王國(guó)法，張金虎，徐亞軍，任懷偉，于 翔，劉新華，張德生

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

隨著煤炭高效開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)煤礦綜采工作面在開(kāi)采深度、橫向尺度(包括工作面長(zhǎng)度和推進(jìn)長(zhǎng)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(kāi)采深度正以10～25 m/a的速度增加，工作面長(zhǎng)度由100～200 m逐步提升至300～350 m，部分工作面長(zhǎng)度達(dá)到了400 m以上[1-5]。埋深與工作面長(zhǎng)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(zhǎng)工作面來(lái)壓頻率增高、來(lái)壓步距減短并呈現(xiàn)工作面分區(qū)域來(lái)壓等特點(diǎn)[6-7]。文獻(xiàn)[8]基于相似材料模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)采場(chǎng)覆巖關(guān)鍵層的破裂塊度會(huì)隨工作面長(zhǎng)度增加而減小并會(huì)伴隨主關(guān)鍵層的來(lái)壓。文獻(xiàn)[9]將高強(qiáng)度開(kāi)采工作面(采高、工作面長(zhǎng)度大、推進(jìn)速度快)簡(jiǎn)化為二維梁模型，得出載荷層厚度、采高、工作面長(zhǎng)度的增加導(dǎo)致基本頂破斷巖塊的高長(zhǎng)比增大，初次來(lái)壓時(shí)基本頂巖塊極易發(fā)生滑落失穩(wěn)是淺埋高強(qiáng)度開(kāi)采礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈的原因。文獻(xiàn)[10-12]基于液壓支架承載特性，建立彈性獨(dú)立支座的液壓支架群組巖梁模型，推導(dǎo)出液壓支架對(duì)頂板支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)矩陣方程，給出相應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法。文獻(xiàn)[13]基于壓力拱假說(shuō)、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(chǎng)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(zhǎng)度對(duì)裂隙帶高度和支架阻力的影響。文獻(xiàn)[14]通過(guò)數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出淺埋深長(zhǎng)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(zhǎng)度，再加長(zhǎng)工作面對(duì)覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響程度降低。文獻(xiàn)[15]提出了一種充分考慮到采場(chǎng)幾何及巖石力學(xué)參數(shù)的能量模型，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、理論模型及數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比，得出模型可有效預(yù)測(cè)采場(chǎng)裂隙帶高度。文獻(xiàn)[16-17]等通過(guò)對(duì)哈拉溝煤礦450 m超長(zhǎng)綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)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(duì)工作面面長(zhǎng)方向頂板斷裂規(guī)律主要是基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)礦壓規(guī)律進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合數(shù)值模擬方法對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。

為進(jìn)一步定量分析，筆者針對(duì)淮南新集口孜東煤礦千米深井超長(zhǎng)工作面頂板穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行了定量分析研究，通過(guò)121304,140502兩個(gè)工作面的觀測(cè)和礦壓數(shù)據(jù)分析，基于彈性獨(dú)立支座模型，從理論上分析了液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力分布特性和深井厚煤層超長(zhǎng)綜采工作面來(lái)壓特點(diǎn)，揭示了超長(zhǎng)工作面礦壓影響因素。根據(jù)深井厚煤層超長(zhǎng)綜采工作面支護(hù)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(guò)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(kāi)采工作面頂板控制提供一種新方法。

1 深井超長(zhǎng)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(xì)砂巖，平均厚度5.0 m。工作面長(zhǎng)度350 m，采用大采高一次采全厚開(kāi)采。工作面采用ZZ13000/27/60D四柱支撐掩護(hù)式液壓支架支護(hù)，支架中心距1 750 mm。

