放煤過程中液壓支架頂梁動態載荷演化特征試驗研究

摘要：接觸式煤矸識別需要研究綜放開采液壓支架頂梁承載特性，但現有研究大多重點關注放煤前后的支架承載特性或在給定載荷情況下支架的力學響應特征，忽略了對放煤過程中載荷變化的深入探究。針對上述問題，搭建了放頂煤支架動態載荷相似模擬試驗平臺，借助散體顆粒模擬破碎煤矸塊體，反演了綜放工作面放煤過程，利用薄膜壓力傳感器采集支架頂梁壓力，分析了放煤過程中頂梁動態載荷演化特征。試驗結果表明：① 頂煤的放出對支架頂梁載荷產生了較為明顯的影響，即隨著頂煤放出，支架頂梁載荷整體呈先增大后減小最終穩定的演化規律。② 沿頂梁長度方向，支架頂梁距離掩護梁越遠的位置受頂煤放出的影響越小，主要表現在距離掩護梁越遠，頂梁載荷峰值相較初始值的增幅越小，且達到載荷峰值所需的時間越長。③ 沿頂梁寬度方向，由于頂煤的放出過程受到了約束邊界或流動過程不均衡性的限制，頂梁不同位置的載荷峰值具有差異性，頂梁載荷峰值相較初始值的增幅最大值達到了最小值的2.4 倍。

關鍵詞：綜放開采；煤矸識別；放頂煤；液壓支架頂梁；動態載荷；相似模擬；壓力傳感器

中圖分類號：TD355.4 文獻標志碼：A

0 引言

煤炭是我國能源安全的壓艙石，厚煤層儲量和產量分別約占煤炭總儲量和總產量的45% 和50%，是保障煤炭供給的主力煤層[1]。綜放開采是厚煤層的主要開采方法之一，但在目前的生產實踐中仍常以“耳聽”、“目測”等主觀決策方法作為停止放煤的判斷依據[2]，導致普遍存在頂煤放出率低、含矸率高等問題[3]， 制約著綜放工作面智能化改造與升級。為實現對放煤過程的精準控制，射線[4-5]、視覺[6-7]、振動[8-9]、聲音[10-11]、紅外光譜[12-13]等被用于放煤過程中的煤矸識別。上述方法大都采用非接觸式探測手段，即傳感器不與被放出的煤矸塊體直接接觸，導致信號采集精度和效率極易受井下惡劣環境影響。放煤過程中，支架與被放出煤矸塊體直接接觸，煤矸塊體的運動受到支架頂梁、掩護梁及尾梁所組成邊界的限制[14-15]，且整個放煤期間相較掩護梁和尾梁，頂梁與頂煤之間的接觸狀態比較穩定。因此，可通過研究放煤過程中支架頂梁動態載荷演化特征，為基于支架頂梁載荷的接觸式煤矸識別方法提供新的思路。

圍繞綜放開采液壓支架承載特性，眾多學者開展了大量研究工作。劉長友等[16]采用現場實測的方法，分析得出放煤后液壓支架頂梁載荷的平均值較放煤前顯著降低。Song Zhengyang 等[17]采用數值模擬的方法，研究了放煤過程中支架所受垂直載荷演化規律，得出在煤矸流場影響下，支架所受垂直載荷具有明顯的先減小后增大的變化規律。YangYang 等[18]監測了放煤過程中后尾梁油缸壓力，并將其作為放煤過程煤矸識別信號源。覃洪雨[19]構建了支架外加載機液聯合仿真模型，優化了支架薄弱區域的承載結構，分析了液壓支架在常規姿態和非常規姿態（高架低用）且背壓工作時的受力狀況。袁祥[20]基于空間載荷對稱理論，耦合位姿感知模型，建立了液壓支架的二維空間負載特性感知模型，分析了頂梁?直接頂摩擦因數、立柱工作阻力及平衡千斤頂工作阻力等因素對支架負載的影響機制。李宏揚[21]采用動力學仿真方法，分析了液壓支架頂梁在不同形式面載荷下的應力變化情況。上述研究大多重點關注放煤前后的支架承載特性，或在給定載荷情況下分析支架的力學響應特征，忽略了對載荷變化過程的分析。

本文采用相似模擬試驗的方法，借助散體顆粒模擬破碎煤矸塊體，反演綜放工作面的放煤過程，利用薄膜壓力傳感器實時采集支架頂梁壓力，分析頂煤放出過程中支架頂梁動態載荷演化特征。

1 試驗平臺

為模擬放煤過程，按幾何相似比1∶10 搭建放頂煤支架動態載荷相似模擬試驗平臺，如圖1 所示，該平臺主要包括顆粒箱體、液壓支架模型和壓力信號采集系統。

顆粒箱體由13 mm 厚有機玻璃組成，用于放置散體顆粒。箱體下部為6 mm 鋼板制成的液壓支架模型，主要包括頂梁、可調節角度的掩護梁、尾梁。尾梁與箱體下部閉合，防止散體顆粒在放煤開始前漏出，通過控制尾梁的旋轉來模擬放煤口的開關。

壓力信號采集系統由薄膜壓力傳感器及采集器組成。將薄膜壓力傳感器鋪設于支架頂梁上方，實時監測頂梁壓力。采集器選用FPS01W?C 型無線通信壓力分布測量儀（數據采集頻率可達100 Hz），實時采集傳感器監測的頂梁壓力。薄膜壓力傳感器如圖2 所示， 紅色虛線框內為測試區域， 尺寸為15 cm×15 cm，包含256 個壓力測點，單測點量程為500 kPa，尺寸為7.5 mm×7.5 mm，按16 行×16 列矩陣排列，每個測點均可單獨輸出壓力變化曲線。