任怀伟（1980?），河北廊坊人，研究员，中国煤炭科工集团首席科学家，中国自动化学会智慧矿山专委会秘书长，《工矿自动化》青年专家委员会委员。获得杰出工程师青年奖、全国煤炭青年科技奖。致力于煤矿工作面智能化开采、智能化煤矿系统基础理论与技术研究工作，主持和承担国家自然科学基金、国家重点研发计划、国家高技术研究发展计划（863计划）、国家重点基础研究发展计划（973计划）等国家项目10余项。研究成果获国家科技进步二等奖1项，省部级特、一等奖10项。发表论文63篇，其中SCI/EI收录27篇，出版专著3部，获发明专利14项，制定国家标准3项。
工作面综采装备群自动化连续、稳定协同运行是智能化开采的基础。液压支架精准推移与快速跟机技术直接影响综采装备群自动化连续协同运行效果，进而影响工作面智能化开采水平。目前液压支架推移与自动跟机技术在现场应用时，由于地质条件复杂多变，乳化液泵站、液压支架等煤机装备适应性不强，导致装备与采场耦合关系差，出现液压支架跟随采煤机运行速度慢、推移不到位、丢架等现象。如何进一步提高液压支架推移动作的精度和跟机速度，是实现较复杂地质条件煤层智能化开采的前提，也是当前乃至未来重要的研究方向之一。
一、技术研究现状
1、液压支架精准推移技术
煤矿领域亟需实现精准位置控制的液压缸有液压支架的推移油缸和尾梁液压缸、采煤机的调高液压缸等。液压支架采用乳化液作为传动介质，油液内存在较多气泡，在运动过程中易对阀体产生冲蚀，影响电液比例阀、高速开关阀的控制精度及可靠性，因此推移油缸常采用电磁换向阀控制。学者们通过研制大流量水基电液比例阀、设计新型逻辑阀等方式实现液压支架精准推移。
大流量水基电液比例阀研究尚处于实验室阶段，存在对油污等级敏感、产品结构复杂等问题，无法直接应用到实际生产过程中。通过增加逻辑阀的方式实现精准位置控制存在如下问题：① 使阀控缸系统更加复杂，大幅增加成本；② 延长跟机时间，未考虑液压支架跟机速度远小于割煤速度的现状，不符合实际情况。后续研究应聚焦 2 个方面：① 研制适合井下环境的大流量高压水基电液比例阀，并借鉴油基电液比例阀的控制算法，提高水基电液比例阀的控制精度；② 通过智能优化控制算法预估每次动作的提前量，确保实际停止位置为目标位置。
2、 液压支架快速跟机技术
液压支架自动跟机相较于人工控制速度慢，且推移不到位、丢架等情况时有发生，原因主要是：① 跟机工艺不合理；② 供液系统不稳定；③ 移架工序设计不合理。因此，应从优化跟机工艺、稳压供液、快速移架等方面提高跟机速度，实现液压支架快速跟机。
（1） 优化跟机工艺。学者们从工序顺序优化和工序动作时间预测 2 个方面提高跟机速度，提高了自动跟机工艺对采场环境、装备状态的适应性，有效缩短了液压支架跟机时间，提高了装备自动化率，加快了跟机速度。但相关技术在工程应用中存在以下问题：① 液压支架无法根据采煤机速度动态调整跟机工艺；② 受传感器感知技术、通信技术、边缘端数据处理能力等制约，基于设备状态的自动跟机工艺仍处于理论研究阶段，尚无工程实例。
（2） 稳压供液技术。学者们通过控制乳化液泵站压力的恒定实现稳压供液，但未考虑多支架协同动作时，供给每台液压支架的压力、流量均会受到影响，从而影响液压支架动作速度及效果。
（3） 快速移架技术。一般认为，可以通过减少推移时间或升降柱时间来提高移架速度，实现快速移架。在减少推移时间方面，目前主流的方法是将大采高液压支架的推移油缸倒置略倾斜安装，在保证移架力大于推溜力的前提下，提供一定的向上抬底力，避免出现扎底情况，减少推移时间。在减少升降柱时间方面，分析影响升降柱速度的因素并通过改进液压系统的结构来提高动作速度是当前的研究热点。
采用增大乳化液泵站工作压力、增加多台泵提高工作流量的方式来加快移架速度存在以下难题：① 远距离高压流体输送技术中的压降大和高压产生的爆管问题短期内难以解决；② 增大工作压力、流量会相应地增加油液管路通径，造成管路布置困难。
二、解决难题的技术途径
（1） 工作面供液系统恒压控制。在每台液压支架进液端增加压力动态补偿装置（蓄能器），以减小供液系统的压力波动，补偿压力损失，保证系统稳定供液，达到液压支架动作时油液压力、流量变化不大的目的。
（2） 提高液压支架推移控制精度。采用一种带位置反馈的电磁换向阀控缸位置控制系统，通过传感器感知油液压力、流量、活塞杆位移等状态参数，采用智能优化控制算法预估到达目标位置的提前量，超前控制换向阀动作，实现液压支架精准动作控制。
（3） 保障液压支架自动跟机效果。基于时序的自动跟机控制无法适应围岩、供液系统等各种环境参数的变化，因此采用基于设备感知+时序控制的跟机策略，以传感器感知的设备状态为判断条件，优先控制液压支架动作，并在工作中根据环境参数、人工操作数据优化跟机移架的工艺节拍。
（4） 提高工作面整体跟机速度。采取基于采煤机速度动态调整的移架方式，在支护效果与移架速度间找到平衡点，实现快速跟机。先根据工作面地质条件，确定可以采用的移架方式，再通过现场测试获得不同移架方式对应的采煤机割煤速度范围。自动跟机程序根据采煤机实时速度，按照预设的移架方式自动跟机，增强工作面装备间的协调性和对采场环境的适应性，实现液压支架快速跟机和工作面快速推进。
三、技术发展趋势
（1） 集中?分布式敏捷高效供液。在现有乳化液泵站集中供液的基础上，研究分布式液压支架独立自供液压力、流量动态补偿装置，实现对液压支架动作的高效敏捷供液，保障液压支架动作稳定性和快速性。
（2） 液压支架控制器边缘计算能力提高。为实现基于液压支架精准推移与快速跟机的智能化开采，边缘端需要处理的数据量显著增加。传感器数据高频采集、智能优化控制算法快速处理、控制信号高速传输都要求液压支架端具有优秀的边缘数据采集和处理能力，因此液压支架控制器边缘计算能力的日益提高是未来发展的重要趋势之一。
（3） 跟机控制策略对采场环境适应性增强。与现有固化单一的跟机控制策略不同，未来跟机策略对采场环境的适应性将明显增强，液压支架动作不到位、过饱和动作情况将大幅减少，工作面人数显著减少，为提高简单地质条件煤层的智能化水平、实现少人化开采提供技术保障。同时，对较复杂地质条件煤层实现智能化开采具有积极意义。
（4） 采场?装备动态耦合与跟随控制。未来需增强乳化液泵站、液压支架、采煤机等工作面装备与采场环境的适应性与协调性，提高工作面智能化开采水平，做到“提智亦提效”。
引用格式
任怀伟，张帅，张德生，等. 液压支架精准推移与快速跟机技术研究现状及发展趋势[J]. 工矿自动化，2022，48（8）：1-9, 15.
REN Huaiwei, ZHANG Shuai, ZHANG Desheng, et al. Research status and development trend of hydraulic support precision pushing and fast follow-up technology[J]. Journal of Mine Automation，2022，48（8）：1-9, 15.
来源：工矿自动化
