基于支架與圍巖耦合關系的支架適應性評價方法

王國法，龐義輝，2

(1．天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京　100013;2．煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京　100013)

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基于支架與圍巖耦合關系的支架適應性評價方法

王國法1，龐義輝1，2

(1．天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013;2．煤炭科學研究總院開采設計研究分院，北京100013)

摘要:基于支架與圍巖的動態失穩規律，分析了支架與圍巖的強度耦合、剛度耦合、穩定性耦合關系，建立了以支架與圍巖適應性綜合指數為核心的評價模型，研究了評價指標的獲取方法及評價流程。研究結果表明:頂板來壓形成的沖擊動載荷由頂板巖層自重及頂板運移空間共同影響，通過提高頂板來壓前支架、直接頂、底板的組合剛度可促使基本頂斷裂位置向采空區移動，降低頂板對支架的沖擊，利用三維立體防護裝置維護支架自身穩定是支架與圍巖保持動態平衡的關鍵。針對不同煤層賦存條件對圍巖控制效果的要求，確定各評價指標的優先關系系數矩陣，采用模糊綜合判斷矩陣計算支架與圍巖適應性綜合評價指數。通過分析支架對圍巖適應性評價結果，有助于進行支架改進優化設計。

關鍵詞:支架與圍巖耦合關系;評價指標體系;支架姿態監測系統;支架與圍巖適應性綜合指數

王國法，龐義輝．基于支架與圍巖耦合關系的支架適應性評價方法［J］．煤炭學報，2016，41(6):1348－1353．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1357

Wang Guofa，Pang Yihui．Shield-roof adaptability evaluation method based on coupling of parameters between shield and roof strata［J］．Journal of China Coal Society，2016，41(6):1348－1353．doi:10．13225/j．cnki．jccs．2015．1357

液壓支架與圍巖關系是液壓支架設計的理論基礎，同時也是檢驗工作面頂板控制效果的理論依據。目前，國內外研究學者對頂板巖層的破斷規律進行了大量研究與實踐，取得了一批重要的科研成果［1－4］。錢鳴高院士經過多年的科研實踐，提出了巖層破斷的“砌體梁”理論，分析了頂板巖層控制的“關鍵層”力學模型，研究了支架與圍巖的相互作用原理，分析了頂板巖層的“給定變形”狀態，認為頂板的最終回轉下沉量與液壓支架的工作阻力無關［5－7］。宋振騏院士基于大量的現場實測分析，建立了以巖層運動為中心的“傳遞巖梁”力學模型，分析了頂板巖層的“限定變形”狀態，認為液壓支架可以改變基本頂的活動狀態［8］。侯忠杰教授建立了淺埋煤層“支架－圍巖”關系模型，分析了淺埋煤層頂板運移規律［9－10］。閆少宏研究員提出了大采高綜采頂板短懸臂梁－鉸接巖梁結構模型，研究了大采高工作面液壓支架合理工作阻力的確定方法［11］。繆協興教授研究了充填開采礦壓控制原理及支架受力分析，得到了計算支架主動力作用引起的采場頂板變形位移曲線的解析解［12］。大量科研工作者利用礦山壓力監測儀器，對煤炭開采過程中頂板的下沉量、超前支承壓力分布、支架載荷變化等進行了實測研究，得出了計算支架合理工作阻力的經驗公式［13－14］。

以往支架與圍巖相互作用關系的研究成果主要分析了支架工作阻力與礦山壓力的相互作用關系，忽視了支架與圍巖不同介質的剛度與穩定性對圍巖控制的影響;支架適應性研究也主要集中于支架工作阻力對礦山壓力的適應性，缺少統一標準與規范的適應性評價流程。本文通過分析支架與圍巖的強度、剛度、穩定性耦合關系，建立了以支架與圍巖適應性綜合指數為核心的評價模型，可實現支架對圍巖控制效果的綜合評價，指導支架進行改進設計。

1　支架與圍巖耦合關系

基于圍巖動態斷裂失穩規律，分析支架與圍巖不同介質的力學特性，充分反映支架與圍巖之間的強度、剛度和穩定性關系，將支架與圍巖耦合關系細分為強度耦合、剛度耦合、穩定性耦合。

