采煤工作面液壓支架姿態(tài)監(jiān)測傳感器研究

楊佳旻

（中天合創(chuàng)能源有限責任公司煤炭分公司門克慶煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

引言

在煤礦生產(chǎn)過程中，工作環(huán)境多變，液壓支架條件復雜。由于煤巖的巨大沖擊載荷，加之煤塵和煤霧的污染，液壓支架的監(jiān)測十分困難。這些都導致了液壓支架升降口故障的發(fā)生，造成整個煤炭生產(chǎn)系統(tǒng)癱瘓，威脅著煤礦工人的生命安全。液壓支架的工作狀況直接影響到工作面的安全生產(chǎn)，具體表現(xiàn)為：一方面，液壓支架的工作狀態(tài)影響著開采進度、支架的初撐力和工作阻力、管理效率、工作面的正常移動等[1-3]；另一方面，液壓支架的工作阻力、頂板支架的傾角等，可以間接反映工作面的應力場狀況，這是礦業(yè)專業(yè)人士關注的熱點問題。采煤作業(yè)使煤層原應力重新分布，應力場的變化直接導致工作面礦壓的產(chǎn)生[4-5]。因此，充分掌握工作面應力場的變化，對保障工作人員的安全具有重要意義。

本文分析了液壓支架的運動學模型，通過性能測試，驗證了傾斜傳感器的角度靈敏度和重復性，展示了工程監(jiān)測實例，分析了基于光纖傳感技術的液壓支架監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性，獲得了工作面生產(chǎn)過程中液壓支架姿態(tài)的動態(tài)狀態(tài)。此外，該傳感器可廣泛應用于其他類型液壓支架（如四柱擋塊式液壓支架和立式支架）的準分布式測量和長期在線監(jiān)測。液壓支架的姿態(tài)監(jiān)測技術和系統(tǒng)為采礦工作提供了安全保障，在工程領域發(fā)展了智能監(jiān)測技術。

1 兩柱掩護式液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)運動學模型

在目前使用的液壓支架類型中，兩柱掩護式液壓支架占有相當大的比例。液壓支架的掩護梁有利于改善液壓支架的力學狀態(tài)，適用于頂板壓力來自采煤機導軌頂部的情況，是破碎頂板的良好選擇。本文以兩柱掩護液壓式支架為研究對象，分析了該支架的運動學模型。掩護式液壓支架主要由頂梁、掩護梁、底座和立柱組成。簡化后的液壓支架結構如圖1 所示。在上覆頂板載荷作用下，液壓支架的姿態(tài)趨勢如圖1 箭頭所示，點C、D、E、G、I、J、K、N 和M 是鉸鏈點。在頂板壓力作用下，液壓支架頂板梁會隨著頂板的移動而產(chǎn)生一個仰角或俯角，同時立柱和平衡千斤頂會靈活地進行自適應。掩護梁承擔頂板的載荷，液壓支架連桿轉動。液壓支架底座的角度隨底板的變化而變化。根據(jù)液壓支架的實際工作情況可以看出，液壓支架通過立柱和平衡千斤頂來調節(jié)其姿態(tài)，即通過立柱和平衡千斤頂?shù)纳炜s動作來調節(jié)液壓支架的姿態(tài)。由此可以認為，液壓支架機構的運動是確定的，可以從理論上計算出液壓支架的姿態(tài)。

圖1 兩柱掩護式液壓支架姿態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結構圖

2 光纖光柵傾斜傳感器的工作原理及力學分析

如下頁圖2 所示，F(xiàn)BG 傾斜傳感器固定在傳感器殼體上。假設FBG 傾斜傳感器在X-Y 平面上有角度變化。沉重的球和鐘擺在重力的作用下，對均勻強度的梁1 施加推力Fp。由于均勻強度梁的寬度遠大于厚度，均勻強度梁1 的變形可以忽略不計。等強度梁1將推力Fp傳遞到等強度梁2 的端部。在Fp的作用下，均勻強度梁2 發(fā)生彎曲變形，對光柵FBG1 和FBG2產(chǎn)生應變。此時，F(xiàn)BG 中心波長發(fā)生變化。通過監(jiān)測光纖光柵中心波長的偏移，可以成功獲得物體的姿態(tài)。同樣，當被監(jiān)測物體的角度在Y-Z 平面發(fā)生變化時，均勻強度梁2 的變形可以忽略不計。通過均勻強度光束1 的彎曲，可以計算出FBG2 的應變，得到FBG2 的FBG 中心波長位移。對于監(jiān)測對象的任何其他角度變化，可視為上述兩種情況的矢量疊加，綜合角度矢量即可得到角度的方向和大小。重量球在Y-Z 平面和X-Y 平面運動時，均勻強度梁的受力分析相似。本文以重球在X-Y 平面上的運動為研究對象，研究傳感結構的受力條件，為重球在Y-Z 平面上的運動提供參考。根據(jù)圖2 中FBG 傾斜傳感器的結構，可以得到如圖3 所示的力學模型。

