一种智能自适应超前液压支架的制作方法

本发明涉及一种煤矿用超前液压支架，尤其涉及一种可以根据巷道围岩变形而自动调整支护姿态从而使液压支架始终处于最佳支护状态的超前液压支架，可以有效提高超前液压支架对巷道围岩变形的适应性与支护效果。

背景技术

《煤矿安全规程》第九十七条规定：采煤工作面所有安全出口与巷道连接处超前压力影响范围内必须加强支护，且加强支护的巷道长度不得小于20m。传统巷道超前支护技术一般采用木支柱或单体液压支柱进行支护，这种支护方法存在支护强度低、效率低、可靠性差、工人劳动强度大等问题。随着超前支护技术与装备的发展，工作面超前支护技术逐渐发展为采用超前液压支架进行支护，这种超前液压支架的主体结构类似于工作面液压支架，其行走方式主要采用迈步自移式；由于这种支架的顶梁与立柱采用销轴铰接，且需要频繁进行降架-移架-升架等推移动作，导致这种支架的顶梁与巷道顶板的接触效果比较差，并且在推移过程中难以有效规避巷道锚杆、锚索，在移架过程中存在对巷道顶板岩层、顶板锚杆、锚索支护体反复支撑破坏等问题，在巷道围岩变形量较小的工作面支护效果较好，但对巷道围岩发生大变形的适应性较差；为了解决传统超前液压支架在移架过程中对顶板岩层及顶板锚杆、锚索支护体进行反复支撑破坏等问题，逐渐发展演化了一种单元式超前液压支架，这种巷道超前液压支架虽然解决了支架在移架过程中对巷道顶板岩层及顶板锚杆、锚索支护体进行反复支撑造成顶板岩层破坏的问题，但这种超前液压支架仍然存在对巷道顶板岩层变形适应性较差等问题，当巷道顶板岩层或底板岩层发生较大变形时，巷道顶板岩层平面与底板岩层平面将不再平行，且巷道顶板岩层会出现凹凸不平等情况，此时这种单元式超前液压支架将难以适应巷道顶板岩层发生的变形，超前液压支架极易发生偏载而导致超前液压支架损坏；另外，由于巷道超前液压支架不能根据顶板与底板岩层变形而进行支护状态的实时调整，导致超前液压支架对顶板岩层的支护效果较差，极易发生支护失效而导致顶板岩层塌落造成安全事故。

目前，根据围岩发生变形而对液压支架的支护状态进行实时调整的智能自适应液压支架还处于概念状态，国内外尚没有相关的研究成果与技术，本发明基于单元式无反复支撑巷道超前液压支架，发明了一种可以根据巷道围岩变形而对液压支架的支护状态进行实时调整的超前液压支架，可以有效提高巷道超前液压支架对巷道围岩变形的适应性与支护效果，解决了传统液压支架与巷道围岩接触效果差、易发生偏载损坏、支护效率低等问题。

技术实现要素：

本发明提供了一种可以根据巷道围岩变形而对超前液压支架的支护姿态进行实时调整的智能自适应超前液压支架，解决了传统超前液压支架不能根据巷道围岩变形进行实时调整，导致支架顶梁接顶效果差、承载状态差、易发生顶梁销轴断裂、支护效率低等问题。

本发明提供一种智能自适应超前液压支架，包括：底座、支撑立柱、姿态调整组合顶梁、顶梁可旋转复位装置、智能自适应控制系统；所述姿态调整组合顶梁包括主体顶梁、稳定顶梁、支撑顶梁、弹性接触板；所述顶梁可旋转复位装置包括弹性复位环、顶梁固定卡环；所述智能自适应控制系统包括底座三向倾角传感器、主体顶梁三向倾角传感器、支撑顶梁三向倾角传感器、支撑立柱压力传感器、高度调整油缸压力传感器、支撑压力调整油缸压力传感器；所述底座与支撑立柱通过卡箍进行连接固定；所述支撑立柱与姿态调整组合顶梁的主体顶梁通过顶梁固定卡环连接，姿态调整组合顶梁可以通过顶梁固定卡环围绕支撑立柱旋转，并利用弹性复位环实现姿态调整组合顶梁的自动复位。

