基于支架与围岩耦合关系的支架适应性评价方法

王国法，庞义辉，2

(1．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京　100013;2．煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京　100013)



基于支架与围岩耦合关系的支架适应性评价方法

王国法1，庞义辉1，2

(1．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013;2．煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京100013)

摘要:基于支架与围岩的动态失稳规律，分析了支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合关系，建立了以支架与围岩适应性综合指数为核心的评价模型，研究了评价指标的获取方法及评价流程。研究结果表明:顶板来压形成的冲击动载荷由顶板岩层自重及顶板运移空间共同影响，通过提高顶板来压前支架、直接顶、底板的组合刚度可促使基本顶断裂位置向采空区移动，降低顶板对支架的冲击，利用三维立体防护装置维护支架自身稳定是支架与围岩保持动态平衡的关键。针对不同煤层赋存条件对围岩控制效果的要求，确定各评价指标的优先关系系数矩阵，采用模糊综合判断矩阵计算支架与围岩适应性综合评价指数。通过分析支架对围岩适应性评价结果，有助于进行支架改进优化设计。

关键词:支架与围岩耦合关系;评价指标体系;支架姿态监测系统;支架与围岩适应性综合指数

王国法，庞义辉．基于支架与围岩耦合关系的支架适应性评价方法［J］．煤炭学报，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

液压支架与围岩关系是液压支架设计的理论基础，同时也是检验工作面顶板控制效果的理论依据。目前，国内外研究学者对顶板岩层的破断规律进行了大量研究与实践，取得了一批重要的科研成果［1－4］。钱鸣高院士经过多年的科研实践，提出了岩层破断的“砌体梁”理论，分析了顶板岩层控制的“关键层”力学模型，研究了支架与围岩的相互作用原理，分析了顶板岩层的“给定变形”状态，认为顶板的最终回转下沉量与液压支架的工作阻力无关［5－7］。宋振骐院士基于大量的现场实测分析，建立了以岩层运动为中心的“传递岩梁”力学模型，分析了顶板岩层的“限定变形”状态，认为液压支架可以改变基本顶的活动状态［8］。侯忠杰教授建立了浅埋煤层“支架－围岩”关系模型，分析了浅埋煤层顶板运移规律［9－10］。闫少宏研究员提出了大采高综采顶板短悬臂梁－铰接岩梁结构模型，研究了大采高工作面液压支架合理工作阻力的确定方法［11］。缪协兴教授研究了充填开采矿压控制原理及支架受力分析，得到了计算支架主动力作用引起的采场顶板变形位移曲线的解析解［12］。大量科研工作者利用矿山压力监测仪器，对煤炭开采过程中顶板的下沉量、超前支承压力分布、支架载荷变化等进行了实测研究，得出了计算支架合理工作阻力的经验公式［13－14］。

以往支架与围岩相互作用关系的研究成果主要分析了支架工作阻力与矿山压力的相互作用关系，忽视了支架与围岩不同介质的刚度与稳定性对围岩控制的影响;支架适应性研究也主要集中于支架工作阻力对矿山压力的适应性，缺少统一标准与规范的适应性评价流程。本文通过分析支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合关系，建立了以支架与围岩适应性综合指数为核心的评价模型，可实现支架对围岩控制效果的综合评价，指导支架进行改进设计。

1　支架与围岩耦合关系

基于围岩动态断裂失稳规律，分析支架与围岩不同介质的力学特性，充分反映支架与围岩之间的强度、刚度和稳定性关系，将支架与围岩耦合关系细分为强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合。

1.1支架与围岩的强度耦合

支架与围岩的强度是指支架与围岩岩体抵抗破坏的能力。由于煤层开挖导致地应力场重新分布，引起围岩岩体发生强度失稳，破断的围岩岩体对支架产生冲击作用力，而液压支架通过对围岩岩体的主动承压和被动让压，促使支架与围岩系统形成动态的平衡。合理的支架初撑力与支护强度虽然不能改变围岩岩体最终的破断失稳状态，但可以影响围岩岩体的破断时间与过程。

围岩岩体发生破断失稳形成对液压支架的作用力主要由两部分组成，如图1所示:①岩体在自身重力及上覆岩层压力作用下发生回转或滑落失稳形成的冲击力;②由于地应力将岩体压缩形成的弹性变形能释放的冲击力。浅埋深、中等埋深围岩岩体破坏失稳形成对液压支架的作用力通常主要以第1种作用力为主，而深部开采地应力异常区则有可能引发以第2种作用力为主的强大冲击破坏力(如冲击地压)，通常这种作用力是液压支架难以承受的，需要采取特别的处理措施，因此，这里主要分析以第1种作用力为主的围岩岩体与支架的强度耦合关系。

