王國法，張金虎，徐亞軍，任懷偉，于 翔，劉新華，張德生

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013; 2.煤炭科學研究總院 開采研究分院，北京 100013)

隨著煤炭高效開采技術(shù)的發(fā)展，我國煤礦綜采工作面在開采深度、橫向尺度(包括工作面長度和推進長度)和縱向尺度(主要指采高)3方面空間尺度都不斷增加，煤炭開采深度正以10～25 m/a的速度增加，工作面長度由100～200 m逐步提升至300～350 m，部分工作面長度達到了400 m以上[1-5]。埋深與工作面長度的增大使礦壓顯現(xiàn)出現(xiàn)顯著變化，深井圍巖原生裂隙增多，長工作面來壓頻率增高、來壓步距減短并呈現(xiàn)工作面分區(qū)域來壓等特點[6-7]。文獻[8]基于相似材料模擬和現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)采場覆巖關(guān)鍵層的破裂塊度會隨工作面長度增加而減小并會伴隨主關(guān)鍵層的來壓。文獻[9]將高強度開采工作面(采高、工作面長度大、推進速度快)簡化為二維梁模型，得出載荷層厚度、采高、工作面長度的增加導致基本頂破斷巖塊的高長比增大，初次來壓時基本頂巖塊極易發(fā)生滑落失穩(wěn)是淺埋高強度開采礦壓顯現(xiàn)強烈的原因。文獻[10-12]基于液壓支架承載特性，建立彈性獨立支座的液壓支架群組巖梁模型，推導出液壓支架對頂板支護應(yīng)力場矩陣方程，給出相應(yīng)的簡化計算方法。文獻[13]基于壓力拱假說、應(yīng)力殼理論和普氏理論，建立了薄基巖厚松散層深部采場上覆巖層裂隙帶三維數(shù)值分析模型，定量分析了工作面長度對裂隙帶高度和支架阻力的影響。文獻[14]通過數(shù)值分析和現(xiàn)場實測得出淺埋深長壁工作面上覆巖層中可形成承壓拱結(jié)構(gòu)，且工作面存在臨界長度，再加長工作面對覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響程度降低。文獻[15]提出了一種充分考慮到采場幾何及巖石力學參數(shù)的能量模型，并與現(xiàn)場實測、理論模型及數(shù)值模擬結(jié)果對比，得出模型可有效預測采場裂隙帶高度。文獻[16-17]等通過對哈拉溝煤礦450 m超長綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進行分析，得出工作面傾向壓力分布呈現(xiàn)W型特征。不難發(fā)現(xiàn)，目前針對工作面面長方向頂板斷裂規(guī)律主要是基于實測數(shù)據(jù)對礦壓規(guī)律進行總結(jié)，結(jié)合數(shù)值模擬方法對其影響因素進行分析。

為進一步定量分析，筆者針對淮南新集口孜東煤礦千米深井超長工作面頂板穩(wěn)定性影響因素進行了定量分析研究，通過121304,140502兩個工作面的觀測和礦壓數(shù)據(jù)分析，基于彈性獨立支座模型，從理論上分析了液壓支架群組支護應(yīng)力分布特性和深井厚煤層超長綜采工作面來壓特點，揭示了超長工作面礦壓影響因素。根據(jù)深井厚煤層超長綜采工作面支護應(yīng)力分布規(guī)律，結(jié)合液壓支架與圍巖耦合特性，提出了分區(qū)協(xié)同控制原理、方法與控制策略，通過不同區(qū)域液壓支架群組分區(qū)協(xié)同控制提高液壓支架適應(yīng)性，為類似礦井智能開采工作面頂板控制提供一種新方法。

1 深井超長工作面礦壓顯現(xiàn)特征

淮南新集口孜東煤礦121304工作面煤層埋深約1 000 m，煤厚2.2～6.7 m，平均5.18 m，工作面直接頂為4.2～10.1 m的泥巖和砂質(zhì)泥巖互層，硬度較低;基本頂為硅質(zhì)膠結(jié)的細砂巖，平均厚度5.0 m。工作面長度350 m，采用大采高一次采全厚開采。工作面采用ZZ13000/27/60D四柱支撐掩護式液壓支架支護，支架中心距1 750 mm。

