人机操作面板人机操作面板 电液换向阀电液换向阀电液换向阀 液压支架液压支架液压支架液压支架液压支架液压支架 液压支架上各监测设备的布置情况如图 2 所示。 图 2液压支架各监测设备布置图 2液压支架电液调控流程 7192 综采面所用的采煤机总长为 8.115 m，各个液 压支架之间的中心距离约为 1.5 m，在采煤机的长度范 围内约有 5.4 个液压支架，根据新的煤矿井下液压支架 电液调控系统的控制要求，若此时采煤机正好对着编 号为 14 的液压支架，则系统控制编号为 15 的液压支架 进行收护帮板、升架的联动，此时系统将控制编号 1耀 11 的液压支架进行推溜运行，各个液压支架的推溜长 度为 0.06 m。7192 综采面液压支架、刮板输送机、采 煤机的相互位置关系及调控流程如图 3 所示。在该调 控系统中，编号为 1 的液压支架已完成 0.6 m 的推移， 不再动作，编号为 3耀11 的液压支架处于刮板输送机的 转弯过渡位置，其随着采煤机综采作业的进行逐渐向 前移架，实现自动跟进采煤机的截割作业。 1耀20.液压支架编号。 图 3综采面液压支架调控流程图 3液压支架电液调控系统数据通信 在传统的控制方案中，通常采用一个控制器来实 现对多个设备的集中控制，该类型的控制方式会导致 系统内的数据通信线路极多[4]。根据通信控制系统传感 器设备的数量，若采用该控制方式，则其控制电缆的 数量达到了约 1 800 根，在井下恶劣的工作环境中极易 出现故障，影响系统运行的可靠性和稳定性。因此在 液压支架电液调控系统中引入了 PROFIBUS 数据通信 总线控制结构[5]，该调控系统采用了多控制器通信模 式，在每个液压支架上都设置有一个可编程逻辑控制 器，每个控制器内均包含了 15 组数据输出接口，用于 与各电磁换向阀直接连通，然后在系统内设置一条光 纤与各控制器连接，实现对所有控制模块的联合控制。 最终该调控系统内的电缆用量仅为传统用量的 43， 不仅显著降低了系统成本，而且简化了结构，提高了 系统在复杂工作环境中工作的可靠性和稳定性。 该液压支架电液调控系统自应用以来取得了极好 的应用效果，井下液压支架的调整实现了无人化，调 整效率比人工调整提升了 75以上，作业人员数量降 低了 83，实现了液压支架与采煤机的联动运行控制， 极大地提升了晋圣亿欣煤业 7192 综采面的自动化水 平。液压支架井下联动运行结构如图 4 所示。 图 4液压支架井下联动运行结构图 红外线接收器 人机操作界面 电液换向阀 PLC 位移传感器 压力传感器 液压支架煤壁刮板输送机 割煤方向 采煤机 123456789 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 PLCPLCPLCPLCPLC （下转 158 页） 毋小龙 煤矿井下液压支架电液调控系统优化分析 129 2020 年第 6 期2020 年 6 月 （上接 129 页） 4结语 为了解决晋圣亿欣煤业 7192 综采面薄煤层液压支 架调整时存在的效率低、稳定性差、调整困难等问题， 提出了一种新的煤矿井下液压支架电液调控系统，该 系统以可编程逻辑控制器和 PROFIBUS 数据通信总线 为核心，实现了对液压支架在薄煤层条件下支护状态 的自动调节。对该调控系统在晋圣亿欣煤业的实际应 用情况进行了分析，结果表明a 该调控系统采用了 PROFIBUS 数据通信总线，使系统的电缆用量仅为传统 用量的 43，显著降低了系统成本，简化了结构，提 高了系统在复杂工作环境中工作的可靠性和稳定性； b 该调控系统实现了对井下液压支架的无人化调整， 调整效率比人工调整提升了 75以上，作业人员数量 降低了 83，极大地提升了晋圣亿欣煤业 7192 综采面 的自动化水平，提升了综采作业的经济性。 参考文献 ［1］ 杨培功.风水沟矿较薄煤层工作面液压支架电液控制系统应 用 ［J］ .煤矿机械， 2013， 348 219-220. ［2］ 宋磊， 宋方立.液压支架电液控制系统技术的发展与现状分 析 ［J］ .液压气动与密封， 20122 9-11. ［3］ 王佞， 杨坤.煤矿液压支架电液控制系统的研究 ［J］ .煤矿机 械， 2013， 345 191-192. ［4］ 孙晓健， 张东来.CAN 总线在液压支架电液控制系统的应用 ［J］ . 嵌入式网络技术应用， 2006， 2217 97-99. ［5］ 陈峰.液压支架电液控制系统的设计 ［J］ .煤矿机械， 2013， 3410 233-235. （ 责任编辑刘晓芳 ） 1.3 m，降低约 59，两帮破坏深度减少 0.7 m，降低 约 41，有效防止了围岩破坏向深部发育，保证了巷 道的稳定性。 4巷道围岩观测 对 13112 巷绕道穿层段分别采取 2 种支护方案，方 案一试验 0耀15 m，方案二试验 16耀38 m，并分别进行 巷道围岩观测。 4.1测点布置 采用传统、稳定的“十字布点法”监测巷道表面 位移。通过测量顶底测点位置变化，掌握顶底板移近 量随时间变化的规律。分别选取 13112 巷绕道Ⅱ段方 案一、方案二试验段建立测站进行观测。 4.2围岩位移监测分析 巷道围岩监测曲线如图 4 所示。由图 4 可知， 13112 巷绕道穿层段围岩变形随时间变化而变化。顶板 下沉量、两帮移近量、底鼓量在 0耀60 d 内呈线性增 长，在 60 d 左右达到稳定值，而后随着时间的推移基 本无变化。采用“锚网棚注浆”支护方案后，顶板下 沉量最大值为 72 mm，比方案一减少 53 mm，降低约 42；两帮移近量最大值为 130 mm，比方案一减少 340 mm，降低约 72；底鼓量最大值为 80 mm，比方 案一减少 95 mm，降低约 54。此时，巷道变形以两 帮变形量为主，顶板下沉量和底鼓量不大，巷道围岩 完整性良好。 5结语 针对大断面复杂条件穿层巷道围岩，提出采用 “锚网喷架棚”支护方案和“锚网棚注浆”支护方 案。方案二顶板下沉量、两帮移近量、底鼓量比方案 一分别降低约 42、72、54，巷道变形主要以两帮 变形量为主，基本控制在 130 mm 以内，顶板下沉量和 底鼓量控制在 80 mm 以内，巷道围岩完整性良好。 参考文献 ［1］ 魏国帅.穿层巷道分段支护技术研究 ［J］ .煤炭与化工， 2019， 424 36-39. ［2］ 柴俊涛.穿层巷道掘进施工工艺研究 ［J］ .山东煤炭科技， 20193 8-10. ［3］ 刘波.复杂条件下掘进巷道穿层期间支护工艺实践 ［J］ .煤， 2017， 261 38-39援 ［4］ 谷守生， 孙磊， 郭景秋.深井软岩穿层巷道支护与施工技术 ［J］ . 煤矿现代化， 20044 37-38援 （ 责任编辑白洁 ） 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 100150200250300350 时间/d 0 50 顶板下沉量 两帮移近量 底鼓量 a 锚网喷架棚支护巷道围岩监测曲线 b 锚网棚注浆支护巷道围岩监测曲线 图 4巷道围岩监测曲线 160 140 120 100 80 60 40 20 102030405060708090 时间/d 0 顶板下沉量 两帮移近量 底鼓量 100 110 158