固體智能充填自主夯實(shí)過程機(jī)構(gòu)干涉影響因素與調(diào)控方法

張 強(qiáng)，劉 勇，張吉雄,張 昊，殷 偉，王宏奇，王云搏，孫忠良，時(shí)培濤，魏連河

(1.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.中國礦業(yè)大學(xué) 深部煤炭資源開采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.淮陰工學(xué)院 交通工程學(xué)院，江蘇 淮安 223003；4.冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000；5.鄭州合新科技有限公司，河南 鄭州 450001)

隨著智能開采技術(shù)發(fā)展與智慧礦山建設(shè)，國家對(duì)大宗固廢綠色規(guī)模化處置及地表沉陷控制等源頭治理技術(shù)需求與日俱增，對(duì)高效智能充填開采的硬性需求迫在眉睫。傳統(tǒng)固體充填開采技術(shù)存在充填效率較低、充填效益不理想等技術(shù)升級(jí)需求，智能固體充填是解決上述需求的有效途徑。

目前，我國應(yīng)用充填技術(shù)進(jìn)行開采的煤礦約75座，其中采用固體充填開采方式約43座，占一半以上。充填開采面臨著大采高、薄煤層、巨厚煤層以及破碎頂板等各種地質(zhì)條件，充填裝備適應(yīng)性各不相同，智能固體充填開采方法需適應(yīng)多種采礦地質(zhì)條件。智能固體充填實(shí)現(xiàn)的前提是固體智能充填機(jī)械裝備自主流暢運(yùn)行。

目前，學(xué)者們針對(duì)充填裝備及其自動(dòng)化方面進(jìn)行了大量研究，王曉峰等利用SolidWorks軟件對(duì)卸料口進(jìn)行三維建模，分析并設(shè)計(jì)了卸料口控制機(jī)構(gòu)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)；張東升等研究了多孔底卸式輸送機(jī)圓環(huán)鏈在最危險(xiǎn)工況、中部槽在開啟和關(guān)閉狀態(tài)的受力及位移情況；郭波設(shè)計(jì)優(yōu)化了充填刮板輸送機(jī)的中部槽結(jié)構(gòu)，使得卸料效果最優(yōu)。固體充填液壓支架研究方面，王慧等通過虛擬樣機(jī)正交試驗(yàn)法研究了ZZC8800/20/38型六柱式充填液壓支架后頂梁的外載作用點(diǎn)位置對(duì)其受力影響程度；張強(qiáng)等對(duì)比了傳統(tǒng)液壓支架與固體充填液壓支架的架型結(jié)構(gòu)及控頂特性，設(shè)計(jì)了支架工作阻力確定方法流程。焦山林等通過對(duì)充填液壓支架堆積—壓實(shí)物料過程的分析，設(shè)計(jì)開發(fā)了綜合機(jī)械化固體充填液壓支架自動(dòng)控制系統(tǒng)；劉建功等提出了固體自動(dòng)充填系統(tǒng)的控制策略及控制方案。張強(qiáng)等基于固體智能充填的內(nèi)涵，設(shè)計(jì)了固體智能充填開采方法。

綜上可知，目前研究尚未針對(duì)充填工藝執(zhí)行過程中機(jī)構(gòu)間相互干涉影響問題進(jìn)行研究。

機(jī)構(gòu)干涉的自我調(diào)控是實(shí)現(xiàn)充填裝備間流暢穩(wěn)定運(yùn)行的前提，是充填裝備參數(shù)識(shí)別及智能感知設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

筆者基于團(tuán)隊(duì)大量固體充填開采工程實(shí)踐，通過模擬多因素條件下自主夯實(shí)過程中機(jī)構(gòu)間的工況，重點(diǎn)研究地質(zhì)條件、架型結(jié)構(gòu)、充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)等因素對(duì)機(jī)構(gòu)干涉產(chǎn)生的影響，給出相應(yīng)條件下機(jī)構(gòu)干涉調(diào)控方法，為固體智能充填技術(shù)提供理論基礎(chǔ)。

1 機(jī)構(gòu)干涉影響智能化進(jìn)程分析

1.1 裝備工作狀態(tài)的影響

“移動(dòng)充填液壓支架—卸料—夯實(shí)—推移多孔底卸式輸送機(jī)”等采充工序由固體充填液壓支架、夯實(shí)機(jī)構(gòu)及多孔底卸式輸送機(jī)等關(guān)鍵裝備配合完成，若相互之間發(fā)生機(jī)構(gòu)干涉，則正常工作狀態(tài)被打斷，如夯實(shí)機(jī)構(gòu)的夯實(shí)頭被充填物料填埋導(dǎo)致夯實(shí)機(jī)構(gòu)無法順利伸出、夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸出時(shí)與多孔底卸式輸送機(jī)發(fā)生碰撞等，各種不同干涉狀態(tài)都會(huì)影響充填裝備的正常工作狀態(tài)，甚至導(dǎo)致機(jī)構(gòu)損壞等。

