随着“工业4.0”与“中国制造2025”等概念的提出与深入推进,煤矿开采也开始朝着智能化和无人化方向发展。液压支架作为煤矿开采的核心设备之一,其对工作面煤层支护姿态的合理性、对刮板输送机推移的准确性及综合控制的协调性直接决定了煤矿开采的智能化水平。随着煤矿开采的不断深入,综采工作面也面临着越来越复杂的工作环境,若液压支架无法对变化的煤层工作面进行及时有效的支护,将会对煤矿安全生产及井下工作人员造成严重后果。当前的对液压支架运动仿真的研究都是针对于单台液压支架,且仿真过程中脱离了液压支架的工作环境,没有考虑实际生产过程中煤层环境对液压支架运动的影响;目前对液压支架群组协同运行的研究重点也大多是针对液压支架群组动作控制,很少有人对液压支架的支护特性进行研究。本文对液压支架群与煤层协同虚拟仿真运行关键技术进行研究,利用虚拟现实软件Unity 3D实现液压支架群基于煤层的运动仿真。本文首先研究了液压支架与煤层的耦合运行的关键技术,包括虚拟物理引擎的应用、液压支架模型的导入、煤层环境曲面的生成;基于此,本文研究了针对煤层环境的单台液压支架支护姿态自适应调整的方法;然后研究了液压支架群组基于煤层环境的协同控制方法;最后搭建液压支架与煤层协同运行姿态监测实验平台,并进行了实验验证。本文的主要研究内容和主要研究成果如下:(1)提出了一种虚拟环境下液压支架模型与煤层环境模型耦合运行方法。该方法借助虚拟物理引擎的性质,在虚拟环境基于煤层环境信息直接生成煤层曲面模型,通过对液压支架模型和煤层曲面模型添加相应的物理组件使其具有和现实生产过程中相同的物理特性,实现了液压支架基于煤层环境的运动仿真。(2)建立了液压支架模型的D-H坐标系,通过对基于顶梁信息的液压支架模型逆运动学的分析,实现了对各连杆机构转动角度和立柱伸长量的求解,为液压支架实现主动支护提供了运动学的分析。(3)提出了一种基于煤层环境的液压支架支护姿态自适应调整方法。该方法通过构建虚拟顶梁模型,借助虚拟顶梁对煤层顶板曲面支护信息的传递,液压支架模型就可以进行相应的支护姿态调整,实现对不同煤层环境的主动支护。本文设计了液压支架支护姿态调整实验,验证了虚拟环境中液压支架支护姿态的可靠性。本方法为井下液压支架对煤层环境的及时有效支护提供了新的研究思路。(4)对液压支架群组的协同运行的姿态控制方法进行了研究。在虚拟空间中通过控制每台液压支架的移架量实现了液压支架群组间的直线度控制;通过分析液压支架群组间的异常姿态,对液压支架群组之间进行实时的碰撞监测,基于该方法能够及时发现具有异常姿态的液压支架,保证了液压支架群组的正常运行。