1.1 模型分析計(jì)算

超長(zhǎng)工作面液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力分布規(guī)律可以采用彈性支座模型進(jìn)行分析[10]。如圖1所示，該模型是將每個(gè)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(duì)稱矩陣，系數(shù)aij=aji,從第3行到第n-2行，每行除對(duì)角線5個(gè)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(wú)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(jì)算口孜東煤礦121304工作面液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力分布特性。計(jì)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(kāi)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(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)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(shí)支座處位移為0，轉(zhuǎn)角為0°。若將工作面巷幫視為剛體，計(jì)算結(jié)果如圖4,5所示(圖5為工作面液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力正視圖，即工作面支護(hù)應(yīng)力在煤壁方向上的投影)。由圖4,5可知，支護(hù)應(yīng)力有A,B,C三個(gè)峰值點(diǎn)，其中，A點(diǎn)位于工作面101 m處，B點(diǎn)位于工作面中部，C點(diǎn)位于工作面249 m處，A,B點(diǎn)的支護(hù)應(yīng)力為1.3 MPa，C點(diǎn)的支護(hù)應(yīng)力為1.26 MPa，A,C點(diǎn)峰值略高于B點(diǎn)，整個(gè)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(hù)應(yīng)力在整個(gè)工作面的分布特性，將圖4中支護(hù)應(yīng)力與工作面液壓支架群組結(jié)合起來(lái)，同時(shí)將圖4中各坐標(biāo)數(shù)值按一定比例顯示，得圖6工作面液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力在工作面液壓支架上的分布特性。

圖3 工作面開(kāi)切眼后及開(kāi)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(hù)應(yīng)力場(chǎng)(剛體)Fig.4 Supporting stress field of powered support(rigidbody)

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

圖6 液壓支架群組支護(hù)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(kāi)挖后，上覆巖層有了斷裂、垮落及回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的空間，工作面沿走向和傾向方向巖梁都將會(huì)發(fā)生相應(yīng)的運(yùn)移。此時(shí)工作面存在圖7所示簡(jiǎn)支、彈性支座和彈性固定端等不同方式。

圖7 工作面正常開(kāi)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(jì)算參數(shù)不變，液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力分布特性如圖8～10所示。由圖9可知，A點(diǎn)位于工作面77 m處，B點(diǎn)位于工作面中部，C點(diǎn)位于工作面273 m處。

對(duì)比圖5和圖9可知，隨著巷幫剛度降低，支護(hù)應(yīng)力最大峰值A(chǔ)點(diǎn)由原來(lái)的工作面101 m處移向77 m處，最大峰值B點(diǎn)由原來(lái)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(kuò)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(zhǎng)工作面液壓支架支護(hù)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(hù)應(yīng)力場(chǎng)(彈性體)Fig.8 Supporting stress field of powered support(elastomer)

圖9 液壓支架支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)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(hù)應(yīng)力分布示意(彈性體)Fig.10 Supporting stress field of powered support groups(elastomer)

1.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

對(duì)121304工作面液壓支架工作阻力進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，在工作面上下端頭、9號(hào)和189號(hào)支架、中上部40號(hào)和80號(hào)支架、中下部130號(hào)和160號(hào)支架及中部100號(hào)支架布置7條測(cè)線，圖11(a)為7條測(cè)線沿工作面推進(jìn)方向支架工作阻力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，圖11(b)為不同推進(jìn)度時(shí)液壓支架工作阻力沿工作面長(zhǎng)度方向5個(gè)剖面(推進(jìn)度分別為155，165，176，186，198 m)的實(shí)測(cè)值及分布趨勢(shì)。由圖11可知，工作面不同區(qū)域來(lái)壓具有明顯的時(shí)序性且強(qiáng)度有差別，來(lái)壓步距15～25 m，中部來(lái)壓步距相較兩端頭略小。一般是工作面中部區(qū)域先來(lái)壓，兩端頭則相對(duì)滯后;特別是工作面中部區(qū)域，來(lái)壓頻率較高、周期性不明顯。由工作面較長(zhǎng)，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(shì)，與上述理論計(jì)算結(jié)果具有較好的一致性。

圖11 液壓支架工作阻力實(shí)測(cè)曲線Fig.11 Working resistance of hydraulic support

2 7 m采高工作面支護(hù)應(yīng)力分布特性

2.1 工作面煤層條件

140502工作面開(kāi)采5煤，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(xì)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(xiàng)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(hù)強(qiáng)度確定

