液壓支架工況綜合評(píng)價(jià)與預(yù)警模型研究及應(yīng)用

劉前進(jìn)，徐 剛，盧振龍，張 震

(1.中煤科工開(kāi)采研究院有限公司，北京 100013；2.天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)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(duì)工作面綜采設(shè)備和作業(yè)人員提供安全庇護(hù)的核心裝備。支架工況的好壞或支架與圍巖適應(yīng)與否，決定著支架支護(hù)性能的發(fā)揮水平，與煤礦頂板安全關(guān)系重大。分析國(guó)內(nèi)眾多煤礦工作面頂板事故案例可知，除了復(fù)雜地質(zhì)條件和強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)等自然因素外，支架工況差、支架支護(hù)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(zāi)因素[1]。近年來(lái)，隨著礦井開(kāi)采強(qiáng)度和開(kāi)采深度逐年加大，許多煤礦都盡可能選擇高支護(hù)強(qiáng)度、高工作阻力的液壓支架，但卻常因此忽視了對(duì)礦壓監(jiān)測(cè)和支護(hù)質(zhì)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(wèn)題長(zhǎng)期得不到重視，高支護(hù)強(qiáng)度液壓支架支護(hù)能力得不到有效發(fā)揮，久而久之釀成安全隱患。通過(guò)對(duì)液壓支架工況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析和預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)支架支護(hù)和頂板管理當(dāng)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(dāng)中的阻力大小及其變化特征是支架工況或支護(hù)狀態(tài)的最直觀體現(xiàn)，通過(guò)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(kāi)啟情況以及支架立柱受力均衡性等多種工況信息。當(dāng)前國(guó)內(nèi)大多數(shù)礦井都已實(shí)現(xiàn)了支架工作阻力的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此基于支架工作阻力分析液壓支架工況更具有現(xiàn)實(shí)意義。但是目前對(duì)液壓支架的工況評(píng)價(jià)還缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。王國(guó)法院士等[2]從支架與圍巖之間存在的剛度耦合、強(qiáng)度耦合、穩(wěn)定性耦合關(guān)系角度，分析了支架適應(yīng)性；張金虎等[3]提出了考慮支架實(shí)際使用效果的“三因素法”，即從“支”“護(hù)”“采”3方面評(píng)價(jià)支架適應(yīng)性；侯剛等[4-5]提出通過(guò)監(jiān)測(cè)分析液壓支架姿態(tài)和受力狀態(tài)，以評(píng)價(jià)支架支護(hù)工況；杜毅博[6]建立了支架支護(hù)狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)與模糊綜合評(píng)價(jià)方法；任艷芳[7]提出評(píng)價(jià)液壓支架適應(yīng)性的有效支護(hù)能力概念及相應(yīng)的分析與定性評(píng)價(jià)方法。其他學(xué)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(diǎn)位置分布等多個(gè)角度對(duì)支架適應(yīng)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8-14]。但現(xiàn)有對(duì)支架工況或適應(yīng)性的評(píng)價(jià)方法多是單一指標(biāo)評(píng)價(jià)或事后評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果有一定片面性或缺乏時(shí)效性，尚不具備支架工況實(shí)時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警的功能。筆者在大量支架工作阻力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，獲得反映支架工況的可靠指標(biāo)參數(shù)集，并結(jié)合預(yù)警指標(biāo)的自動(dòng)分析算法，建立支架工況綜合評(píng)價(jià)與預(yù)警模型，實(shí)現(xiàn)支架工況實(shí)時(shí)預(yù)警。

1 支架工況多參量評(píng)價(jià)指標(biāo)體系建立

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

1)支架設(shè)計(jì)或選型不合理造成的支架與圍巖不相適應(yīng)。支架在選型當(dāng)中，應(yīng)根據(jù)工作面圍巖條件或礦壓情況選擇相適應(yīng)的支架工作阻力或支架架型，主要體現(xiàn)在支架支護(hù)強(qiáng)度應(yīng)與工作面礦壓顯現(xiàn)程度相匹配。在工作面來(lái)壓時(shí)，如果支架長(zhǎng)期處于高阻力工作狀態(tài)以及安全閥大范圍頻繁開(kāi)啟狀態(tài)，說(shuō)明支架選型偏小，會(huì)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(zhǎng)期分布在低阻力區(qū)間，支架安全閥很少開(kāi)啟，則說(shuō)明支架選型偏大，支架支護(hù)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(yīng)的一種外在表現(xiàn)。

2)現(xiàn)場(chǎng)管理不當(dāng)導(dǎo)致的支架不良工作狀態(tài)。支架在煤礦現(xiàn)場(chǎng)使用效果是否良好，不僅取決于支架自身設(shè)計(jì)或選型的合理性，現(xiàn)場(chǎng)管理或使用是否得當(dāng)也對(duì)支架的支護(hù)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(jié)構(gòu)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(huì)降低支架的支護(hù)效果。