圖2 FBG 傾斜傳感器

圖3 傳感結構的力學分析

FBG 傾斜傳感器的主要結構尺寸和規(guī)格如下：重球的重力是1.5 N，擺的重力是0.2 N，擺的長度是60 mm，等強度梁的有效長度是20 mm、厚度和寬度分別是1 mm 和5 mm。用于FBG 傾斜傳感器性能測試的光譜分析儀為SM125 FBG 靜態(tài)解調器（波長長度分辨率為1 pm，掃描頻率為5 Hz，波長掃描范圍為1510～1590 nm）。通過角位移控制器調節(jié)傾斜傳感器的角度，其精度為800°，測量范圍為-45°～45°。

3 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測方案及結果分析

3.1 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測工作面

工作面煤層平均厚度為2.0 m，煤層傾角小于1°，煤層穩(wěn)定；底板平坦，為10 m 厚的粉砂巖；煤層頂部為0.4 m 泥巖，為偽頂板；直接頂板為5 m 厚粉砂巖，主頂板為8 m 厚充填砂，屬中等穩(wěn)定頂板。長壁工作面采用一次全高綜采的方法，采用綜放開采的方法對煤層頂板進行管理。工作面傾斜長300 m，開采長度3596 m。工作面液壓支架包括端面液壓支架、過渡液壓支架和兩柱掩護式液壓支架。

3.2 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測程序

在工作面，每10 個相鄰工作面選取1 個液壓支架作為監(jiān)測點。在每個監(jiān)測點，分別在頂梁、底座和液壓支架前連桿上安裝3 個FBG 傾斜傳感器。光纖光柵傾斜傳感器通過螺絲固定連接到液壓支架上。將傳感器安裝在屋梁和底座上時，需調整傳感器，使其與屋梁和底座的當前角度一致。安裝前鏈路傾斜傳感器時，先用水平尺調平傾斜傳感器，然后測量并記錄前鏈路的當前角度。

光纖連接跨接器的一端連接FBG 傾斜傳感器，另一端連接光纖接線盒中的光纖。與液壓支架其他通信線路固定在一起的光纜沿面敷設。光纖電纜連接到工作面入口的FBG 解調器通道，F(xiàn)BG 解調器放置在入口控制站并連接到礦井局域網(wǎng)（LAN）。解調主機設置在調度室內(nèi)，并與礦用局域網(wǎng)連接，獲取光纖光柵解調器的數(shù)據(jù)信息，客戶端顯示和處理來自解調主機的數(shù)據(jù)。

3.3 監(jiān)測結果分析

連續(xù)采集了工作面正常開采時的液壓支架姿態(tài)10 d。工作面液壓支架的平均傾斜角和姿態(tài)如圖4 所示。由圖4 可知，工作面液壓支架頂板梁的平均傾角分布在3°～5°；中間區(qū)域的屋面梁傾角較大，兩端的屋面梁傾角較小。由于工作面中部頂板的地壓較大，地壓性狀更明顯，頂板明顯下沉。在煤柱和端部液壓支架的支撐下，工作面兩側頂板下沉較小。地板的傾斜角分布在-1°和1°之間。底板的傾斜度主要受浮煤量和底板平整度的影響。由于工作面底板較為平坦，硬度較高，因此液壓支架底座整體水平傾角較好。通過與電液控制系統(tǒng)記錄的立柱伸縮量和光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)得到的結果比較，基本一致，說明該系統(tǒng)的姿態(tài)監(jiān)測原理和監(jiān)測結果是可靠的。柱長變化趨勢與頂梁變化趨勢非常相似，說明頂梁傾角對柱的伸縮量有顯著影響。

圖4 液壓支架的姿態(tài)

選取各監(jiān)測站工作期間液壓支架的平均姿態(tài)結果，如圖5 所示。由于覆巖頂板回轉，液壓支架仰角逐漸增大且隨著液壓支架工作阻力的增大，對直接頂板的支撐作用逐漸增大，這與液壓支架工作阻力的變化趨勢一致。在2 h、4 h 和6 h 時，液壓支架卸荷工作阻力較大并向前移動，導致頂梁在短時間內(nèi)旋轉，仰角增大。液壓支架工作阻力恢復后，頂梁的傾斜角恢復到小角度狀態(tài)。

圖5 工作期間的平均液壓支架姿態(tài)結果

基于光纖傳感技術的液壓支架位姿監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對液壓支架位姿的準確監(jiān)測，在線展示了支架的工作狀態(tài)和采場應力場的變化情況。

4 結論

通過監(jiān)測頂梁、底座和前連桿的傾斜角，可以獲得液壓支架其他部件的姿態(tài)信息。設計了雙光束均勻強度的FBG 傾斜傳感器；提出了傳感器傾斜角度與中心波長變化的關系，并提出了溫度補償和精度補償?shù)姆椒ǎ辉O計了液壓支架姿態(tài)監(jiān)測方案，并對監(jiān)測結果進行了分析。結果表明：工作面液壓支架頂板梁傾角基本對稱，中部較大，兩端較??；基座的傾斜度一般是水平的。通過與電液控制系統(tǒng)記錄的立柱伸縮量和光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)獲取的立柱伸縮量對比，光纖傳感監(jiān)測系統(tǒng)能夠提供準確、全面的液壓支架姿態(tài)信息。