李長勇，劉曉寧，梁敏富，吳 剛

(1.西山華威礦業(yè)管理有限公司，山西 呂梁 033000；2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221000；3.山西煤礦安全培訓中心，山西 太原 030000)

智能化開采階段是煤炭行業(yè)發(fā)展的新階段，也是初級階段。諸多專家學者從智慧礦山建設、煤礦智能開采等戰(zhàn)略高度層面提出了符合煤礦發(fā)展的頂層架構(gòu)及理論技術[1-3].智能工作面是通過對采掘環(huán)境的智能感知、采掘裝備的智能控制、采掘作業(yè)的智能決策完成回采的過程[4-5]，由于國內(nèi)智能工作面建設尚處于起步階段，目前對智能工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和智能化電液控支架對礦壓控制效果的分析研究較為欠缺。智能工作面運行過程中頂板的安全性主要與開采過程中的覆巖穩(wěn)定性、頂板來壓步距、工作面覆巖運動規(guī)律、液壓支架對礦壓的控制效果等相關?，F(xiàn)以晉邦德煤業(yè)10406智能工作面為研究對象，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測等手段，對智能工作面礦壓規(guī)律及控制效果進行分析研究。

1 10406智能工作面概況

山西呂梁離石西山晉邦德煤業(yè)有限公司井田位于河東煤田離石國家規(guī)劃礦區(qū)的北部，批準開采3-10號煤層。10號煤層上部為太原組，位于4號煤層下部56.00～71.48 m，平均67.50 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，煤厚為0.90～6.52 m，平均3.72 m.10號煤層四采區(qū)位于井田東南部，采區(qū)東西走向約1.5 km，傾向約1.8 km，面積約2.7 km2，南北向布置回采工作面。10406工作面北部為井田邊界，工作面開口于10號煤東翼膠帶大巷；南部為樓俊集團擔炭溝煤業(yè)采空區(qū)，距工作面40 m；西部為實體煤，東部為采空區(qū)。頂板為石灰?guī)r，平均抗拉強度0.71 MPa，平均抗壓強度57.7 MPa；底板為泥巖，平均抗拉強度0.63 MPa，平均抗壓強度32.6 MPa.

10406工作面布置見圖1，采用二進一回“Y”型通風方式，回采巷道布置2條，其中膠帶平巷1條，裝備膠帶輸送機兼進風；軌道平巷1條，鋪設軌道兼進風。10406軌道平巷沿空留巷，作為10404工作面軌道平巷。10406工作面回風通過回采面切眼、10404切眼、10404膠帶平巷和10號煤東翼回風大巷溝通?；夭晒ぷ髅婺z帶平巷直接與10號煤東翼膠帶大巷膠帶機巷搭接，回采工作面軌道平巷直接與10號煤東翼軌道大巷相接。

圖1 10406工作面布置圖

10406工作面智能化控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)見圖2，總體功能如下：

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)圖

1)通過采煤機記憶割煤、液壓支架自動跟機、采煤裝備位置姿態(tài)、工作面高清視頻監(jiān)控等技術，實現(xiàn)集控中心對裝備的遠程控制。

2)通過巷道集控中心和地面調(diào)度中心對裝備狀態(tài)實時監(jiān)測及遠程集成控制，具體包括：地面調(diào)度中心對綜采工作面設備的“一鍵”啟停功能；工作面設備端頭進刀、記憶割煤、人工干預等功能；對采煤機、液壓支架、刮板輸送機、乳化泵站、皮帶輸送機的工況監(jiān)測、故障報警、聯(lián)動閉鎖及遠程控制；利用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進行井上井下數(shù)據(jù)高速傳輸；工作面視頻監(jiān)控系統(tǒng)對設備狀態(tài)實時監(jiān)控和視頻管理、查詢、存儲；利用數(shù)據(jù)云端發(fā)布功能，實現(xiàn)固定端和移動端APP遠程實時監(jiān)控。

3)當工作面控制系統(tǒng)出現(xiàn)運行故障時，各子系統(tǒng)能單獨運行。

2 10406智能工作面覆巖結(jié)構(gòu)分析

2.1 覆巖關鍵層層位分析

煤層開采過程中，煤層上部覆巖部分或延伸到地表的全部巖層的運動(移動)由關鍵層決定，關鍵層具有一定強度和厚度，且多為堅硬的巖層[6-7].應先對可能的硬巖層破斷距進行計算，再對各巖層的破斷距進行計算。為了簡便，兩端固支梁模型計算通常作為硬巖層破斷距的計算方法[8]，所以第k層硬巖層的破斷距l(xiāng)k為：

(1)

式中：hk為第k層巖層厚度，m；qk為第k層巖層所受載荷，MPa；ek為第k層巖層抗拉強度，MPa.