1.1支架與圍巖的強度耦合

支架與圍巖的強度是指支架與圍巖巖體抵抗破壞的能力。由于煤層開挖導致地應力場重新分布，引起圍巖巖體發生強度失穩，破斷的圍巖巖體對支架產生沖擊作用力，而液壓支架通過對圍巖巖體的主動承壓和被動讓壓，促使支架與圍巖系統形成動態的平衡。合理的支架初撐力與支護強度雖然不能改變圍巖巖體最終的破斷失穩狀態，但可以影響圍巖巖體的破斷時間與過程。

圍巖巖體發生破斷失穩形成對液壓支架的作用力主要由兩部分組成，如圖1所示:①巖體在自身重力及上覆巖層壓力作用下發生回轉或滑落失穩形成的沖擊力;②由于地應力將巖體壓縮形成的彈性變形能釋放的沖擊力。淺埋深、中等埋深圍巖巖體破壞失穩形成對液壓支架的作用力通常主要以第1種作用力為主，而深部開采地應力異常區則有可能引發以第2種作用力為主的強大沖擊破壞力(如沖擊地壓)，通常這種作用力是液壓支架難以承受的，需要采取特別的處理措施，因此，這里主要分析以第1種作用力為主的圍巖巖體與支架的強度耦合關系。

圖1　圍巖失穩形成的作用力Fig.1　Stress result from wall rock failure

基本頂的強度影響基本頂的斷裂步距，決定了基本頂及隨動巖層的自重;直接頂的強度影響直接頂的碎脹系數，決定了基本頂回轉或滑落的運動空間，2者共同影響基本頂來壓時動載荷的大小。

支架的支護強度與結構件強度應能滿足頂板動載沖擊的要求，并通過降低頂板下沉速度、改變動載荷作用位置來影響、降低動載荷對支架的沖擊;同時利用支架對頂板的主動初撐力、護幫板的主動護幫力改變煤壁的受力狀態，抑制煤壁片幫，適應煤體強度的要求;通過調整支架四連桿結構參數，優化支架底座比壓分布狀態，設計抬底座裝置等，適應底板強度的要求，支架與圍巖強度耦合關系如圖2所示。

1.2支架與圍巖的剛度耦合

支架承受圍巖載荷的最危險狀態為頂板來壓時形成的動載沖擊，而基本頂的斷裂位置將直接影響沖擊載荷對支架的作用點［15－16］。由于工作面基本頂為類似剛體，煤層底板、支架、直接頂均為可壓縮的損傷破碎體，這3者之中任何一個剛度發生變化都將影響基本頂的斷裂位置，因此單獨分析煤層底板、支架或直接頂的剛度不能反映支架對基本頂的控制效果，但是這3者的組合剛度將直接影響基本頂的斷裂位置，如圖3所示。

假設工作面正常推進至C－D位置時，基本頂發生斷裂，由于支承壓力峰值前方的底板、煤體、頂板為不可壓縮的類剛體，基本頂斷裂位置一般位于煤壁前方［15］，斷裂位置為A點，此時支架位于斷裂巖層的正下方，將承受較大的沖擊動載荷。若工作面煤層底板、支架、直接頂為純剛體(相當于支承壓力峰值前方不可壓縮的底板、煤體、頂板巖層)，且在移架過程中直接頂不發生下沉，則此時基本頂的斷裂位置將偏移至B點，即相當于支架推進至E－F時基本頂才發生斷裂，此時基本頂載荷的作用點將偏移至采空區，頂板斷裂形成的沖擊載荷將主要作用于采空區冒落的矸石上，支架承受基本頂動載沖擊的作用將明顯降低(直接頂－支架－底板的組合剛度雖然不能改變基本頂的斷裂位置，但是可以影響基本頂斷裂時與支架的相對位置)。因此，提高工作面來壓前支架、直接頂、底板的組合剛度，將有助于促進頂板斷裂位置向采空區移動，降低頂板來壓對支架的影響及作用時間。