1.1 模型分析計算

超長工作面液壓支架群組支護應(yīng)力分布規(guī)律可以采用彈性支座模型進行分析[10]。如圖1所示，該模型是將每個支架和工作面兩端巷幫都視為一定剛度的彈性體，基于巖梁變形協(xié)調(diào)條件，建立液壓支架剛度矩陣K、單跨梁力矩M和載荷Q關(guān)系式[10]:

KM=Q

(1)

其中,K為對稱矩陣，系數(shù)aij=aji,從第3行到第n-2行，每行除對角線5個元素非0外，其余元素均為0。若將圖1轉(zhuǎn)化為圖2所示離散型單跨梁，便可求解上式中各值。圖2中工作面布置n-2架液壓支架，液壓支架上方為均布載荷q，支架中心距為B，K1與Kn為巷幫剛度，Ki(i=2,3,…,n-1)為液壓支架剛度，Kθ1，Kθ2為兩端巖梁剛度，Mi為各彈性支座處彎矩，si為各支座位移量[11]。

圖1 液壓支架群組彈性支座模型[11]Fig.1 Model of powered support regarded as elastic support[11]

圖2 離散型單跨梁模型[11]Fig.2 Beam model of discrete single-span[11]

若支架上方頂板巖層厚度無變化，支架上方巖梁慣性矩都為I，各支座處彎矩為Mi，支座下沉量為si，由圖2可以求解K,Q中相關(guān)系數(shù)[18-19]為

下面利用上述模型計算口孜東煤礦121304工作面液壓支架群組支護應(yīng)力分布特性。計算參數(shù)如下:采高5.5 m，支架剛度0.48 GN/m，頂板巖層厚度15 m，巖石容重27 kN/m3，頂板彈性模量40 GPa。

工作面開采初期，液壓支架等成套設(shè)備布置在工作面中，工作面頂板處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，此時上覆巖梁嵌固在巖層之中，可視為巖梁剛性固定在支座上(圖3)，此時支座處位移為0，轉(zhuǎn)角為0°。若將工作面巷幫視為剛體，計算結(jié)果如圖4,5所示(圖5為工作面液壓支架群組支護應(yīng)力正視圖，即工作面支護應(yīng)力在煤壁方向上的投影)。由圖4,5可知，支護應(yīng)力有A,B,C三個峰值點，其中，A點位于工作面101 m處，B點位于工作面中部，C點位于工作面249 m處，A,B點的支護應(yīng)力為1.3 MPa，C點的支護應(yīng)力為1.26 MPa，A,C點峰值略高于B點，整個應(yīng)力峰值兩端高中間低，形狀為馬鞍形，類似字母“M”，下文將該現(xiàn)象統(tǒng)稱為三峰值M型。

為了便于理解液壓支架群組支護應(yīng)力在整個工作面的分布特性，將圖4中支護應(yīng)力與工作面液壓支架群組結(jié)合起來，同時將圖4中各坐標數(shù)值按一定比例顯示，得圖6工作面液壓支架群組支護應(yīng)力在工作面液壓支架上的分布特性。

圖3 工作面開切眼后及開采初期頂板固支模型Fig.3 Roof is in a fixed support state after the opening of mining face and at the initial stage of mining

圖4 液壓支架支護應(yīng)力場(剛體)Fig.4 Supporting stress field of powered support(rigidbody)

圖5 液壓支架支護應(yīng)力場正視圖(剛體)Fig.5 Front view of supporting stress field(rigidbody)

圖6 液壓支架群組支護應(yīng)力分布示意(剛體)Fig.6 Supporting stress field of powered support groups(rigidbody)