根據(jù)10406工作面綜合柱狀鉆孔，其覆巖關鍵層判斷結(jié)果見表1.由表1可知，第一層硬巖石灰?guī)r的破斷距小于第二層硬巖石灰?guī)r的破斷距，則10號煤頂板上覆10.6 m厚石灰?guī)r為10號煤的亞關鍵層，4.45 m厚的石灰?guī)r為10號煤的主關鍵層。

表1 10號煤覆巖硬巖層位表

2.2 覆巖結(jié)構(gòu)分類

晉邦德煤業(yè)井田內(nèi)的可采煤層為3、4、10號。10號煤層位于4號煤層下部，10號煤回采后形成的垮落帶有可能波及到上方4號煤層甚至更上方3號煤開采后遺留的采空區(qū)。上方煤層采空區(qū)內(nèi)充填著垮落的巖塊，由于影響了采場穩(wěn)定覆巖結(jié)構(gòu)的形成條件，近距離煤層群的覆巖結(jié)構(gòu)與單層開采具有不同的特點。

近距離煤層頂板可分為無基本頂結(jié)構(gòu)和有基本頂結(jié)構(gòu)[9].無基本頂結(jié)構(gòu)見圖3，即層間巖層厚度較薄，相鄰煤層間距較小，強度較低，隨著下煤層工作的推進，不會形成“砌體梁”結(jié)構(gòu)。

圖3 近距離煤層間無基本頂結(jié)構(gòu)模型圖

當基本頂結(jié)構(gòu)存在于近距離煤層間時，如下層煤厚度相對較小、層間基本頂隨下工作面逐漸移動過程中達到其抗拉強度極限時會出現(xiàn)周期性的規(guī)則斷裂，并形成穩(wěn)定的“砌體梁”結(jié)構(gòu)，見圖4a)；如下部煤層厚度較大、開采高度較高，則采空區(qū)破碎巖體的旋轉(zhuǎn)變形回轉(zhuǎn)也較大，無法穩(wěn)定形成“砌體梁”，見圖4b).

圖4 近離煤層間存在基本頂結(jié)構(gòu)模型圖

2.3 10406工作面覆巖結(jié)構(gòu)判斷

現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn),10406工作面基本頂?shù)膹姸容^高，直接頂移架時其破碎塊體會從架后漏出，穩(wěn)定性較差。10號煤的主關鍵層為石灰?guī)r，厚4.45 m，亞關鍵層為石灰?guī)r，厚10.6 m.由于它們位于10號煤與4號煤之間，由此可推斷出有厚硬的基本頂結(jié)構(gòu)在10號煤和4號煤層之間，并在工作面的推進過程中發(fā)生周期性破斷?？筛鶕?jù)破斷塊體的回轉(zhuǎn)量，判斷基本頂是懸臂式垮落還是砌體梁式垮落[9-10].

一般將采高為3.5～5.0 m 的綜采工作面稱為大采高工作面，將采高大于5.0 m 的綜采工作面稱為特大采高工作面[11].10號煤層厚度為0.90～6.52 m，平均厚度為3.72 m，屬于大采高的范圍。第一層亞關鍵層是否出現(xiàn)“懸臂梁”結(jié)構(gòu)取決于如下公式[9-10]：

(2)

式中，M為煤層采高，m；kp為巖塊碎脹系數(shù)，取1.05～1.8；∑hi為直接頂厚度，m；h為關鍵層厚度，m；l為關鍵層破斷跨距，m；σc為關鍵層單軸抗壓強度，MPa；q為上覆載荷，MPa.

若滿足上述公式條件，則可以判斷覆巖的第一層亞關鍵層結(jié)構(gòu)形態(tài)為“懸臂梁”，否則為“砌體梁”結(jié)構(gòu)。代入?yún)?shù)后得不等式左側(cè)為2.46 m，右側(cè)為2.65 m，則基本頂為“砌體梁”結(jié)構(gòu)。

2.4 10406工作面基本頂初次來壓步距分析

選擇將基本頂作為固支梁式斷裂來進行計算，則由材料力學的方法可以計算基本頂?shù)牧菏綌嗔褬O限跨距。

受力計算模型見圖5，根據(jù)模型進行分析可得梁斷裂時的極限垮距[9-10]：

圖5 巖梁上任意點的應力分析圖

(3)

式中，LT為基本頂斷裂時的極限跨距，m；RT為基本頂極限抗拉強度，MPa，取2.22；q為基本頂上覆載荷，kPa，取71；h為基本頂厚度，m，取3.72.

