综采工作面液压支架支护技术

综采工作面液压支架支护技术

煤层地下采区顶板和围岩的特征是多层次非连续介质的不稳定力学结构，包括各种自然灾害，如扰动、结构、强震辐射等。屋顶和采区的维护是采矿的主要条件。综合开采是安全高效生产的根本保证。需要停车的能源支架必须关闭。这是综合开采系统的核心。20世纪70年代,我国开始从国外引进液压支架等综采设备进行综采试验,因对液压支架与围岩关系和综采工作面矿压规律认识不清,以及支护技术理论缺乏,引进的液压支架多次出现因不适应煤层赋存条件而发生严重事故,导致综采失败。自20世纪80年代中期以来,笔者及其合作团队持续30a致力于综采工作面支护与液压支架技术理论的研究和实践,开发了适应我国煤炭开采条件的各种液压支架及成套技术,使综采工作面年产量由原来的最高百万吨提高到超过1200万t,实现了跨越式发展,并逐步建立了我国独具特色的综采工作面支护与液压支架技术理论体系。1岩块体较强的传递岩梁20世纪90年代,钱鸣高院士在前苏联学者铰接岩块假说的基础上,根据相似模型实验和现场实测,提出了“砌体梁”理论。该理论认为:在基本顶岩梁达到断裂步距之后,随着工作面的继续推进,岩梁将会折断,但断裂后的岩块由于排列整齐,在相互回转时能形成挤压,由于岩块间的水平力以及相互间形成的摩擦力的作用,在一定条件下能够形成外表似梁、实则为半拱的结构,这种结构形如砌体,故称之为砌体梁。宋振骐根据现场实测资料提出了传递岩梁理论。该理论认为:由于断裂岩块之间的相互咬合,始终能向煤壁前方及采空区矸石上传递作用力,岩梁运动时的作用力无需由液压支架全部承担;液压支架承担岩梁作用力的大小由对其运动的控制要求决定。此假说还认为,基本顶岩梁给液压支架的力一般取决于液压支架对岩梁运动的抵抗程度,可能存在“给定变形”和“限定变形”两种工作方式。史元伟基于大量的工作面矿压观测统计分析提出了顶板分类和液压支架合理工作阻力的确定方法。2臂连接原理和应用2.1基于力学结构的作业空间综采工作面液压支架依托煤层底板、支护煤层顶板、防护煤壁及隔绝采空区冒落矸石,通过充分利用围岩结构的自承能力及发挥液压支架的力学结构特性,以维护工作面安全作业空间为目的,与围岩结构耦合为一个动态的平衡系统。在液压支架与围岩动态平衡系统中,煤层开挖导致的顶板垮落运动失稳对系统的稳定性起决定作用,液压支架为响应围岩运动失稳,需要与围岩系统保持一定的强度、刚度及稳定性,因此,液压支架与围岩的耦合关系可分为强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合,液压支架与围岩耦合模型如图2所示。2.2合理支护强度与围岩强度耦合分析基于“砌体梁”理论力学模型,基本顶断裂回转形成的“给定变形”主要与工作面采高及采空区处理方法有关,液压支架不能改变基本顶最终下沉量,但可以影响基本顶发生回转或滑落失稳过程。液压支架可以通过对顶板施加一定支护阻力影响基本顶断裂失稳位置、减小工作面开采过程中顶板下沉量、降低顶板下沉速度,最终降低工作面矿山压力显现剧烈程度,达到维护工作面安全作业空间的目的,液压支架与围岩强度的耦合关系如图3所示。基于液压支架与围岩强度的耦合关系,液压支架合理支护强度应能承受顶板来压时的动载冲击,并在液压支架允许的让压空间及工作面正常移架周期内,充分利用围岩结构的自承能力将顶板来压的动载荷降低为液压支架支护强度能够平衡的静载荷。液压支架合理支护强度应依据煤层赋存条件,以充分利用围岩结构的自承能力、控制顶板下沉量和维护工作面安全作业空间为准则。2.3保持直接顶板-液压支架-底板的组合刚度,根据煤层顶、底板岩层岩性及破坏特征,可将基本顶板假设为刚性体,将直接顶板、底板假设为损伤体(可变形),将采空区冒落的矸石假设为松散破碎体(可压缩),将液压支架假设为具有一定刚性的弹性体。根据液压支架与围岩强度的耦合关系,液压支架最危险状态为基本顶板失稳形成的动载冲击,而动载荷的大小不仅与基本顶板岩层载荷大小有关,还与基本顶板回转或滑落运动空间有关。