1.2 自動(dòng)充填工藝執(zhí)行的影響

在自動(dòng)工藝執(zhí)行過程中，機(jī)構(gòu)干涉的產(chǎn)生具有多樣性和瞬時(shí)性。若發(fā)生嚴(yán)重機(jī)構(gòu)干涉，正在執(zhí)行工藝的程序?qū)?huì)終止，導(dǎo)致工序停止，現(xiàn)階段只能依靠人工干預(yù)解決機(jī)構(gòu)干涉問題，機(jī)構(gòu)干涉嚴(yán)重影響了自動(dòng)充填工藝的流暢執(zhí)行。

1.3 充填效率的影響

充填效率采用單位時(shí)間內(nèi)充入的充填物料體積來進(jìn)行表征。充填裝備流暢安全運(yùn)行是實(shí)現(xiàn)充填智能化并獲得較高充填效率的前提。

機(jī)構(gòu)干涉產(chǎn)生于充填工藝各個(gè)過程，其干涉形式、嚴(yán)重程度及對(duì)應(yīng)的解調(diào)方式各不相同。傳統(tǒng)充填工序執(zhí)行過程中，若發(fā)生機(jī)構(gòu)干涉，則依靠人工干預(yù)與調(diào)節(jié)，占用采充工序的執(zhí)行時(shí)間，影響充填與采煤協(xié)同作業(yè)，導(dǎo)致充填效率降低。

2 機(jī)構(gòu)干涉影響因素及仿真模擬方案

2.1 機(jī)構(gòu)干涉影響因素

不同礦區(qū)，其埋深、煤層傾角和頂板破碎程度以及所采用的關(guān)鍵充填裝備的型號(hào)等顯著不同；某一礦區(qū)同一礦井不同充填工作面，其充填系統(tǒng)布置和工藝參數(shù)亦不相同，由此對(duì)應(yīng)干涉位態(tài)及干涉發(fā)生幾率均各不相同。

影響固體充填裝備干涉發(fā)生的主要因素包含地質(zhì)條件、架型結(jié)構(gòu)、充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)、其他因素等四大類，如圖1所示；對(duì)充填裝備的影響示意如圖2所示。

圖1 干涉影響因素構(gòu)成Fig.1 Influencing factors of interference

圖2 干涉影響示意Fig.2 Schematic diagram of interference influencing

2.2 機(jī)構(gòu)干涉影響的研究思路

研究機(jī)構(gòu)干涉的影響應(yīng)從以下幾步入手：① 在經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)出機(jī)構(gòu)干涉的影響因素；② 在Pro/E中建立充填液壓支架的三維模型；③ 通過采用Pro/E的運(yùn)動(dòng)仿真模塊確定機(jī)構(gòu)干涉的多種典型位態(tài)；④ 建立不同工況下夯實(shí)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡，結(jié)合運(yùn)動(dòng)仿真及工程實(shí)踐結(jié)果量化分析了某一干涉判別準(zhǔn)則下機(jī)構(gòu)干涉狀態(tài)的影響因素。

支架在進(jìn)行充填作業(yè)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多種干涉位態(tài)，本文通過工藝仿真模擬支架在不同干涉位態(tài)的工作狀態(tài)，并針對(duì)每一類干涉位態(tài)研究不同影響因素對(duì)干涉產(chǎn)生的影響。

通過運(yùn)動(dòng)仿真研究干涉問題，仿真過程中，不同影響因素的實(shí)現(xiàn)方式如下：

(1)地質(zhì)條件，采高通過改變立柱的支撐高度進(jìn)行實(shí)現(xiàn)；煤層傾角通過改變支架的傾斜程度來實(shí)現(xiàn)；頂板破碎情況通過改變充填液壓支架的后頂梁提前下沉旋轉(zhuǎn)角來量化等。

(2)架型結(jié)構(gòu)，卸料中心距通過改變多孔底卸式輸送機(jī)的滑移油缸來實(shí)現(xiàn)；多孔底卸式輸送機(jī)懸掛高度通過改變模型建立時(shí)鏈條的長度來實(shí)現(xiàn)；后頂梁參數(shù)等通過改變模型建立時(shí)后頂梁的尺寸關(guān)系，如頂梁的長度、厚度及角度來表征；不同的支架架型，通過各部件重新裝配實(shí)現(xiàn)。

