５ 机构干涉工况位态界定及自主识别调控 

５? １ 机构干涉工况位态界定 

   机构干涉的工况位态指充填过程中，夯实机构与多 孔底卸式输送机或充填料堆在空间上出现相互干涉的 影响，导致充填工序无法正常进行，发生机构干涉的典 型工况有落料准备干涉、落料完成干涉、夯实机构伸出 干涉、夯实机构收回干涉等，具体工况状态如图１１ 所示。 

５? ２ 机构干涉工况判别函数    

   目前针对机构干涉的表征界定及判别解调已有 一定的研究成果［９－１０］ ，但现有方法中所需监测参数较 多且部分参数存在重复监测问题，笔者基于 ＭＤＨ 运 动学模型展开，可减少现场监测的参数数量，简化判 别函数的复杂程度。

５? ２? １ 落料准备干涉 

   落料准备时，夯实机构与多孔底卸式输送机的卸 料中心距 Ｊ 应大于最小卸料中心距 Ｊ０ ，保证充填材料 不会下落到液压支架支护空间内，其判别准则为

式中，ｘＵ，ｘＶ为图 ２ 中 ＭＤＨ 坐标系下的多孔底卸式输 送机两端点 Ｕ，Ｖ 的横向坐标；ｘＪ１ 为图 ２ 中 ＭＤＨ 坐标 系下的夯实机构夯实头上端点 Ｊ１的横向坐标。 

５? ２? ２ 落料完成干涉 

落料完成后，夯实机构竖直高度 ｙＪ１ 需大于充填 材料堆积高度 Ｈ０ ，判别准则为

５? ２? ３ 夯实机构伸缩干涉 

（１）方法 １：验证多孔底卸式输送机卸料完成即 所在位置不变时，夯实机构上最易发生干涉的节点 Ｊ１是否会与 ＵＶ 段发生重叠，判别准则为 ｘＵ ＜ ｘＪ１ ＜ ｘＶ 且 ｙＪ１ ＞ ｙＵ，非正常工况 ｘＵ ＜ ｘＪ１ ＜ ｘＶ 且 ｙＪ１ ＝ ｙＶ ，临界工况 ｘＪ１ ＞ ｘＶ ，ｘＵ ＜ ｘＪ１ ＜ ｘＶ 且 ｙＪ１ ＜ ｙＶ ，正常工况 ì î í ï ï ï ï （２１） 

（２）方法 ２：部分架型中，夯实机构是在斜拉油缸作用下绕铰接点 Ｆ 转动，故可采用 Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ 三维设 计软件，基于实际工程应用条件及装备结构尺寸，针 对不同工况参数条件（变动夯实机构伸长量 Ｌ、多孔 底卸式输送机位置 ｄ、后顶梁旋转下沉角 θ 等），进行 铰接点的动态干涉临界轨迹仿真。 现以河北邢东矿智能充填作业为研究对象，以 ２ 种工况为例进行仿真，结果如图 １２ 所示。

图 １２ 干涉临界轨迹对应 

Ｆｉｇ．１２ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ 

  在（ Ｌ ＝ ３ ６００ ｍｍ， ｄ ＝ ０， θ ＝ ０°） 以 及 （ Ｌ ＝ ４ １００ ｍｍ，ｄ ＝ ２００ ｍｍ，θ ＝ －２°） 的工况下，夯实机构 铰接点干涉的临 界 值 分 别 为 Ｘ ＝ ２ ２２７ ｍｍ、 Ｘ ＝ ２ ４７６ ｍｍ，因此在对应工况条件时，当铰接点监测的 位置信息达到该临界值时，应立刻进行调整。 基于上述铰接点的动态干涉临界轨迹仿真方法， 可归集出完整的动态轨迹参数特征矩阵群，通过匹配 相应工况参数，即可对干涉进行实时判断，判别准则为 ｘｉ ＜ ｘｍａｘ，非正常工况 ｘｉ ＝ ｘｍａｘ，临界工况 ｘｉ ＞ ｘｍａｘ，正常工况

式中，ｘｉ 为夯实机构铰接点的 Ｘ 坐标； ｘｍａｘ 为该铰接 点在发生干涉情况下的临界运动位置，ｍｍ。 ５? ３ 机构干涉最优解调路径分析 当出 现 机 构 干 涉 时， 主 要 有 ４ 种 解 调 路 径 （图 １３）。

图 １３ 解调路径示意 

Ｆｉｇ．１３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｐａｔｈ 

和 针对落料准备干涉，主要的解调路径为路径 ２，３ ４；针对落料完成干涉，主要的解调路径为路径 ２ 和 ３；针对夯实机构伸缩干涉，主要的解调路径为路 径 ２ 和 ３。 ５? ４ 机构干涉识别与控制 数 将所选支架的基础尺寸参数、算法公式、判别函 的 和解调路径等编入充填支架控制程序中，建立完整 ＭＤＨ 坐标系表征模型。 充填支架作业时，通过相 应传感器对夯实机构倾角及行程、后立柱行程、滑移 油缸行程、后顶梁倾角、落料高度等充填工艺参数进 行实时自主感知，转换并输入控制程序。 控制程序通 过运算得出机构干涉中各关键点 Ｕ，Ｖ，Ｊ１ ，Ｊ２的实时 坐标位置，再通过机构干涉判别函数进行分析识别。 当达到机构干涉临界值时，控制程序分析选择该条件 下的最优解调路径，控制系统驱动电液阀驱动器，调 整电液控系统中不同功能的换向阀，完成夯实机构伸 缩摆动、多孔底卸式输送机滑移等动作，实现机构干 涉的自主调控。 

