劉前進，徐 剛，盧振龍，張 震

(1.中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013)

0 引 言

液壓支架是煤礦回采工作面用于控制頂板，對工作面綜采設備和作業(yè)人員提供安全庇護的核心裝備。支架工況的好壞或支架與圍巖適應與否，決定著支架支護性能的發(fā)揮水平，與煤礦頂板安全關系重大。分析國內眾多煤礦工作面頂板事故案例可知，除了復雜地質條件和強礦壓顯現(xiàn)等自然因素外，支架工況差、支架支護能力得不到充分發(fā)揮是這些頂板事故都普遍存在的重要致災因素[1]。近年來，隨著礦井開采強度和開采深度逐年加大，許多煤礦都盡可能選擇高支護強度、高工作阻力的液壓支架，但卻常因此忽視了對礦壓監(jiān)測和支護質量的管理，支架初撐力低、前后柱受力不均、支架帶病作業(yè)等工況不良問題長期得不到重視，高支護強度液壓支架支護能力得不到有效發(fā)揮，久而久之釀成安全隱患。通過對液壓支架工況進行實時監(jiān)測、分析和預警，及時發(fā)現(xiàn)支架支護和頂板管理當中的存在的隱患，是保障綜采工作面頂板安全的重要措施。

支架在工作當中的阻力大小及其變化特征是支架工況或支護狀態(tài)的最直觀體現(xiàn)，通過支架工作阻力曲線分析，可掌握支架初撐力大小、不保壓情況、安全閥開啟情況以及支架立柱受力均衡性等多種工況信息。當前國內大多數(shù)礦井都已實現(xiàn)了支架工作阻力的實時監(jiān)測，因此基于支架工作阻力分析液壓支架工況更具有現(xiàn)實意義。但是目前對液壓支架的工況評價還缺乏統(tǒng)一標準。王國法院士等[2]從支架與圍巖之間存在的剛度耦合、強度耦合、穩(wěn)定性耦合關系角度，分析了支架適應性；張金虎等[3]提出了考慮支架實際使用效果的“三因素法”，即從“支”“護”“采”3方面評價支架適應性；侯剛等[4-5]提出通過監(jiān)測分析液壓支架姿態(tài)和受力狀態(tài)，以評價支架支護工況；杜毅博[6]建立了支架支護狀態(tài)實時檢測與模糊綜合評價方法；任艷芳[7]提出評價液壓支架適應性的有效支護能力概念及相應的分析與定性評價方法。其他學者也從支架工作阻力分布、支架增阻情況、支架前后立柱受力均衡性、支架合理作用點位置分布等多個角度對支架適應性進行了評價[8-14]。但現(xiàn)有對支架工況或適應性的評價方法多是單一指標評價或事后評價，評價結果有一定片面性或缺乏時效性，尚不具備支架工況實時準確預警的功能。筆者在大量支架工作阻力實時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析的基礎上，獲得反映支架工況的可靠指標參數(shù)集，并結合預警指標的自動分析算法，建立支架工況綜合評價與預警模型，實現(xiàn)支架工況實時預警。

1 支架工況多參量評價指標體系建立

支架良好的工況應是支架與圍巖處于良好的耦合關系，并且支架處于健康的工作狀態(tài)。在實際生產(chǎn)當中，影響支架工況或支護狀態(tài)的因素是多方面的，支架的不良工況誘因概括起來主要有以下2種。

1)支架設計或選型不合理造成的支架與圍巖不相適應。支架在選型當中，應根據(jù)工作面圍巖條件或礦壓情況選擇相適應的支架工作阻力或支架架型，主要體現(xiàn)在支架支護強度應與工作面礦壓顯現(xiàn)程度相匹配。在工作面來壓時，如果支架長期處于高阻力工作狀態(tài)以及安全閥大范圍頻繁開啟狀態(tài)，說明支架選型偏小，會造成支架使用壽命降低，并且不能有效控制頂板下沉；如果支架工作阻力長期分布在低阻力區(qū)間，支架安全閥很少開啟，則說明支架選型偏大，支架支護性能得不到充分發(fā)揮；此外，液壓支架在松軟煤層或破碎頂板條件下使用所產(chǎn)生的前后立柱受力不均現(xiàn)象也是支架與圍巖不相適應的一種外在表現(xiàn)。

