晉邦德煤業(yè)智能工作面礦壓規(guī)律及控制效果研究

李長(zhǎng)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(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000；3.山西煤礦安全培訓(xùn)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(jí)階段。諸多專家學(xué)者從智慧礦山建設(shè)、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(shù)[1-3].智能工作面是通過對(duì)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(shè)尚處于起步階段，目前對(duì)智能工作面的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和智能化電液控支架對(duì)礦壓控制效果的分析研究較為欠缺。智能工作面運(yùn)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(yùn)動(dòng)規(guī)律、液壓支架對(duì)礦壓的控制效果等相關(guān)。現(xiàn)以晉邦德煤業(yè)10406智能工作面為研究對(duì)象，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等手段，對(duì)智能工作面礦壓規(guī)律及控制效果進(jìn)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?xùn)|煤田離石國家規(guī)劃礦區(qū)的北部，批準(zhǔn)開采3-10號(hào)煤層。10號(hào)煤層上部為太原組，位于4號(hào)煤層下部56.00～71.48 m，平均67.50 m，煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，煤厚為0.90～6.52 m，平均3.72 m.10號(hào)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(hào)煤東翼膠帶大巷；南部為樓俊集團(tuán)擔(dān)炭溝煤業(yè)采空區(qū)，距工作面40 m；西部為實(shí)體煤，東部為采空區(qū)。頂板為石灰?guī)r，平均抗拉強(qiáng)度0.71 MPa，平均抗壓強(qiáng)度57.7 MPa；底板為泥巖，平均抗拉強(qiáng)度0.63 MPa，平均抗壓強(qiáng)度32.6 MPa.

10406工作面布置見圖1，采用二進(jìn)一回“Y”型通風(fēng)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(jī)兼進(jìn)風(fēng)；軌道平巷1條，鋪設(shè)軌道兼進(jìn)風(fēng)。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(fēng)通過回采面切眼、10404切眼、10404膠帶平巷和10號(hào)煤東翼回風(fēng)大巷溝通。回采工作面膠帶平巷直接與10號(hào)煤東翼膠帶大巷膠帶機(jī)巷搭接，回采工作面軌道平巷直接與10號(hào)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(luò)結(jié)構(gòu)見圖2，總體功能如下：

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1)通過采煤機(jī)記憶割煤、液壓支架自動(dòng)跟機(jī)、采煤裝備位置姿態(tài)、工作面高清視頻監(jiān)控等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集控中心對(duì)裝備的遠(yuǎn)程控制。

2)通過巷道集控中心和地面調(diào)度中心對(duì)裝備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及遠(yuǎn)程集成控制，具體包括：地面調(diào)度中心對(duì)綜采工作面設(shè)備的“一鍵”啟停功能；工作面設(shè)備端頭進(jìn)刀、記憶割煤、人工干預(yù)等功能；對(duì)采煤機(jī)、液壓支架、刮板輸送機(jī)、乳化泵站、皮帶輸送機(jī)的工況監(jiān)測(cè)、故障報(bào)警、聯(lián)動(dòng)閉鎖及遠(yuǎn)程控制；利用工業(yè)以太環(huán)網(wǎng)進(jìn)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(duì)設(shè)備狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控和視頻管理、查詢、存儲(chǔ)；利用數(shù)據(jù)云端發(fā)布功能，實(shí)現(xiàn)固定端和移動(dòng)端APP遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3)當(dāng)工作面控制系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障時(shí)，各子系統(tǒng)能單獨(dú)運(yùn)行。

2 10406智能工作面覆巖結(jié)構(gòu)分析

2.1 覆巖關(guān)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(yùn)動(dòng)(移動(dòng))由關(guān)鍵層決定，關(guān)鍵層具有一定強(qiáng)度和厚度，且多為堅(jiān)硬的巖層[6-7].應(yīng)先對(duì)可能的硬巖層破斷距進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)各巖層的破斷距進(jìn)行計(jì)算。為了簡(jiǎn)便，兩端固支梁模型計(jì)算通常作為硬巖層破斷距的計(jì)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(qiáng)度，MPa.

根據(jù)10406工作面綜合柱狀鉆孔，其覆巖關(guān)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(hào)煤頂板上覆10.6 m厚石灰?guī)r為10號(hào)煤的亞關(guān)鍵層，4.45 m厚的石灰?guī)r為10號(hào)煤的主關(guān)鍵層。

表1 10號(hào)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(hào)。10號(hào)煤層位于4號(hào)煤層下部，10號(hào)煤回采后形成的垮落帶有可能波及到上方4號(hào)煤層甚至更上方3號(hào)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(chǎng)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(diǎn)。