(3)充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)，通過改變支架的傾斜角度及工作方向?qū)崿F(xiàn)仰采俯充及俯采仰充工藝等。

以ZC5160/30/50四柱正四連桿充填液壓支架為原型，量取前頂梁長度、后頂梁長度、底座鉸接高度、懸掛高度、夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸出和收回長度等尺寸參數(shù)，按照1∶1的比例在Pro/E軟件中建立支架各部件的實(shí)體模型，并根據(jù)各機(jī)構(gòu)之間的相互約束及定位關(guān)系將各部件的實(shí)體模型進(jìn)行裝配，得到四柱正四連桿充填液壓支架。

2.3 機(jī)構(gòu)干涉判別準(zhǔn)則及調(diào)控路徑求解方法

圖3 四柱正四連桿充填液壓支架骨架模型Fig.3 Skeleton model of four column four link hydraulic support

基于Pro/E的不同因素條件下固體機(jī)械夯實(shí)動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果及固體機(jī)械夯實(shí)工程經(jīng)驗(yàn)，機(jī)構(gòu)干涉主要分為4類干涉位態(tài)。為定量闡述機(jī)構(gòu)干涉問題，在實(shí)體模型基礎(chǔ)上進(jìn)一步構(gòu)建骨架模型如圖3所示，圖3中，為夯實(shí)機(jī)構(gòu)擺梁長度，mm；為夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸出后長度，mm；為夯實(shí)機(jī)構(gòu)完全縮回后長度，mm；為多孔底卸式輸送機(jī)卸料中心距，mm；為夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)角度，(°)；為支架工作高度或者開采高度，mm；為支架頂梁厚度，mm；為多孔底卸式輸送機(jī)懸掛鏈長度，mm；為夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)板垂直高度，mm；為多孔底卸式輸送機(jī)懸掛高度，mm；為落料間隙距，mm；為夯實(shí)機(jī)構(gòu)鉸接高度，mm；為多孔底卸式輸送機(jī)滑道到夯實(shí)機(jī)構(gòu)鉸接處的間距，mm；為多孔底卸式輸送機(jī)滑移距離，mm。

基于支架骨架模型，建立機(jī)構(gòu)靜態(tài)方程：

(1)

式中，，分別為對(duì)應(yīng)夯實(shí)機(jī)構(gòu)按照為伸出后夯實(shí)頭在水平及垂直方向的軌跡位置，mm。

隨著地質(zhì)條件、架型結(jié)構(gòu)、充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)的不同，支架的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)參數(shù)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此，基于支架動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果，結(jié)合煤層傾角、頂板破碎狀態(tài)條件變化，建立不同工況下夯實(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的軌跡方程：

(2)

基于工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合支架夯實(shí)過程三維動(dòng)態(tài)仿真，定義每種干涉狀態(tài)下機(jī)構(gòu)動(dòng)作的安全距離臨界(如，0，0，0等)，即機(jī)構(gòu)在該范圍內(nèi)動(dòng)作不會(huì)產(chǎn)生干涉，并與機(jī)構(gòu)實(shí)際動(dòng)作距離進(jìn)行比較，得到了4類干涉位態(tài)的判別準(zhǔn)則。

進(jìn)一步，對(duì)4類干涉狀態(tài)下夯實(shí)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，并與干涉判別準(zhǔn)則進(jìn)行對(duì)照，得到干涉位態(tài)的參數(shù)化解調(diào)路徑見表1。

表1 干涉位態(tài)判別準(zhǔn)則及解調(diào)路徑Table 1 Discrimination criteria and demodulation path of four types of interference state

2.4 機(jī)構(gòu)干涉影響因素分析方案

為明確機(jī)構(gòu)干涉的尺度大小，基于2.3節(jié)干涉判別準(zhǔn)則，擬采用控制變量法，對(duì)不同因素影響支架運(yùn)行狀態(tài)等進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，筆者提出采用干涉臨界范圍、干涉幾率來進(jìn)行具體量化分析干涉程度的大小。其中干涉臨界范圍指的是機(jī)構(gòu)動(dòng)作未達(dá)到安全距離臨界時(shí)，機(jī)構(gòu)可活動(dòng)的范圍；干涉概率指的是某一特定位態(tài)下機(jī)構(gòu)動(dòng)作產(chǎn)生干涉的可能性大小，其定義為

(3)

本文將重點(diǎn)從煤層傾角、頂板破碎(采用后頂梁下沉旋轉(zhuǎn)角量化，具體采用表示)及架型結(jié)構(gòu)3個(gè)角度來進(jìn)行具體分析，分析方案見表2。