140502工作面采用一次采全高俯采方法進(jìn)行開(kāi)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(kāi)采的關(guān)鍵。鑒于淮南礦區(qū)長(zhǎng)期使用習(xí)慣，液壓支架采用四柱支撐掩護(hù)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(hù)強(qiáng)度的確定方法。筆者曾對(duì)山東唐口煤礦千米深井工作面液壓支架所需支護(hù)強(qiáng)度進(jìn)行過(guò)研究[21]，發(fā)現(xiàn)采用式(2)計(jì)算深井工作面液壓支架所需支護(hù)強(qiáng)度比較合理。

(2)

其中，P為支護(hù)強(qiáng)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(hù)強(qiáng)度公式基礎(chǔ)上加上耦合因子Ψ，耦合因子Ψ可通過(guò)式(3)進(jìn)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(jì)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(zhǎng)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(hù)強(qiáng)度曲線如圖12所示。

圖12 液壓支架所需支護(hù)強(qiáng)度Fig.12 Supporting intensity of powered support

圖12中藍(lán)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(hù)強(qiáng)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(hù)強(qiáng)度。易知液壓支架所需支護(hù)強(qiáng)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(jì)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(hù)強(qiáng)度應(yīng)不低于1.7 MPa。據(jù)此確定ZZ18000/33/72D四柱支撐掩護(hù)式支護(hù)強(qiáng)度1.73～1.78 MPa。

2.3 液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力分布規(guī)律

由于隨著采高加大，液壓支架支護(hù)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(zhǎng)度就成為140502工作面研究重點(diǎn)。與121304工作面相比，140502工作面最大采高達(dá)到7 m，同時(shí)基本頂厚度相對(duì)較厚。計(jì)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(zhǎng)度240，300,350 m時(shí)液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力。

圖13 不同工作面長(zhǎng)度液壓支架支護(hù)應(yīng)力場(chǎng)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(zhǎng)度加長(zhǎng)，液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力開(kāi)始由單峰值向多峰值轉(zhuǎn)化。工作面長(zhǎng)度240 m液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力為單峰值;工作面長(zhǎng)度300 m液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力開(kāi)始出現(xiàn)馬鞍形三峰值“M”型;工作面長(zhǎng)度350 mm時(shí)馬鞍形更加明顯，且支護(hù)應(yīng)力峰值開(kāi)始向工作面兩端擴(kuò)展。不難發(fā)現(xiàn)，采高對(duì)工作面液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力分布特性影響較大，鑒于此，將工作面長(zhǎng)度確定為300 m。

3 深井厚煤層超長(zhǎng)工作面特性與判據(jù)

3.1 深井厚煤層超長(zhǎng)工作面特性

(1)工作面支護(hù)應(yīng)力與端頭條件關(guān)系。圖14(a)為采高7 m，工作面長(zhǎng)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(hù)應(yīng)力，其液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力為三峰值“M”型。對(duì)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(hù)應(yīng)力開(kāi)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(shuō)明工作面支護(hù)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(hù)應(yīng)力越容易出現(xiàn)三峰值“M”型。

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

(2)工作面支護(hù)應(yīng)力與頂板巖性關(guān)系。圖14(b)為采高7 m，工作面長(zhǎng)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(hù)應(yīng)力，其液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力為單峰值。對(duì)比圖13(b)可知，隨著頂板巖性減弱，液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力開(kāi)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(shuō)明工作面支護(hù)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(hù)應(yīng)力越容易出現(xiàn)三峰值“M”型。

(3)工作面支護(hù)應(yīng)力與基本頂厚度關(guān)系。圖14(c)為采高7 m，工作面長(zhǎng)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(hù)應(yīng)力，其液壓支架群組支護(hù)應(yīng)力為單峰值。對(duì)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(hù)應(yīng)力開(kāi)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(shuō)明工作面支護(hù)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(hù)應(yīng)力越容易出現(xiàn)三峰值“M”型。