代入后求出基本頂固支梁極限跨距即初次來壓步距為29.5 m.

2.5 10406工作面基本頂周期來壓步距分析

在基本頂經(jīng)過初次來壓之后，繼續(xù)推進回采工作面，“穩(wěn)定—不穩(wěn)定—穩(wěn)定”的變化過程將在裂隙帶巖層“砌體梁”結(jié)構(gòu)中循環(huán)進行。

10406工作面基本頂周期來壓時的力學模型見圖6.首先支柱應有足夠的支撐力來保證∑Fy=0的基本條件，同時不可阻止基本頂巖塊的回轉(zhuǎn)。經(jīng)過力學分析，基本頂回轉(zhuǎn)下沉時懸臂梁的極限跨距[10]：

圖6 基本頂周期來壓的力學模型圖

(4)

則計算可得基本頂懸臂梁的極限跨距周期來壓步距為12.6 m.

3 工作面覆巖運動規(guī)律數(shù)值模擬研究

通過UDEC數(shù)值模擬軟件來模擬10號煤10406工作面走向推進時的煤層覆巖運動規(guī)律。在數(shù)值模擬計算中，限于數(shù)值模擬軟件可運行單元的數(shù)量，通常將未模擬部分簡化為載荷加載在數(shù)值模擬的邊界[12-14].根據(jù)10406工作面的煤巖層綜合柱狀圖，確定模擬模型的摩爾庫倫屈服準則模型和平面應變模型。根據(jù)理論計算結(jié)果，10號煤初次來壓步距為29.5 m，周期來壓步距為12.6 m，為觀測直接頂垮落情況及基本頂來壓時工作面上覆巖層的運動規(guī)律，具體模擬方案如下：

1)直接頂初次垮落→推進距離20 m.2)基本頂初次來壓→推進距離30 m.3)基本頂?shù)谝淮沃芷趤韷骸七M距離43 m.4)基本頂?shù)诙沃芷趤韷骸七M距離56 m.5)正常推進→推進距離100 m.6)正常推進→推進距離200 m.

由于10406工作面上方的3號煤、4號煤已開采，數(shù)值模擬需要先進行3號煤、4號煤的模擬開挖，計算達到平衡之后，再實施10406工作面的模擬方案，分析分別推進20 m、30 m、43 m、56 m、100 m、200 m的巖層垮落離層特征及覆巖塑性區(qū)分布特征。

3.1 10406智能工作面覆巖運動結(jié)果分析

巖層垮落離層特征見圖7.當煤層開挖后，采場上覆巖層開始移動、變形，隨工作面的推進，采場圍巖運動處于動態(tài)變化之中。當工作面開挖20 m時，直接頂初次垮落；當工作面推進到30 m后，工作面基本頂初次垮落，砌體梁結(jié)構(gòu)形成；推進到43 m、56 m，工作面前方頂板運動隨周期來壓造成砌體梁結(jié)構(gòu)的推進而推進。此后，隨著工作面的繼續(xù)回采，基本頂開始出現(xiàn)周期來壓。

圖7 10406工作面推進不同距離時頂板運動規(guī)律圖

3.2 10406智能工作面覆巖塑性區(qū)結(jié)果分析

工作面塑性區(qū)分布見圖8.當煤層開挖后，工作面上覆巖層逐步運動，圍巖塑性區(qū)動態(tài)變化。當工作面向前開挖推進20 m時，工作面前方塑性區(qū)較大，但上覆巖層區(qū)域尚未出現(xiàn)大范圍垮落現(xiàn)象；當工作面向前開挖30 m時，工作面前方塑性區(qū)增大，工作面上覆砌體梁結(jié)構(gòu)開始形成；當工作面推進43 m、56 m，周期來壓造成砌體梁結(jié)構(gòu)，塑性區(qū)隨其推進而推進。而當工作面繼續(xù)回采時，基本頂周期來壓出現(xiàn)，圍巖塑性區(qū)變大，同時可以發(fā)現(xiàn)塑性區(qū)在工作面附近區(qū)域的變形程度大，而在工作面采空區(qū)中部區(qū)域有所緩和。