2)現(xiàn)場管理不當導致的支架不良工作狀態(tài)。支架在煤礦現(xiàn)場使用效果是否良好，不僅取決于支架自身設計或選型的合理性，現(xiàn)場管理或使用是否得當也對支架的支護效果產(chǎn)生很大影響，支架初撐力不足、支架帶病工作(支架結構損壞以及液壓系統(tǒng)“跑冒滴漏”造成的支架不保壓等)、支架立柱受力不均等，都會降低支架的支護效果。

由于液壓支架工況外在表現(xiàn)的多樣性，評價液壓支架工況的指標也應該是多樣的，根據(jù)上述支架工況的影響因素分析，在建立綜采工作面支架工況實時評價及預警模型時，將支架初撐力不合格比例、工作阻力高報比例、安全閥開啟比例、支架不保壓比例、不平衡比例、工作阻力不合格比例等6個指標作為實時評價支架工況的主要指標(圖1)，據(jù)此判斷支架選型或支架工作狀態(tài)是否合理。并通過研究支架初撐力、安全閥開啟、支架不保壓、不平衡以及支架工作阻力分布等關鍵性指標的自動分析算法，實現(xiàn)了礦壓監(jiān)測預警系統(tǒng)對支架工況預警指標的自動分析。

圖1 支架工況評價指標Fig.1 Evaluation index of support working condition

1)支架初撐力不合格比例：支架初撐力是支架升架后，立柱注液閥關閉瞬時產(chǎn)生的工作阻力，是液壓支架對頂板的主動作用力[15]，如圖2所示。支架初撐力低容易導致頂板過早離層下沉，支架在頂板壓力作用下急速增阻，誘發(fā)工作面片幫冒頂?shù)软敯迨鹿?。因此，為充分發(fā)揮液壓支架的主動支護性能，保障良好的支護效果，要求液壓支架的初撐力應盡可能大一些，一般要求支架合理的初撐力應不小于額定初撐力的80%。統(tǒng)計工作面支架初撐力低于初撐力合格值的比例，稱為支架初撐力不合格比例。

圖2 支架初撐力識別Fig.2 Identification of initial support force

2)支架安全閥開啟比例：支架安全閥是保護支架結構件和立柱及千斤頂?shù)谋Ｗo裝置，當頂板來壓超過支架安全閥設置值時，安全閥開啟，當壓力小于設定值時關閉，工作面支架安全閥開啟的工作阻力曲線如圖3所示。工作面支架有一定比例支架開啟一段時間是正常的，但當工作面多臺支架長時間開啟對工作面頂板維護不利。統(tǒng)計在一個采煤循環(huán)內，發(fā)生安全閥開啟的支架立柱個數(shù)占工作面所有液壓支架立柱總數(shù)的百分比，稱為該循環(huán)支架安全閥開啟比例。安全閥開啟比例反映了工作面礦壓顯現(xiàn)強度，在工作面發(fā)生壓架等頂板事故時通常伴隨支架安全閥的大范圍長時間開啟。

圖3 安全閥開啟示例Fig.3 Example of safety valve opening

3)支架工作阻力高報比例：當支架工作阻力升高至接近支架額定工作阻力時，礦壓監(jiān)測預警系統(tǒng)發(fā)出支架工作阻力高報預警。工作面支架立柱工作阻力達到高報預警值的比例稱為支架工作阻力高報比例。當液壓支架高報比例較高時，說明此時工作面礦壓顯現(xiàn)強烈，應注意防范壓架、冒頂?shù)葟姷V壓頂板事故的發(fā)生。如圖4所示，設置支架工作阻力高報預警值為42 MPa，高報比例為34.6%。