进一步的，所述支撑立柱采用分体式设计，包括立柱球头、立柱主体，其中立柱球头的直径应大于立柱主体的截面直径，立柱球头与立柱主体通过内置螺栓连接。

更进一步的，所述主体顶梁与稳定顶梁通过右铰接耳板进行铰接，稳定顶梁与支撑顶梁通过左铰接耳板进行铰接，支撑顶梁与弹性接触板通过焊接进行完全固定；所述弹性接触板采用具有一定刚度的弹性材料。

更进一步的，所述主体顶梁的一侧布置两根高度调整油缸，另一侧布置两根支撑压力调整油缸，两根高度调整油缸与两根支撑压力调整油缸的支撑合力应大于两根支撑立柱的支撑合力；所述高度调整油缸的一端与顶梁左侧固定座铰接，另一端则与稳定顶梁固定座铰接；所述支撑压力调整油缸的一端与顶梁右侧固定座铰接，另一端与支撑顶梁固定座铰接；所述主体顶梁上设计高度调整油缸旋转槽、支撑压力调整油缸旋转槽，防止高度调整油缸、支撑压力调整油缸在伸出与收缩过程中与主体顶梁发生干涉。

更进一步的，所述弹性复位环包括活动复位板、高刚度复位弹簧、支撑卡环；所述顶梁固定卡环采用直墙圆弧状设计，并在两侧设计销孔，通过销轴与主体顶梁连接固定。

再进一步的，所述智能自适应控制系统可以实现对底座三向倾角传感器、主体顶梁三向倾角传感器、支撑顶梁三向倾角传感器、支撑立柱压力传感器、高度调整油缸压力传感器、支撑压力调整油缸压力传感器进行实时在线监测，并通过对监测结果进行分析，对上述支撑立柱、高度调整油缸、支撑压力调整油缸的进液与回液进行精准控制。

智能自适应超前液压支架进行围岩自动智能支护的工艺流程，包括如下步骤：

s001:将所述智能自适应超前液压支架置于支护区域，打开液压支架的供液系统，智能自适应控制系统则自动向支撑立柱内供液，姿态调整组合顶梁上升与巷道围岩顶板接触；

s002:智能自适应控制系统对底座三向倾角传感器、主体顶梁三向倾角传感器、支撑顶梁三向倾角传感器、支撑立柱压力传感器、高度调整油缸压力传感器、支撑压力调整油缸压力传感器的值进行实时监测，当主体顶梁三向倾角传感器、高度调整油缸压力传感器、支撑压力调整油缸压力传感器的值出现大幅变化时，则降低向支撑立柱的供液流量，使姿态调整组合顶梁围绕立柱球头缓慢旋转；

s003:继续缓慢向支撑立柱内供液，促使弹性接触板与巷道顶板岩层完全接触，当支撑立柱压力传感器内的压力值快速上升，而主体顶梁三向倾角传感器与支撑顶梁三向倾角传感器的监测值变化很小时，智能自适应控制系统将停止向支撑立柱内供液，并自动记录底座三向倾角传感器、主体顶梁三向倾角传感器的监测值；

s004:计算底座三向倾角传感器与主体顶梁三向倾角传感器的差值，若发现超前液压支架的高度调整油缸向支撑压力调整油缸侧倾斜，则首先启动高度调整油缸的进液控制阀，并缓慢打开支撑立柱的回液阀，促使主体顶梁缓慢回调至与底座平行状态，关闭支撑立柱的回液阀，并同时向高度调整油缸与支撑压力调整油缸进液，通过高度与压力调整，使弹性接触板与巷道顶板岩层紧密接触，完成智能自适应超前液压支架的初始支护；

