CN109488358A - 移动式智能超前支护系统及支护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种移动式智能超前支护系统及支护方法，所述支护系统的行进装置是由液压马达驱动的履带行走机构；所述的支护装置包括支护底座、顶梁、前梁和具有齿轮油泵的液压缸，顶梁和前梁表面设置红外线传感器用于采集与掘进机的距离以及与工作面顶板的距离数据。所述的控制单元与红外传感器、液压马达控制端、液压缸的齿轮油泵控制端分别相连；用于接收所述红外传感器采集的数据，并控制行进装置的液压马达和支护装置上液压缸的齿轮油泵工作。通过红外传感器和控制单元对掘进机位置和支护顶板实时监测，实现支护系统跟随掘进机前进，并可对支护高度实时进行调整。
Description
技术领域
本发明涉及一种煤矿井下支护系统及支护方法，特别是一种移动式超前支护系统及支护方法。
背景技术
超前支护系统能够在隧道穿越软弱破碎围岩时，避免因开挖扰动引起较大的围岩变形。加强初期支护，使围岩变形不会超过其容许范围，保证工作面的稳定、避免隧道塌方，避免因塌方而造成的重大经济损失与安全事故，从而达到保证隧道施工安全的目的。
液压支架作为超前支护系统的主要设备，是以高压液体为动力，由液压系统和电液控制系统组成。在综采自动化工作面上，液压支架的跟机自动化是最大的难题，目前超前支护主要依靠人力操控，很难做到自动化、高效化。此外，由于工作面顶板、底板存在一定程度的变化，导致液压支架支护不稳定，影响其支护功能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种移动式智能超前支护系统及支护方法，对掘进机位置和支护顶板实时监测，实现支护系统跟随掘进机前进，并可对支护高度实时进行调整的目的。
为解决以上技术问题，根据本发明的一个方面，提供一种移动式智能超前支护系统，包括移动支护系统和监测与控制系统，
所述移动支护系统包括行进装置和支护装置，所述行进装置是由液压马达驱动的履带行走机构；所述的支护装置包括支护底座、顶梁、前梁和具有齿轮油泵的液压缸，支护底座固定于履带行走机构上部，顶板上部通过液压缸支撑顶梁，前梁通过液压缸与顶板前端铰接；
所述的监测与控制系统，包括红外传感器和控制单元，
所述的红外传感器，设置于顶梁和前梁表面，至少用于采集与掘进机的距离以及与工作面顶板的距离数据；
所述的控制单元与红外传感器、液压马达控制端、液压缸的齿轮油泵控制端分别相连；用于接收所述红外传感器采集的数据，并控制行进装置的液压马达和支护装置上液压缸的齿轮油泵工作。
进一步地，所述的控制单元内设置有数据处理模块，一方面，数据处理模块根据红外传感器采集的与掘进机的距离数据确定行进装置的行进位移；另一方面，数据处理模块根据红外传感器采集的工作面顶板距离数据确定支护高度。
进一步地，所述的控制单元与红外传感器、液压马达控制端、液压缸的齿轮油泵控制端分别分别通过有线或无线连接。
进一步地，所述的行进装置包括承重底板和侧梁，两个侧梁分别固定于履带行走机构的两侧连接固定，承重底板固定于侧梁上部。
根据本发明的另一方面，提供一种移动智能超前支护方法，采用权利要求1所述的移动式智能超前支护系统，包括步骤：
S1：在控制单元的数据处理模块中预设巷道掘进轨迹、掘进机初始位姿信息和各个红外传感器的检测域；
S2：红外传感器采集与掘进机的距离数据，将上述数据传递给控制单元；
S3：控制单元中的数据处理模块根据上述数据，结合红外传感器自身位置、预设的掘进轨道和掘进机的初始位姿，处理得到行进装置在x方向与y方向移动的位移以及转角，由控制单元将行进装置移动的工作指令传递给液压马达；
S4：液压马达根据收到的工作指令，驱动行进装置前进到指定位置，将支护装置运送到工作位置；