工作面煤層開挖后，上覆巖層有了斷裂、垮落及回轉(zhuǎn)運動的空間，工作面沿走向和傾向方向巖梁都將會發(fā)生相應(yīng)的運移。此時工作面存在圖7所示簡支、彈性支座和彈性固定端等不同方式。

圖7 工作面正常開采階段工作面走向和傾向頂板垮斷Fig.7 Roof collapse state of mining face in normal mining stage

若將巷幫視為剛度30 GN/m的彈性體，其余計算參數(shù)不變，液壓支架群組支護應(yīng)力分布特性如圖8～10所示。由圖9可知，A點位于工作面77 m處，B點位于工作面中部，C點位于工作面273 m處。

對比圖5和圖9可知，隨著巷幫剛度降低，支護應(yīng)力最大峰值A(chǔ)點由原來的工作面101 m處移向77 m處，最大峰值B點由原來的工作面249 m處移向273 m處，液壓支架應(yīng)力峰值逐漸向兩端擴展，工作面更多的支架位于高壓力區(qū)。綜合圖2～10可知，超長工作面液壓支架支護應(yīng)力呈現(xiàn)馬鞍形三峰值“M”型特性，且液壓支架大部分區(qū)域都位于高應(yīng)力區(qū)。

圖8 液壓支架支護應(yīng)力場(彈性體)Fig.8 Supporting stress field of powered support(elastomer)

圖9 液壓支架支護應(yīng)力場正視圖(彈性體)Fig.9 Front view of supporting stress field(elastomer)

圖10 液壓支架群組支護應(yīng)力分布示意(彈性體)Fig.10 Supporting stress field of powered support groups(elastomer)

1.2 實測結(jié)果

對121304工作面液壓支架工作阻力進行在線監(jiān)測，在工作面上下端頭、9號和189號支架、中上部40號和80號支架、中下部130號和160號支架及中部100號支架布置7條測線，圖11(a)為7條測線沿工作面推進方向支架工作阻力實測數(shù)據(jù)，圖11(b)為不同推進度時液壓支架工作阻力沿工作面長度方向5個剖面(推進度分別為155，165，176，186，198 m)的實測值及分布趨勢。由圖11可知，工作面不同區(qū)域來壓具有明顯的時序性且強度有差別，來壓步距15～25 m，中部來壓步距相較兩端頭略小。一般是工作面中部區(qū)域先來壓，兩端頭則相對滯后;特別是工作面中部區(qū)域，來壓頻率較高、周期性不明顯。由工作面較長，液壓支架不同區(qū)域壓力值具有明顯差異，呈現(xiàn)出類似“馬鞍形”的分布趨勢，與上述理論計算結(jié)果具有較好的一致性。

圖11 液壓支架工作阻力實測曲線Fig.11 Working resistance of hydraulic support

2 7 m采高工作面支護應(yīng)力分布特性

2.1 工作面煤層條件

140502工作面開采5煤，煤層結(jié)構(gòu)簡單，全區(qū)可采，平均煤層厚度6.56 m。頂、底板以泥巖為主，少數(shù)為細砂巖、粉砂巖及砂質(zhì)泥巖。直接頂為泥巖，平均厚度2.81 m，基本項由粉砂巖和砂巖組成，粉砂巖厚度7.65 m，砂巖平均厚度13.85 m。直頂?shù)啄鄮r，平均厚度1.62 m，基本頂為粉砂巖和砂巖互生，平均厚度5.56 m。煤層傾角8°～15°，平均14°。工作面部分區(qū)域走向傾角17°。

2.2 深井液壓支架支護強度確定

140502工作面采用一次采全高俯采方法進行開采，最大采高7 m。由于煤層埋藏深、采高大、煤層松軟，液壓支架合理選型是決定工作面能否安全高效開采的關(guān)鍵。鑒于淮南礦區(qū)長期使用習慣，液壓支架采用四柱支撐掩護式，該架型筆者已有專文論述[20]，這里不再贅述。下面主要介紹液壓支架所需合理支護強度的確定方法。筆者曾對山東唐口煤礦千米深井工作面液壓支架所需支護強度進行過研究[21]，發(fā)現(xiàn)采用式(2)計算深井工作面液壓支架所需支護強度比較合理。