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(qiáng)度較低，隨著下煤層工作的推進(jìn)，不會(huì)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(dāng)基本頂結(jié)構(gòu)存在于近距離煤層間時(shí)，如下層煤厚度相對(duì)較小、層間基本頂隨下工作面逐漸移動(dòng)過程中達(dá)到其抗拉強(qiáng)度極限時(shí)會(huì)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(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn),10406工作面基本頂?shù)膹?qiáng)度較高，直接頂移架時(shí)其破碎塊體會(huì)從架后漏出，穩(wěn)定性較差。10號(hào)煤的主關(guān)鍵層為石灰?guī)r，厚4.45 m，亞關(guān)鍵層為石灰?guī)r，厚10.6 m.由于它們位于10號(hào)煤與4號(hào)煤之間，由此可推斷出有厚硬的基本頂結(jié)構(gòu)在10號(hào)煤和4號(hào)煤層之間，并在工作面的推進(jìn)過程中發(fā)生周期性破斷。可根據(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(hào)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(guān)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(guān)鍵層厚度，m；l為關(guān)鍵層破斷跨距，m；σc為關(guān)鍵層單軸抗壓強(qiáng)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(guān)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(jìn)行計(jì)算，則由材料力學(xué)的方法可以計(jì)算基本頂?shù)牧菏綌嗔褬O限跨距。

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

圖5 巖梁上任意點(diǎn)的應(yīng)力分析圖

(3)

式中，LT為基本頂斷裂時(shí)的極限跨距，m；RT為基本頂極限抗拉強(qiáng)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(jìn)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(jìn)行。

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

圖6 基本頂周期來壓的力學(xué)模型圖

(4)

則計(jì)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(yùn)動(dòng)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(hào)煤10406工作面走向推進(jìn)時(shí)的煤層覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律。在數(shù)值模擬計(jì)算中，限于數(shù)值模擬軟件可運(yùn)行單元的數(shù)量，通常將未模擬部分簡(jiǎn)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(zhǔn)則模型和平面應(yīng)變模型。根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，10號(hào)煤初次來壓步距為29.5 m，周期來壓步距為12.6 m，為觀測(cè)直接頂垮落情況及基本頂來壓時(shí)工作面上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，具體模擬方案如下：

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

由于10406工作面上方的3號(hào)煤、4號(hào)煤已開采，數(shù)值模擬需要先進(jìn)行3號(hào)煤、4號(hào)煤的模擬開挖，計(jì)算達(dá)到平衡之后，再實(shí)施10406工作面的模擬方案，分析分別推進(jìn)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(yùn)動(dòng)結(jié)果分析

巖層垮落離層特征見圖7.當(dāng)煤層開挖后，采場(chǎng)上覆巖層開始移動(dòng)、變形，隨工作面的推進(jìn)，采場(chǎng)圍巖運(yùn)動(dòng)處于動(dòng)態(tài)變化之中。當(dāng)工作面開挖20 m時(shí)，直接頂初次垮落；當(dāng)工作面推進(jìn)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(jìn)到43 m、56 m，工作面前方頂板運(yùn)動(dòng)隨周期來壓造成砌體梁結(jié)構(gòu)的推進(jìn)而推進(jìn)。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(jìn)不同距離時(shí)頂板運(yùn)動(dòng)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(dāng)煤層開挖后，工作面上覆巖層逐步運(yùn)動(dòng)，圍巖塑性區(qū)動(dòng)態(tài)變化。當(dāng)工作面向前開挖推進(jìn)20 m時(shí)，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(dāng)工作面向前開挖30 m時(shí)，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(dāng)工作面推進(jìn)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(jìn)而推進(jìn)。而當(dāng)工作面繼續(xù)回采時(shí)，基本頂周期來壓出現(xiàn)，圍巖塑性區(qū)變大，同時(shí)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(jìn)不同距離時(shí)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(dòng)跟機(jī)時(shí)間分析

在工作面兩端頭附近及中部對(duì)電液控自動(dòng)移架時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)。前端頭3#—8#支架最長(zhǎng)移架時(shí)間32 s，最短移架時(shí)間20 s，平均移架時(shí)間25.5 s.中部55#—60#支架最長(zhǎng)移架時(shí)間33 s，最短移架時(shí)間20 s，平均移架時(shí)間25.4 s.后端頭110#—115#支架最長(zhǎng)移架時(shí)間33 s，最短移架時(shí)間22 s，平均移架時(shí)間25.5 s.整個(gè)工作面最長(zhǎng)移架時(shí)間33 s，最短移架時(shí)間20 s，平均移架時(shí)間25.5 s.觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，支架自動(dòng)移架時(shí)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(duì)電液控支架活柱縮量進(jìn)行觀測(cè)。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(gè)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(cè)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(duì)10406工作面支架循環(huán)末阻力的連續(xù)實(shí)測(cè)，將觀測(cè)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(cè)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(duì)3次周期來壓步距的統(tǒng)計(jì)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(jìn)度變化曲線圖

通過對(duì)10406工作面基本頂來壓的統(tǒng)計(jì)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(dāng)支架達(dá)到額定工作阻力5 600 kN時(shí)，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(duì)較小。總的來說，支架工作阻力發(fā)揮效果較好，但工作面的支護(hù)仍要加強(qiáng)，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(yùn)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(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)技術(shù)革命和升級(jí)發(fā)展的必然方向，而智能工作面的礦壓控制是實(shí)現(xiàn)安全高效回采的核心關(guān)鍵。本文采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等方法，對(duì)晉邦德煤業(yè)10406智能工作面礦壓規(guī)律及控制效果進(jìn)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(dòng)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(shí)，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(shí)，采場(chǎng)圍巖塑性區(qū)變大，現(xiàn)場(chǎng)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(shí)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。