由于液壓支架工況外在表現(xiàn)的多樣性，評(píng)價(jià)液壓支架工況的指標(biāo)也應(yīng)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(shí)時(shí)評(píng)價(jià)及預(yù)警模型時(shí)，將支架初撐力不合格比例、工作阻力高報(bào)比例、安全閥開(kāi)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(gè)指標(biāo)作為實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)支架工況的主要指標(biāo)(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(guò)研究支架初撐力、安全閥開(kāi)啟、支架不保壓、不平衡以及支架工作阻力分布等關(guān)鍵性指標(biāo)的自動(dòng)分析算法，實(shí)現(xiàn)了礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)支架工況預(yù)警指標(biāo)的自動(dòng)分析。

圖1 支架工況評(píng)價(jià)指標(biāo)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(guān)閉瞬時(shí)產(chǎn)生的工作阻力，是液壓支架對(duì)頂板的主動(dòng)作用力[15]，如圖2所示。支架初撐力低容易導(dǎo)致頂板過(guò)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(dòng)支護(hù)性能，保障良好的支護(hù)效果，要求液壓支架的初撐力應(yīng)盡可能大一些，一般要求支架合理的初撐力應(yīng)不小于額定初撐力的80%。統(tǒng)計(jì)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(shí)別Fig.2 Identification of initial support force

2)支架安全閥開(kāi)啟比例：支架安全閥是保護(hù)支架結(jié)構(gòu)件和立柱及千斤頂?shù)谋Ｗo(hù)裝置，當(dāng)頂板來(lái)壓超過(guò)支架安全閥設(shè)置值時(shí)，安全閥開(kāi)啟，當(dāng)壓力小于設(shè)定值時(shí)關(guān)閉，工作面支架安全閥開(kāi)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(kāi)啟一段時(shí)間是正常的，但當(dāng)工作面多臺(tái)支架長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟對(duì)工作面頂板維護(hù)不利。統(tǒng)計(jì)在一個(gè)采煤循環(huán)內(nèi)，發(fā)生安全閥開(kāi)啟的支架立柱個(gè)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(kāi)啟比例。安全閥開(kāi)啟比例反映了工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)度，在工作面發(fā)生壓架等頂板事故時(shí)通常伴隨支架安全閥的大范圍長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟。

圖3 安全閥開(kāi)啟示例Fig.3 Example of safety valve opening

3)支架工作阻力高報(bào)比例：當(dāng)支架工作阻力升高至接近支架額定工作阻力時(shí)，礦壓監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出支架工作阻力高報(bào)預(yù)警。工作面支架立柱工作阻力達(dá)到高報(bào)預(yù)警值的比例稱為支架工作阻力高報(bào)比例。當(dāng)液壓支架高報(bào)比例較高時(shí)，說(shuō)明此時(shí)工作面礦壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈，應(yīng)注意防范壓架、冒頂?shù)葟?qiáng)礦壓頂板事故的發(fā)生。如圖4所示，設(shè)置支架工作阻力高報(bào)預(yù)警值為42 MPa，高報(bào)比例為34.6%。

圖4 支架工作阻力高報(bào)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(jié)構(gòu)部件等損壞，導(dǎo)致液壓系統(tǒng)漏液，不能保壓，影響支護(hù)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(guò)分析支架工作阻力的下降梯度范圍，并進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)立柱不保壓的預(yù)警。統(tǒng)計(jì)工作面發(fā)生不保壓的支架立柱個(gè)數(shù)占所統(tǒng)計(jì)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(dāng)支架前后(左右)立柱壓力差值超過(guò)設(shè)定閾值時(shí)視為支架不平衡。根據(jù)支架不平衡的判別標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)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(kāi)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(yīng)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(dāng)支架工作阻力過(guò)高或過(guò)低時(shí)均認(rèn)為支架工況不合理。

統(tǒng)計(jì)工作阻力處于低阻力區(qū)和高阻力區(qū)的立柱個(gè)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(píng)價(jià)與預(yù)警模型

在支架工況評(píng)價(jià)與預(yù)警模型中，將支架工況共分為4個(gè)等級(jí)，分別為良好、中等、較差、很差，并按照隸屬度評(píng)價(jià)方法對(duì)支架工況預(yù)警等級(jí)進(jìn)行劃分[16-17]，見(jiàn)表1。

表1 支架工況預(yù)警等級(jí)劃分

基于礦壓大數(shù)據(jù)庫(kù)和礦井實(shí)地調(diào)研，對(duì)國(guó)內(nèi)眾多礦井的支架工況整體情況和關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表2(因篇幅所限，此處僅列出部分典型數(shù)據(jù))，在此基礎(chǔ)上分析了6個(gè)預(yù)警指標(biāo)不同取值區(qū)間對(duì)支架整體工況和工作面頂板管理的影響情況，確定了6個(gè)預(yù)警指標(biāo)不同取值區(qū)間對(duì)應(yīng)的支架工況等級(jí)。每個(gè)預(yù)警指標(biāo)參數(shù)對(duì)應(yīng)的支架工況預(yù)警等級(jí)劃分方法分別見(jiàn)表3—表8和式(1)—式(6)。

