大采高放頂煤液壓支架圍巖耦合三維動態優化設計

侯亞斌

（霍州煤電集團呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 臨縣 033299）

1 大采高綜放工作面支架圍巖耦合關系

綜采與單一煤層在進行開采上的圍巖性質存在的差別主要集中，在大梁上方具有一層上部煤層，該上部煤層已被前支撐壓力破壞，強度較低。這種頂部煤的出現不斷提升了直接屋頂當前的厚度，并且使得直接屋頂當前的整體機械性能產生變化。所以，在上覆巖層和其在站臺中所產生的載荷通過直接頂板和上部煤層轉移到大梁時，這會導致大梁和圍巖當前的機械系統特性產生轉變。伴隨著特厚煤層綜放開采其在地表上的壓力，上部煤層以及直接頂板具有不可忽視的作用，減少基礎頂起到的積極作用。

1.1 大采高綜放頂煤破碎規律

煤層厚度的提升主要受頂煤的重量以及負載向基本頂和直接頂板的轉移影響。因為基礎屋頂的載荷屬于給定的變形狀態載荷，所以基本上確定了基礎屋頂的旋轉角度。在它通過直接頂板傳輸之后，旋轉角和上部煤的降低程度也從根本上確定并定期變化。這個時候，頂層煤仍然處在破碎以及較為嚴重的一種受損的情況，能夠將其確認為塑性體。傳遞至工作面支撐的過載取決于其在過載作用下可能出現的變形量。

1.2 直接頂的垮落

在頂煤和基本頂組成的機械系統中，上方煤的強度以及剛度都要比直接頂其自身的強度以及剛度產生影響，而直接頂當前的強度與剛度要比基本頂低。所以，頂板基礎運動導致的煤壁前部的一種強支撐壓力，不但能夠讓強度以及剛度最小的上層煤向采空區出現相對較大的一種垂直變形以及水平運動，并且能夠讓強度以及剛度減弱。剛度直接能夠被使用在基礎頂以及頂煤一致的影響下，頂板在煤壁之前特定區域中出現破裂，并構成一系列下降步驟。在梁上方，頂煤由于其自身的重量以及釋放上層煤時頂煤砌塊的作用而在破裂后坍塌。

直接頂板的塌陷和上部煤層的塌陷一起形成了支撐載荷的一種“給定載荷”部分。一般會認為，直接頂板當前的周長不能夠構成能夠填充煤炭開采空間的一種結構頂板。按照這樣的一種標準，某礦特厚煤層其頂板厚度也會極大地提升。因此，首先需要對直接上側厚度的范圍進行確認。直接頂板當前的厚度是可以填充采煤空間的巖石層，它與兩個參數有關[1-2]：一個是采煤層的厚度，另一個是頂板的破裂系數。在上部煤洞地區，上部煤洞前后的直接頂板厚度是不同的。因此，巖石壓力的發生是上煤洞前后的差異。

直接頂整體厚度公式為：

式中，n 屬于采空區當前已經冒落的巖層數；Mi則代表的是已經冒落的巖層的厚度；h 則屬于煤層當前的采出厚度,考慮機采的高度以及頂煤當前的采出率,h=hj+hfk,hj為機采高度；hf為放頂煤的高度；k 為頂煤的回采率；KA為當前已經冒巖層的碎脹系數；SA為基礎頂下處于巖梁觸矸位置的沉降值。

以某礦井作為例，在厚煤層大采高綜采的開采情況下，頂板針對工作面支架起到的作用其中包含了兩個基礎部分：自身產生的載荷重量，因為此時無法填充采空區一側的煤。并且直接頂板下的煤層具有較大的膨脹和收縮，因此在破壞直接頂板后，它將無法在單個吊桿狀態下形成結構并將其自身的重量頂煤；荷載作用在頂煤。直接頂板起到的作用仍然還需要對上部煤穴之前和之后產生的差異進行分析。在當前工作面進行開采的過程中，頂煤并不會出現破裂的情況。在這種情況下，頂板運動等同于一次采全高。隨著開采煤層厚度的不斷減少，開采區域被完全填滿，巖石層的影響小。開始放出頂煤后，取決于工作區域，在16 m 以上的頂煤回采率達到75%[3]。填充系數為1.4，達到直接頂板的厚度超過40 m。現場觀察到，直接頂板分為三個塌陷，即直接頂板可以被分成三層，厚度保持在10～15 m。

1.3 基本頂的斷裂和垮落

在對于很多上部煤工作面在當前地下壓力進行觀測的結果可以看出，在基本頂上的初始壓力之前，在煤壁前的一定區域內發生了回彈情況。伴隨著當前工作面的前進，基礎頂一般會在工作面其煤壁之前出現破裂，同時還會在工作面之后產生塌陷。主要原因是在完成上部煤體開采的過程中，上部煤體的剛度低，后者是棄渣場的支點。在基本高壓之前，在煤壁前面的某一個位置會出現回彈問題，但隨著工作的不斷推進壓力也會隨之減小。在工作表面在適當范圍中與煤壁靠近的時候，煤體壓力增加。如果折斷處在工作表面前方的某個點，則基本頂已完全折斷。此時，在斷裂線之前和之后的煤體的壓力略微波動，并且在工作表面附近的煤壁中的壓力梯度增加。