表2 煤層傾角/頂板破碎/架型影響干涉方案設(shè)計(jì)Table 2 Scheme design of influence of coal seam inclination/roof breakage on interference/frame type

3 機(jī)構(gòu)干涉影響因素量化分析

3.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件對(duì)干涉狀態(tài)的影響主要表現(xiàn)為煤層厚度、煤層傾角、頂板破碎情況及埋深等。

..煤層厚度

煤層厚度不同，充填液壓支架的工作狀態(tài)不同，固體充填液壓支架較適宜的開采高度為1.6～4.5 m，當(dāng)煤層厚度較小而夯實(shí)結(jié)構(gòu)長度一定時(shí)，夯實(shí)結(jié)構(gòu)最大允許仰角較小，容易發(fā)生第2，3，4類干涉。

..煤層傾角

根據(jù)綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)要求，充填工作面一般采用仰采俯充布置，若采用俯采仰充，其角度應(yīng)不大于15°。因此，研究煤層傾角對(duì)機(jī)構(gòu)干涉影響分為2種情形：一種是仰采俯充，一種是俯采仰充。

仰采俯充時(shí)(圖4)，多孔底卸式輸送機(jī)偏向采空區(qū)側(cè)，煤層仰角越大，多孔底卸式輸送機(jī)偏離程度越大，越不容易產(chǎn)生干涉，越有利于實(shí)施充填。

俯采仰充時(shí)(圖5)，多孔底卸式輸送機(jī)偏向煤壁側(cè)，煤層俯角越大，多孔底卸式輸送機(jī)偏斜程度越大，夯實(shí)機(jī)構(gòu)與其之間的距離越近，使得落料間隙距減小，夯實(shí)機(jī)構(gòu)水平伸出的安全距離減小，越易產(chǎn)生干涉。上述發(fā)生干涉的具體表現(xiàn)分析如下：

(1)第1類：落料前準(zhǔn)備工序位態(tài)干涉。傾斜煤層采用俯采仰充工藝時(shí)，煤層傾角為，多孔底卸式輸送機(jī)偏移角為，落料間隙距用表示，在落料準(zhǔn)備工序過程中，未干涉時(shí)，夯實(shí)頭的動(dòng)態(tài)軌跡需滿足：

圖4 仰采俯充支架工作示意Fig.4 Working diagram of support for upward mining and downward backfilling

圖5 俯采仰充支架工作示意Fig.5 Working diagram of support for downward mining and upward backfilling

(4)

≥

(5)

(6)

傾斜煤層采用仰采俯充工藝時(shí)，落料間隙距用表示，在落料準(zhǔn)備工序過程中，未干涉時(shí)，夯實(shí)頭的動(dòng)態(tài)軌跡需滿足：

(7)

≥

(8)

(9)

由式(6)，(9)分析可知，除表1所列出的干涉解調(diào)路徑外，盡量減小煤層傾角，保證足夠的落料間隙距，也可達(dá)到減少干涉發(fā)生次數(shù)的目的。

(2)第2類：落料后位態(tài)干涉。在落料完成工序過程中，未干涉時(shí)，夯實(shí)頭的動(dòng)態(tài)軌跡需滿足：

(10)

由式(10)可知，減小煤層傾角，可以使落料高度盡量小于安全高度，避免產(chǎn)生第2類位態(tài)干涉。

(3)第3類：夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸出工序位態(tài)干涉。在傾斜煤層俯采仰充采煤工藝中，未干涉時(shí)，夯實(shí)頭的動(dòng)態(tài)軌跡需滿足：

(11)

在傾斜煤層仰采俯充過程中，未干涉時(shí)，夯實(shí)頭的動(dòng)態(tài)軌跡需滿足：

(12)

由式(11)，(12)分析可知，增大煤層傾角，可以使夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸出的水平距離減小，豎直位移增大，減少夯實(shí)頭與多孔底卸式輸送機(jī)的碰撞，降低干涉發(fā)生的幾率。

(4)第4類：夯實(shí)機(jī)構(gòu)收回工序位態(tài)干涉。該干涉狀態(tài)分析與第3類一致，不做贅述。結(jié)合第2節(jié)建立的機(jī)構(gòu)干涉判別準(zhǔn)則及調(diào)控路徑求解方法，以俯采仰充為例，參照方案一的研究思路，定量化分析得到各個(gè)工序動(dòng)作下，不同煤層傾角干涉臨界范圍與干涉幾率，具體見表3，其中，多孔底卸式輸送機(jī)滑移距離的理論可動(dòng)作范圍為225～800 mm；夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)角度的理論可動(dòng)作范圍為0°～41°；夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸出后長度的理論可動(dòng)作范圍為2 750～4 700 mm。由表3可知，隨著煤層傾角的增大，相關(guān)參數(shù)的干涉臨界范圍越來越小，機(jī)構(gòu)干涉的幾率則越來越大。

