一种液压支架与围岩的自适应支护装置及方法与流程

1.本发明涉及煤炭开采支护领域，尤其涉及一种用于对采场液压支架的支护状态信息进行感知及自适应控制的装置与方法，可以实现基于液压支架支护姿态自适应调整对围岩进行智能自适应支护，能够显著提高采场围岩的支护效果。


背景技术：

2.液压支架是采煤工作面支护顶板、防护煤壁、隔离采空区冒落矸石的主要支护设备，液压支架的支护力、支护姿态等直接影响围岩的控制效果。由于采煤工作面煤层赋存状态持续发生变化，顶板发生周期性断裂失稳形成周期来压，液压支架需要根据围岩状态变化信息及自身支护状态信息进行超前预测、预警、预控，从而满足采场围岩支护要求。但现有采煤工作面主要是对液压支架的初撑力进行调控，要求液压支架的初撑力满足要求，虽然对液压支架的支护姿态信息进行了感知，但并没有进行深入分析，没有实现液压支架对围岩的自适应支护，导致工作面顶板安全事故频发。
3.目前，采煤工作面主要采用两柱掩护式液压支架（本技术也以两柱掩护式液压支架进行阐述），其稳定机构为四连杆机构，承载部件主要为立柱千斤顶、平衡千斤顶，同时也通过立柱千斤顶、平衡千斤顶、侧推千斤顶对液压支架的支护姿态进行调整。由于液压支架上方顶板断裂失稳形成的矿山压力很大，一旦液压支架的支护姿态出现问题，则很难对液压支架进行有效调控，因此，需要对液压支架的支护姿态进行感知，并对液压支架的支护状态变化信息进行超前预测，根据预测结果对支护姿态进行超前预调、预控，才能保证液压支架始终保持较好的支护状态。
4.专利201410453597.5基于液压支架与围岩的耦合原理，提出了一种液压支架适应性评价方法，但该方法主要是对液压支架的支护质量进行评价，并未能实现基于围岩变化信息的液压支架自适应支护；专利201810067427.1提出了一种用于综采工作面围岩自适应支护的液压支架智能控制方法，该方法拟通过液压支架与围岩的刚度、强度、稳定性耦合原理，实现对液压支架的自适应控制，但由于液压支架及围岩信息十分复杂，很难实现对液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合控制。
5.综合分析，现有技术并未实现液压支架对围岩的自适应支护，通过检索国内外相关文献，也均未发现相关研究成果。由于液压支架的支护状态直接关系围岩的控制效果，直接决定工作面是否发生顶板安全事故，因此上述问题亟待解决。


技术实现要素：

6.基于以上问题，本发明提出了一种液压支架与围岩的自适应支护装置及方法，包括：感知模块、仿真模块、数据分析模块、控制模块、通信模块；所述感知模块主要包括立柱行程传感器、立柱压力传感器、平衡千斤顶行程传感器、平衡千斤顶压力传感器、底座倾角传感器、刮板输送机倾角传感器、顶梁与掩护梁连接销轴应力传感器；
所述立柱行程传感器、立柱压力传感器分别安装在液压支架的立柱上；所述平衡千斤顶行程传感器、平衡千斤顶压力传感器安装在液压支架的平衡千斤顶上；所述底座倾角传感器安装在液压支架的底座上；所述刮板输送机倾角传感器安装在液压支架前方的刮板输送机上；所述顶梁与掩护梁连接销轴应力传感器安装在顶梁与掩护梁连接的销轴上；所述仿真模块用于构建液压支架与围岩的数字仿真模型，所述感知模块通过所述通信模块将感知信息传输给所述仿真模块，所述仿真模块根据感知信息对液压支架的支护状态进行仿真分析；所述感知模块、仿真模块的相关信息通过所述通信模块传输至所述数据分析模块，通过对传输的信息进行数据分析形成控制指令；所述控制模块包括侧推千斤顶供/卸液控制器、平衡千斤顶供/卸液控制器、立柱供/卸液控制器；通过所述侧推千斤顶供/卸液控制器可以控制顶梁侧推千斤顶进行伸缩动作，从而调整液压支架的姿态；通过所述平衡千斤顶供/卸液控制器可以控制平衡千斤顶进行伸缩动作，从而调整顶梁相对于底座的角度；通过所述立柱供/卸液控制器可以控制立柱进行伸缩动作，从而调整立柱的伸缩长度及支护力；所述数据分析模块得出的液压支架调控指令通过所述通信模块传输给所述控制模块，通过所述侧推千斤顶供/卸液控制器、平衡千斤顶供/卸液控制器、立柱供/卸液控制器对液压支架的支护状态进行自适应调控，并通过感知模块对调控后的状态进行感知，然后再进行仿真分析与数据分析，根据分析结果进行自适应调控，通过多次调控使液压支架达到最优的支护状态。