(2)

其中，P為支護強度;Ψ為耦合因子;γ為巖石容重;M為采高;Kp為巖體碎脹系數(shù)。該公式是在目前基于采高巖柱容重估算液壓支架支護強度公式基礎(chǔ)上加上耦合因子Ψ，耦合因子Ψ可通過式(3)進行求解:

(3)

不難發(fā)現(xiàn)耦合因子Ψ是與液壓支架剛度、頂板巖性、煤壁硬度有關(guān)的物理量，若將支架和煤壁視為剛體，則Ψ=0，液壓支架與圍巖解耦;若將支架和煤壁視為彈性體，則Ψ≠0，液壓支架與圍巖建耦。易知，式(3)很好地描述了液壓支架與圍巖剛度耦合關(guān)系。計算參數(shù)如下[22]:煤層彈性模量30 GPa，巖石密度2.7 t/m3，碎脹系數(shù)1.35，最大采高7 m，頂梁長度5 m，支架中心距1.75 m。由液壓支架與圍巖剛度耦合公式液壓支架所需支護強度曲線如圖12所示。

圖12 液壓支架所需支護強度Fig.12 Supporting intensity of powered support

圖12中藍色直線是根據(jù)9倍采高巖柱質(zhì)量得出的液壓支架所需支護強度為1.48 MPa,黑色曲線是基于液壓支架與圍巖剛度耦合理論得出的液壓支架所需支護強度。易知液壓支架所需支護強度與頂板巖性、煤層厚度、煤層巖性、支架剛度密切相關(guān)，傳統(tǒng)計算方法結(jié)果偏小。由于液壓支架剛度比煤層剛度低[23-24]，易知液壓支架所需支護強度應(yīng)不低于1.7 MPa。據(jù)此確定ZZ18000/33/72D四柱支撐掩護式支護強度1.73～1.78 MPa。

2.3 液壓支架群組支護應(yīng)力分布規(guī)律

由于隨著采高加大，液壓支架支護應(yīng)力也隨之提高，工作面礦壓顯現(xiàn)加劇，確定合理的工作面長度就成為140502工作面研究重點。與121304工作面相比，140502工作面最大采高達到7 m，同時基本頂厚度相對較厚。計算參數(shù)如下:采高7 m，支架剛度0.6 GN/m，頂板巖厚21 m，巖石容重27 kN/m3。

圖13分別為工作面長度240，300,350 m時液壓支架群組支護應(yīng)力。

圖13 不同工作面長度液壓支架支護應(yīng)力場Fig.13 Supporting stress field of powered support groups on the different mining face length

由圖13可知，隨著工作面長度加長，液壓支架群組支護應(yīng)力開始由單峰值向多峰值轉(zhuǎn)化。工作面長度240 m液壓支架群組支護應(yīng)力為單峰值;工作面長度300 m液壓支架群組支護應(yīng)力開始出現(xiàn)馬鞍形三峰值“M”型;工作面長度350 mm時馬鞍形更加明顯，且支護應(yīng)力峰值開始向工作面兩端擴展。不難發(fā)現(xiàn)，采高對工作面液壓支架群組支護應(yīng)力分布特性影響較大，鑒于此，將工作面長度確定為300 m。

3 深井厚煤層超長工作面特性與判據(jù)

3.1 深井厚煤層超長工作面特性

(1)工作面支護應(yīng)力與端頭條件關(guān)系。圖14(a)為采高7 m，工作面長度240 m，其他條件不變，將工作面兩端巷幫由剛體改為剛度為30 GN/m的彈性體后液壓支架群組支護應(yīng)力，其液壓支架群組支護應(yīng)力為三峰值“M”型。對比圖13(a)可以發(fā)現(xiàn)，隨著工作面兩端頭巷幫剛度減弱，液壓支架群組支護應(yīng)力開始由單峰值向三峰值“M”型轉(zhuǎn)化，更多的支架位于高應(yīng)力區(qū)，說明工作面支護應(yīng)力分布與兩端頭巷幫條件密切相關(guān)。易知，相同條件下，巷幫條件越弱，工作面支護應(yīng)力越容易出現(xiàn)三峰值“M”型。

