深部復雜環境工作面液壓支架壓力?位姿融合分析技術

摘要：針對當前深部復雜環境工作面液壓支架群信息感知匱乏、數據分析不足、裝備運行參數規律和數據模型難以支撐智能化開采及支護決策等問題，以淮南口孜東礦140502 深部“三軟”煤層大采高工作面為應用場景，通過構建深部工作面液壓支架姿態監測系統，實現液壓支架立柱壓力和空間位姿的連續感知?；诠ぷ髅嬉簤褐Ъ茼斄汉偷鬃鶛M滾角數據，利用線段擬合方法實現工作面頂底板三維走向趨勢實時可視化?；诠ぷ髅嬉簤褐Ъ軌毫?位姿數據，建立液壓支架壓力?位姿數據映射關系和液壓支架位姿計算模型。通過深部工作面支架壓力和位姿的融合分析，揭示工作面采高、支架頂梁合力大小及合力作用點動態變化規律：相比于工作面兩端液壓支架，工作面中部液壓支架采高最小，而工作面機尾的液壓支架采高最大；工作面中部液壓支架頂梁合力在大部分時間內都小于工作面兩端液壓支架頂梁合力；相比于工作面兩端部支架，工作面中部支架頂梁合力作用點更偏向前立柱位置。

關鍵詞：深部煤層；液壓支架；姿態監測；態勢映射；融合分析；采高；頂梁合力；合力作用點

中圖分類號：TD355.4 文獻標志碼：A

0 引言

煤炭是我國主體能源。深部煤炭資源開采逐漸成為保障我國能源穩定供給的主要途徑和未來煤炭工業發展的主要方向，也是未來相當長一段時期內我國煤炭科學與技術攻關的主要戰場[1]。目前我國已探明深度2 000 m 以內的煤炭總儲量約為5.9 萬億t，其中開采深度超過1 000 m 的煤炭占比達50%[2]。深部開采地應力高，圍巖變形破壞嚴重，尤其是淮南礦區“三軟”煤層，圍巖破碎嚴重，走向和傾向起伏變化大，工作面不同位置的圍巖壓力、空間形態差異顯著，工作面開采難度高[3]。智能化開采是煤炭工業轉型升級和發展的方向，是解決深部復雜條件安全高效開采的根本途徑。在深部復雜煤層條件下，智能化開采的實現不僅要求綜采裝備具備差異化性能及參數，以保證連續穩定開采，而且要求通過環境?裝備狀態感知將采場圍巖環境變化的定性描述轉換為定量分析，從而實現基于數據驅動的分析決策[4]。

相關學者和專家針對深部復雜條件煤層開采開展了大量研究，包括智能感知、工作面礦壓規律分析、礦壓預測分析、支架支護阻力分析、自適應控制方法等。王國法等[5-6]建立基于彈性獨立支座的液壓支架群組支護力學模型，揭示了深井超長工作面支護應力特性，指導深井厚煤層綜采工作面裝備群實現最優協調控制，同時對千米深井大采高俯采工作面四柱液壓支架適應性開展數據驅動分析。龐義輝等[7]提出了基于應力狀態與強度變化關系的三向采動應力擾動系數計算方法，并建立了支架載荷分析模型。王家臣等[8]基于液壓支架壓力監測數據建立了支架載荷預測模型。王兆會等[9]通過研究千米深井超長工作面支架阻力分布特征及影響因素，指導深部圍巖控制?？导t普等[10]、陳學華等[11]研究了深井超長工作面基本頂破斷類型和支架阻力分布特征，運用多因素耦合方法和模糊綜合評判方法確定復雜條件工作面強礦壓危險區域。李建等[12]闡述了液壓支架位姿感知原理和方法，分析了液壓支架壓力?位姿融合分析的必要性。任懷偉等[13]研發了液壓支架抗沖擊技術和工作面多信息融合的液壓支架自適應群組協同控制技術與裝備。李偉等[14-15]在深部煤炭資源開采技術實踐基礎上，開展了深部礦井工作面重大災害多源異構數據融合與管控分析研究。上述研究在基礎理論、數據分析等方面為深部煤層智能化開采奠定了基礎，但深部復雜環境智能化開采仍存在液壓支架群信息感知匱乏、數據分析不足、裝備運行參數規律和數據模型難以支撐智能化開采及支護決策等問題。

針對上述問題，在中煤新集口孜東礦140502 深部“三軟”煤層大采高工作面液壓支架立柱壓力監測的基礎上，實現液壓支架立柱壓力和空間位姿的連續感知；基于工作面液壓支架頂梁和底座橫滾角數據，利用線段擬合方法實現工作面頂底板三維走向趨勢實時可視化；基于工作面液壓支架壓力?位姿數據，建立液壓支架壓力?位姿數據映射關系和液壓支架位姿計算模型，通過分析深部工作面支架壓力和位姿融合，得到工作面采高、支架頂梁合力大小及合力作用點的動態變化規律，為工作面安全高效開采決策提供技術支撐。

1 工作面概況

140502 工作面是位于?967 m 水平1405 采區的5 煤首采工作面，采用傾向長壁布置。風巷設計傾向長1 750 m，其中可采傾向長1 357 m，風巷5 煤開采底板標高為?983～?690 m；機巷設計傾向長1 721 m，其中可采傾向長1 358 m，機巷5 煤開采底板標高為?987～?692 m；切眼走向長272 m；高抽巷長1 343 m，距5 煤層平均法距約為41 m；工作面可采面積為360 962 m2。

140502 工作面總體為單斜構造，煤層走向角度為92～185°，傾向角度為182～275°，傾角為19～5°，平均傾角約為11°，局部受斷層及構造影響煤層可能有一定起伏。工作面頂底板以泥巖為主，少數為細砂巖、粉砂巖及砂質泥巖，頂底板較軟。同時，該礦為高瓦斯礦井，處于高地溫環境，?967 m 水平的平均地溫達41.1 ℃。

140502 工作面具有“井深、煤厚、面長、俯斜”等特點，屬于“三軟”復雜煤層工作面，以俯采為主。工作面位置如圖1 所示。