..頂板條件

若頂板條件較差，則頂板發(fā)生提前破斷(圖6)，支架承受載荷加大，后頂梁沿鉸接處下沉較大，此時(shí)充填液壓支架前后頂梁不平整，多孔底卸式輸送機(jī)整體高度下降，越發(fā)靠近夯實(shí)機(jī)構(gòu)，干涉更易發(fā)生，具體表現(xiàn)如下：

表3 煤層傾角對(duì)干涉判別準(zhǔn)則及調(diào)控路徑的影響(以俯采仰充為例)Table 3 Influence of coal seam dip angle on interference criterion and adjustment path

續(xù)表

圖6 近水平煤層頂板破碎時(shí)支架示意Fig.6 Schematic diagram of support in near horizontal coal seam with broken roof

(1)第1類：落料前準(zhǔn)備工序位態(tài)干涉。頂板發(fā)生破碎時(shí)，落料間隙距用表示，在落料準(zhǔn)備工序過程中，未干涉時(shí)，夯實(shí)頭的動(dòng)態(tài)軌跡需滿足：

(13)

≥

(14)

(15)

(2)第2類：落料后位態(tài)干涉。頂板破碎時(shí)，落料完成工序過程中，未干涉時(shí)，夯實(shí)頭的動(dòng)態(tài)軌跡需滿足：

(16)

(3)第3類的夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸出工序位態(tài)干涉與第4類的夯實(shí)機(jī)構(gòu)收回工序位態(tài)干涉中，夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)頭與多孔底卸式輸送機(jī)咬合干涉狀態(tài)分析中，未干涉時(shí)，夯實(shí)頭的動(dòng)態(tài)軌跡與頂板不破碎時(shí)動(dòng)態(tài)軌跡及干涉路徑相同。

由式(15)，(16)分析可知，在充填作業(yè)過程中，盡量控制頂板的破碎程度，防止后頂梁提前下沉，可以減少干涉的發(fā)生。

結(jié)合第2章建立的機(jī)構(gòu)干涉判別準(zhǔn)則及調(diào)控路徑求解方法，參考方案2的研究思路，定量化分析了各個(gè)工序動(dòng)作下不同頂板破碎狀態(tài)干涉臨界范圍與干涉發(fā)生幾率，具體見表4。

由表4分析可知，頂板破碎程度對(duì)于落料準(zhǔn)備工序的影響不大，但對(duì)落料完成工序影響較大，其中，多孔底卸式輸送機(jī)的滑移距離對(duì)其最為敏感。

3.2 架型結(jié)構(gòu)

架型結(jié)構(gòu)對(duì)干涉狀態(tài)的影響主要取決于初始卸料中心距、輸送機(jī)懸掛高度、后頂梁參數(shù)和四連桿類型等指標(biāo)。

(1)初始卸料中心距。主要由多孔底卸式輸送機(jī)滑道到夯實(shí)機(jī)構(gòu)鉸接處的間距和多孔底卸式輸送機(jī)滑移距離組成。該距離不僅影響落料位置，而且初始卸料中心距越小，夯實(shí)結(jié)構(gòu)的最大允許仰角越大，不容易產(chǎn)生第3,4類干涉，但由于落料中線距夯實(shí)頭距離減小，落料間隙距減小，使得第1類干涉發(fā)生幾率加大。

(2)輸送機(jī)懸掛高度。多孔底卸式輸送機(jī)懸掛高度直接影響夯實(shí)機(jī)構(gòu)的最大允許仰角，懸掛高度越低，允許落料高度越低，且夯實(shí)機(jī)構(gòu)在伸出和收回過程中與其發(fā)生碰撞的幾率越大，容易產(chǎn)生第2，3，4類干涉。

(3)后頂梁參數(shù)。后頂梁參數(shù)主要包括后頂梁的長度、厚度及角度，不同的后頂梁參數(shù)對(duì)支架的工作狀態(tài)有著不同的影響，后頂梁長度越短，落料間隙距越小，容易發(fā)生第1類位態(tài)干涉；厚度及角度越大，多孔底卸式輸送機(jī)的懸掛高度越低，夯實(shí)機(jī)構(gòu)的最大允許仰角越小，容易發(fā)生第2，3，4類干涉。

表4 頂板破碎程度對(duì)干涉判別準(zhǔn)則及調(diào)控路徑的影響Table 4 Influence of the degree of roof breakage on the interference criterion and adjustment path