圖14 液壓支架支護應(yīng)力場Fig.14 Supporting stress field of powered support

(2)工作面支護應(yīng)力與頂板巖性關(guān)系。圖14(b)為采高7 m，工作面長度300 m，其他條件不變，將頂板彈性模量調(diào)整為55 GPa后液壓支架群組支護應(yīng)力，其液壓支架群組支護應(yīng)力為單峰值。對比圖13(b)可知，隨著頂板巖性減弱，液壓支架群組支護應(yīng)力開始由單峰值分布向三峰值“M”型分布轉(zhuǎn)化，更多支架位于高應(yīng)力區(qū)，說明工作面支護應(yīng)力分布規(guī)律與上覆巖層頂板巖性密切相關(guān)。易知，相同條件下，頂板巖性較弱，工作面支護應(yīng)力越容易出現(xiàn)三峰值“M”型。

(3)工作面支護應(yīng)力與基本頂厚度關(guān)系。圖14(c)為采高7 m，工作面長度300 m，其他條件不變，基本頂厚度由21 m增加到30 m后液壓支架群組支護應(yīng)力，其液壓支架群組支護應(yīng)力為單峰值。對比圖13(b)可以發(fā)現(xiàn)，隨著基巖厚度變薄，液壓支架群組支護應(yīng)力開始由單峰值分布向三峰值分布轉(zhuǎn)化，更多支架位于高應(yīng)力區(qū)，說明工作面支護應(yīng)力分布規(guī)律與上覆巖層基巖厚度密切相關(guān)。易知，相同條件下，上覆巖層基巖越薄，工作面支護應(yīng)力越容易出現(xiàn)三峰值“M”型。

3.2 超長工作面判據(jù)

工作面支護應(yīng)力存在三峰值“M”型現(xiàn)象最早是由文獻[16-17]根據(jù)哈拉溝450 m超長工作面壓力實測數(shù)據(jù)總結(jié)出來的特性。筆者在文獻[11]中也曾對其進行過研究。由前面分析可知，在其他條件不變的情況下，隨著工作面長度加長，工作面液壓支架群組支護應(yīng)力分布必然由單峰值向三峰值“M”型轉(zhuǎn)化，在工作面出現(xiàn)三峰值“M”型現(xiàn)象后，再加長工作面長度，三峰值“M”型現(xiàn)象更加明顯，且高峰值開始向兩端擴展。

由于工作面支護應(yīng)力的三峰值“M”型與工作面長度密切相關(guān)，且在工作面長度超過一定數(shù)值必然會出現(xiàn)，易知三峰值“M”型分布特性是超長工作面特有屬性，因此可以將工作面液壓支架群組支護應(yīng)力是否出現(xiàn)三峰值“M”型分布特性作為超長工作面的判據(jù)。

下面分析超長工作面支護應(yīng)力出現(xiàn)三峰值“M”型的主要原因。由前面分析可知，相同條件下，隨著端部巷幫支撐條件變?nèi)?，工作面支護應(yīng)力開始由單峰值向三峰值轉(zhuǎn)化，說明工作面端部巷幫支撐條件對工作面支護應(yīng)力分布形式影響明顯。端部巷幫條件對工作面支護應(yīng)力的影響可以用來解釋超長工作面支護應(yīng)力出現(xiàn)三峰值的原因。因為隨著工作面長度加長，工作面兩端巷幫對工作面中部的上覆巖層影響開始減小，相同支護條件下，中部的上覆巖層下沉量逐漸加大，更多的支架位于高應(yīng)力區(qū)，支護應(yīng)力進而呈現(xiàn)三峰值。工作面支護應(yīng)力出現(xiàn)三峰值后再加長工作面，工作面兩端巷幫對工作面中部的影響進一步減弱，工作面中部上覆巖層下沉量加大的范圍開始向兩端拓展，更多的支架處于高壓力區(qū)，表現(xiàn)為支護應(yīng)力峰值開始向工作面兩端擴展。不難發(fā)現(xiàn)，工作面支護應(yīng)力出現(xiàn)三峰值，實際上是端部支撐條件對工作面中部上覆巖層影響減弱所致，這是超長工作面支護應(yīng)力產(chǎn)生三峰值“M”型現(xiàn)象的根本原因。

