大采高放頂煤液壓支架圍巖耦合三維動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)

侯亞斌

（霍州煤電集團(tuán)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(guān)系

綜采與單一煤層在進(jìn)行開采上的圍巖性質(zhì)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(qiáng)度較低。這種頂部煤的出現(xiàn)不斷提升了直接屋頂當(dāng)前的厚度，并且使得直接屋頂當(dāng)前的整體機(jī)械性能產(chǎn)生變化。所以，在上覆巖層和其在站臺(tái)中所產(chǎn)生的載荷通過直接頂板和上部煤層轉(zhuǎn)移到大梁時(shí)，這會(huì)導(dǎo)致大梁和圍巖當(dāng)前的機(jī)械系統(tǒng)特性產(chǎn)生轉(zhuǎn)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(chǔ)頂起到的積極作用。

1.1 大采高綜放頂煤破碎規(guī)律

煤層厚度的提升主要受頂煤的重量以及負(fù)載向基本頂和直接頂板的轉(zhuǎn)移影響。因?yàn)榛A(chǔ)屋頂?shù)妮d荷屬于給定的變形狀態(tài)載荷，所以基本上確定了基礎(chǔ)屋頂?shù)男D(zhuǎn)角度。在它通過直接頂板傳輸之后，旋轉(zhuǎn)角和上部煤的降低程度也從根本上確定并定期變化。這個(gè)時(shí)候，頂層煤仍然處在破碎以及較為嚴(yán)重的一種受損的情況，能夠?qū)⑵浯_認(rèn)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(xiàn)的變形量。

1.2 直接頂?shù)目迓?/h3>

在頂煤和基本頂組成的機(jī)械系統(tǒng)中，上方煤的強(qiáng)度以及剛度都要比直接頂其自身的強(qiáng)度以及剛度產(chǎn)生影響，而直接頂當(dāng)前的強(qiáng)度與剛度要比基本頂?shù)汀Ｋ裕敯寤A(chǔ)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的煤壁前部的一種強(qiáng)支撐壓力，不但能夠讓強(qiáng)度以及剛度最小的上層煤向采空區(qū)出現(xiàn)相對(duì)較大的一種垂直變形以及水平運(yùn)動(dòng)，并且能夠讓強(qiáng)度以及剛度減弱。剛度直接能夠被使用在基礎(chǔ)頂以及頂煤一致的影響下，頂板在煤壁之前特定區(qū)域中出現(xiàn)破裂，并構(gòu)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(shí)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(huì)認(rèn)為，直接頂板當(dāng)前的周長(zhǎng)不能夠構(gòu)成能夠填充煤炭開采空間的一種結(jié)構(gòu)頂板。按照這樣的一種標(biāo)準(zhǔn)，某礦特厚煤層其頂板厚度也會(huì)極大地提升。因此，首先需要對(duì)直接上側(cè)厚度的范圍進(jìn)行確認(rèn)。直接頂板當(dāng)前的厚度是可以填充采煤空間的巖石層，它與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)[1-2]：一個(gè)是采煤層的厚度，另一個(gè)是頂板的破裂系數(shù)。在上部煤洞地區(qū)，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(fā)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(qū)當(dāng)前已經(jīng)冒落的巖層數(shù)；Mi則代表的是已經(jīng)冒落的巖層的厚度；h 則屬于煤層當(dāng)前的采出厚度,考慮機(jī)采的高度以及頂煤當(dāng)前的采出率,h=hj+hfk,hj為機(jī)采高度；hf為放頂煤的高度；k 為頂煤的回采率；KA為當(dāng)前已經(jīng)冒巖層的碎脹系數(shù)；SA為基礎(chǔ)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(duì)工作面支架起到的作用其中包含了兩個(gè)基礎(chǔ)部分：自身產(chǎn)生的載荷重量，因?yàn)榇藭r(shí)無法填充采空區(qū)一側(cè)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(gè)吊桿狀態(tài)下形成結(jié)構(gòu)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(duì)上部煤穴之前和之后產(chǎn)生的差異進(jìn)行分析。在當(dāng)前工作面進(jìn)行開采的過程中，頂煤并不會(huì)出現(xiàn)破裂的情況。在這種情況下，頂板運(yùn)動(dòng)等同于一次采全高。隨著開采煤層厚度的不斷減少，開采區(qū)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(qū)域，在16 m 以上的頂煤回采率達(dá)到75%[3]。填充系數(shù)為1.4，達(dá)到直接頂板的厚度超過40 m。現(xiàn)場(chǎng)觀察到，直接頂板分為三個(gè)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?shù)臄嗔押涂迓?/h3>