(4)四連桿類型。不同的支架類型，對(duì)應(yīng)四連桿機(jī)構(gòu)及支架頂梁的雙紐線運(yùn)動(dòng)軌跡也不相同。為了更直觀的反應(yīng)架型結(jié)構(gòu)對(duì)干涉判別準(zhǔn)則及調(diào)控路徑的影響，結(jié)合第2章建立的機(jī)構(gòu)干涉判別準(zhǔn)則及調(diào)控路徑求解方法，同時(shí)，參考方案3的研究思路，以ZC5160/30/50四柱正四連桿、ZC4800/16/30六柱正四連桿、ZZC9600/16/32六柱反四連桿3類支架為研究對(duì)象，定量化分析了各個(gè)工序動(dòng)作下，不同支架類型干涉臨界范圍與干涉發(fā)生幾率，具體見表5。

其中，3類支架對(duì)應(yīng)的多孔底卸式輸送機(jī)滑移距離的理論可動(dòng)作范圍分別為225～800，370～1 050，400～900 mm；夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)角度的理論可動(dòng)作范圍分別為0°～41°，0°～47°，0°～48°；夯實(shí)機(jī)構(gòu)伸出后長度的理論可動(dòng)作范圍分別為2 750～4 700，1 785～3 075，1 860～3 460 mm。

由表5可知，不同支架在相同的工作狀態(tài)下可能發(fā)生干涉的幾率也不相同，其具體影響與支架自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。

3.3 充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)

充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)主要包括系統(tǒng)布置方式、夯實(shí)次數(shù)、卸料點(diǎn)位置、采充質(zhì)量比等。

(1)系統(tǒng)布置方式。主要指俯采仰充、俯充仰采2種狀態(tài)，該因素影響多孔底卸式輸送機(jī)的懸掛角度及充填物料的落料位置，采用俯采仰充工藝，夯實(shí)機(jī)構(gòu)與多孔底卸式輸送機(jī)距離縮短，容易造成機(jī)構(gòu)干涉，反之，采用仰采俯充工藝，干涉越不容易發(fā)生。

(2)夯實(shí)次數(shù)。該因素主要影響支護(hù)效果，支護(hù)效果影響后頂梁上覆巖層的應(yīng)力，支護(hù)效果過差產(chǎn)生機(jī)構(gòu)干涉的概率越高。

(3)卸料點(diǎn)位置。充填物料自多孔底卸式輸送機(jī)卸料口落入采空區(qū)，合理的卸料點(diǎn)位置能夠使充填物料落入最佳夯實(shí)區(qū)域，保證充填效果，卸料點(diǎn)位置偏左，充填物料可能落入夯實(shí)機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)或掩埋夯實(shí)頭，產(chǎn)生第1，2類干涉，卸料點(diǎn)位置偏右，夯實(shí)機(jī)構(gòu)的最大允許仰角越小，容易發(fā)生第3，4類干涉。

(4)采充質(zhì)量比。該因素影響充填體的充填效果及充填強(qiáng)度，充填效果越好，充填液壓支架所受應(yīng)力集中越小，后頂梁越不易變形，干涉則越不容易發(fā)生。

3.4 其他因素

其他因素主要包括油缸缸徑大小及充填物料特性，油缸缸徑大小影響夯實(shí)機(jī)構(gòu)的夯實(shí)力及夯實(shí)機(jī)構(gòu)的伸縮量，使干涉位態(tài)發(fā)生變化；充填物料特性包括物理特性和力學(xué)特性，其物理特性如自然安息角、粒徑級(jí)配、黏結(jié)性等將影響落料時(shí)形成堆積角度及落料效率；而充填物料的力學(xué)特性如抗壓強(qiáng)度、剪切模量等將影響其夯實(shí)過程中的夯實(shí)難易程度、夯實(shí)次數(shù)等，從而影響機(jī)構(gòu)干涉發(fā)生的幾率。

表5 不同支架類型對(duì)干涉判別準(zhǔn)則及調(diào)控路徑的影響Table 5 Influence of different support types on interference criterion and adjustment path

綜合上述分析可知，在4類影響因素中，地質(zhì)條件和架型結(jié)構(gòu)的改變將大幅影響機(jī)構(gòu)干涉的幾率，是機(jī)構(gòu)干涉的主要影響因素；充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)對(duì)機(jī)構(gòu)干涉的影響相對(duì)較小，而其他因素主要通過影響支架運(yùn)行狀態(tài)等參數(shù)間接影響機(jī)構(gòu)干涉，是機(jī)構(gòu)干涉的次要影響因素。