2 基于支架圍巖耦合模型的支架參數優化

大梁和圍巖的耦合模型需要對圍巖當前的動力特性加以考慮。因為大梁和圍巖彼此之間具備的相互作用和圍巖當前的沉降，裂縫和其他變化在形狀上傳遞給大梁，響應結果以力和力矩的形式傳遞給圍巖，圍巖會改變其塌陷特性以及應力場和應變場的分布。通過檢查圍繞載體的巖石的耦合模型，可以用來計算以及完成對載體參數的優化，通過這樣的方式載體當前的機械性能以及效果加以理解。

針對支架圍巖耦合模型當前的支架參數給予優化需要將支架的頂梁長度和支架中心距以及其中最大的以及最小的高度等多種結構參數將其當成是優化的變量，并將頂板應力上的分布和支架前端底板之間的比壓等圍巖力學狀態設置為優化的一種目標函數。

在進行優化計算之前，應首先選擇支撐的框架類型，并應將支撐的相關參數確定成為一種函數優化之后的自變量。然后在對其進行計算過程中需要設置目標優化的函數去完成計算，結果收斂等出于穩定值，是一個合理的優化結果。對于某礦，當在12～20 m的超厚煤層中掏空上層煤時，上層煤的厚度大，懸臂空間大，且活動范圍大。屋頂增加，梁與屋頂之間彼此作用產生的一種合力提升[4]。作用點產生較大的轉變。按照這一礦大采高綜放區在地下壓力上的觀察，在頂板循環其產生壓力的過程中，后柱以及前柱產生的阻力也在不斷的產生。所以，挑選四柱正方型煤溶洞頂部支架將其當成是支撐架類型能夠非常好的與這樣一種壓力規律保持一致。

通過針對支架圍巖耦合在支架參數進行優化，完成當前支架核心技術特征參數的確認:支架當前最大的高度需要達到5 200 mm，支架當前最小的高度處于2 800 mm，頂梁的長度需要保持在5 615 mm，支架中心產生的距離為1 750 mm，頂梁柱冒和底座柱窩中心所處在的水平距離為402 mm，最初的撐力為12 818 kN，支護強度則達到了1.38 MPa[5]。

3 大采高放頂煤支架整體結構三維動態優化

完成支架整體在進行完成參數的設計后，可以選擇3D CAD 軟件去對于支架具體的結構進行設計并創建3D 虛擬原型，以執行動態的干涉檢查并完成連桿優化，重心求解以及進行有限元的分析，并不斷地完成軟件的優化，對于虛擬原型進行支持不僅能夠減少短產品設計周期同時還能夠減少實驗需要付出的成本。這是支架設計過程中不能夠忽視的一步。

在進行底座的三維組件的有效組裝之后，需要對其彼此產生的約束以及運動關系進行再次的確認，同時讓其能夠按照設定好的方式以及軌跡進行運動。在頂梁和屏蔽梁之間的銷釘，連桿和屏蔽梁與基座之間的銷釘上增加了旋轉限制；在立柱的柱頭與頂梁和基座的柱承窩之間增加了同心限制；在外圓柱體，中間圓柱體和色譜柱的可移動色譜柱之間施加壓力。限制移動，以使列沿其中心線延伸或縮回。根據列的實際移動，將列定義為驅動其他組件移動的原始移動器。支架的最低位置和最高位置是機芯的起點和終點。

在完成底座的三維組件的組裝后，需要對其彼此具備的約束以及運動關系重新聯系，并使其適應預定的形式以及預定的軌跡完成運動。在頂梁和屏蔽梁之間的銷釘，連桿和屏蔽梁與基座之間的銷釘上增加了旋轉限制；在立柱的柱頭與頂梁和基座的柱承窩之間增加了同心限制；在外圓柱體，中間圓柱體和色譜柱的可移動色譜柱之間施加壓力。限制移動，以使列沿其中心線延伸或縮回。根據列的實際移動，將列定義為驅動其他組件移動的原始移動器。支架的最低位置和最高位置是機芯的起點和終點。

以底座前端ACS0 作為坐標系的參照，重心ACS1 需要在x-y 平面中的轉變曲線詳見圖1 所示。支架其在接近高位置的時候其核心轉變的情況比較劇烈,產生這種特點在當前大采高液壓支架上變得十分明顯。出于對支架出于高位的時候自身的穩定性會有所減少,所以在對大采高液壓支架進行設計的時候,一定要考慮到重心位置當前轉變過程中對于支架自身穩定性所產帶來的影響。

圖1 ZF15000/28/52 支架梁端距曲線

4 結語

機械采礦高度超過3.5 m的懸臂開采被稱為具有較高采礦高度的懸臂開采。在過去的10 年中，我國最先進的洞采技術的研究取得了重要進展。廣泛地推廣和應用于開采懸臂的整套全機械化設備和技術成為了我國高效開采厚煤層非常重要的開采方式。頂煤懸臂當前開采技術使用的范圍持續提升，已經從5～9 m的中硬煤層至“三軟”以及硬煤懸臂煤，并不斷地拓展到超厚頂煤開采煤層超過10 m。