图1　围岩失稳形成的作用力Fig.1　Stress result from wall rock failure

基本顶的强度影响基本顶的断裂步距，决定了基本顶及随动岩层的自重;直接顶的强度影响直接顶的碎胀系数，决定了基本顶回转或滑落的运动空间，2者共同影响基本顶来压时动载荷的大小。

支架的支护强度与结构件强度应能满足顶板动载冲击的要求，并通过降低顶板下沉速度、改变动载荷作用位置来影响、降低动载荷对支架的冲击;同时利用支架对顶板的主动初撑力、护帮板的主动护帮力改变煤壁的受力状态，抑制煤壁片帮，适应煤体强度的要求;通过调整支架四连杆结构参数，优化支架底座比压分布状态，设计抬底座装置等，适应底板强度的要求，支架与围岩强度耦合关系如图2所示。

1.2支架与围岩的刚度耦合

支架承受围岩载荷的最危险状态为顶板来压时形成的动载冲击，而基本顶的断裂位置将直接影响冲击载荷对支架的作用点［15－16］。由于工作面基本顶为类似刚体，煤层底板、支架、直接顶均为可压缩的损伤破碎体，这3者之中任何一个刚度发生变化都将影响基本顶的断裂位置，因此单独分析煤层底板、支架或直接顶的刚度不能反映支架对基本顶的控制效果，但是这3者的组合刚度将直接影响基本顶的断裂位置，如图3所示。

假设工作面正常推进至C－D位置时，基本顶发生断裂，由于支承压力峰值前方的底板、煤体、顶板为不可压缩的类刚体，基本顶断裂位置一般位于煤壁前方［15］，断裂位置为A点，此时支架位于断裂岩层的正下方，将承受较大的冲击动载荷。若工作面煤层底板、支架、直接顶为纯刚体(相当于支承压力峰值前方不可压缩的底板、煤体、顶板岩层)，且在移架过程中直接顶不发生下沉，则此时基本顶的断裂位置将偏移至B点，即相当于支架推进至E－F时基本顶才发生断裂，此时基本顶载荷的作用点将偏移至采空区，顶板断裂形成的冲击载荷将主要作用于采空区冒落的矸石上，支架承受基本顶动载冲击的作用将明显降低(直接顶－支架－底板的组合刚度虽然不能改变基本顶的断裂位置，但是可以影响基本顶断裂时与支架的相对位置)。因此，提高工作面来压前支架、直接顶、底板的组合刚度，将有助于促进顶板断裂位置向采空区移动，降低顶板来压对支架的影响及作用时间。

图2　支架与围岩的强度耦合关系Fig.2　Coupling of strength between shield and roof strata

图3　支架与围岩的刚度耦合关系Fig.3　Coupling of stiffness between shield and roof strata

1.3支架与围岩的稳定性耦合

对于大倾角、急倾斜、俯采、仰采等特殊开采条件，由于工作面具有一定的倾斜角度，支架不仅需要承受垂直载荷，还要承受较大的倾斜载荷，自身稳定性差，并且顶板易发生滑落失稳，煤壁易发生片帮失稳，底板易出现底臌、滑移失稳，支架与围岩动态平衡系统极易发生“多米诺骨牌效应”，导致重大灾害事故［17－19］，支架与围岩稳定性耦合关系如图4所示。

图4　支架与围岩失稳分析Fig.4　Analysis of losing stability

通过分析围岩动态失稳运移规律，研发了“自撑—邻拉—底推—顶挤”刚柔并济的三维立体防护装置及方法，通过对支架进行结构、参数优化设计，以维持支架自身稳定性为前提，适应并影响围岩动态失稳是关键，实现支架与围岩的动态平衡为最终目的，维护工作面安全作业空间。

支架与围岩的强度、刚度、稳定性3者并不是相互独立的，而是相互影响、相互制约的。合理的支架初撑力与工作阻力不仅能够使支架保持一定的刚度，有效控制顶板下沉量，而且可以通过主动让压(改变刚度)来降低顶板对支架的破坏，而支架与围岩的刚度则是系统保持稳定的基础，只有支架与围岩系统保持稳定，支架的初撑力与工作阻力才能充分发挥作用，促使支架与围岩系统处于动态的平衡中。

2　支架适应性评价指标体系

基于支架与围岩的耦合关系，将支架与围岩系统细分为支架与围岩的强度耦合子系统、刚度耦合子系统、稳定性耦合子系统，采用AHP方法构建了以支架与围岩适应性为核心的评价指标，如图5所示。