S5：红外传感器采集与工作面顶板的距离数据，并将数据传递给控制单元，控制单元中的数据处理模块处理得到工作面顶板高度数据，并将支护装置开始工作的指令发送给齿轮油泵；
S6：齿轮油泵根据接收到的指令转动以增大液压缸内压强，使液压缸抬升顶梁至工作面顶板高度并调节前梁角度，进行支护工作；
S7：红外传感器继续对掘进机位置数据、工作面数据及自身位置数据进行实时采集监测，控制单元的处理单元根据监测数据进行处理，当监测到掘进机前进预定距离后，控制单元对齿轮油泵发出暂停工作指令；
S8：根据上述暂停工作指令，齿轮油泵反转，液压缸内压力降低，液压缸下降，并将信号反馈给控制单元；
S9：控制单元向液压马达发出工作指令，液压马达驱动行进装置前进到指定位置，开始进行下一次工作；
继续执行S5-S9的步骤，直至完成超前支护工作。
进一步地，步骤S6中，根据红外传感器采集的实时工作面顶板距离数据，与前一时刻的距离数据进行对比，根据对比结果确定支撑面高度和支撑形状的变化，控制单元向齿轮油泵发出实时调整支护高度的工作指令，然后执行S7。
本发明提供一种在控制单元控制下可自动前进、自动支撑的支护系统及支护方法。在这一过程中，通过红外传感器实现对掘进机位置，工作面高度数据信息进行采集，由控制单元根据数据信息发出指令控制履带行走机构的液压马达即可带动整个系统移动到指定位置，并根据实际工作情况对工作面进行支撑并实时对支护高度作出调整，能够很好的跟随和配合掘进机进行工作，快速高效地对顶板的围岩进行支撑固定，大大节省了人力、提高了工作效率、保证了施工的安全与进度。适用于各种井下掘进工作面的支护工作。
附图说明
图1是本发明超前支护系统的整体结构示意图。
图2是本发明行进装置的结构示意图。
图3是本发明支护装置的结构示意图。
图4是本发明顶梁与前梁的连接示意图。
图5是本发明监测与控制系统的连接示意图。
图中，1-支护底座，2-顶梁，3-前梁，4-第一液压缸，5-第二液压缸，6-履带，7-引导轮，8-承重底板，9-侧梁，10-红外传感器，11-电磁阀组，12-电源，13-鼠标，14-键盘，15-液压马达，16-齿轮油泵，17-显示器，18-控制单元。
具体实施方式
本发明一种典型的实施方式提供的移动式智能超前支护系统，包括移动支护系统和监测与控制系统。
所述移动支护系统包括行进装置和支护装置，所述行进装置是由液压马达驱动的履带行走机构；所述的支护装置包括支护底座、顶梁、前梁和具有齿轮油泵的液压缸，支护底座固定于履带行走机构上部，顶板上部通过液压缸支撑顶梁，前梁通过液压缸与顶板前端铰接。
履带行走机构包括履带、上下重轮、引导轮。其中，液压马达是整个行进装置的动力部分，液压马达由控制单元控制进行工作。上、下重轮及引导轮则是保证履带正常行进的零部件。行进装置包括承重底板和侧梁，两个侧梁分别固定于履带行走机构的两侧连接固定，承重底板固定于侧梁上部。承重底板和测量作为承重件，支撑支护装置并承受支护工作过程中的受力。
支护装置包括用于支撑顶梁的第一液压缸、用于支撑前梁的第二液压缸。第一液压缸两端分别与支护底座和顶梁连接，第二液压缸分别与顶梁和前梁连接。上述两种液压缸内均设置有由控制单元控制的齿轮油泵。
所述的监测与控制系统，包括红外传感器和控制单元。
所述的红外传感器，设置于顶梁和前梁表面，至少用于采集与掘进机的距离以及与工作面顶板的距离数据；
所述的红外传感器可采用嵌入式红外测距仪，在工作时向目标发出一系列短暂的脉冲激光束，激光束在遇到目标时发生反射，被反射回来的脉冲即光速由测距仪的光电元件接收，测距仪计时器测定激光束从发射到反射的时间，计算出液压支架到工作面顶板的实时距离。红外测距仪上有信号传输模块，将其监测到的距离信息传递给控制单元。优选地，在顶板上表面的前后端各布置两个红外传感器，前端两个红外传感器监测掘进机的位置，后端两个红外传感器监测工作面高度，前梁上表面布置两个红外传感器。在整个工作过程中，红外传感器对掘进机位置信息、工作面信息及自身位置信息进行实时监测。采用多个红外传感器收集数据，控制单元处理数据，实时性好、精度高、噪音低，能够实现精密控制，准确支护。