工作面三峰值“M”型分布特性不僅取決于工作面長度單一參數(shù)，而且還與埋深、采高、工作面長度、頂板巖性、基巖厚度、巷幫條件等諸多條件相關(guān)。哈拉溝煤礦工作面長度450 m時出現(xiàn)三峰值“M”型，口孜東煤礦5.5 m采高時350 m出現(xiàn)三峰值“M”型，而140502工作面在7 m采高時，工作面長度300 m就開始呈現(xiàn)三峰值“M”型分布特點。對深井厚煤層大采高綜采工作面來說，必須要根據(jù)具體煤層賦存條件來確定工作面的合理長度。特別是對于那些埋藏深、采高大、基巖薄、煤層軟、頂板破碎的深井工作面來說，更要充分考慮上述特點，以確定合理的工作面長度。

4 基于狀態(tài)誤差和代價函數(shù)的工作面裝備群組協(xié)同控制

如前所述，深井厚煤層超長工作面支護應(yīng)力典型特征是工作面出現(xiàn)了三峰值“M”型，不同區(qū)域液壓支架支護應(yīng)力不盡相同，并且隨著工作面加長，峰值開始向兩端擴展，更多的液壓支架位于高應(yīng)力支護區(qū)。由于三峰值“M”型區(qū)頂板壓力大，上覆巖層會先斷裂，隨后壓力較小的端頭區(qū)上覆巖層才斷裂，工作面中部和端頭區(qū)先后來壓，現(xiàn)場表現(xiàn)為工作面分區(qū)來壓，來壓不同步，頻繁來壓，超長工作面支護應(yīng)力三峰值“M”型分布特性較好的解釋了口孜東121304工作面分區(qū)域來壓、來壓頻繁、工作面存在多峰值的現(xiàn)象。

針對上述現(xiàn)象，要提高深井厚煤層超長綜采工作面液壓支架支護能力和適應(yīng)性，關(guān)鍵在于采取分區(qū)協(xié)同控制方法，即不同區(qū)域液壓支架采取不同的控制策略。

超長工作面圍巖應(yīng)力分布特征的變化使得液壓支架支護、推進過程中不能再以一致的工藝參數(shù)進行控制，否則無法保證工作面圍巖控制、裝備推進的一致性和連續(xù)性。因此，如何自動調(diào)整超長工作面不同區(qū)域的開采參數(shù)使得整體支護效果最佳、推進效率最高成為需要解決的關(guān)鍵難題。這里提出一種基于狀態(tài)誤差和代價函數(shù)的工作面裝備群組協(xié)同控制方法，實現(xiàn)深井厚煤層超長綜采工作面裝備群的最優(yōu)協(xié)調(diào)控制。

(4)

圖15 工作面群組協(xié)同控制方法Fig.15 Method of working face group cooperative control

將群組問題轉(zhuǎn)化為一個包含3個代價函數(shù)分量的聚合最優(yōu)控制問題:

(5)

