侯亚斌

（霍州煤电集团吕临能化有限公司庞庞塔煤矿，山西 临县 033299）

1 大采高综放工作面支架围岩耦合关系

综采与单一煤层在进行开采上的围岩性质存在的差别主要集中，在大梁上方具有一层上部煤层，该上部煤层已被前支撑压力破坏，强度较低。这种顶部煤的出现不断提升了直接屋顶当前的厚度，并且使得直接屋顶当前的整体机械性能产生变化。所以，在上覆岩层和其在站台中所产生的载荷通过直接顶板和上部煤层转移到大梁时，这会导致大梁和围岩当前的机械系统特性产生转变。伴随着特厚煤层综放开采其在地表上的压力，上部煤层以及直接顶板具有不可忽视的作用，减少基础顶起到的积极作用。

1.1 大采高综放顶煤破碎规律

煤层厚度的提升主要受顶煤的重量以及负载向基本顶和直接顶板的转移影响。因为基础屋顶的载荷属于给定的变形状态载荷，所以基本上确定了基础屋顶的旋转角度。在它通过直接顶板传输之后，旋转角和上部煤的降低程度也从根本上确定并定期变化。这个时候，顶层煤仍然处在破碎以及较为严重的一种受损的情况，能够将其确认为塑性体。传递至工作面支撑的过载取决于其在过载作用下可能出现的变形量。

1.2 直接顶的垮落

在顶煤和基本顶组成的机械系统中，上方煤的强度以及刚度都要比直接顶其自身的强度以及刚度产生影响，而直接顶当前的强度与刚度要比基本顶低。所以，顶板基础运动导致的煤壁前部的一种强支撑压力，不但能够让强度以及刚度最小的上层煤向采空区出现相对较大的一种垂直变形以及水平运动，并且能够让强度以及刚度减弱。刚度直接能够被使用在基础顶以及顶煤一致的影响下，顶板在煤壁之前特定区域中出现破裂，并构成一系列下降步骤。在梁上方，顶煤由于其自身的重量以及释放上层煤时顶煤砌块的作用而在破裂后坍塌。

直接顶板的塌陷和上部煤层的塌陷一起形成了支撑载荷的一种“给定载荷”部分。一般会认为，直接顶板当前的周长不能够构成能够填充煤炭开采空间的一种结构顶板。按照这样的一种标准，某矿特厚煤层其顶板厚度也会极大地提升。因此，首先需要对直接上侧厚度的范围进行确认。直接顶板当前的厚度是可以填充采煤空间的岩石层，它与两个参数有关[1-2]：一个是采煤层的厚度，另一个是顶板的破裂系数。在上部煤洞地区，上部煤洞前后的直接顶板厚度是不同的。因此，岩石压力的发生是上煤洞前后的差异。

直接顶整体厚度公式为：

式中，n 属于采空区当前已经冒落的岩层数；Mi则代表的是已经冒落的岩层的厚度；h 则属于煤层当前的采出厚度,考虑机采的高度以及顶煤当前的采出率,h=hj+hfk,hj为机采高度；hf为放顶煤的高度；k 为顶煤的回采率；KA为当前已经冒岩层的碎胀系数；SA为基础顶下处于岩梁触矸位置的沉降值。

以某矿井作为例，在厚煤层大采高综采的开采情况下，顶板针对工作面支架起到的作用其中包含了两个基础部分：自身产生的载荷重量，因为此时无法填充采空区一侧的煤。并且直接顶板下的煤层具有较大的膨胀和收缩，因此在破坏直接顶板后，它将无法在单个吊杆状态下形成结构并将其自身的重量顶煤；荷载作用在顶煤。直接顶板起到的作用仍然还需要对上部煤穴之前和之后产生的差异进行分析。在当前工作面进行开采的过程中，顶煤并不会出现破裂的情况。在这种情况下，顶板运动等同于一次采全高。随着开采煤层厚度的不断减少，开采区域被完全填满，岩石层的影响小。开始放出顶煤后，取决于工作区域，在16 m 以上的顶煤回采率达到75%[3]。填充系数为1.4，达到直接顶板的厚度超过40 m。现场观察到，直接顶板分为三个塌陷，即直接顶板可以被分成三层，厚度保持在10～15 m。