圖4 支架工作阻力高報示例Fig.4 Example of high working resistance of support

4)支架不保壓比例：立柱不保壓是指立柱的密封、安全閥、結構部件等損壞，導致液壓系統(tǒng)漏液，不能保壓，影響支護效果。立柱不保壓在工作阻力曲線表現(xiàn)形式為壓力持續(xù)下降，通過分析支架工作阻力的下降梯度范圍，并進行自動識別，從而實現(xiàn)立柱不保壓的預警。統(tǒng)計工作面發(fā)生不保壓的支架立柱個數(shù)占所統(tǒng)計的工作面支架立柱總數(shù)的百分比，即為工作面支架不保壓比例。

圖5 支架不保壓曲線Fig.5 Non pressure retaining curve of support

5)支架不平衡比例：當支架前后(左右)立柱壓力差值超過設定閾值時視為支架不平衡。根據(jù)支架不平衡的判別標準，統(tǒng)計工作面發(fā)生不平衡的支架占支架總數(shù)的百分比，即為工作面支架不平衡比例。某礦工作面發(fā)生頂板事故前夕的支架工作阻力曲線，如圖6所示。從圖6可知，支架前后柱受力不均衡，前柱安全閥已開啟，而后柱壓力較小，支架支撐效率低，是該工作面發(fā)生頂板事故主要原因之一。

圖6 支架前后立柱受力不均衡曲線Fig.6 Unbalanced stress curve of front and rear columns of support

6)支架工作阻力不合格比例：支架合理的工作阻力P應為80%P0≤P≤90%Pe，其中P0為泵站壓力或支架額定初撐力，Pe為支架額定工作阻力，當支架工作阻力過高或過低時均認為支架工況不合理。

統(tǒng)計工作阻力處于低阻力區(qū)和高阻力區(qū)的立柱個數(shù)占全部支架立柱的百分比(圖7)，稱為支架工作阻力不合格比例。圖7中紅色柱狀為高工阻力區(qū)，黃色柱狀為低工作阻力區(qū)，綠色柱狀為理想的工作阻力區(qū)，支架工作阻力不合格比例為55.8%。

圖7 工作面支架工作阻力分布Fig.7 Histogram of working resistance distribution of support in working face

2 支架工況多參量綜合評價與預警模型

在支架工況評價與預警模型中，將支架工況共分為4個等級，分別為良好、中等、較差、很差，并按照隸屬度評價方法對支架工況預警等級進行劃分[16-17]，見表1。

表1 支架工況預警等級劃分

基于礦壓大數(shù)據(jù)庫和礦井實地調研，對國內眾多礦井的支架工況整體情況和關鍵指標進行了統(tǒng)計分析，見表2(因篇幅所限，此處僅列出部分典型數(shù)據(jù))，在此基礎上分析了6個預警指標不同取值區(qū)間對支架整體工況和工作面頂板管理的影響情況，確定了6個預警指標不同取值區(qū)間對應的支架工況等級。每個預警指標參數(shù)對應的支架工況預警等級劃分方法分別見表3—表8和式(1)—式(6)。

(1)

表2 國內部分礦井支架工況案例分析

表3 支架初撐力不合格比例等級劃分

表4 安全閥開啟比例等級劃分

(2)

表5 支架高報比例等級劃分

μ3=1-u3(0≤u3≤1)

(3)

表6 支架工作阻力分布不合格比例等級劃分

μ4=1-u4(0≤u4≤1)

(4)

表7 支架不保壓比例等級劃分

(5)

表8 支架不平衡比例等級劃分

(6)

通過樣本學習，采用專家打分的方法對6個評價指標對支架整體工況的影響權重進行了兩兩比較，基于模糊數(shù)學層次分析法原理對6個評價指標的權重系數(shù)進行了分析。設評判因素集U={u1，u2，…，un}，則表示各因素兩兩比較重要性程度的模糊互補判斷矩陣為