s005:计算底座三向倾角传感器与主体顶梁三向倾角传感器的差值，若发现超前液压支架的支撑压力调整油缸向高度调整油缸侧倾斜，则首先启动支撑压力调整油缸的进液控制阀，并缓慢打开支撑立柱的回液阀，促使主体顶梁缓慢回调至与底座平行状态，关闭支撑立柱的回液阀，并同时向高度调整油缸与支撑压力调整油缸进液，通过高度与压力调整，使弹性接触板与巷道顶板岩层紧密接触，完成智能自适应超前液压支架的初始支护；

s006:初始支护完成后，巷道围岩仍然会持续发生变形，智能自适应控制系统则通过对底座三向倾角传感器与主体顶梁三向倾角传感器进行实时监测，判断围岩的变形情况与超前液压支架姿态的关系，并通过调整高度调整油缸与支撑压力调整油缸实现对超前液压支架的智能自适应控制；

s007:当超前液压支架完成对巷道围岩的支护后，向智能自适应控制系统发出降架操作，则智能自适应控制系统打开高度调整油缸与支撑压力调整油缸的回液阀，使稳定顶梁、支撑顶梁、弹性接触板恢复至初始状态，然后打开支撑立柱的回液阀，完成超前液压支架的降架操作。

本发明一种智能自适应超前液压支架，能够根据巷道围岩的变形情况对巷道围岩进行智能支护，且能够使超前液压支架一直具有较好的支护状态，解决了现有超前液压支架接顶效果差、受力状态不佳、不能根据巷道围岩变形情况进行支护姿态的智能调整、支护效果差等问题。

附图说明

图1为本发明一种智能自适应超前液压支架的主体结构示意图。

图2为姿态调整组合顶梁（左视图）示意图。

图3为姿态调整组合顶梁（正视图）示意图。

图4为姿态调整组合顶梁（右视图）示意图。

图5为姿态调整组合顶梁（俯视图）示意图。

图6为弹性复位环与顶梁固定卡环组装结构示意图。

图7为顶梁固定卡环结构示意图。

图8为弹性复位环结构示意图。

图9为智能自适应超前液压支架不同围岩条件下最佳支护状态示意图。

图10为超前液压支架智能自适应控制工艺流程。

图11为智能自适应超前液压支架姿态调整组合顶梁收回后示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1～5所示为本发明一种智能自适应超前液压支架的主体结构，包括：底座1、支撑立柱2、姿态调整组合顶梁3、顶梁可旋转复位装置4。

所述底座1与所述支撑立柱2通过卡箍5进行连接固定，使支撑立柱2与底座1连接为一体。

所述支撑立柱2采用分体式设计，包括立柱球头21、立柱主体22，其中立柱球头21的直径应大于立柱主体22的截面直径，立柱球头21与立柱主体22通过内置螺栓连接。

所述姿态调整组合顶梁3包括主体顶梁31、稳定顶梁32、支撑顶梁33、弹性接触板34；其中主体顶梁31与稳定顶梁32通过右铰接耳板35进行铰接，二者可以围绕铰接孔旋转；稳定顶梁32与支撑顶梁33通过左铰接耳板36进行铰接，二者可以围绕铰接孔旋转；支撑顶梁33与弹性接触板34则通过焊接进行完全固定；弹性接触板34采用具有一定刚度的弹性材料（可采用橡胶轮胎类材质的材料），既可以通过弹性变形与凹凸不平的巷道顶板岩层表面进行充分接触，还可以较好的传递支撑立柱2对顶板岩层的支护作用力；主体顶梁31的一侧布置两根高度调整油缸311，另一侧布置两根支撑压力调整油缸312，两根高度调整油缸311与两根支撑压力调整油缸312的支撑合力应大于两根支撑立柱2的支撑合力；高度调整油缸311的一端与顶梁左侧固定座313铰接，另一端则与稳定顶梁固定座314铰接；支撑压力调整油缸312的一端与顶梁右侧固定座315铰接，另一端与支撑顶梁固定座316铰接；主体顶梁31上设计高度调整油缸旋转槽317、支撑压力调整油缸旋转槽318，防止高度调整油缸311、支撑压力调整油缸312在伸出与收缩过程中与主体顶梁31发生干涉。