基于“砌体梁”理论力学模型,液压支架既不能影响基本顶板岩层载荷,又不能改变基本顶岩块垮落失稳的最终下沉量,但可以控制基本顶板断裂下沉失稳的过程。由于直接顶板、底板均为损伤体(可变形),液压支架为具有一定刚性的弹性体,这3者之中任何一个刚度发生变化都将影响基本顶断裂失稳形成的动载荷,因此,单纯分析直接顶板、液压支架或底板的刚度意义不大,应将直接顶板-液压支架-底板视为一个整体,分析直接顶板-液压支架-底板的组合刚度对基本顶断裂失稳过程的影响。在工作面推进过程中,保持直接顶板-液压支架-底板的整体刚度,可以防止直接顶与基本顶过早离层,降低基本顶板载荷运动空间,减小形成的冲击动载荷,降低工作面矿山压力的显现程度。另外,通过提高直接顶板-液压支架-底板的整体刚度,还可以影响基本顶板断裂失稳位置向采空区方向偏移,降低基本顶板失稳形成的动载荷对液压支架的冲击力及作用时间,将矿山压力甩入采空区。2.4基于稳定耦合的煤壁片帮帮水从根煤层开采打破了原有自重应力场及构造应力场的平衡状态,导致煤层顶板发生不规则断裂失稳,诱发了煤壁片帮失稳、顶板冒顶失稳、底板底臌滑移失稳,在急倾斜、仰俯采工作面还极易发生液压支架倾倒失稳事故。液压支架通过对围岩结构施加有效支护作用力,维护围岩结构的稳定性,并通过优化液压支架结构参数提高对围岩结构动态失稳的适应性,以液压支架自身稳定性为基础保障围岩结构的稳定性,避免发生液压支架与围岩结构失稳的灾害事故。因此,液压支架自身稳定性及对围岩动态失稳的适应性是液压支架与围岩系统稳定性耦合的关键。基于液压支架与围岩稳定性的耦合关系,工作面煤壁片帮失稳的主要影响因素为采高、埋深、应力集中系数、煤层内摩擦角、煤层内聚力,提出了液压支架临界护帮力,即在一定煤层、覆岩条件及开采技术参数下,液压支架为抑制煤壁片帮失稳所需要的液压支架工作阻力及护帮板护帮力。为维护工作面两端工作面巷道顶板稳定性,提出了“低初撑高工阻、分区工作阻力”的超前液压支架设计理念;针对大倾角、急倾斜煤层工作面的液压支架稳定性问题,研发了“自撑-邻拉-底推-顶挤”刚柔并济的三维立体防倒防滑装置,保障支护系统的稳定性。3维动态优化设计基于围岩应力场与液压支架支护系统间的耦合作用规律,分析围岩载荷在支护系统中的传递特性及液压支架动态响应特性,提出液压支架三维动态优化设计理论和方法。该方法采用“自顶向下”设计思想,将围岩下沉、断裂等力、力矩以及边界条件的变化通过液压支架骨架模型传递和分解到具体的液压支架结构上,并通过三维动态模拟仿真,全面了解液压支架的力学性能及其对围岩的支护效果。液压支架可靠性是其完成支护功能的基础,通过有限元可靠性设计实现对液压支架详细结构的优化。3.1维动态骨架结构的建立骨架模型是将液压支架对围岩的支护功能要求映射为液压支架具体结构的桥梁,是一个用以定义模型的基本结构和装配关系的草绘图,骨架模型分为静态骨架和运动骨架。静态骨架是将产品的所有零部件特征都集中在一个骨架模型中,零部件间没有相对运动,静态骨架用来设计液压支架零部件的外形。虽然静态骨架不能运动,但可以通过调整骨架的最大、最小高度来确定液压支架主要零部件的外形轮廓。运动骨架则是每个部件自成一个骨架,这些骨架再装配成整个产品的骨架,零部件间可以实现相对运动。运动骨架承载与液压支架运动相关的信息,通过它来观察和模拟液压支架的运动情况,计算液压支架的主要力学参数。由于液压支架零部件间的关联性较强,某个零部件的形状在很多时候是由其周边零部件的外形及运动空间决定的,同时为了实现液压支架的机构优化和运动仿真,通过发布几何与复制几何将两套骨架相互结合来建立三维模型,图4中红色为静态骨架,蓝色为运动骨架。为实现参数化设计,还需在骨架模型的基础上定义布局。动态骨架的布局分为整架模型参数控制布局与零部件布置参数控制布局两类。