若模糊互補判斷矩陣Q=(qij)滿足：?i,j,k=1,2,…,n，qij=qik-qjk+0.5，則稱模糊互補判斷矩陣Q=(qij)n×n為模糊一致判斷矩陣[18]。此時，權重向量W=(w1，w2，…，wn)T表示如下：

(7)

根據(jù)6個評判指標兩兩比較重要程度的隸屬度，得出模糊一致判斷矩陣如下：

根據(jù)式(7)，取底數(shù)β=100，求得各因素權重為：

w(100)=(0.25，0.15，0.15，0.15，0.19，0.11)T

確定支架工況評價指標權重系數(shù)Ai如下：

初撐力不合格比例0.25安全閥開啟比例0.15高報比例0.15支架不平衡比例0.15支架不保壓比例0.19支架工作阻力不合格比例0.11

在上述常權重系數(shù)確定的前提下，即可計算支架工況等級的綜合隸屬度。但是當某一預警指標的狀態(tài)量嚴重偏離正常值時，會對支架整體工況造成很大影響，而常權重系數(shù)不會因狀態(tài)量的惡化而發(fā)生改變，因此，為反映某一預警指標狀態(tài)量變化對支架整體工況的影響，引入變權重系數(shù)對支架工況進行綜合評價[19]。變權重系數(shù)采用如式(8)進行計算：

(8)

狀態(tài)量調整系數(shù)εi采用如下方式計算：當某一預警指標的評價等級為良好(μi≥0.8)時，設εi=1；當某一預警指標的評價等級為中等、較差或很差(μi<0.8)時，εi按照式(9)進行計算。

(9)

式中：μi為某一預警指標的隸屬度實際值；μ0為狀態(tài)量調整的隸屬度值閾值，設為0.8。

支架工況等級的綜合隸屬度值μ可按式(10)進行計算：

(10)

3 現(xiàn)場應用

目前，該預警模型已經(jīng)應用到中煤科工開采研究院有限公司研發(fā)的KJ21頂板災害預警平臺，并在我國各大礦區(qū)陸續(xù)投入應用。按照支架工況評價標準，對上灣煤礦、曹家灘煤礦等工作面的支架工況進行了分析和評價，見表9，支架工況綜合評價雷達圖如圖8所示。所得出的支架工況等級基本反映了工作面支架的實際狀態(tài)，說明所采用的支架工況評價體系是合理的。通過對工作面支架初撐力、不保壓、安全閥開啟等信息實時預警，為煤礦現(xiàn)場及時發(fā)現(xiàn)支架支護問題，改善頂板管理提供了可靠依據(jù)。

表9 支架工況評價及預警等級劃分

圖8 液壓支架工況綜合評價雷達圖Fig. 8 Radar chart for comprehensive evaluation of working conditions of hydraulic support

4 結 論

1)液壓支架工況的影響因素眾多，主要分為支架設計或選型不合理造成的支架與圍巖不相適應以及現(xiàn)場管理不當導致的支架不良工作狀態(tài)等二大類。

2)根據(jù)液壓支架工況的影響因素分析，確定了支架初撐力不合格比例、工作阻力高報比例、安全閥開啟比例、支架不保壓比例、不平衡比例、工作阻力不合格比例作為實時評價支架工況的6個主要指標，并將支架工況按照良好、中等、較差、很差劃分為4個等級。

3)按照模糊數(shù)學隸屬度評價方法建立了支架工況多參量綜合評價與預警模型，給出了各預警指標參數(shù)對應的隸屬度函數(shù)，并引入變權重系數(shù)，更好地反映預警指標狀態(tài)量變化對支架整體工況的影響。

4)支架工況多參量綜合評價與預警模型在KJ21頂板災害監(jiān)測預警系統(tǒng)中得到開發(fā)與現(xiàn)場應用，驗證了該支架工況評價體系的合理性，有效改善了煤礦現(xiàn)場支架支護與頂板管理問題。