7.进一步的，所述底座倾角传感器用于监测液压支架相对于水平面的绝对倾斜角度，所述刮板输送机倾角传感器用于监测刮板输送机处的工作面底板绝对倾斜角度；通过对比底座倾角传感器与刮板输送机倾角传感器的监测值，若二者相等，则说明液压支架的底座与底板岩层接触良好，没有出现歪斜情况，否则，说明液压支架的底座出现了歪斜情况，甚至有可能发生倾倒失稳。
8.更进一步的，通过所述立柱行程传感器、平衡千斤顶行程传感器的感知信息，对液压支架的仿真模型进行支护姿态调整，根据仿真模型的相关数据便可以得出液压支架的支护高度、顶梁相对于底座的倾角、掩护梁相对于底座的倾角，通过这些信息便可以判断液压支架的支护状态是否合适。
9.再进一步的，通过所述立柱压力传感器、平衡千斤顶压力传感器、顶梁与掩护梁连接销轴应力传感器便可以感知液压支架的顶梁的受力状态，通过仿真分析便可以得出围岩施加于液压支架上的载荷大小、方向，并由此判断液压支架的受力状态是否合理。
10.进一步的，基于所述仿真模块计算仿真得出的液压支架载荷信息，分析液压支架的受力状态是否合理，通过与邻近历史时段的载荷数据进行对比分析，得出液压支架受力状态的演化趋势，从而预测未来一段时间液压支架的受力状态，并得出控制指令；基于所述立柱行程传感器、平衡千斤顶行程传感器的感知信息仿真得出液压支架的支护姿态，通过与邻近历史时段的支护姿态数据进行对比分析，便可以得出液压支架的支护姿态演化趋势，若支护姿态出现恶化，则给出支护姿态调整指令；基于所述仿真模块的仿真数据对顶板断裂失稳进行反演分析，预测顶板的来压周
期、来压强度，当预测到顶板来压时，提前对液压支架的支护姿态进行调整，以适应顶板来压；基于所述感知模块、仿真模块的相关信息，对液压支架进行运动学分析，通过对数字仿真模型施加不同的预测载荷数据，分析液压支架的可能运动趋势变化，并给出支护姿态调整指令；基于液压支架的载荷历史数据、运动历史数据、支护姿态历史数据，采用机器学习、深度学习等相关方法，对液压支架的载荷、运动趋势、支护姿态进行超前预测分析，若将出现异常工况，则进行超前预警，并给出液压支架支护姿态调整指令；所述数据分析模块将上述的分析决策结果进行融合分析，最终得出液压支架的控制指令。
11.再进一步的，所述通信模块采用5g或wifi6无线通信技术，实现感知模块与仿真模块、感知模块与数据分析模块、仿真模块与数据分析模块、数据分析模块与控制模块、控制模块与感知模块的高可靠通信。
12.一种采用所述的液压支架与围岩的自适应支护装置对围岩进行自适应支护的方法，包括如下步骤：s001，将所述感知模块1、控制模块4安装在液压支架上；s002，根据实际情况构建液压支架与围岩的数字仿真模型；s003，利用通信模块5将感知模块1与仿真模块2、感知模块1与数据分析模块3、仿真模块2与数据分析模块3、数据分析模块3与控制模块4、控制模块4与感知模块1进行连接；s004，通过仿真模块2对液压支架进行仿真分析，并将相关数据传输至数据分析模块3；s005，通过数据分析模块3对液压支架进行数据分析，形成自适应支护控制指令，并将相关数据传输至控制模块4；s006，通过控制模块4对液压支架的支护状态进行自适应调控，并通过感知模块1对调控后的状态信息进行感知；s007，重复上述s004～s006的相关动作，直至液压支架形成较好的支护状态。