式中，J1為確保速度一致性的代價函數(shù);J2為望軌跡和速度跟蹤、聚合性、避免碰撞的代價函數(shù);J3為控制成本代價函數(shù)。

4.1 液壓支架群組控制

控制系統(tǒng)通過礦壓與裝備監(jiān)測數(shù)據(jù)，推演出超長工作面支護應(yīng)力三峰值“M”型分布特性的具體參數(shù)，包括壓力峰值、變化速率、變化周期、最大下沉量、下沉速率等。這些參數(shù)分別輸入到控制方程2中，給出工作面分區(qū)支護自適應(yīng)控制和推進分區(qū)協(xié)同控制的優(yōu)化模型。支護自適應(yīng)控制主要是對單個支架的初撐力進行自適應(yīng)調(diào)整;推進協(xié)同控制主要是對液壓支架、采煤機和刮板輸送機在不同壓力區(qū)域進行協(xié)調(diào)控制。具體的方法的根據(jù)工作面壓力分布特性，不同區(qū)域采取不同控制策略，采用“單架控制→組控制→群控制”3級協(xié)同控制策略，基于信息采集模塊獲取工作面推進度、頂板來壓步距、來壓頻次、支架下縮量、立柱壓力、頂梁傾角等信息進行分析決策，控制液壓支架群組主動支護，實現(xiàn)架支護強度、剛度及穩(wěn)定性的分區(qū)協(xié)同控制[25-26]。

(1)單架控制策略?；趩蝹€支架的壓力、傾角、推移等感知信息，通過縱向支撐、橫向抗倒和走向推移控制策略進行單個支架的縱向、橫向和走向三維空間方向姿態(tài)調(diào)控，采用支頂、護幫、推移、抬底、側(cè)推和平衡協(xié)同控制方法，實現(xiàn)縱向精準支護、走向定量推移和橫向精確防偏的單架姿態(tài)自動控制。由于工作面為俯采，為了防止上覆巖層懸頂不易垮落，如圖16所示，俯采時采用初撐力保證系統(tǒng)實時監(jiān)測液壓支架初撐力，提高液壓支架切頂力，實現(xiàn)采后頂板即時垮落卸壓，避免采空區(qū)瓦斯積聚對安全生產(chǎn)不利。

(2)組控制策略。根據(jù)工作面分區(qū)垮落特征和協(xié)同推進時序關(guān)系，按照強度、剛度及穩(wěn)定性控制需求結(jié)合分區(qū)不同區(qū)域的地質(zhì)、生產(chǎn)條件，分別控制機頭支架組、中部支架組和機尾支架組。根據(jù)工作面中部區(qū)域壓力峰值較高、承受沖擊載荷概率較大和安全閥開啟比例較高的特點，中部支架組以提高支架的強度和剛度自適應(yīng)為主;中部支架組兩側(cè)支護組部分區(qū)域壓力快速升高，比常規(guī)工作面壓力顯現(xiàn)強烈，同時承受偏載力，應(yīng)在保證其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提高強度及剛度的適應(yīng)性;兩端頭區(qū)域特別是機頭區(qū)域主要是協(xié)調(diào)與超前支護系統(tǒng)的協(xié)同推進關(guān)系，需重點控制兩者之間的位置關(guān)系。

(3)群控制策略。分區(qū)來壓特性決定了工作面在推進過程中一定會出現(xiàn)推移不同步現(xiàn)象，經(jīng)過幾個開采循環(huán)，工作面設(shè)備就會出現(xiàn)參差不齊現(xiàn)象，因此必須要采用群控制策略進行控制。即以工作面液壓支架群為研究對象，采用工作面調(diào)直系統(tǒng)進行工作面自動找直，實現(xiàn)液壓支架群管理。

4.2 端頭和巷幫控制

端頭和巷幫穩(wěn)定性對工作面液壓支架群組支護應(yīng)力分布有一定影響，由于口孜東煤礦巷道頂板破碎，要提高整個工作面液壓支架支護能力和適應(yīng)性，必須要強化端頭和巷道的支護。首先采用強力錨索、高強力錨桿和錨網(wǎng)進行端頭區(qū)主動強力支護，提高巷道巖層的穩(wěn)定性。再就是采用大工作阻力強力端頭支架，一方面進行端頭區(qū)穩(wěn)定支護，再就是提高端頭支架切頂能力，結(jié)合自動退錨裝置，進行端頭區(qū)域采后即時卸壓，避免采空區(qū)瓦斯積聚，防止巷幫強力支護帶來的巷道上覆巖層采后不能即時垮落卸壓，造成采空區(qū)瓦斯區(qū)域富聚，對于淮南高瓦斯礦區(qū)安全開采十分不利。通過上述方法實現(xiàn)工作面安全開采。

