面向冲击地压的掘进机液压系统动态响应与主动抑爆控制

我国煤炭资源埋深超过800 m 的储量占比超过 60% ，深部开采普遍面临高地应力、高瓦斯、强扰动等多重灾害耦合威胁。冲击地压瞬间释放的能量可达 10^∧6-10^∧8J ，造成掘进空间急剧收缩、装备挤压损毁，并诱发瓦斯异常涌出与爆炸二次灾害。传统“被动支护+事后卸压”模式已难以满足深部安全高效掘进需求。

一、掘进机液压系统冲击耦合建模

（一）系统构型

以EBZ-260 型纵轴掘进机为对象，其液压系统采用“负载敏感变量泵+多路阀+容积调速”架构，主要回路包括截割（280 kW）、行走 (2×55kW) ）、星轮一运（45 kW）及油缸支护（25 MPa）子系统。关键元件参数见表1。

（二）冲击载荷谱

基于微震监测统计，将冲击地压简化为“三角形”加速度脉冲：幅值a_max=50g，上升时间t_r=40 ms，持续时间t_d=120 ms，作用于截割头质心。通过模态试验获得截割臂第4 阶固有频率42.35 Hz，与脉冲频带重叠，存在共振放大风险。

（三）耦合动力学模型

二、(1) 液压子模型：考虑流体可压缩性、阀口非线性及软管粘弹效应，建立流量连续性方程与力平衡方程；三、(2) 机械子模型：采用集中质量法描述截割臂-回转台-机架的多体动力学，引入Hertz 接触模拟截割头-煤岩互作用；四、(3) 耦合接口：以液压缸活塞位移与负载力为边界，实现双向数据交换。模型在 AMESim 中离散为1 847个节点，求解步长10 μs，经验证压力峰值误差 。

五、动态响应特性分析

无控工况下，冲击载荷使截割回路压力在 80 ms 内升至 48.7 MPa，超调量 96% ，并诱发18 Hz 压力振荡，持续2.1 s，极易触发软管疲劳失效。

（二）流量再分配

由于负载敏感阀芯惯性，泵流量调节滞后 120ms ，导致行走回路出现瞬时吸空（真空度-0.06 MPa），星轮回路流量倒灌，造成复合动作失稳。

（三）能量注入路径

冲击瞬间，截割电机转速跌落 15% ，泵输入扭矩下降，系统惯性动能通过液压油转化为压力能，能量注入速率高达 3.2kJ/ (log⋅_s) ），为油雾爆炸提供了点火能量。

六、主动抑爆控制策略(⟶) 总体架构

提出“三级防控”体系：①感知层——多参数融合（压力、流量、加速度、瓦斯浓度）；②决策层——边缘计算节点嵌入冲击识别算法；③执行层——高速开关阀+惰性气体微胶囊+局部泄压阀协同动作。

（二）冲击在线识别

采用小波包-能量熵与 LSTM 组合模型，对截割头三轴加速度信号进行 0-100Hz 特征提取，实现冲击事件

发生前 12 ms 预警，准确率达 96.4%（三）快速隔断与限压

在截割主回路增设响应时间 <5 ms 的高速锥阀，当识别到冲击且压力>35 MPa 时，阀芯快速关闭，将系统分割为“高压危险区”与“低压安全区”，阻断能量传播路径；同时触发并联蓄能器吸收压力峰值，使超调量降低 42% 。（四）惰化抑爆

利用液压油箱顶部预装的 N₂微胶囊（粒径 ，壳层厚度 200nm ），当压力上升率 dp/dt>200 MPa/s 时，胶囊破裂释放 6.8 L N₂，在0.18 s 内将油箱上部氧浓度稀释至 12%以下，抑制油雾爆炸链反应。

（五）控制逻辑实现

基于STM32H7 双核控制器，采用时间触发架构，中断周期 100μs ，实现“感知-决策-执行”闭环延时<18 ms。系统具备4G/5G 远程升级与数字孪生接口，可与矿井智能管控平台对接。

五、仿真与试验验证

（一）联合仿真

在 AMESim-Simulink 平台搭建机-电-液-控一体化模型，模拟冲击地压全历程。结果表明：采用主动抑爆控制后，截割回路压力峰值降至28.3 MPa，行走回路无吸空现象，油箱气相温度上升幅度减小 55% ，爆炸当量指数由 2.4 降至 0.3。

（二） 工业试验

于 2024 年10 月在山东某矿-980 m 水平运输巷开展工业试验。试验期间共经历3 次能量级>1×10^5 J 的冲击事件，系统均成功触发主动抑爆，最末次冲击后掘进机无液压外泄，瓦斯浓度峰值 0.38% ，未发生燃烧与爆炸。与传统“二通插装阀+溢流”方案相比，装备停机时间由 8 h 缩短至 1.5 h，直接经济效益约316 万元。

六、结论与展望

(1) 建立了冲击地压下掘进机液压系统的机-液耦合动力学模型，揭示了压力瞬变与能量注入路径的耦合规；

(2) 提出了基于“高速隔断-蓄能限压-惰化抑爆”的主动控制策略，将系统压力超调量降低 42% ，抑爆响应时间缩短至 0.18 s；

(3) 通过井下工业试验验证了所提方法的有效性，为深部智能掘进装备的安全设计提供了理论依据与技术原型。

未来工作将围绕以下方面展开：①研究多场（应力-瓦斯-温度）耦合下的液压元件疲劳寿命预测；②开发基于数字孪生的在线健康监测与剩余寿命评估系统； ③ 探索氢氟醚等难燃液压液在井下高温环境的适用性，进一步提升掘进装备的固有安全水平。

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