在對(duì)于很多上部煤工作面在當(dāng)前地下壓力進(jìn)行觀測(cè)的結(jié)果可以看出，在基本頂上的初始?jí)毫χ埃诿罕谇暗囊欢▍^(qū)域內(nèi)發(fā)生了回彈情況。伴隨著當(dāng)前工作面的前進(jìn)，基礎(chǔ)頂一般會(huì)在工作面其煤壁之前出現(xiàn)破裂，同時(shí)還會(huì)在工作面之后產(chǎn)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(chǎng)的支點(diǎn)。在基本高壓之前，在煤壁前面的某一個(gè)位置會(huì)出現(xiàn)回彈問題，但隨著工作的不斷推進(jìn)壓力也會(huì)隨之減小。在工作表面在適當(dāng)范圍中與煤壁靠近的時(shí)候，煤體壓力增加。如果折斷處在工作表面前方的某個(gè)點(diǎn)，則基本頂已完全折斷。此時(shí)，在斷裂線之前和之后的煤體的壓力略微波動(dòng)，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(shù)優(yōu)化

大梁和圍巖的耦合模型需要對(duì)圍巖當(dāng)前的動(dòng)力特性加以考慮。因?yàn)榇罅汉蛧鷰r彼此之間具備的相互作用和圍巖當(dāng)前的沉降，裂縫和其他變化在形狀上傳遞給大梁，響應(yīng)結(jié)果以力和力矩的形式傳遞給圍巖，圍巖會(huì)改變其塌陷特性以及應(yīng)力場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的分布。通過檢查圍繞載體的巖石的耦合模型，可以用來計(jì)算以及完成對(duì)載體參數(shù)的優(yōu)化，通過這樣的方式載體當(dāng)前的機(jī)械性能以及效果加以理解。

針對(duì)支架圍巖耦合模型當(dāng)前的支架參數(shù)給予優(yōu)化需要將支架的頂梁長(zhǎng)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(jié)構(gòu)參數(shù)將其當(dāng)成是優(yōu)化的變量，并將頂板應(yīng)力上的分布和支架前端底板之間的比壓等圍巖力學(xué)狀態(tài)設(shè)置為優(yōu)化的一種目標(biāo)函數(shù)。

在進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算之前，應(yīng)首先選擇支撐的框架類型，并應(yīng)將支撐的相關(guān)參數(shù)確定成為一種函數(shù)優(yōu)化之后的自變量。然后在對(duì)其進(jìn)行計(jì)算過程中需要設(shè)置目標(biāo)優(yōu)化的函數(shù)去完成計(jì)算，結(jié)果收斂等出于穩(wěn)定值，是一個(gè)合理的優(yōu)化結(jié)果。對(duì)于某礦，當(dāng)在12～20 m的超厚煤層中掏空上層煤時(shí)，上層煤的厚度大，懸臂空間大，且活動(dòng)范圍大。屋頂增加，梁與屋頂之間彼此作用產(chǎn)生的一種合力提升[4]。作用點(diǎn)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)變。按照這一礦大采高綜放區(qū)在地下壓力上的觀察，在頂板循環(huán)其產(chǎn)生壓力的過程中，后柱以及前柱產(chǎn)生的阻力也在不斷的產(chǎn)生。所以，挑選四柱正方型煤溶洞頂部支架將其當(dāng)成是支撐架類型能夠非常好的與這樣一種壓力規(guī)律保持一致。