所述顶梁可旋转复位装置4包括弹性复位环41、顶梁固定卡环42；其中弹性复位环41包括活动复位板411、高刚度复位弹簧412、支撑卡环413；顶梁固定卡环42采用直墙圆弧状设计，并在两侧设计销孔421，通过销轴422与主体顶梁31连接固定；当姿态调整组合顶梁3受到外部偏载时，主体顶梁31可以绕立柱球头21进行旋转，在旋转过程中，顶梁固定卡环42将挤压活动复位板411，并在高刚度复位弹簧412内储存弹性变形能；当外部偏载消失后，高刚度复位弹簧412内储存的弹性变形能将促使顶梁固定卡环42复位，从而使姿态调整组合顶梁3自动恢复至正常状态。

本发明一种智能自适应超前液压支架包含一套智能自适应控制系统，主要包括底座三向倾角传感器61、主体顶梁三向倾角传感器62、支撑顶梁三向倾角传感器63；分别在两根支撑立柱2内布置支撑立柱压力传感器64，分别在两根高度调整油缸311内布置高度调整油缸压力传感器65，分别在两根支撑压力调整油缸312内布置支撑压力调整油缸压力传感器66。

所述智能自适应控制系统可以实现对底座三向倾角传感器61、主体顶梁三向倾角传感器62、支撑顶梁三向倾角传感器63、支撑立柱压力传感器64、高度调整油缸压力传感器65、支撑压力调整油缸压力传感器66的值进行实时监测与数据处理，并可以基于监测数据处理结果对超前液压支架的支撑立柱2、高度调整油缸311、支撑压力调整油缸312的进液与回液系统进行精准控制，实现超前液压支架支护姿态的实时调整。

由于超前液压支架的最佳支护状态为支架的顶梁与巷道顶板完全接触、支架的底座与巷道底板完全相接触的前提下，支架的底座与支架的顶梁还能保持平行，此状态下超前液压支架的支撑立柱才能发挥最大的支护力，超前液压支架的这种支护状态为最佳的支护状态。由于巷道围岩可能出现较大的变形，导致巷道顶板岩层表面与底板岩层表面处于非平行状态，此时传统超前液压支架将处于偏载状态，不仅超前液压支架的受力状态非常差，而且超前液压支架对巷道围岩的支护效果也很差，极易发生超前液压支架顶梁销轴断裂、甚至顶梁断裂掉落、支架倾倒等安全事故。

基于上述超前液压支架的最佳支护状态分析结果，将所述智能自适应控制系统的最终控制目标确定为底座1与底板岩层充分接触、主体顶梁31与底座1保持平行（即底座三向倾角传感器61与主体顶梁三向倾角传感器62具有相同的值）、弹性接触板34与巷道顶板岩层充分接触，且支撑立柱2、高度调整油缸311、支撑压力调整油缸312均具有较高的主动支护作用力，其中，常见的两种最佳支护状态如图9所示，巷道底板岩层完好而顶板岩层发生大变形的最佳支护状态7，巷道底板岩层与顶板岩层均发生大变形的最佳支护状态8。