附图说明
13.图1为本发明提出的一种液压支架与围岩的自适应支护装置的结构示意图；图2为感知模块中各传感器的安装位置示意图；图3为仿真模块中对液压支架的支护姿态进行判断的逻辑框图；图4为对液压支架的外载荷进行解算判断的逻辑框图；图5为数据分析模块形成控制指令的逻辑框图；图6为控制模块中控制器的安装位置示意图；图7为液压支架与围岩的自适应支护装置对围岩进行自适应支护的方法流程图。
具体实施方式
14.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。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方
位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或组件必需具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
15.本实施例提供一种液压支架与围岩的自适应支护装置，如图1所示，主要包括：感知模块1、仿真模块2、数据分析模块3、控制模块4、通信模块5；图1中的虚线表示感知信息的数据流向，实线则表示控制信息的数据流向；具体的，所述感知模块1主要包括立柱行程传感器11、立柱压力传感器12、平衡千斤顶行程传感器13、平衡千斤顶压力传感器14、底座倾角传感器15、刮板输送机倾角传感器16、顶梁与掩护梁连接销轴应力传感器17，见图2所示；所述立柱行程传感器11、立柱压力传感器12分别安装在液压支架的立柱上；所述平衡千斤顶行程传感器13、平衡千斤顶压力传感器14安装在液压支架的平衡千斤顶上；所述底座倾角传感器15安装在液压支架的底座上；所述刮板输送机倾角传感器16安装在液压支架前方的刮板输送机上；所述顶梁与掩护梁连接销轴应力传感器17安装在顶梁与掩护梁连接的销轴上，各传感器布置方案见图2所示；具体的，所述底座倾角传感器15用于监测液压支架相对于水平面的绝对倾斜角度，所述刮板输送机倾角传感器16用于监测刮板输送机处的工作面底板的绝对倾斜角度；由于工作面底板倾斜角度不会突然发生变化，通过对比底座倾角传感器15与刮板输送机倾角传感器16的监测值，便可以得到液压支架相对于工作面底板的相对倾斜角度；若二者相等，则说明液压支架的底座与底板岩层接触良好，没有出现歪斜情况，否则，说明液压支架的底座出现了歪斜情况，甚至有可能发生倾倒失稳。
16.所述仿真模块2用于构建液压支架与围岩的数字仿真模型，所述感知模块1通过所述通信模块5将感知信息传输给所述仿真模块2，所述仿真模块2根据感知信息对液压支架的支护状态进行仿真分析；具体的，通过所述立柱行程传感器11、平衡千斤顶行程传感器13的感知信息，对液压支架的仿真模型进行支护姿态调整，利用感知数据进行仿真模型驱动，根据仿真模型的相关数据便可以得出液压支架的支护高度、顶梁相对于底座的倾角、掩护梁相对于底座的倾角等支护状态信息，由此便可以判断液压支架的支护状态是否合理，见图3所示；若顶梁相对于底座出现向上倾斜，则说明顶梁出现“高射炮”状态，超出设定值则需要进行调整；若顶梁相对于底座出现向下倾斜，则说明顶梁出现“低头”状态，超出设定值则需要进行调整；具体的，通过所述立柱压力传感器12、平衡千斤顶压力传感器14、顶梁与掩护梁连接销轴应力传感器17便可以感知液压支架的顶梁的受力状态，通过仿真分析便可以得出围岩施加于液压支架上的外载荷大小、方向，由此判断液压支架的受力状态是否合理，见图4所示；若围岩施加于液压支架的外载荷作用点远离立柱的位置，且载荷有逐渐增大的趋势，则表明液压支架的受力状态有逐步恶化的趋势，应进行超前干预调整；若围岩施加于液压支架的外载荷作用点基本位于立柱的附近，且基本变化不大，则属于正常支护状态。