圖8 10406工作面推進不同距離時塑性區(qū)分布圖

4 晉邦德煤業(yè)智能工作面礦壓控制效果分析

4.1 智能化電液控支架自動跟機時間分析

在工作面兩端頭附近及中部對電液控自動移架時間進行觀測。前端頭3#—8#支架最長移架時間32 s，最短移架時間20 s，平均移架時間25.5 s.中部55#—60#支架最長移架時間33 s，最短移架時間20 s，平均移架時間25.4 s.后端頭110#—115#支架最長移架時間33 s，最短移架時間22 s，平均移架時間25.5 s.整個工作面最長移架時間33 s，最短移架時間20 s，平均移架時間25.5 s.觀測數(shù)據(jù)表明，支架自動移架時間整體協(xié)調(diào)。

4.2 智能化電液控支架活柱縮量分析

在工作面兩端頭附近及中部對電液控支架活柱縮量進行觀測。前端頭3#—8#支架最大活柱縮量4.2 cm，最小活柱縮量1.3 cm，平均活柱縮量1.9 cm.中部55#—60#支架最大活柱縮量6.3 cm，最小活柱縮量2.6 cm，平均活柱縮量4.45 cm.后端頭110#—115#支架最大活柱縮量6.6 cm，最小活柱縮量1.2 cm，平均活柱縮量2.5 cm.整個工作面最大活柱縮量6.6 cm，最小活柱縮量0.2 cm，平均活柱縮量2.4 cm.觀測數(shù)據(jù)表明，支架活柱整體發(fā)揮了有效支撐作用。

4.3 智能化電液控支架工作阻力分析

通過對10406工作面支架循環(huán)末阻力的連續(xù)實測，將觀測收集到的支架載荷數(shù)據(jù)經(jīng)整理分析后，繪制每次支架循環(huán)末阻力隨著距開切眼煤壁距離變化的曲線，見圖9.由圖9可以看出，10406工作面在觀測期間共經(jīng)歷了1次初次來壓和3次周期來壓。其中基本頂初次來壓步距平均為31.1 m，3次周期來壓平均步距分別為13.6 m、11.7 m、14.0 m.通過對3次周期來壓步距的統(tǒng)計分析，10406工作面周期來壓步距均值為13.1 m，與理論分析基本相符合。

圖9 工作面支架循環(huán)末阻力-工作面推進度變化曲線圖

通過對10406工作面基本頂來壓的統(tǒng)計分析，得到10406工作面基本頂來壓規(guī)律分析表，見表2.根據(jù)10406智能工作面支架說明書，當支架達到額定工作阻力5 600 kN時，立柱載荷約為41.04 MPa，而工作面在回采過程中，支架立柱的平均載荷為30.3 MPa，支架利用率為74%.結(jié)合以上分析可知，10406工作面整面支架的阻力普遍相對較小?？偟膩碚f，支架工作阻力發(fā)揮效果較好，但工作面的支護仍要加強，如支架在開采過程中的初撐力以及受力狀態(tài)的管理和調(diào)整，以充分確保支架能夠正常工作運行。

表2 10406工作面基本頂來壓規(guī)律分析表

5 結(jié) 論

煤礦智能化開采是實現(xiàn)煤炭工業(yè)技術革命和升級發(fā)展的必然方向，而智能工作面的礦壓控制是實現(xiàn)安全高效回采的核心關鍵。本文采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場觀測等方法，對晉邦德煤業(yè)10406智能工作面礦壓規(guī)律及控制效果進行了分析研究。根據(jù)工作面生產(chǎn)能力及井下智能工作面功能需求，構(gòu)建了10406智能工作面控制系統(tǒng)，包括自動化集中控制系統(tǒng)、電液控制系統(tǒng)、回采巷道集中監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、地面監(jiān)控系統(tǒng)等。分析可知，在工作面初次來壓步距約30 m時，工作面開始大面積垮落，隨著工作面的繼續(xù)回采，在周期來壓步距約13 m時，采場圍巖塑性區(qū)變大，現(xiàn)場情況與數(shù)值模擬及理論分析結(jié)果相符。電液控液壓支架平均移架時間25.5 s，平均活柱縮量2.4 cm，載荷均值為30.3 MPa，支架利用率為74%，工作阻力發(fā)揮效果較好，能夠滿足智能高效回采的礦壓控制要求。