圖2　支架與圍巖的強度耦合關系Fig.2　Coupling of strength between shield and roof strata

圖3　支架與圍巖的剛度耦合關系Fig.3　Coupling of stiffness between shield and roof strata

1.3支架與圍巖的穩定性耦合

對于大傾角、急傾斜、俯采、仰采等特殊開采條件，由于工作面具有一定的傾斜角度，支架不僅需要承受垂直載荷，還要承受較大的傾斜載荷，自身穩定性差，并且頂板易發生滑落失穩，煤壁易發生片幫失穩，底板易出現底臌、滑移失穩，支架與圍巖動態平衡系統極易發生“多米諾骨牌效應”，導致重大災害事故［17－19］，支架與圍巖穩定性耦合關系如圖4所示。

圖4　支架與圍巖失穩分析Fig.4　Analysis of losing stability

通過分析圍巖動態失穩運移規律，研發了“自撐—鄰拉—底推—頂擠”剛柔并濟的三維立體防護裝置及方法，通過對支架進行結構、參數優化設計，以維持支架自身穩定性為前提，適應并影響圍巖動態失穩是關鍵，實現支架與圍巖的動態平衡為最終目的，維護工作面安全作業空間。

支架與圍巖的強度、剛度、穩定性3者并不是相互獨立的，而是相互影響、相互制約的。合理的支架初撐力與工作阻力不僅能夠使支架保持一定的剛度，有效控制頂板下沉量，而且可以通過主動讓壓(改變剛度)來降低頂板對支架的破壞，而支架與圍巖的剛度則是系統保持穩定的基礎，只有支架與圍巖系統保持穩定，支架的初撐力與工作阻力才能充分發揮作用，促使支架與圍巖系統處于動態的平衡中。

2　支架適應性評價指標體系

基于支架與圍巖的耦合關系，將支架與圍巖系統細分為支架與圍巖的強度耦合子系統、剛度耦合子系統、穩定性耦合子系統，采用AHP方法構建了以支架與圍巖適應性為核心的評價指標，如圖5所示。

圖5　支架與圍巖適應性評價指標Fig.5　Adaptability evaluation index system for shield and surrounding rocks

其中，支架與圍巖的剛度適應性指數、強度適應性指數的下屬指標值均可通過常規礦壓觀測和現場統計方法獲得，而穩定性適應指數下屬指標值則很難獲得。

為了獲取支架與圍巖的穩定性適應指數下屬指標值，研發了支架姿態實時監測系統，通過在支架頂梁、連桿、底座安裝傾角傳感器、壓力傳感器和位移傳感器，實時監測支架載荷狀態，利用支架結構位置優化算法，便可測得支架姿態的絕對值。

由于工作面在傾向和走向均有一定角度，且隨著工作面推進而不斷發生變化，支架姿態的絕對值并不能反映支架對工作面傾角的適應性，需要獲得支架與工作面傾角的相對值。為了獲得支架姿態與工作面傾角的相對值，在支架前方對應的刮板輸送機處安設傾角傳感器，監測工作面傾角的變化。利用支架移架之后測得的支架姿態值與推移刮板輸送機之前測得的工作面傾角值進行對比，便可獲得支架對工作面姿態的相對值，如圖6所示。

圖6　傳感器位置布置Fig.6　Sensor location arrangement

3　基于模糊一致矩陣權重的確定

由于不同工作面煤層賦存條件差異很大，為保證評價結果的客觀性、實用性，在進行支架適應性評價之前，應對煤層賦存條件與開采技術參數進行分析，明確支架對圍巖的控制效果要求，排除工人操作失誤、支架制造質量等因素影響。

由于不同煤層賦存條件下支架對圍巖的控制重點也不一樣，因此需要針對不同煤層賦存條件進行評價指標的優先關系排序，確定評價指標的優先關系系數，建立模糊優先關系系數矩陣:

其中，bij為指標ui對uj的優先關系系數，可用下式計算:

對B矩陣進行改造可得矩陣R:

利用方根法確定各項指標對應的優度值，作為各指標對應的權重。

式中，Si為各項指標對應的優度值，i=1，2，…，。

4　基于FCE方法構建判斷矩陣

采用清晰集合構造模糊集合方法確定支架適應性評價指標的隸屬度，假設A1，A2，A3，…，An為n個任意的清晰集合，從其中任意取出 k(k=1，2，3，…，n)個集合進行求交集，共存在個交集，這個交集的并集為Bk，用k/n與Bk的乘積得到一個模糊集合Bkk/n，其隸屬函數為

通過采用礦山壓力觀測、支架姿態監測系統及現場記錄統計方法，獲得整個工作面推進過程中各評價指標的實測值，根據前期確定的支架對圍巖的控制效果要求，采用專家評議的方法對各評價指標進行打分，并進行求解及歸一化處理。

進行支架對圍巖適應性的模糊綜合評價，計算支架適應性模糊綜合評價結果集:

基于支架與圍巖適應性評價等級，確定支架與圍巖適應性綜合指數評價集:U={很適應，適應，一般，不適應}={＞90，75～90，60～75，＜60}，計算可得支架適應性評價值如下:

式中，T為支架與圍巖適應性綜合指數評價值;UT為支架與圍巖適應性綜合指數評價集對應的分數向量。

通過對支架適應性評價結果進行分析，發現支架與圍巖適應性較差的部分，分析原因并進行支架改進優化設計。

5　結　　論

(1)將圍巖巖體破斷失穩形成對支架的作用力細分為頂板巖層滑落或回轉失穩形成的作用力、巖體彈性變形能釋放的沖擊力兩部分，合理的支架初撐力與工作阻力不僅能夠滿足頂板來壓的要求，還可以通過維持支架與圍巖具有一定的剛度來影響頂板載荷對支架的作用，而支架與圍巖系統的穩定性則是支架支護強度充分發揮作用的前提，最終實現支架與圍巖系統的動態平衡。

(2)基于支架與圍巖的強度、剛度、穩定性耦合作用關系，采用AHP方法構建了以支架與圍巖適應性綜合指數為核心的評價指標，研發了支架姿態監測系統，可有效獲得各評價指標的實測值。

(3)通過建立評價指標的模糊優先關系系數矩陣，以評價指標對應的優度值作為指標權重，采用FCE方法構建了支架與圍巖適應性評價矩陣，通過對支架適應性評價結果進行分析，可以指導支架進行改進設計。

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中圖分類號:TD32

文獻標志碼:A

文章編號:0253－9993(2016)06－1348－06

收稿日期:2015－09－16修回日期:2015－10－16責任編輯:許書閣

基金項目:國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2014CB046302);青年創新基金資助項目(2016QN007)

作者簡介:王國法(1960—)，男，山東文登人，研究員，博士生導師。Tel:010－84262109，E－mail:wangguofa@tdkcsj．com。通訊作者:龐義輝(1985—)，男，河北保定人，助理研究員。Tel:010－84262109，E－mail:pangyihui@tdkcsj．com

Shield-roof adaptability evaluation method based on coupling of parameters between shield and roof strata

WANG Guo-fa1，PANG Yi-hui1，2
(1．Coal Mining and Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co．，Ltd．，Beijing100013，China;2．Coal Mining and Designing Branch，China Coal Research Institute，Beijing100013，China)

Abstract:Based on the dynamic instability of deformation between shield and surrounding rocks，the coupling relationship of stiffness，strength，and stability between shield and surrounding rocks was analyzed．An evaluation model for shield-rock adaptability was established using a composite parameter．The methods for acquiring the evaluation parameters and the evaluation flow sheet were studied．The results show that the dynamic load which was formed in the process of roof weighting is impacted by the roof weight and the roof motion space．The roof fracture location is impacted by the stiffness of support，immediate roof and seam floor，which reduce the impact load from roof to support．The key factor to maintain the balance of support and rock was the three dimensional protection device in support．The precedence relation matrix of evaluation index was confirmed based on the requirement of different seams．The comprehensive evaluation index of support and rock was calculated by fuzzy comprehensive judgment matrix．Some improvement of support design can be achieved through analyzing the evaluation result．

Key words:coupling of shield and surrounding rocks;evaluation parameter;shield monitoring system;comprehensive evaluation parameter of shield and rock