3.2 超長(zhǎng)工作面判據(jù)

工作面支護(hù)應(yīng)力存在三峰值“M”型現(xiàn)象最早是由文獻(xiàn)[16-17]根據(jù)哈拉溝450 m超長(zhǎng)工作面壓力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總結(jié)出來(lái)的特性。筆者在文獻(xiàn)[11]中也曾對(duì)其進(jìn)行過(guò)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(zhǎng)度加長(zhǎng)，工作面液壓支架群組支護(hù)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(zhǎng)工作面長(zhǎng)度，三峰值“M”型現(xiàn)象更加明顯，且高峰值開(kāi)始向兩端擴(kuò)展。

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

下面分析超長(zhǎng)工作面支護(hù)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(hù)應(yīng)力開(kāi)始由單峰值向三峰值轉(zhuǎn)化，說(shuō)明工作面端部巷幫支撐條件對(duì)工作面支護(hù)應(yīng)力分布形式影響明顯。端部巷幫條件對(duì)工作面支護(hù)應(yīng)力的影響可以用來(lái)解釋超長(zhǎng)工作面支護(hù)應(yīng)力出現(xiàn)三峰值的原因。因?yàn)殡S著工作面長(zhǎng)度加長(zhǎng)，工作面兩端巷幫對(duì)工作面中部的上覆巖層影響開(kāi)始減小，相同支護(hù)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(hù)應(yīng)力進(jìn)而呈現(xiàn)三峰值。工作面支護(hù)應(yīng)力出現(xiàn)三峰值后再加長(zhǎng)工作面，工作面兩端巷幫對(duì)工作面中部的影響進(jìn)一步減弱，工作面中部上覆巖層下沉量加大的范圍開(kāi)始向兩端拓展，更多的支架處于高壓力區(qū)，表現(xiàn)為支護(hù)應(yīng)力峰值開(kāi)始向工作面兩端擴(kuò)展。不難發(fā)現(xiàn)，工作面支護(hù)應(yīng)力出現(xiàn)三峰值，實(shí)際上是端部支撐條件對(duì)工作面中部上覆巖層影響減弱所致，這是超長(zhǎng)工作面支護(hù)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(zhǎng)度單一參數(shù)，而且還與埋深、采高、工作面長(zhǎng)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(zhǎng)度450 m時(shí)出現(xiàn)三峰值“M”型，口孜東煤礦5.5 m采高時(shí)350 m出現(xiàn)三峰值“M”型，而140502工作面在7 m采高時(shí)，工作面長(zhǎng)度300 m就開(kāi)始呈現(xiàn)三峰值“M”型分布特點(diǎn)。對(duì)深井厚煤層大采高綜采工作面來(lái)說(shuō)，必須要根據(jù)具體煤層賦存條件來(lái)確定工作面的合理長(zhǎng)度。特別是對(duì)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(lái)說(shuō)，更要充分考慮上述特點(diǎn)，以確定合理的工作面長(zhǎng)度。

4 基于狀態(tài)誤差和代價(jià)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(zhǎng)工作面支護(hù)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(hù)應(yīng)力不盡相同，并且隨著工作面加長(zhǎng)，峰值開(kāi)始向兩端擴(kuò)展，更多的液壓支架位于高應(yīng)力支護(hù)區(qū)。由于三峰值“M”型區(qū)頂板壓力大，上覆巖層會(huì)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(lái)壓，現(xiàn)場(chǎng)表現(xiàn)為工作面分區(qū)來(lái)壓，來(lái)壓不同步，頻繁來(lái)壓，超長(zhǎng)工作面支護(hù)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(lái)壓、來(lái)壓頻繁、工作面存在多峰值的現(xiàn)象。