基于上述超前液压支架的最佳支护状态分析结果，本发明提出了一套超前液压支架智能自适应控制工艺流程，结合如图10所示，包括以下步骤：

s001:将所述智能自适应超前液压支架置于支护区域，此时超前液压支架处于初始状态，如图11所示，打开液压支架的供液系统，智能自适应控制系统则自动向支撑立柱2内同时供液，姿态调整组合顶梁3将上升与巷道围岩顶板接触；

s002:智能自适应控制系统对底座三向倾角传感器61、主体顶梁三向倾角传感器62、支撑顶梁三向倾角传感器63、支撑立柱压力传感器64、高度调整油缸压力传感器65、支撑压力调整油缸压力传感器66的值进行实时监测，当主体顶梁三向倾角传感器62、高度调整油缸压力传感器65、支撑压力调整油缸压力传感器66的值出现大幅变化时，则降低向支撑立柱2的供液流量，使姿态调整组合顶梁3围绕立柱球头21缓慢旋转，此时，顶梁固定卡环42挤压活动复位板411，并在高刚度复位弹簧412内储存一定的弹性变形能；

s003:继续缓慢向支撑立柱2内供液，促使弹性接触板34与顶板完全接触，当支撑立柱压力传感器64内的压力值快速上升，而主体顶梁三向倾角传感器62与支撑顶梁三向倾角传感器63的监测值变化很小时，此时，智能自适应控制系统将停止向支撑立柱2内供液，并自动记录底座三向倾角传感器61、主体顶梁三向倾角传感器62的监测值；

s004:计算底座三向倾角传感器61与主体顶梁三向倾角传感器62的差值，若发现超前液压支架的高度调整油缸311向支撑压力调整油缸312侧倾斜，如图9中左侧所示情况，则首先启动高度调整油缸311的进液控制阀，并缓慢打开支撑立柱2的回液阀，促使主体顶梁31缓慢回调至与底座平行状态（智能自适应控制系统通过实时监测底座三向倾角传感器61与主体顶梁三向倾角传感器62的倾角变化来实现，当二者相同时，则认为主体顶梁31与底座1处于平行状态），此时关闭支撑立柱2的回液阀，并同时向高度调整油缸311与支撑压力调整油缸312进液，通过高度与压力调整，使弹性接触板34与巷道顶板岩层紧密接触，对顶板岩层施加一定的主动支护作用力，同时主体顶梁31与底座1处于平行状态，此时支撑立柱2处于最佳支护状态，完成智能自适应超前液压支架的初始支护；

s005:计算底座三向倾角传感器61与主体顶梁三向倾角传感器62的差值，若发现超前液压支架的支撑压力调整油缸312向高度调整油缸311侧倾斜，如图9中右侧所示情况，则首先启动支撑压力调整油缸312的进液控制阀，并缓慢打开支撑立柱2的回液阀，促使主体顶梁31缓慢回调至与底座平行状态（智能自适应控制系统通过实时监测底座三向倾角传感器61与主体顶梁三向倾角传感器62的倾角变化来实现，当二者相同时，则认为主体顶梁31与底座1处于平行状态），此时关闭支撑立柱2的回液阀，并同时向高度调整油缸311与支撑压力调整油缸312进液，通过高度与压力调整，使弹性接触板34与巷道顶板岩层紧密接触，对顶板岩层施加一定的主动支护作用力，同时主体顶梁31与底座1处于平行状态，此时支撑立柱2处于最佳支护状态，完成智能自适应超前液压支架的初始支护；

s006:初始支护完成后，巷道围岩仍然会持续发生变形，智能自适应控制系统则通过对底座三向倾角传感器61与主体顶梁三向倾角传感器62进行实时监测，判断围岩的变形情况与超前液压支架姿态的关系，并通过调整高度调整油缸311与支撑压力调整油缸312实现对超前液压支架的智能自适应控制；

s007:当超前液压支架完成对巷道围岩的支护后，向智能自适应控制系统发出降架操作，则智能自适应控制系统打开高度调整油缸311与支撑压力调整油缸312的回液阀，使稳定顶梁32、支撑顶梁33、弹性接触板34恢复至初始状态，然后打开支撑立柱2的回液阀，完成超前液压支架的降架操作。

以上所述的仅是本发明的原理和较佳的实施例。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明原理的基础上，还可以做出若干其它变型，也应视为本发明的保护范围。