張德生，張玉良，高永軍，王 飛，周奮波，白宇琪

1中煤科工開采研究院有限公司 北京 100013

2黃陵礦業(yè)集團有限公司一號煤礦 陜西黃陵 727307

3陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司 陜西神木 719300

工 作面運輸巷是工作面人員、物流和煤流的咽喉，為保障該區(qū)域暢通和作業(yè)安全，超前支架已成為主流的支護方式，顯著提高了開采效率[1]。但超前支架相對工作面支架采用獨立布置方式，缺乏導向機構(gòu)，常態(tài)化自動化運行較難，仍需要人工操作。由于自動控制難度大，《智能化示范煤礦驗收管理辦法 (試行)》(2022) 規(guī)定，“工作面兩端頭、超前區(qū)域采用液壓支架進行支護，配備電液控制系統(tǒng)，具有就地控制與遙控控制功能”，這僅對超前支架提出了遙控操作要求。智能化的進一步發(fā)展，對超前支架控制技術提出了更高要求，能夠與工作面裝備協(xié)同推進，實現(xiàn)少人乃至無人化操作。

黃陵礦業(yè)基于電液控制技術，通過工業(yè)現(xiàn)場總線將超前支護裝置集成，與工作面液壓支架電液控系統(tǒng)融合為統(tǒng)一的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了超前支護裝置與液壓支架的一體化控制[2]；神東煤炭在 8.8 m 超大采高邁步式超前支架組上應用電液控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了與工作面的聯(lián)動和壓力控制[3]；中國礦業(yè)大學研究了超前支架的姿態(tài)監(jiān)測技術[4]；天地科技針對特殊型式超前支架智能控制技術，對螺旋式全向行走超前支架和無反復支撐超前控制技術進行了試驗[5-6]。隨著 5G 等技術發(fā)展，超前支架導航等技術的應用成為近年來的研究熱點[7]。盡管超前支護取得了較大進展，但由于配套型式不盡合理，監(jiān)測系統(tǒng)不完善，超前支架常態(tài)化自動運行應用仍存在一定困難。

筆者針對運輸巷超前支架與工作面協(xié)同推進的難題，以檸條塔和黃陵一號煤礦為例，開展了裝備配套、監(jiān)測和控制技術研究，提高了超前支架控制系統(tǒng)的適應性和實用化程度。

1 工作面運輸巷超前支架型式

檸條塔煤礦 S1204 工作面設計長度為 350 m，運輸巷斷面均為矩型，尺寸為 6.0 m (寬)×3.5 m (高)；轉(zhuǎn)載機型號為 SZZ1550/525，落地段與超前支架重合長度為 12 m (含破碎機)，配套 ZY2700 型自移裝置；超前支架型號為 ZTC10680/27/50，超前支護距離為20 m，前后 2 組布置，采用交替邁步方式推進。原配套超前支架和轉(zhuǎn)載機相互獨立 (見圖1(a))，推進過程兩者經(jīng)常性干涉，即使在人工操作的情況下，調(diào)整起來也較為困難；自動化運行難度更大，因此超前支護難以實現(xiàn)常態(tài)化自動運行。

圖1 檸條塔煤礦超前支架和轉(zhuǎn)載機配套方式Fig.1 Matching mode of advanced support and loader in Ningtiaota Coal Mine

為破解上述難題，從破碎機 (和裝載機整體連接)處伸出一牽引機構(gòu)，通過液壓缸和轉(zhuǎn)載機相連，以轉(zhuǎn)載機為基礎實現(xiàn)超前支架的牽引式行走，保證兩者之間移動過程處于平行關系，避免了干涉 (見圖1(b))。

黃陵一號礦 627 工作面運輸巷道斷面尺寸為 5.2 m (寬)×2.9 (高) mm，轉(zhuǎn)載機型號為 SZZ1200/700，寬度為 12 m，整體長度為 60 m；超前支架型號為2×ZQL2×5 000/19/35DY，2 組支護距離為 20 m (支護范圍在落地段范圍)，推進方式同上，同樣采用交替邁步方式。

因轉(zhuǎn)載機采用長落地段方式，超前支架直接通過液壓缸與落地段連接，前、后 2 列超前支架之間相連，行走方式同樣為拉移，保證了超前支架和轉(zhuǎn)載機的平行關系，避免了相互干涉 (見圖2)。

圖2 黃陵一號礦超前支架配套結(jié)構(gòu)Fig.2 Supporting structure of advanced support in Huangling No.1 Mine

2 超前支架監(jiān)測系統(tǒng)

超前支架監(jiān)控系統(tǒng)具有超前支架的升降、移架、姿態(tài)和壓力調(diào)控等綜合功能，由監(jiān)測系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)和智能決策系統(tǒng)組成，具有智能感知、智能決策和自動控制運行的能力，可滿足本地、遙控和遠程集中控制要求。數(shù)字化監(jiān)測是協(xié)同控制的基礎，滿足在巷道中定位、定姿和壓力監(jiān)測等相關要求。

(1) 定位 采用運-支一體式結(jié)構(gòu)后，超前支架在巷道中的位置基于轉(zhuǎn)載機來決定，僅需用千斤頂來監(jiān)測各組支架之間位置及周圍障礙。將礦用本安型超聲波測距傳感器置于超前支架的底座前方和左右兩側(cè)，實時監(jiān)測超前支架前方是否存在障礙，以及監(jiān)測最前端超前支架左右兩側(cè)，給出支架距離障礙的距離及障礙物的位置。要求障礙物探測距離 0.5～ 2.0 m，探測距離精度≤5 mm。