前者主要反映液压支架整体结构的几何关系,后者主要反映液压支架零部件的空间位置关系。分别建立整架模型参数控制布局和零部件布置参数控制布局,在布局中定义参数后,通过声明操作完成布局与骨架的关联操作。这样修改布局参数,便能控制骨架模型数据修改,从而完成参数化设计目的。3.2设备方案的优化以及与网络的配套液压支架整体参数设计完成后,可利用三维CAD软件进行详细结构的设计,建立液压支架的三维虚拟样机,从而进行动态干涉检查、连杆优化、重心求解及有限元分析等工作,对详细结构方案进行完善和优化。同时与采煤机、刮板运输机和输送机进行配套设计,采用虚拟现实技术进行液压支架降架、移架、推溜工作循环过程的仿真,使设计人员在产品设计阶段就能够清楚地知道未来设备运转的过程及可能出现的问题,这样就可以对产品方案及早进行改进,从而避免问题的发生。并模拟液压支架与围岩的相互作用,评估其支护效果。3.3采用有限元分析软件进行液压支架结构参数的互联互通液压支架的安全性和可靠性是最为重要的指标,液压支架结构优化设计中首先要精准地计算液压支架工作过程中每个零部件所承受的最大载荷和应力分布,进行相应的强度校核,这些方法在相关文献中已有详细论述。通常情况下液压支架结构设计与强度计算是分别进行的,难以实现结构最优化。为此,采用有限元分析软件,建立结构优化模型与CAD系统间的直接双向参数互动关联,可将优化分析的参数结果直接导入CAD模型。这样,在结构设计过程中可随时进行结构强度有限元分析计算,在结构有限元分析模型上得出的优化结果也可实时传递到CAD的几何模型上,即刻利用到设计方案中,实现了液压支架高效优化设计。液压支架强度计算及结构优化设计流程如图5所示。3.4维设计及三维协同动态优化设计系统的设计流程基于上述技术理论和方法,利用Pro/E二次开发,将已有的液压支架设计知识和经验固化到程序中,并结合Pro/E系统的Top-down流程、有限元分析模块和动态模拟系统,开发液压支架三维动态优化设计软件系统,集设计、运动仿真、力学分析和工作面总体配套动态模拟为一体,大大提高了液压支架的设计效率,充分保证了液压支架的设计质量和适应性。液压支架三维动态优化设计软件系统的设计流程如图6所示。实现这一过程的总体思路为:充分利用Pro/E的三维设计和计算功能,通过Pro/ToolKit编程,将自顶向下结构设计、参数优化、有限元分析和工作面三维配套模拟集中到一个平台之上。通过数据的双向传递将设计、计算和动态仿真有机地联系起来,实现设计、分析和动态仿真的一体化。在设计系统中,Pro/E设计完成的三维模型通过接口程序导入到有限元分析及优化模块中,优化计算完成后,结果返回Pro/E生成最优方案,再通过工作面总体配套仿真系统验证其是否符合使用要求。4支架连接系统的联合控制方法和支架系统的联合控制方法4.1高端液压支架研制取得了表现液压支架是综采核心装备,液压支架架型的发展演变和结构创新始终是综采技术发展水平的重要标志。液压支架架型从节式、支撑式、四柱支撑掩护式到两柱掩护式,从普通综采液压支架到综采放顶煤液压支架、大采高和特大采高液压支架、适应特殊复杂难采煤层的液压支架,液压支架及配套技术的进步,有利地推动了煤炭综采技术的快速发展和安全高效矿井建设。近10a来,被称为煤炭工业发展史上的“黄金十年”,液压支架新架型研制取得了空前的成就,天地科技股份有限公司开采装备技术研究所与有关企业合作,以实现大型煤矿安全高效绿色开采和复杂难采煤层安全高效开采为目标,创新液压支架架型,攻克了高端液压支架关键技术,研制了年产千万吨、高可靠性液压支架、7m以上超大采高液压支架、大采高放顶煤液压支架、两柱掩护式放顶煤液压支架、大倾角液压支架、超大伸缩比薄煤层液压支架等新架型,获得6项国家科技进步奖。目前,已形成较完整的液压支架架型系列(图7),其中两柱掩护式液压支架由于与围岩耦合特性好、控制和操作简单,成为国内外使用最广泛的架型,0.8m以下的超大伸缩比薄煤层液压支架、7m以上特大采高液压支架、两柱掩护式超强力放顶煤液压支架和适应不同条件的特殊液压支架是系列型谱中的代表性架型。