通過針對(duì)支架圍巖耦合在支架參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，完成當(dāng)前支架核心技術(shù)特征參數(shù)的確認(rèn):支架當(dāng)前最大的高度需要達(dá)到5 200 mm，支架當(dāng)前最小的高度處于2 800 mm，頂梁的長(zhǎng)度需要保持在5 615 mm，支架中心產(chǎn)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(hù)強(qiáng)度則達(dá)到了1.38 MPa[5]。

3 大采高放頂煤支架整體結(jié)構(gòu)三維動(dòng)態(tài)優(yōu)化

完成支架整體在進(jìn)行完成參數(shù)的設(shè)計(jì)后，可以選擇3D CAD 軟件去對(duì)于支架具體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)并創(chuàng)建3D 虛擬原型，以執(zhí)行動(dòng)態(tài)的干涉檢查并完成連桿優(yōu)化，重心求解以及進(jìn)行有限元的分析，并不斷地完成軟件的優(yōu)化，對(duì)于虛擬原型進(jìn)行支持不僅能夠減少短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期同時(shí)還能夠減少實(shí)驗(yàn)需要付出的成本。這是支架設(shè)計(jì)過程中不能夠忽視的一步。

在進(jìn)行底座的三維組件的有效組裝之后，需要對(duì)其彼此產(chǎn)生的約束以及運(yùn)動(dòng)關(guān)系進(jìn)行再次的確認(rèn)，同時(shí)讓其能夠按照設(shè)定好的方式以及軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。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(zhuǎn)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(dòng)色譜柱之間施加壓力。限制移動(dòng)，以使列沿其中心線延伸或縮回。根據(jù)列的實(shí)際移動(dòng)，將列定義為驅(qū)動(dòng)其他組件移動(dòng)的原始移動(dòng)器。支架的最低位置和最高位置是機(jī)芯的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

在完成底座的三維組件的組裝后，需要對(duì)其彼此具備的約束以及運(yùn)動(dòng)關(guān)系重新聯(lián)系，并使其適應(yīng)預(yù)定的形式以及預(yù)定的軌跡完成運(yùn)動(dòng)。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(zhuǎn)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(dòng)色譜柱之間施加壓力。限制移動(dòng)，以使列沿其中心線延伸或縮回。根據(jù)列的實(shí)際移動(dòng)，將列定義為驅(qū)動(dòng)其他組件移動(dòng)的原始移動(dòng)器。支架的最低位置和最高位置是機(jī)芯的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

以底座前端ACS0 作為坐標(biāo)系的參照，重心ACS1 需要在x-y 平面中的轉(zhuǎn)變曲線詳見圖1 所示。支架其在接近高位置的時(shí)候其核心轉(zhuǎn)變的情況比較劇烈,產(chǎn)生這種特點(diǎn)在當(dāng)前大采高液壓支架上變得十分明顯。出于對(duì)支架出于高位的時(shí)候自身的穩(wěn)定性會(huì)有所減少,所以在對(duì)大采高液壓支架進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候,一定要考慮到重心位置當(dāng)前轉(zhuǎn)變過程中對(duì)于支架自身穩(wěn)定性所產(chǎn)帶來的影響。

圖1 ZF15000/28/52 支架梁端距曲線

4 結(jié)語

機(jī)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(guó)最先進(jìn)的洞采技術(shù)的研究取得了重要進(jìn)展。廣泛地推廣和應(yīng)用于開采懸臂的整套全機(jī)械化設(shè)備和技術(shù)成為了我國(guó)高效開采厚煤層非常重要的開采方式。頂煤懸臂當(dāng)前開采技術(shù)使用的范圍持續(xù)提升，已經(jīng)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。