智能化煤矿综采工作面液压支架协同技术研究

引言：

液压支架协同控制技术是推动煤矿综采工作面往智能化转型的关键技术领域，传统液压支架控制系统存在设备间协同性差与控制精度不足以及人工干预频繁等技术瓶颈，这些瓶颈制约了综采工作面智能化水平的整体提升，随着工业以太网与人工智能以及多传感器融合等先进技术的快速发展，液压支架协同控制技术迎来重要发展机遇，该技术通过构建多层级控制架构与优化通信网络拓扑以及集成智能决策算法，实现支架群组高效协调作业。液压支架协同技术不仅能显著提升开采效率与安全性，还为实现综采工作面无人化开采提供了切实可行的技术路径。

1 工程概况

华北地区有个大型煤矿的综采工作面在开采 4(3+4) 煤层，该煤层赋存条件良好且地质结构相对稳定，煤层厚度变化范围处于 3.35-4.1m ，平均厚度为 3.85m ，地层倾角在 0-9°之间，工作面走向长度达到 1605.2m ，倾向长度为195.8m，工业储量有 185 万吨，可采储量是 172 万吨，回采率为 93% 。工作面采用走向长壁后退式综合机械化开采工艺，液压支架配置包含中间支架127 架、特殊过渡支架2 架、端头破顶支架3 架以及超前支架8 组，形成完整的支护体系。综采装备群组配备智能化采煤机与工转破一体机以及高端乳化液泵站等核心设备，各设备之间具备良好的协同作业条件，为液压支架协同控制技术的系统性研究提供了理想的工程实施环境。

2 液压支架协同控制技术

2.1 端头控制器协同技术

端头控制器是电液控制系统的核心协调节点，承担着集控计算机与支架控制器间数据传输与指令分发的关键职能 [1]。基于 32 位 ARM 处理器架构设计的端头控制器，集成 CPU 运算单元与工业以太网通信模块以及 CAN 总线接口和人机交互界面，构建出三级分布式控制网络拓扑结构。针对 180-230 台支架控制器的实时数据采集需求，系统巡检效率可表示为：

η=(N×T_old-N×T_new)/(N×T_old)×100%

式中： n 为巡检效率提升率， % ，N 为支架控制器数量，台； ΔT_old 为传统巡检单台用时，s， T_new 为协同巡检单台用时，s。

采用工业以太网与CAN 总线相结合的混合通信协议，有效解决了大规模支架控制器的同步控制难题，端头控制器搭载的参数巡检算法实现对支架群组工作状态的周期性监测，利用CAN 总线多主模式特性完成参数批量修改操作，集成IAP 在线升级功能确保控制程序的动态更新能力。

2.2 超前支护协同技术

超前支护装备协同控制系统面向运输巷与回风巷复杂作业环境，构建起基于多传感器融合的位姿监测网络，通过部署倾角传感器与毫米波测距传感器以及压力 - 位移一体式传感器等感知设备，来实现对超前支架空间姿态与相对位置的精确测量 [2]。推移油缸位置控制精度的提升，依靠 AMEsim 液压系统仿真建模与BP 神经网络算法的深度融合：

(2)

式中： Δt 为电液换向阀切换提前量，s，P 为 P 口乳化液压力，MPa， v 为油缸推移平均速度， m/s ； w₁ 、 w₂ 、 w₃ 为神经网络权重系数，b 为偏置项。

该协同控制算法达成了 95% 测试样本控制误差小于 ±2mm 的高精度定位效果，有效解决超前支架与转载机间的空间干涉问题，借助差速推拉纠偏机制确保装备群组协同推进的方向准确性与同步性。