图5　支架与围岩适应性评价指标Fig.5　Adaptability evaluation index system for shield and surrounding rocks

其中，支架与围岩的刚度适应性指数、强度适应性指数的下属指标值均可通过常规矿压观测和现场统计方法获得，而稳定性适应指数下属指标值则很难获得。

为了获取支架与围岩的稳定性适应指数下属指标值，研发了支架姿态实时监测系统，通过在支架顶梁、连杆、底座安装倾角传感器、压力传感器和位移传感器，实时监测支架载荷状态，利用支架结构位置优化算法，便可测得支架姿态的绝对值。

由于工作面在倾向和走向均有一定角度，且随着工作面推进而不断发生变化，支架姿态的绝对值并不能反映支架对工作面倾角的适应性，需要获得支架与工作面倾角的相对值。为了获得支架姿态与工作面倾角的相对值，在支架前方对应的刮板输送机处安设倾角传感器，监测工作面倾角的变化。利用支架移架之后测得的支架姿态值与推移刮板输送机之前测得的工作面倾角值进行对比，便可获得支架对工作面姿态的相对值，如图6所示。

图6　传感器位置布置Fig.6　Sensor location arrangement

3　基于模糊一致矩阵权重的确定

由于不同工作面煤层赋存条件差异很大，为保证评价结果的客观性、实用性，在进行支架适应性评价之前，应对煤层赋存条件与开采技术参数进行分析，明确支架对围岩的控制效果要求，排除工人操作失误、支架制造质量等因素影响。

由于不同煤层赋存条件下支架对围岩的控制重点也不一样，因此需要针对不同煤层赋存条件进行评价指标的优先关系排序，确定评价指标的优先关系系数，建立模糊优先关系系数矩阵:

其中，bij为指标ui对uj的优先关系系数，可用下式计算:

对B矩阵进行改造可得矩阵R:

利用方根法确定各项指标对应的优度值，作为各指标对应的权重。

式中，Si为各项指标对应的优度值，i=1，2，…，。

4　基于FCE方法构建判断矩阵

采用清晰集合构造模糊集合方法确定支架适应性评价指标的隶属度，假设A1，A2，A3，…，An为n个任意的清晰集合，从其中任意取出 k(k=1，2，3，…，n)个集合进行求交集，共存在个交集，这个交集的并集为Bk，用k/n与Bk的乘积得到一个模糊集合Bkk/n，其隶属函数为

通过采用矿山压力观测、支架姿态监测系统及现场记录统计方法，获得整个工作面推进过程中各评价指标的实测值，根据前期确定的支架对围岩的控制效果要求，采用专家评议的方法对各评价指标进行打分，并进行求解及归一化处理。

进行支架对围岩适应性的模糊综合评价，计算支架适应性模糊综合评价结果集:

基于支架与围岩适应性评价等级，确定支架与围岩适应性综合指数评价集:U={很适应，适应，一般，不适应}={＞90，75～90，60～75，＜60}，计算可得支架适应性评价值如下:

式中，T为支架与围岩适应性综合指数评价值;UT为支架与围岩适应性综合指数评价集对应的分数向量。

通过对支架适应性评价结果进行分析，发现支架与围岩适应性较差的部分，分析原因并进行支架改进优化设计。

5　结　　论

(1)将围岩岩体破断失稳形成对支架的作用力细分为顶板岩层滑落或回转失稳形成的作用力、岩体弹性变形能释放的冲击力两部分，合理的支架初撑力与工作阻力不仅能够满足顶板来压的要求，还可以通过维持支架与围岩具有一定的刚度来影响顶板载荷对支架的作用，而支架与围岩系统的稳定性则是支架支护强度充分发挥作用的前提，最终实现支架与围岩系统的动态平衡。

(2)基于支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合作用关系，采用AHP方法构建了以支架与围岩适应性综合指数为核心的评价指标，研发了支架姿态监测系统，可有效获得各评价指标的实测值。

(3)通过建立评价指标的模糊优先关系系数矩阵，以评价指标对应的优度值作为指标权重，采用FCE方法构建了支架与围岩适应性评价矩阵，通过对支架适应性评价结果进行分析，可以指导支架进行改进设计。

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中图分类号:TD32

文献标志码:A

文章编号:0253－9993(2016)06－1348－06

收稿日期:2015－09－16修回日期:2015－10－16责任编辑:许书阁

基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2014CB046302);青年创新基金资助项目(2016QN007)

作者简介:王国法(1960—)，男，山东文登人，研究员，博士生导师。Tel:010－84262109，E－mail:wangguofa@tdkcsj．com。通讯作者:庞义辉(1985—)，男，河北保定人，助理研究员。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