(2) 定姿 姿態(tài)監(jiān)測采用行程傳感器、傾角傳感器等多種方式，能夠測量偏移量、俯仰角、側(cè)傾角及超前支架高度信息等多種參數(shù)。

將礦用本安型雙軸傾角-高度一體式傳感器安裝到左右兩側(cè)支架頂梁的下端用來監(jiān)測左右兩側(cè)支架的姿態(tài)；超前支架組前、后和左、右架之間采用數(shù)字液壓缸連接，可實現(xiàn)行程、壓力的監(jiān)測，獲取各架至間相對位置的監(jiān)測，并且在推移過程的異?？赏ㄟ^壓力波動顯現(xiàn)。

(3) 定壓 超前立柱安裝壓力傳感器，對初撐力進行控制，并對壓力顯現(xiàn)規(guī)律進行監(jiān)測分析。壓力監(jiān)測應采用數(shù)字式壓力傳感器，最大測量壓力＞60 MPa，精度為±0.2 MPa。

(4) 電子圍欄 電子圍欄方案主要是為實現(xiàn)超前支護裝備群組安全監(jiān)測、前方障礙物實時監(jiān)測等功能。運輸巷采用礦用本安型紅外攝影儀，軟件部分運行在邊緣計算攝像儀中，通過網(wǎng)絡向控制系統(tǒng)提供障礙物數(shù)據(jù)、人員入侵報警數(shù)據(jù)等。

當攝像頭檢測到有障礙物或人員入侵時，就會觸動聲光報警裝置及遠程控制開關，從而避免設備對人員造成傷害。擁有管理權(quán)限的人員可根據(jù)現(xiàn)場實際情況對入侵人員及障礙物進行判斷，在安全的情況下可解除警報，重新開機。

3 超前支架控制系統(tǒng)

3.1 控制邏輯

超前支架控制的目標是根據(jù)工作面推進需要，利用超前液壓支架的立柱、千斤頂?shù)瘸爸Ъ軋?zhí)行機構(gòu)進行自身調(diào)整，使超前支架處于合理的姿態(tài)和空間位置。以圖1(b) 為例，控制邏輯如表1 所列。

表1 超前支架自動控制邏輯Tab.1 Automatic control logic of advanced support

通過對供液壓力的調(diào)整，使超前液壓支架立柱初撐壓力達到設定的值，滿足等強支護、非等強支護和初撐力控制(低初撐、高工阻)的要求。

3.2 專用控制器

超前支架的控制基于監(jiān)測系統(tǒng)，因此首先需要滿足多傳感器的接入，同時具有協(xié)同聯(lián)動功能。目前超前支架采用工作面液壓支架通用控制器，難以滿足多傳感器的直接接入，因此專門開發(fā)了超前支架控制器。

超前支架控制器包括殼體、主控板、顯示板、按鍵板、網(wǎng)關板、數(shù)模轉(zhuǎn)換板、急停開關、蜂鳴器、警示燈、各類快插航空頭等各種連接器件，具有以下功能：

(1) 支持邊緣側(cè)本架、鄰架、成組控制操作、急停功能、閉鎖功能、復位功能；

(2) 支持傳感器 (0.5～ 4.5 V/4～ 20 mA) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、顯示等功能；

(3) 支持終端間數(shù)據(jù)通信，包括視頻流、傳感器數(shù)據(jù)、控制指令等；

(4) 支持數(shù)據(jù)上傳至遠程主機，終端間數(shù)據(jù)傳輸采用串行傳輸方式；

(5) 支持遠程主機下發(fā)控制命令，包括成組動作、單點動作等；

(6) 支持 LoRa 無線傳感器數(shù)據(jù)采集；

(7) 支持 LoRa 無線遙控器通信。

超前支架控制器具有 3.5 英寸的彩色顯示屏、揚聲器、LoRa 天線、12 個屏幕操作按鍵、18 個功能操作按鍵、急停開關、12 個模擬量信息采集接口、2個電源輸入接口、2 個閥組控制接口、5 個千兆網(wǎng)接口，以及多功能報警燈接口和遙控器連接接口，如圖3 所示。

圖3 超前支架控制器Fig.3 Advanced support controller

4 現(xiàn)場應用

運輸巷運-支一體式超前支架分別在檸條塔煤礦 S1204 工作面和黃陵 1 號煤礦 627 工作面進行了應用，基于端頭支架推移轉(zhuǎn)載機的信號觸發(fā)，實現(xiàn)了協(xié)同聯(lián)動控制，避免了干涉現(xiàn)象，保證了協(xié)同常態(tài)化自動運行。S1204 工作面超前支架應用現(xiàn)場如圖4 所示。

圖4 S1204 工作面超前支架應用現(xiàn)場Fig.4 Application site of advanced support in S1204 working face

5 結(jié)語

針對運輸巷超前支架自動化推進和協(xié)同聯(lián)動的難題，提出了轉(zhuǎn)載機和超前支架一體化的連接方式，以拉移的方式保證了推進的方向，實現(xiàn)定向推進。所設計的超前支架監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了定位、定姿、定壓和安全防護等全面監(jiān)測。提出了超前支架的控制邏輯，開發(fā)出超前支架專用控制器，進行了現(xiàn)場試驗，實現(xiàn)了三機一架的協(xié)同聯(lián)動。