一种综采工作面回撤专用垛式支架结构及其负载控制方法与流程

本发明涉及煤矿井下综采工作面设备回撤，具体涉及一种综采工作面回撤专用垛式支架结构及其负载控制方法。

背景技术：

1、随着煤矿开采技术发展，超大采高（8米以上）综采工作面应用日益广泛。工作面设备回撤时，回撤通道支护是关键技术难点。

2、现有垛式支架采用单一顶梁支护结构，支护强度与采高不匹配，超大采高下顶板压力大，现有单一顶梁支护易出现接顶困难，支护力不稳定。

技术实现思路

1、本发明针对现有控制方式无法自适应顶板动态变化的问题，提供了一种综采工作面回撤专用垛式支架结构及其负载控制方法。

2、为解决上述技术问题，本发明提出一种综采工作面回撤专用垛式支架结构，包括底座、顶梁和多个液压伸缩立柱；多个所述液压伸缩立柱设置在所述底座的下侧内壁中部，其上端与顶梁内侧壁铰接；还包括：

3、前连杆和后连杆，其下端分别与底座的一端铰接；

4、掩护梁，其一端与顶梁的一端铰接，另一端与前连杆和后连杆的上端铰接；

5、掩护梁千斤顶，其两端分别与顶梁和掩护梁铰接；

6、多个侧护板，分别通过侧推千斤顶与顶梁和掩护梁的两侧连接；

7、液压控制系统，驱动液压伸缩立柱对所述顶梁进行支撑，驱动掩护梁千斤顶对掩护梁相对顶梁摆动支撑，以及驱动侧推千斤顶对侧护板展开支撑或回收。

8、优选地，所述液压控制系统还包括：

9、供液单元，通过供液管路分别与多个液压伸缩立柱、掩护梁千斤顶以及侧推千斤顶连接；

10、控制阀组，设置于供液管路上，用于分别控制多个液压伸缩立柱、掩护梁千斤顶和侧推千斤顶的动作方向及供液流量；

11、所述传感器组件包括：

12、压力传感器组，包括设置于液压伸缩立柱下腔的第一压力传感器、设置于掩护梁千斤顶油路的第二压力传感器以及设置于侧推千斤顶油路的第三压力传感器；

13、位移传感器组，包括设置于液压伸缩立柱上的第一位移传感器、设置于掩护梁千斤顶上的第二位移传感器以及设置于侧推千斤顶上的第三位移传感器；

14、倾角传感器组，包括设置于顶梁上的第一倾角传感器、设置于底座上的第二倾角传感器以及设置于前连杆上的第三倾角传感器；所述电液控制器分别与压力传感器组、位移传感器组、倾角传感器组以及控制阀组电连接。

15、优选地，所述底座的下侧壁呈矩形且设置有第一连接机构，用于与辅助设备连接；所述顶梁的上表面设置有第二连接机构，第二连接机构内安装有固定拉板，用于实现上下叠拼时上层支架与下层支架之间的固定连接。

16、优选地，所述底座的上表面靠近前后边缘位置安装有第一侧封机构，防止煤矸进入。

17、优选地，所述液压伸缩立柱的上端通过第一铰接件与所述顶梁内侧壁连接；所述掩护梁通过掩护梁铰接轴与所述顶梁的一端铰接。

18、本发明还提出一种综采工作面回撤专用垛式支架结构的负载控制方法，包括以下步骤：

19、基于垛式支架的四连杆机构几何约束建立运动学模型，用于描述液压伸缩立柱、掩护梁千斤顶和侧推千斤顶的位移与支架高度、顶梁倾角及掩护梁倾角之间的映射关系，并为动力学方程提供广义坐标及约束关系；

20、基于拉格朗日方程建立支架、液压、顶板耦合的动力学方程；所述动力学方程包括液压驱动力矩项与顶板负载力矩项；将所述动力学方程通过符号微分展开为以广义坐标及其导数为输入节点，以及以理论液压输出力矩作为输出节点的可导物理计算图；

21、将可导物理计算图作为硬约束嵌入层嵌入预训练actor-critic网络的actor网络末端，构建用于各控制阀组连续开度指令生成的动作生成模型；其中，所述actor网络用于输出各控制阀组的连续开度指令，所述critic网络用于根据奖励函数评估当前状态-动作对的价值，并在训练阶段指导actor网络参数更新；