６ 充填关键装备自主识别调控应用及效果 分析 

６? １ 采矿地质条件

   以河北邢东矿固体智能充填工作面为例，该工作 面采高为 ４．４ ｍ，长度 ５８ ｍ，煤层倾角为 ３° ～ １２°。 工 作面充填关键装备包括 ＺＣ５１６０ ／ ３０ ／ ５０Ｄ 型四柱正四 连杆充填液压支架、ＳＧＺ７３０ ／ １３２×２ 型多孔底卸式输 送机等。 ６? ２ 充填关键装备自主识别调控应用 根据第 ２ 节提出的位态精准表征及自主感知方 法，基于充填装备的结构参数及实际工程条件，进 行 ＭＤＨ 运动学建模，如图 １４ 所示。 根据第 ３ ～ ５ 节内容，对关键装备实时工况位态 进行界定、判别及解调。 以机构干涉工况位态界定及

自主识别调控为例，分析充填液压支架机构伸缩干涉 的工况形态及解调方法。   

   根据第 ５．１ 节内容分析，夯实机构伸缩干涉在 智能充填工作面向前推进的过程中，经过 ３ 个区 域，产生了 ３ 组不同机构工况形态，区域划分如图 １５ 所示。 

图 １５ 固体智能充填工作面区域划分 

Ｆｉｇ．１５ Ｓｏｌｉｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｂａｃｋｆｉｌｌｉｎｇ ｗｏｒｋｉｎｇ ｆａｃｅ ａｒｅａ ｄｉｖｉｓｉｏｎ 

区域 １，液压支架充分接顶接底，处于正常工况 状态；区域 ２，工作面仰采俯充，机构干涉几率减少； 区域 ３，由于采场的顶板岩性较差，开采过程中顶板 破裂，支架后顶梁提前下沉，易出现机构干涉现象。 故根据 ２．５ 节内容，借助行程传感器、倾角传感器等， 对区域 ３ 内装备关键参数进行自主感知，所得部分支 架表征参数结果见表 ３。

实测得区域 ３ 内支架后顶梁提前下沉量约为 ５０ ｃｍ，结合 ５．２ 节所述的仿真方法，为求解机构伸缩 干涉的最优解调路径（机构干涉不发生且夯实头达 到最大推力），采用控制变量法，分析支架后顶梁提 前下沉量与夯实角（正常工况最大为 ３８°）和夯实行 程（最大为 ４ ３００ ｍｍ）的关系，优先选择路径 ３，最大 夯实行程下，限定夯实机构摆角在 ３２．２°以下，即可实 现解调，如图 １６ 所示。 

６? ３ 充填关键装备自主识别调控效果分析 

   针对该矿智能充填工作面的开采条件，在充填循 环工序（移架工序、卸料工序、夯实工序） 中，若出现 非正常工况需要调控，可认为在一个整面完整工序循 

图 １６ 后顶梁提前下沉对夯实机构的影响

Ｆｉｇ．１６ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ａｄｖａｎｃｅ ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｅａｒ ｔｏｐ ｂｅａｍ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ 

环时间基础上增加整面支架的调控时间，其计算公 式为 Ｔｗ ＝ Ｌｗｆ Ａ Ｔｔ （２３） Ｔｔ ＝ ｎｆＴｒ （２４） 其中，Ｔｗ为智能化整面支架调控时间，ｓ；Ｔｔ为单架位 态调控所需时间，ｓ；Ｌｗｆ为工作面支护长度，５８ ｍ；Ａ 为 支架中心距，１．５ ｍ；Ｔｒ为油缸接续动作时间，５ ｓ；ｎｆ为 夯实一次油缸动作衔接次数，３ 次。 计算得河北邢东 矿固体智能充填工作面一个完整工序循环时间内，单 组 充 填 装 备 工 况 位 态 自 主 识 别 调 控 时 间 仅 需 ９．６ ｍｉｎｓ，相比非固体智能充填人工调控时间减少 １０ ｍｉｎｓ，充填效率提高 ４０％以上。 

７ 结 论 

（１）研究了固体智能充填的工序类别，构建了以 感知、识别为核心的固体智能充填的工序流程，基ＭＤＨ 运动学建模，提出了充填关键装备工况位态 精准表征方法，明确了充填装备所需自主感知的 参数。 

（２）以 ２ 种具体型号的关键充填装备为例，针对 充填液压支架、多孔底卸式输送机及机构干涉的工况 位态进行界定，构建了充填工序执行过程中非正常工 况的判别函数，分析了非正常工况解调方法。 

（３）以河北邢东矿固体智能充填工作面为工程 背景，应用本文所建立的关键装备工况位态表征及自 主识别调控方法，大大提高了固体充填开采的智能化 程度及充填效率。 

（４）需要说明的是：固体充填装备具有多种型 号，各型号的结构、尺寸及机构间的相互配合关系均 有所差异，本文所建立的工况位态表征及自主识别调 控方法在应用到具体型号的固体充填装备时，需要对 相关的模型结构参数进行对应调整。