(1)

表2 國(guó)內(nèi)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(jí)劃分

表4 安全閥開(kāi)啟比例等級(jí)劃分

(2)

表5 支架高報(bào)比例等級(jí)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(jí)劃分

μ4=1-u4(0≤u4≤1)

(4)

表7 支架不保壓比例等級(jí)劃分

(5)

表8 支架不平衡比例等級(jí)劃分

(6)

通過(guò)樣本學(xué)習(xí)，采用專家打分的方法對(duì)6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)支架整體工況的影響權(quán)重進(jìn)行了兩兩比較，基于模糊數(shù)學(xué)層次分析法原理對(duì)6個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行了分析。設(shè)評(píng)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(bǔ)判斷矩陣為

若模糊互補(bǔ)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(bǔ)判斷矩陣Q=(qij)n×n為模糊一致判斷矩陣[18]。此時(shí)，權(quán)重向量W=(w1，w2，…，wn)T表示如下：

(7)

根據(jù)6個(gè)評(píng)判指標(biāo)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(quán)重為：

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

確定支架工況評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重系數(shù)Ai如下：

初撐力不合格比例0.25安全閥開(kāi)啟比例0.15高報(bào)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(quán)重系數(shù)確定的前提下，即可計(jì)算支架工況等級(jí)的綜合隸屬度。但是當(dāng)某一預(yù)警指標(biāo)的狀態(tài)量嚴(yán)重偏離正常值時(shí)，會(huì)對(duì)支架整體工況造成很大影響，而常權(quán)重系數(shù)不會(huì)因狀態(tài)量的惡化而發(fā)生改變，因此，為反映某一預(yù)警指標(biāo)狀態(tài)量變化對(duì)支架整體工況的影響，引入變權(quán)重系數(shù)對(duì)支架工況進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[19]。變權(quán)重系數(shù)采用如式(8)進(jìn)行計(jì)算：

(8)

狀態(tài)量調(diào)整系數(shù)εi采用如下方式計(jì)算：當(dāng)某一預(yù)警指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)為良好(μi≥0.8)時(shí)，設(shè)εi=1；當(dāng)某一預(yù)警指標(biāo)的評(píng)價(jià)等級(jí)為中等、較差或很差(μi<0.8)時(shí)，εi按照式(9)進(jìn)行計(jì)算。

(9)

式中：μi為某一預(yù)警指標(biāo)的隸屬度實(shí)際值；μ0為狀態(tài)量調(diào)整的隸屬度值閾值，設(shè)為0.8。

支架工況等級(jí)的綜合隸屬度值μ可按式(10)進(jìn)行計(jì)算：

(10)

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

目前，該預(yù)警模型已經(jīng)應(yīng)用到中煤科工開(kāi)采研究院有限公司研發(fā)的KJ21頂板災(zāi)害預(yù)警平臺(tái)，并在我國(guó)各大礦區(qū)陸續(xù)投入應(yīng)用。按照支架工況評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)上灣煤礦、曹家灘煤礦等工作面的支架工況進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)，見(jiàn)表9，支架工況綜合評(píng)價(jià)雷達(dá)圖如圖8所示。所得出的支架工況等級(jí)基本反映了工作面支架的實(shí)際狀態(tài)，說(shuō)明所采用的支架工況評(píng)價(jià)體系是合理的。通過(guò)對(duì)工作面支架初撐力、不保壓、安全閥開(kāi)啟等信息實(shí)時(shí)預(yù)警，為煤礦現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)支架支護(hù)問(wèn)題，改善頂板管理提供了可靠依據(jù)。

表9 支架工況評(píng)價(jià)及預(yù)警等級(jí)劃分

圖8 液壓支架工況綜合評(píng)價(jià)雷達(dá)圖Fig. 8 Radar chart for comprehensive evaluation of working conditions of hydraulic support

4 結(jié) 論

1)液壓支架工況的影響因素眾多，主要分為支架設(shè)計(jì)或選型不合理造成的支架與圍巖不相適應(yīng)以及現(xiàn)場(chǎng)管理不當(dāng)導(dǎo)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(bào)比例、安全閥開(kāi)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(shí)時(shí)評(píng)價(jià)支架工況的6個(gè)主要指標(biāo)，并將支架工況按照良好、中等、較差、很差劃分為4個(gè)等級(jí)。

3)按照模糊數(shù)學(xué)隸屬度評(píng)價(jià)方法建立了支架工況多參量綜合評(píng)價(jià)與預(yù)警模型，給出了各預(yù)警指標(biāo)參數(shù)對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)，并引入變權(quán)重系數(shù)，更好地反映預(yù)警指標(biāo)狀態(tài)量變化對(duì)支架整體工況的影響。

4)支架工況多參量綜合評(píng)價(jià)與預(yù)警模型在KJ21頂板災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中得到開(kāi)發(fā)與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，驗(yàn)證了該支架工況評(píng)價(jià)體系的合理性，有效改善了煤礦現(xiàn)場(chǎng)支架支護(hù)與頂板管理問(wèn)題。