針對(duì)上述現(xiàn)象，要提高深井厚煤層超長(zhǎng)綜采工作面液壓支架支護(hù)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(zhǎng)工作面圍巖應(yīng)力分布特征的變化使得液壓支架支護(hù)、推進(jìn)過(guò)程中不能再以一致的工藝參數(shù)進(jìn)行控制，否則無(wú)法保證工作面圍巖控制、裝備推進(jìn)的一致性和連續(xù)性。因此，如何自動(dòng)調(diào)整超長(zhǎng)工作面不同區(qū)域的開(kāi)采參數(shù)使得整體支護(hù)效果最佳、推進(jìn)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(jià)函數(shù)的工作面裝備群組協(xié)同控制方法，實(shí)現(xiàn)深井厚煤層超長(zhǎng)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)包含3個(gè)代價(jià)函數(shù)分量的聚合最優(yōu)控制問(wèn)題:

(5)

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

4.1 液壓支架群組控制

控制系統(tǒng)通過(guò)礦壓與裝備監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，推演出超長(zhǎng)工作面支護(hù)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(hù)自適應(yīng)控制和推進(jìn)分區(qū)協(xié)同控制的優(yōu)化模型。支護(hù)自適應(yīng)控制主要是對(duì)單個(gè)支架的初撐力進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整;推進(jìn)協(xié)同控制主要是對(duì)液壓支架、采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)在不同壓力區(qū)域進(jìn)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(jí)協(xié)同控制策略，基于信息采集模塊獲取工作面推進(jìn)度、頂板來(lái)壓步距、來(lái)壓頻次、支架下縮量、立柱壓力、頂梁傾角等信息進(jìn)行分析決策，控制液壓支架群組主動(dòng)支護(hù)，實(shí)現(xiàn)架支護(hù)強(qiáng)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€(gè)支架的壓力、傾角、推移等感知信息，通過(guò)縱向支撐、橫向抗倒和走向推移控制策略進(jìn)行單個(gè)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(hù)幫、推移、抬底、側(cè)推和平衡協(xié)同控制方法，實(shí)現(xiàn)縱向精準(zhǔn)支護(hù)、走向定量推移和橫向精確防偏的單架姿態(tài)自動(dòng)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(shí)采用初撐力保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓支架初撐力，提高液壓支架切頂力，實(shí)現(xiàn)采后頂板即時(shí)垮落卸壓，避免采空區(qū)瓦斯積聚對(duì)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(jìn)時(shí)序關(guān)系，按照強(qiáng)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(jī)頭支架組、中部支架組和機(jī)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(kāi)啟比例較高的特點(diǎn)，中部支架組以提高支架的強(qiáng)度和剛度自適應(yīng)為主;中部支架組兩側(cè)支護(hù)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(qiáng)烈，同時(shí)承受偏載力，應(yīng)在保證其穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上提高強(qiáng)度及剛度的適應(yīng)性;兩端頭區(qū)域特別是機(jī)頭區(qū)域主要是協(xié)調(diào)與超前支護(hù)系統(tǒng)的協(xié)同推進(jìn)關(guān)系，需重點(diǎn)控制兩者之間的位置關(guān)系。

(3)群控制策略。分區(qū)來(lái)壓特性決定了工作面在推進(jìn)過(guò)程中一定會(huì)出現(xiàn)推移不同步現(xiàn)象，經(jīng)過(guò)幾個(gè)開(kāi)采循環(huán)，工作面設(shè)備就會(huì)出現(xiàn)參差不齊現(xiàn)象，因此必須要采用群控制策略進(jìn)行控制。即以工作面液壓支架群為研究對(duì)象，采用工作面調(diào)直系統(tǒng)進(jìn)行工作面自動(dòng)找直，實(shí)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(duì)工作面液壓支架群組支護(hù)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(gè)工作面液壓支架支護(hù)能力和適應(yīng)性，必須要強(qiáng)化端頭和巷道的支護(hù)。首先采用強(qiáng)力錨索、高強(qiáng)力錨桿和錨網(wǎng)進(jìn)行端頭區(qū)主動(dòng)強(qiáng)力支護(hù)，提高巷道巖層的穩(wěn)定性。再就是采用大工作阻力強(qiáng)力端頭支架，一方面進(jìn)行端頭區(qū)穩(wěn)定支護(hù)，再就是提高端頭支架切頂能力，結(jié)合自動(dòng)退錨裝置，進(jìn)行端頭區(qū)域采后即時(shí)卸壓，避免采空區(qū)瓦斯積聚，防止巷幫強(qiáng)力支護(hù)帶來(lái)的巷道上覆巖層采后不能即時(shí)垮落卸壓，造成采空區(qū)瓦斯區(qū)域富聚，對(duì)于淮南高瓦斯礦區(qū)安全開(kāi)采十分不利。通過(guò)上述方法實(shí)現(xiàn)工作面安全開(kāi)采。