液压支架参数向大工作阻力、高可靠性发展,两柱掩护式液压支架工作阻力达到18800kN,并已开始研制工作阻力达到22000kN、最大高度8m以上的两柱掩护式特大采高液压支架,液压支架型谱不断丰富。4.2基于自适应控制的工作面锚点群目标控制工作面支护系统一般是由工作面中部100~200台基本液压支架、2~4台两端过渡液压支架和端头液压支架及超前液压支架组成的支护设备群组。每台液压支架可独立动作,维持个体的工作姿态、位置等,同时支护系统中各液压支架又相互配合、共同维护工作面围岩,支护采煤作业空间,并推动工作面设备循环移动。借鉴群机器人和无人机群的控制理论,提出工作面支护系统液压支架群组的自组织协同控制方法(图8)。该方法基于分布式控制方式,可实现基于局部信息自主决策,比集中控制更有效地完成复杂困难的协同任务。群组自组织机制策略具有良好的鲁棒性、适应性和可靠性。将液压支护系统群组自组织协同控制分解为围岩自适应控制和队列保持推进控制两个控制线程,同步实现群体系统协调控制性。其总体控制逻辑如下:支护群组中单个液压支架个体的决策基于局部围岩状态信息和相邻液压支架的状态信息,通过自适应控制和队列保持推进控制机制决定自身行为。围岩自适应控制是指液压支架适应围岩条件(采高、倾角和断层等)和状态(顶板来压、煤壁片帮等)变化而需自动采取的响应机制,从而实现对围岩及时和最佳的支护;队列保持推进控制是指液压支架群组在推进过程中采取的调整个体姿态和群体形态的自动控制机制,从而满足工作面设备连续高效运行的需要。(1)围岩自适应控制。采煤工作面要求支护系统有效控制围岩,支护设备群组形成的空间下缩量最小,保证安全空间,以此作为液压支架支护系统围岩自适应控制的群目标。控制函数采用基于社会势场和行为的自组织混合控制策略,即其中,为第i个液压支架的群组地位向量;K(xi)为第i个液压支架的个体势函数;Kij为社会势函数,描述个体间的相互作用;Kem为环境势函数,表示外部环境的影响;N为工作面液压支架个数。函数中K(xi)最小时,系统最为稳定,此时相邻液压支架个体之间的空间总是等于群内个体间的平均空间大小,且液压支架个体内部空间不小于其相邻液压支架的平均空间大小。个体特征以液压支架能够提供的三维空间大小为参数,以个体液压支架的空间变化定义其变动趋势。设定群组自适应控制的基本行为有规避障碍、空间匹配、保持姿态和抵抗扰动。建立自适应控制器实现对基本行为的协调推理、调用和组合,完成对外部环境变化的响应。最后,将自适应控制器生成的行为响应映射为液压支架个体执行机构可执行的命令代码,从而实现对工作面围岩的自适应群组控制。液压支架群组自适应控制时采用基于行为的控制方法,定义基本行为如下:(1)规避障碍。规避传感器范围内的障碍物;(2)空间匹配。应与邻近个体的空间相匹配,不小于其前后相邻两液压支架的平均空间大小;(3)保持姿态。扩大空间以局部动作为主,液压支架个体姿态不应有较大变动;(4)抵抗扰动。冲击地压或煤壁片帮发生时,液压支架群空间突然缩小;群组控制应能够快速恢复原有支护状态和空间规模。当液压支架支护群组处于稳定支护状态时,围岩和支护系统达到相对平衡,此时整个群组系统势能最小。当某个液压支架个体受到的虚拟作用合力不为0时,其个体势函数表现为正或负,势能也随之变化,整个群组的平衡状态被打破。群组控制系统的自适应控制机制会依据个体势函数的具体值及传感器感知的外部及相邻液压支架状态调用基本行为或其组合行为,从而控制液压支架完成相应的空间运动,实现对工作面围岩的自适应群组控制。在工作面支护系统的群组自适应协调控制中,当液压支架个体的支护空间或位置发生趋势性的变化并超出判据设定的值,整个控制系统被触发;发起控制的液压支架个体首先动作,随后其他群组中的个体在外部状态信息和控制信息的触发下形成控制波浪,从而形成目标一致的群行为。