4 機(jī)構(gòu)干涉調(diào)控方法與機(jī)制

4.1 基于地質(zhì)條件的調(diào)控

在進(jìn)行充填作業(yè)的過程中，地質(zhì)條件的變化會(huì)影響到支架的正常工作狀態(tài)，使其更容易產(chǎn)生位態(tài)干涉。因此，針對(duì)不同的地質(zhì)條件變化要采取相應(yīng)的措施來避免干涉位態(tài)的產(chǎn)生，一方面，設(shè)備要能適應(yīng)所處工作環(huán)境；另一方面，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件發(fā)生較大變化時(shí)，如采高降低、煤層傾角變大、頂板發(fā)生破碎等，及時(shí)收回夯實(shí)機(jī)構(gòu)或者縮小夯實(shí)機(jī)構(gòu)的夯實(shí)角，以防止產(chǎn)生機(jī)構(gòu)干涉，保證地質(zhì)條件的變化不影響充填作業(yè)的順利進(jìn)行。

4.2 基于充填裝備的調(diào)控

充填裝備主要包括固體充填液壓支架及多孔底卸式輸送機(jī)，為減少機(jī)構(gòu)干涉的產(chǎn)生，在進(jìn)行充填裝備的選型設(shè)計(jì)時(shí)，要重點(diǎn)考慮初始卸料中心距、輸送機(jī)懸掛高度、后頂梁參數(shù)和四連桿類型等架型結(jié)構(gòu)因素對(duì)干涉的影響，首先，需要考慮多孔底卸式輸送機(jī)與夯實(shí)機(jī)構(gòu)在時(shí)空上配合，設(shè)計(jì)合理的卸料中心距；其次，為了滿足頂板下沉及傾斜煤層開采時(shí)落料工序的順利進(jìn)行，同時(shí)又避免與夯實(shí)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生干涉，輸送機(jī)的懸掛高度設(shè)計(jì)要進(jìn)行合理性與安全性的評(píng)估；第3，要盡量控制后頂梁的長度及厚度，在滿足控頂要求的前提下盡量減少干涉位態(tài)的產(chǎn)生，最后，在選用不同四連桿機(jī)構(gòu)的充填液壓支架進(jìn)行作業(yè)時(shí)，注意在進(jìn)行升降架過程中可能發(fā)生的干涉問題，針對(duì)其不停的雙紐線軌跡及時(shí)作出合理的調(diào)整，避免產(chǎn)生干涉位態(tài)。

4.3 基于充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)調(diào)控

在進(jìn)行充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)選擇方面，要進(jìn)行合理的選擇和設(shè)計(jì)，充分考慮系統(tǒng)布置方式、夯實(shí)次數(shù)、卸料點(diǎn)位置、采充質(zhì)量比等因素，盡可能減小對(duì)干涉的影響。對(duì)于傾斜工作面，在充填系統(tǒng)布置時(shí)，要盡量選擇仰采俯充的充填工藝，減小因支架角度變化而引起的干涉問題，同時(shí)，選擇合適的卸料點(diǎn)位置，在保證充填效率的基礎(chǔ)上，盡可能多的增加夯實(shí)次數(shù)，增強(qiáng)充填體的支護(hù)效果，起到較好的頂板控制作用，防止產(chǎn)生干涉。

4.4 機(jī)構(gòu)干涉調(diào)控機(jī)制

嚴(yán)格控制干涉位態(tài)的產(chǎn)生以及產(chǎn)生干涉位態(tài)后機(jī)構(gòu)的自主識(shí)別與智能調(diào)控是避免機(jī)構(gòu)間卡頓、保證充填工序正常進(jìn)行的基礎(chǔ)。根據(jù)上文可知，機(jī)械自主夯實(shí)過程機(jī)構(gòu)干涉主要受地質(zhì)條件、架型結(jié)構(gòu)、充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)、其他因素等的影響，實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)干涉的調(diào)控主要從2個(gè)方面進(jìn)行，如圖7所示。

圖7 機(jī)構(gòu)干涉調(diào)控機(jī)制示意Fig.7 Schematic diagram of institutional intervention and regulation mechanism

一方面是減少干涉位態(tài)的產(chǎn)生。在分析了各類因素對(duì)干涉位態(tài)的影響基礎(chǔ)上，通過適應(yīng)工作面地質(zhì)條件、優(yōu)化關(guān)鍵充填裝備設(shè)計(jì)、合理選擇充填系統(tǒng)布置方式及工藝參數(shù)等方法，保證良好的充填條件，達(dá)到減少干涉位態(tài)產(chǎn)生的目的。