4.3 護幫協(xié)同控制

工作面中部區(qū)域支架大多處于高支護應(yīng)力狀態(tài)，由于液壓支架與圍巖耦合關(guān)系可知，工作面煤壁也處于高壓力狀態(tài)，煤壁容易片幫。因工作面最大采高達到了7 m，為實現(xiàn)對煤壁的穩(wěn)定防護，設(shè)計采用3級護幫機構(gòu)。為保證工作面的采煤機的截割速度和液壓支架的推移，將采煤機行進方向的5臺液壓支架確定為護幫機構(gòu)協(xié)同動作區(qū)。如圖16(a)所示，液壓支架護幫結(jié)構(gòu)協(xié)同動作區(qū)內(nèi)，基于時序控制，在采煤機正常割煤前方的第5臺支架需進行動作前的供液系統(tǒng)自檢并動作伸縮梁，前方的第4號液壓支架護幫板開始動作，3級護幫機構(gòu)彎曲收回至折疊狀態(tài)，并同步動作第2級和一級護幫機構(gòu)，護幫機構(gòu)收回至完全收回狀態(tài)的25%。此時，采煤機前方3號和2號液壓支架其護幫機構(gòu)已收回至完全收回狀態(tài)的50%和75%，緊鄰采煤機的1號液壓支架護幫機構(gòu)已完全收回到位，采煤機正常截割至1號支架處，不發(fā)生截割護幫板事故。如此循環(huán)往復，圖16(b)護幫機構(gòu)時序控制區(qū)域?qū)崟r動態(tài)變化。與此類似，采煤機割煤過后，液壓支架護幫機構(gòu)執(zhí)行打開動作支護煤壁流程，采煤機后方液壓支架依次伸出伸縮梁、打開護幫板。通過采煤機前后自動收、伸護幫板與伸縮梁，一方面防止采煤機截割滾筒與支架頂梁碰撞干涉，另一方面實現(xiàn)液壓支架與采煤機的動作協(xié)同控制，保證對煤壁的穩(wěn)定控制和端部的可靠支護，提高工作面三機裝備協(xié)同推進的效率。

圖16 3級護幫機構(gòu)協(xié)同控制Fig.16 Cooperative control of three-level slope protection mechanism

5 結(jié) 論

(1)口孜東煤礦屬于典型的深井厚煤層超長工作面，其工作面礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)出來壓周期性不明顯、工作面不同區(qū)域來壓具有明顯的時序性且強度區(qū)別較大和工作面峰值區(qū)域較多等特點。

(2)可以將工作面支護應(yīng)力出現(xiàn)三峰值“M”型作為超長工作面的判劇，超長工作面支護應(yīng)力出現(xiàn)三峰值是由于巷道支撐條件對工作面中部支護作用影響變?nèi)跛隆?/p>

(3)超長工作面不僅取決于工作面長度單一參數(shù)，而且還與埋深、采高、工作面長度、頂板巖性、基巖厚度、巷幫條件等諸多因數(shù)相關(guān)，在實際開采時，應(yīng)根據(jù)工作面煤層賦存條件確定合理的工作面長度。

(4)針對深井超長工作面，采用基于狀態(tài)誤差和代價函數(shù)的液壓支架群組分區(qū)協(xié)同控制，即“單架控制→組控制→群控制”3級協(xié)同控制策略，通過單架控制、液壓支架組控制、液壓支架群控制，是深井厚煤層超長工作面實現(xiàn)安全高效支護的有效途徑。