4.3 護(hù)幫協(xié)同控制

工作面中部區(qū)域支架大多處于高支護(hù)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(dá)到了7 m，為實(shí)現(xiàn)對(duì)煤壁的穩(wěn)定防護(hù)，設(shè)計(jì)采用3級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)。為保證工作面的采煤機(jī)的截割速度和液壓支架的推移，將采煤機(jī)行進(jìn)方向的5臺(tái)液壓支架確定為護(hù)幫機(jī)構(gòu)協(xié)同動(dòng)作區(qū)。如圖16(a)所示，液壓支架護(hù)幫結(jié)構(gòu)協(xié)同動(dòng)作區(qū)內(nèi)，基于時(shí)序控制，在采煤機(jī)正常割煤前方的第5臺(tái)支架需進(jìn)行動(dòng)作前的供液系統(tǒng)自檢并動(dòng)作伸縮梁，前方的第4號(hào)液壓支架護(hù)幫板開(kāi)始動(dòng)作，3級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)彎曲收回至折疊狀態(tài)，并同步動(dòng)作第2級(jí)和一級(jí)護(hù)幫機(jī)構(gòu)，護(hù)幫機(jī)構(gòu)收回至完全收回狀態(tài)的25%。此時(shí)，采煤機(jī)前方3號(hào)和2號(hào)液壓支架其護(hù)幫機(jī)構(gòu)已收回至完全收回狀態(tài)的50%和75%，緊鄰采煤機(jī)的1號(hào)液壓支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)已完全收回到位，采煤機(jī)正常截割至1號(hào)支架處，不發(fā)生截割護(hù)幫板事故。如此循環(huán)往復(fù)，圖16(b)護(hù)幫機(jī)構(gòu)時(shí)序控制區(qū)域?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)變化。與此類似，采煤機(jī)割煤過(guò)后，液壓支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)執(zhí)行打開(kāi)動(dòng)作支護(hù)煤壁流程，采煤機(jī)后方液壓支架依次伸出伸縮梁、打開(kāi)護(hù)幫板。通過(guò)采煤機(jī)前后自動(dòng)收、伸護(hù)幫板與伸縮梁，一方面防止采煤機(jī)截割滾筒與支架頂梁碰撞干涉，另一方面實(shí)現(xiàn)液壓支架與采煤機(jī)的動(dòng)作協(xié)同控制，保證對(duì)煤壁的穩(wěn)定控制和端部的可靠支護(hù)，提高工作面三機(jī)裝備協(xié)同推進(jìn)的效率。

圖16 3級(jí)護(hù)幫機(jī)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(zhǎng)工作面，其工作面礦壓顯現(xiàn)呈現(xiàn)出來(lái)壓周期性不明顯、工作面不同區(qū)域來(lái)壓具有明顯的時(shí)序性且強(qiáng)度區(qū)別較大和工作面峰值區(qū)域較多等特點(diǎn)。

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

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

(4)針對(duì)深井超長(zhǎng)工作面，采用基于狀態(tài)誤差和代價(jià)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(jí)協(xié)同控制策略，通過(guò)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(zhǎng)工作面實(shí)現(xiàn)安全高效支護(hù)的有效途徑。