所述的控制单元与红外传感器、液压马达控制端、液压缸的齿轮油泵控制端分别相连；用于接收所述红外传感器采集的数据，并控制行进装置的液压马达和支护装置上液压缸的齿轮油泵工作。控制单元设置于支架装置上，控制单元与与红外传感器、液压马达控制端、液压缸的齿轮油泵控制端分别分别通过有线或无线方式连接，形成通讯网络，保证通讯及时性、准确性，确保工作的正常运行可。本发明可实现对单体超前支护系统的独立控制。
可以采用以PLC为核心的控制单元，或者是采用Windows系统的计算机作为控制单元。红外传感器将监测到的信息经过数据转换电路转换成数字信号，再传入控制单元中进行相应的处理，输出相应控制信号控制相应的电磁阀组11动作，从而控制行进装置的液压马达15和支护装置上液压缸的齿轮油泵16工作。所述控制单元还包括电源12、鼠标13、键盘14、显示器17等设备，通过常规的计算程序即可根据红外传感器获得的数据信息得到位移数据和支护高度。
在一种优选的实施方式中，所述的控制单元内设置有数据处理模块，所述数据处理模块内预设巷道掘进轨迹、掘进机初始位姿信息和各个红外传感器的检测域；一方面，数据处理模块根据红外传感器采集的与掘进机的距离数据，处理获得支架装置与掘进机的相对位置，进而确定行进装置的行进位移；另一方面，数据处理模块根据红外传感器采集的工作面顶板的工作面顶板距离数据，处理获得工作面顶板高度，进而确定支护高度。根据控制单元的实时处理结果，向液压马达与齿轮油泵发送控制指令，驱动齿轮油泵与液压马达工作，进行相应的调整。控制单元中数据处理的过程可以由操作人员利用现有程序设置和操作，也可以由控制单元自动完成。
结合以上所述的移动式智能超前支护系统，本发明所述的移动智能超前支护方法，包括步骤：
S1：在控制单元的数据处理模块中预设巷道掘进轨迹、掘进机初始位姿信息和各个红外传感器的检测域；
S2：红外传感器采集与掘进机的距离数据，将上述数据传递给控制单元；
S3：控制单元中的数据处理模块根据上述数据，结合红外传感器自身位置、预设的掘进轨道和掘进机的初始位姿，处理得到行进装置在x方向与y方向移动的位移以及转角，由控制单元将行进装置移动的工作指令传递给液压马达；
S4：液压马达根据收到的工作指令，驱动行进装置前进到指定位置，将支护装置运送到工作位置；
S5：红外传感器采集与工作面顶板的距离数据，并将数据传递给控制单元，控制单元中的数据处理模块处理得到工作面顶板高度数据，并将支护装置开始工作的指令发送给齿轮油泵；
S6：齿轮油泵根据接收到的指令转动以增大液压缸内压强，使液压缸抬升顶梁至工作面顶板高度并调节前梁角度，进行支护工作；
在支护过程中，根据红外传感器采集的实时工作面顶板距离数据，与前一时刻的距离数据进行对比，根据对比结果确定支撑面高度和支撑形状的变化，例如，当某一时刻的距离大于前一时刻的距离时，表明支护高度小于支护目标顶板的高度，需要增加支护高度，反之，需要降低支护高度，控制单元向齿轮油泵发出实时调整支护高度的工作指令，然后执行S7。
S7：红外传感器继续对掘进机位置数据、工作面数据及自身位置数据进行实时采集监测，控制单元的处理单元根据监测数据进行处理，当监测到掘进机前进预定距离后，控制单元对齿轮油泵发出暂停工作指令；
S8：根据上述暂停工作指令，齿轮油泵反转，液压缸内压力降低，液压缸下降，并将信号反馈给控制单元；
S9：控制单元向液压马达发出工作指令，液压马达驱动行进装置前进到指定位置，开始进行下一次工作；
继续执行S5-S9的步骤，直至完成超前支护工作。