22、获取因顶梁负载而变化的支架本体角度和位移的状态传感数据，通过动作生成模型中的嵌入层输出满足动力学方程的可行动作先验，通过动作生成模型输出actor网络学习的动作，加权融合得到最终动作，经控制阀组转换为供液指令，驱动液压伸缩立柱伸缩，调整支架姿态。

23、优选地，所述可行动作先验与actor网络学习的动作之间的权重微为状态依赖融合系数，且初始阶段接近以强调物理先验，随着训练推进自动调整。

24、优选地，所述动作生成模型的训练包括：

25、定义奖励函数，包括阶梯函数以及为负的动力学方程残差平方项；所述动力学方程残差平方项用于惩罚违反物理规律的动作；所述阶梯函数用于当动作导致支架姿态超出预设安全边界时给予负奖励；

26、在仿真环境中，通过训练集采用基于最大熵的soft actor-critic对actor-critic网络进行预训练，训练过程中冻结可导物理计算图参数，仅更新actor、critic及状态依赖融合系数。

27、优选地，所述安全边界包括顶梁倾角边界、底座倾角边界、立柱压力边界以及高度变化率边界。

28、本发明的有益效果：

29、本发明提出了一种综采工作面回撤专用垛式支架结构及其负载控制方法，该结构

30、本发明提供的垛式支架结构中，增加了与顶梁铰接的掩护梁结构，并由掩护梁千斤顶独立支撑，与前连杆、后连杆铰接形成稳定的四杆机构，可根据顶板动态变化实时调节掩护梁摆角，使顶梁提供的支护面能够适配超大采高条件，同时配合侧护板提升顶板接触面积和支护覆盖范围，在满足超大采高的基础上不削弱支护强度，大幅提升了支架对顶板动态变化的适应能力和支护安全性。

31、本发明通过电液控制器内嵌物理模型与预训练actor-critic网络，可实时感知顶板压力与支架姿态的微小变化，通过连续开度指令驱动液压伸缩立柱精确伸缩，使顶梁快速、平稳地贴合顶板，解决了接顶困难、初撑力不足的难题。同时，由于可导物理计算图将动力学方程作为硬约束，控制器输出的每个动作都严格符合支架承载与运动规律，即使在顶板突然来压或卸载的极端工况下，也不会发出违背物理极限的指令，彻底消除了人工操作的滞后与盲目性，整个控制过程全自动闭环，无需人工干预，显著提升了支护效率、安全性和对复杂地质条件的适应性。

1.一种综采工作面回撤专用垛式支架结构，包括底座（1）、顶梁（2）和多个液压伸缩立柱（3）；多个所述液压伸缩立柱（3）设置在所述底座（1）的下侧内壁中部，其上端与顶梁（2）内侧壁铰接；其特征在于，还包括：

2.根据权利要求1所述的综采工作面回撤专用垛式支架结构，其特征在于，所述液压控制系统还包括：

3.根据权利要求1所述的综采工作面回撤专用垛式支架结构，其特征在于，所述底座（1）的下侧壁呈矩形且设置有第一连接机构（11），用于与辅助设备连接；所述顶梁（2）的上表面设置有第二连接机构（21），第二连接机构（21）内安装有固定拉板（22），用于实现上下叠拼时上层支架与下层支架之间的固定连接。

4.根据权利要求1所述的综采工作面回撤专用垛式支架结构，其特征在于，所述底座（1）的上表面靠近前后边缘位置安装有第一侧封机构（12），防止煤矸进入。

5.根据权利要求1所述的综采工作面回撤专用垛式支架结构，其特征在于，所述液压伸缩立柱（3）的上端通过第一铰接件（31）与所述顶梁（2）内侧壁连接；所述掩护梁（4）通过掩护梁铰接轴（41）与所述顶梁（2）的一端铰接。

6.一种如权利要求1~5任意一项的所述综采工作面回撤专用垛式支架结构的负载控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的负载控制方法，其特征在于，所述可行动作先验与actor网络学习的动作之间的权重微为状态依赖融合系数，且初始阶段接近1以强调物理先验，随着训练推进自动调整。

8.根据权利要求6所述的负载控制方法，其特征在于，所述动作生成模型的训练包括：

9.根据权利要求8所述的负载控制方法，其特征在于，所述安全边界包括顶梁倾角边界、底座倾角边界、立柱压力边界以及高度变化率边界。