17.所述感知模块1、仿真模块2的相关信息通过所述通信模块5传输至所述数据分析模块3，通过对传输的信息进行分析形成控制指令，见图5所示；具体的，基于所述仿真模块2计算仿真得出的液压支架载荷信息，分析液压支架的整架的受力状态是否合理，通过与邻近历史时段的载荷数据进行对比分析，得出液压支架受力状态的演化趋势，从而预测未来一段时间液压支架的受力状态，并得出控制指令；基于所述立柱行程传感器11、平衡千斤顶行程传感器13的感知信息仿真得出液压支架的支护姿态，通过与邻近历史时段的支护姿态数据进行对比分析，便可以得出液压支架的支护姿态演化趋势，若支护姿态出现恶化，则给出支护姿态调整指令；基于所述仿真模块2的仿真数据对顶板断裂失稳进行反演分析，预测顶板来压周期、来压强度，当预测到顶板来压时，提前对液压支架的支护姿态进行调整，以适应顶板来压；基于所述感知模块1、仿真模块2的相关信息，对液压支架进行运动学分析，通过对数字仿真模型施加不同的预测载荷数据，分析液压支架的可能运动趋势变化，并给出支护姿态调整指令；基于液压支架的载荷历史数据、运动历史数据、支护姿态历史数据，采用机器学习、深度学习等相关方法，对液压支架的载荷、运动趋势、支护姿态进行超前预测分析，若将出现异常工况，则进行超前预警，并给出液压支架支护姿态调整指令；所述数据分析模块3将上述从不同角度得出的结果进行融合分析，最终得出液压支架的控制指令。
18.所述控制模块4包括侧推千斤顶供/卸液控制器41、平衡千斤顶供/卸液控制器42、立柱供/卸液控制器43，见图6所示；通过所述侧推千斤顶供/卸液控制器41可以控制顶梁侧推千斤顶进行伸缩动作，从而调整液压支架的姿态；通过所述平衡千斤顶供/卸液控制器42可以控制平衡千斤顶进行伸缩动作，从而调整顶梁相对于底座的角度；通过所述立柱供/卸液控制器43可以控制立柱进行伸缩动作，从而调整立柱的伸缩长度及支护力。
19.所述数据分析模块3得出的液压支架调控指令通过所述通信模块5传输给所述控制模块4，通过所述侧推千斤顶供/卸液控制器41、平衡千斤顶供/卸液控制器42、立柱供/卸液控制器43对液压支架的支护状态进行自适应调控，并通过感知模块1对调控后的状态进行感知，然后在进行仿真分析与数据分析，根据分析结果进行自适应调控，通过多次调控达到最优支护状态。
20.所述通信模块5采用5g或wifi6等无线通信技术，实现感知模块1与仿真模块2、感知模块1与数据分析模块3、仿真模块2与数据分析模块3、数据分析模块3与控制模块4、控制模块4与感知模块1的高可靠通信。
21.利用所述的液压支架与围岩的自适应支护装置对围岩进行自适应支护的方法，如图7所示，主要包括以下步骤：s001，将所述感知模块1、控制模块4安装在液压支架上；s002，根据实际情况构建液压支架与围岩的数字仿真模型；s003，利用通信模块5将感知模块1与仿真模块2、感知模块1与数据分析模块3、仿真模块2与数据分析模块3、数据分析模块3与控制模块4、控制模块4与感知模块1进行连接；
s004，通过仿真模块2对液压支架进行仿真分析，并将相关数据传输至数据分析模块3；s005，通过数据分析模块3对液压支架进行数据分析，形成自适应支护控制指令，并将相关数据传输至控制模块4；s006，通过控制模块4对液压支架的支护状态进行自适应调控，并通过感知模块1对调控后的状态信息进行感知；s007，重复上述s004～s006的相关动作，直至液压支架形成较好的支护状态。
22.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。