通过以上所述的支护系统及支护方法，可自动确定掘进机的位置、位姿、掘进距离和轨迹，对支撑面高度、围岩形状进行红外探测，并能根据监测信息及时对支护系统位置、高度进行调整。实现超前支护的自动控制，保证支护的及时性、安全性、准确性。控制系统可根据监测信息进行调整，以保证在不同工作情况下的支护工作。
Claims (6)
1.一种移动式智能超前支护系统，包括移动支护系统和监测与控制系统，其特征在于：
所述移动支护系统包括行进装置和支护装置，所述行进装置是由液压马达驱动的履带行走机构；所述的支护装置包括支护底座、顶梁、前梁和具有齿轮油泵的液压缸，支护底座固定于履带行走机构上部，顶板上部通过液压缸支撑顶梁，前梁通过液压缸与顶板前端铰接；
所述的监测与控制系统，包括红外传感器和控制单元，
所述的红外传感器，设置于顶梁和前梁表面，至少用于采集与掘进机的距离以及与工作面顶板的距离数据；
所述的控制单元与红外传感器、液压马达控制端、液压缸的齿轮油泵控制端分别相连；用于接收所述红外传感器采集的数据，并控制行进装置的液压马达和支护装置上液压缸的齿轮油泵工作。
2.根据权利要求1所述的移动式智能超前支护系统，其特征在于：所述的控制单元内设置有数据处理模块，一方面，数据处理模块根据红外传感器采集的与掘进机的距离数据确定行进装置的行进位移；另一方面，数据处理模块根据红外传感器采集的工作面顶板的工作面顶板距离数据确定支护高度。
3.根据权利要求1所述的移动式智能超前支护系统，其特征在于：所述的控制单元与与红外传感器、液压马达控制端、液压缸的齿轮油泵控制端分别分别通过有线或无线连接。
4.根据权利要求1所述的移动式智能超前支护系统，其特征在于：所述的行进装置包括承重底板和侧梁，两个侧梁分别固定于履带行走机构的两侧连接固定，承重底板固定于侧梁上部。
5.一种移动智能超前支护方法，其特征在于：采用权利要求1、2、3或4任意一项所述的移动式智能超前支护系统，包括步骤：
S1：在控制单元的数据处理模块中预设巷道掘进轨迹、掘进机初始位姿信息和各个红外传感器的检测域；
S2：红外传感器采集与掘进机的距离数据，将上述数据传递给控制单元；
S3：控制单元中的数据处理模块根据上述数据，结合红外传感器自身位置、预设的掘进轨道和掘进机的初始位姿，处理得到行进装置在x方向与y方向移动的位移以及转角，由控制单元将行进装置移动的工作指令传递给液压马达；
S4：液压马达根据收到的工作指令，驱动行进装置前进到指定位置，将支护装置运送到工作位置；
S5：红外传感器采集与工作面顶板的距离数据，并将数据传递给控制单元，控制单元中的数据处理模块处理得到工作面顶板高度数据，并将支护装置开始工作的指令发送给齿轮油泵；
S6：齿轮油泵根据接收到的指令转动以增大液压缸内压强，使液压缸抬升顶梁至工作面顶板高度并调节前梁角度，进行支护工作；
S7：红外传感器继续对掘进机位置数据、工作面数据及自身位置数据进行实时采集监测，控制单元的处理单元根据监测数据进行处理，当监测到掘进机前进预定距离后，控制单元对齿轮油泵发出暂停工作指令；
S8：根据上述暂停工作指令，齿轮油泵反转，液压缸内压力降低，液压缸下降，并将信号反馈给控制单元；
S9：控制单元向液压马达发出工作指令，液压马达驱动行进装置前进到指定位置，开始进行下一次工作；
继续执行S5-S9的步骤，直至完成超前支护工作。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：步骤S6中，根据红外传感器采集的实时工作面顶板距离数据，与前一时刻的距离数据进行对比，根据对比结果确定支撑面高度和支撑形状的变化，控制单元向齿轮油泵发出实时调整支护高度的工作指令，然后执行S7。
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