(2)队列保持与推进控制。建立液压支架支护群组队列保持与推进的控制模型如图9所示。以综采工作面生产循环推进要求作为队列保持推进控制的群目标:支护设备群组的推进方向与工作面垂直,每一推移循环完成时支护设备群组保持直线排列。控制准则为:液压支架个体位置总是趋于群的基准位置,且其偏离正确位置不小于其前、后相邻两液压支架的平均偏离值;个体特征以液压支架的几何位置为参数,以个体液压支架位置变化定义其变动趋势。设定群组自适应控制的基本行为:避免碰撞,速度匹配,中心聚集和趋向目标。建立行为协调器实现对基本行为的协调推理、调用和组合,完成对外部环境变化的响应。将行为协调器生成的行为响应映射为液压支架个体执行机构可执行的命令代码,实现液压支架群组的队列保持与推进控制。采用基于社会势场和行为的自组织混合控制策略建立液压支架个体行为准则(控制函数),即其中,为第i个液压支架的位置向量;D(yi)为第i个液压支架的个体函数;Dre为基准方向;Dij为社会方向函数,描述个体之间的相互作用;Dem为环境方向函数,表示外部环境对方向向量的影响。液压支架个体的位置总是趋于群的基准位置,且其偏离正确位置不小于其前后相邻两液压支架的平均偏离值。液压支架群组的队列保持与推进控制策略采用基于行为的控制方法,定义其基本行为如下:(1)避免碰撞。避免与邻近个体发生碰撞;(2)速度匹配。尽量与邻近个体的速度相匹配;(3)中心聚集。尽量向附近的个体靠拢;(4)趋向目标。尽量向根据参照基准计算出的目标位置移动。当某个液压支架个体函数不为0时,说明其偏离了理想位置。群组控制系统中的行为协调机制会依据导航函数得出的位置向量及传感器感知的外部及相邻液压支架状态调用基本行为或其组合行为,从而控制液压支架向目标位置移动,完成液压支架群组的队列保持了推进控制。工作面支护系统需同时实现围岩自适应控制和队列保持了推进控制,才能正确和有效地完成群组任务。两者从同一个感知信息库中提取工作面围岩及液压支架状态信息,分别针对不同的群组控制目标向同一液压支架执行机构发出控制信号,设定围岩自适应控制信号的优先级高于队列保持推进控制信号,当有两种信号同时发出时,液压支架执行机构优先执行围岩自适应控制信号。5工作面检测标准在进行煤矿工作面支护技术与装备研发的同时不断总结技术理论研究成果,制定各种相关技术标准,建立了煤矿工作面支护技术与装备标准体系(图10),这对推动支护技术与装备的发展和企业技术进步发挥了重要作用。这一标准体系由GB,MT,NB,QB等系列标准组成,涵盖了煤岩物理力学性质测定方法、采煤工作面顶底板分类、液压支架及其他支护设备和工作面总体配套技术等近百项标准。随着技术创新和发展速度的加快,现有标准落后于技术发展的问题日益突出,急需加强加快标准的制订和修订,特别是加快综采总体成套技术综合体的研究,完善煤矿工作面支护技术与装备标准体系。6基于三维动态优化设计方法,突出了液压支架与围岩耦合作用的力学特性(1)工作面支护是开采的首要条件,综采是实现煤炭安全高效生产的根本途径,液压支架要支得住,走得动,必须与围岩实现有效的强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合,强度耦合要求液压支架合理支护强度应能承受顶板动载冲击,并充分利用围岩结构的自承能力将顶板来压的动载荷降低为液压支架支护强度能够平衡的静载荷;刚度耦合要求保持直接顶板-液压支架-底板的整体刚度,防止直接顶与基本顶过早离层,降低基本顶板载荷运动空间,减小形成的冲击动载荷;稳定性耦合的关键是保持液压支架自身稳定性及支护系统对围岩动态失稳的适应性。(2)基于液压支架与围岩耦合原理的三维动态优化设计方法是将围岩下沉、断裂等力、力矩以及边界条件的变化通过液压支架骨架模型传递和分解到具体的液压支架结构上,借助三维设计平台动态模拟仿真液压支架与围岩耦合作用的力学特征,优化得