2.3 人机协同控制技术

多模态人机协同控制系统是基于 HCPS 理论框架来设计的，包含人工式、分工式、批准式、否决式四种协同操作模态，并且通过构建 AOG 决策模型达成协同模态的智能切换与优化选择 [3]。该系统把煤层地质条件与设备智能化水平以及岗位工技术能力等多维参数，当作模态判别因子，进而建立液压支架再次调控策略的AI 推理机制[4]。决策树分类模型与贝叶斯回归模型联合应用之后，系统能够基于历史操作数据学习人工控制经验，还能自动生成液压支架动作时序优化方案。云 - 边 - 端三层架构的部署模式确保了模型训练与推理计算以及控制执行的分布式协同，最终实现了复杂开采场景下液压支架人机协同控制的自适应性与鲁棒性显著提升[5]。

3 应用效果分析

3.1 协同控制性能验证

液压支架协同控制技术的性能验证，借助综采工作面“三机”实验平台来做系统性测试，重点评估端头控制器协同效率与超前支护控制精度以及人机协同响应速度等关键技术指标。

实验数据显示，液压支架协同控制技术在多项关键性能指标方面实现了显著改善，端头控制器基于CAN 总线与工业以太网融合架构的参数巡检速度，比传统 RS485 通信方式提升 45.5% ，体现出协同通信网络具备高效性。超前支护协同控制系统通过 BP 神经网络算法优化的推移油缸控制精度达到 ±2mm ，较传统控制方式精度提升 60% ，有效解决了设备间空间干涉问题。人机协同控制模式下液压支架跟机效率平均提升 2% ，自动补液功能让支架初撑力合格率达到 95% ，显著提高了协同作业的稳定性与可靠性，验证了多模态协同控制策略在复杂开采环境中的适应性与实用性。

3.2 减人增效成果评估

液压支架协同控制技术在工程应用中产生了显著的减人增效效果，通过实施智能化协同作业模式，使工作面人员配置结构发生根本性变化，传统密集型人工操作转变为智能化监控管理模式，综采工作面单班作业人员从原有的 18人精简到 12 人，减员率达 33.3% ，实现“地面监测、顺槽指挥、就地干预”分层协同管理体系。超前支护协同控制系统的应用，使每班操作人员从 4 人减少至 1 人，年节约人工成本 180 万元，经济效益显著。液压支架协同控制系统集成“一键启停”、远程监控、故障自诊断等智能化功能，不仅提升了设备运行可靠性，还大幅降低工人劳动强度与安全风险。协同技术推广应用为煤矿企业探索了一条从传统人工密集型向技术密集型转变的可持续发展路径，为实现综采工作面无人化开采奠定了坚实基础。

结语

液压支架协同控制技术依靠端头控制器、超前支护、人机协同三个层面的技术创新，构建了完整智能化协同作业体系。端头控制器协同技术建立起高效的三级分布式控制网络，实现支架群组间的实时数据交换与协调控制，超前支护协同技术解决了复杂环境下设备间干涉与定位精度问题，保障了装备群组的同步推进。人机协同控制技术为复杂开采场景提供了灵活控制策略，显著提升了系统适应性，工程应用显示，协同技术大幅提升综采工作面生产效率，还实现显著的减人增效效果。随着人工智能与物联网技术的深入发展，液压支架协同技术将向更高层次的智能化水平演进。

参考文献

[1] 田明 . 某煤矿智能化综采工作面液压支架电液控制系统方案设计与实现[J]. 自动化应用 ,2024,65(12):82-84.

[2] 马 春 雨 . 煤 矿 综 采 工 作 面 智 能 化 开 采 探 讨 [J]. 内 蒙 古 煤 炭 经济 ,2024,(11):34-36.

[3] 杨帆 . 煤矿井下智能化高效综采技术的应用研究 [J]. 机械管理开发 ,2023,38(12):195-196+199.

[4] 崔润彪 . 煤矿综采放顶煤液压支架智能化升级改造 [J]. 晋控科学技术 ,2022,(05):51-54.

[5] 张迪 . 煤矿智能化综采液压支架检测技术研究 [J]. 内蒙古煤炭经济 ,2022,(07):40-42.