另一方面是在產(chǎn)生干涉位態(tài)后機(jī)構(gòu)能夠進(jìn)行自主識(shí)別和智能調(diào)控。在充填工序執(zhí)行過程中，干涉位態(tài)一旦產(chǎn)生，充填液壓支架等裝備要能夠及時(shí)感知干涉類型，并結(jié)合對(duì)應(yīng)的解調(diào)路徑，控制相應(yīng)油缸快速進(jìn)行解調(diào)，避免因干涉造成各充填設(shè)備的損壞以及采充工序的執(zhí)行。

5 機(jī)構(gòu)干涉調(diào)控工程實(shí)踐

對(duì)于整個(gè)礦區(qū)條件而言，機(jī)構(gòu)干涉的影響因素多種多樣，不同采區(qū)、不同煤層的地質(zhì)條件賦存、充填裝備的選擇及充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)的選擇都不相同；而在同一采區(qū)或者同一煤層條件下，其地質(zhì)條件一般變化較小；當(dāng)具體到某一固定的工作面，除了通過采取相關(guān)措施控制頂板提前下沉及調(diào)整充填裝備的相關(guān)機(jī)構(gòu)外，大部分影響因素在充填作業(yè)前已基本固定。

筆者以某固體智能充填工作面工程實(shí)踐為例應(yīng)用干涉調(diào)控方法。該工作面面長約60 m，煤厚平均4.4 m，煤層傾角平均為8°，采用ZC5160/30/50充填液壓支架，仰采俯充回采工藝。

該工作面在充填過程常會(huì)發(fā)生機(jī)構(gòu)干涉，主要原因：

(1)工作面頂板為2類Ⅱ級(jí)頂板，易破碎垮落，造成支架后頂梁下沉；

(2)支架后端夯實(shí)機(jī)構(gòu)與多孔底卸式輸送機(jī)運(yùn)動(dòng)空間較小，易發(fā)生碰撞；

(3)卸料中心距設(shè)置不合理，容易造成物料落入夯實(shí)機(jī)構(gòu)內(nèi)側(cè)等干涉狀態(tài)。

以井下典型工況狀態(tài)為例，后頂梁提前下沉旋轉(zhuǎn)角為6°，支架卸料中心距2 300～3 000 mm，輸送機(jī)滑移距離400～600 mm，夯實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí)角度18°～36°。為降低干涉幾率，設(shè)計(jì)采用減小頂板提前下沉，調(diào)整卸料中心距及輸送機(jī)滑移距離等控制措施，減少機(jī)構(gòu)干涉情況的產(chǎn)生，具體參數(shù)調(diào)整及干涉幾率變化見表6。

由表6可以看出，通過適應(yīng)地質(zhì)條件變化，優(yōu)化采充工藝參數(shù)等措施，顯著降低了自主夯實(shí)過程的機(jī)構(gòu)干涉幾率，干涉幾率最高由84%降低至21%，提高了工作面的生產(chǎn)效率。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐也表明：未采用機(jī)構(gòu)干涉調(diào)控方法之前，充填液壓支架在執(zhí)行采充平行作業(yè)的過程中頻頻發(fā)生卡頓，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)化開機(jī)率僅30%左右，采用該方法后開機(jī)率增長為72%，固體智能充填液壓支架自主夯實(shí)過程卡頓明顯減低，為完全實(shí)現(xiàn)智能充填提供了基礎(chǔ)。

表6 調(diào)控前后干涉幾率對(duì)照Table 6 Comparison of interference probability before and after regulation

6 結(jié) 論

(1)從影響充填效率、裝備工作狀態(tài)和工藝自動(dòng)執(zhí)行3方面闡述了解決機(jī)構(gòu)干涉對(duì)于實(shí)現(xiàn)固體智能充填的重要意義。

(2)提出了影響夯實(shí)工藝的相關(guān)因素，通過建立支架的三維實(shí)體模型及骨架模型，并對(duì)其在不同工作狀態(tài)、不同干涉影響因素下的動(dòng)作進(jìn)行仿真模擬，采用干涉臨界范圍、干涉幾率指標(biāo)量化分析了煤層厚度及傾角等地質(zhì)條件、架型結(jié)構(gòu)、充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)等對(duì)干涉狀態(tài)的影響規(guī)律。

(3)分別基于地質(zhì)條件、充填裝備、充填系統(tǒng)布置及工藝參數(shù)等6個(gè)方面提出了機(jī)構(gòu)干涉調(diào)控方法。

(4)工程實(shí)踐證明：機(jī)構(gòu)干涉調(diào)控方法的應(yīng)用可顯著減少機(jī)構(gòu)干涉發(fā)生幾率，固體智能充填液壓支架自主夯實(shí)過程卡頓明顯減低，有力促進(jìn)了固體智能充填技術(shù)的完善。