1.3 基本顶的断裂和垮落

在对于很多上部煤工作面在当前地下压力进行观测的结果可以看出，在基本顶上的初始压力之前，在煤壁前的一定区域内发生了回弹情况。伴随着当前工作面的前进，基础顶一般会在工作面其煤壁之前出现破裂，同时还会在工作面之后产生塌陷。主要原因是在完成上部煤体开采的过程中，上部煤体的刚度低，后者是弃渣场的支点。在基本高压之前，在煤壁前面的某一个位置会出现回弹问题，但随着工作的不断推进压力也会随之减小。在工作表面在适当范围中与煤壁靠近的时候，煤体压力增加。如果折断处在工作表面前方的某个点，则基本顶已完全折断。此时，在断裂线之前和之后的煤体的压力略微波动，并且在工作表面附近的煤壁中的压力梯度增加。

2 基于支架围岩耦合模型的支架参数优化

大梁和围岩的耦合模型需要对围岩当前的动力特性加以考虑。因为大梁和围岩彼此之间具备的相互作用和围岩当前的沉降，裂缝和其他变化在形状上传递给大梁，响应结果以力和力矩的形式传递给围岩，围岩会改变其塌陷特性以及应力场和应变场的分布。通过检查围绕载体的岩石的耦合模型，可以用来计算以及完成对载体参数的优化，通过这样的方式载体当前的机械性能以及效果加以理解。

针对支架围岩耦合模型当前的支架参数给予优化需要将支架的顶梁长度和支架中心距以及其中最大的以及最小的高度等多种结构参数将其当成是优化的变量，并将顶板应力上的分布和支架前端底板之间的比压等围岩力学状态设置为优化的一种目标函数。

在进行优化计算之前，应首先选择支撑的框架类型，并应将支撑的相关参数确定成为一种函数优化之后的自变量。然后在对其进行计算过程中需要设置目标优化的函数去完成计算，结果收敛等出于稳定值，是一个合理的优化结果。对于某矿，当在12～20 m的超厚煤层中掏空上层煤时，上层煤的厚度大，悬臂空间大，且活动范围大。屋顶增加，梁与屋顶之间彼此作用产生的一种合力提升[4]。作用点产生较大的转变。按照这一矿大采高综放区在地下压力上的观察，在顶板循环其产生压力的过程中，后柱以及前柱产生的阻力也在不断的产生。所以，挑选四柱正方型煤溶洞顶部支架将其当成是支撑架类型能够非常好的与这样一种压力规律保持一致。

通过针对支架围岩耦合在支架参数进行优化，完成当前支架核心技术特征参数的确认:支架当前最大的高度需要达到5 200 mm，支架当前最小的高度处于2 800 mm，顶梁的长度需要保持在5 615 mm，支架中心产生的距离为1 750 mm，顶梁柱冒和底座柱窝中心所处在的水平距离为402 mm，最初的撑力为12 818 kN，支护强度则达到了1.38 MPa[5]。

3 大采高放顶煤支架整体结构三维动态优化

完成支架整体在进行完成参数的设计后，可以选择3D CAD 软件去对于支架具体的结构进行设计并创建3D 虚拟原型，以执行动态的干涉检查并完成连杆优化，重心求解以及进行有限元的分析，并不断地完成软件的优化，对于虚拟原型进行支持不仅能够减少短产品设计周期同时还能够减少实验需要付出的成本。这是支架设计过程中不能够忽视的一步。

在进行底座的三维组件的有效组装之后，需要对其彼此产生的约束以及运动关系进行再次的确认，同时让其能够按照设定好的方式以及轨迹进行运动。在顶梁和屏蔽梁之间的销钉，连杆和屏蔽梁与基座之间的销钉上增加了旋转限制；在立柱的柱头与顶梁和基座的柱承窝之间增加了同心限制；在外圆柱体，中间圆柱体和色谱柱的可移动色谱柱之间施加压力。限制移动，以使列沿其中心线延伸或缩回。根据列的实际移动，将列定义为驱动其他组件移动的原始移动器。支架的最低位置和最高位置是机芯的起点和终点。

在完成底座的三维组件的组装后，需要对其彼此具备的约束以及运动关系重新联系，并使其适应预定的形式以及预定的轨迹完成运动。在顶梁和屏蔽梁之间的销钉，连杆和屏蔽梁与基座之间的销钉上增加了旋转限制；在立柱的柱头与顶梁和基座的柱承窝之间增加了同心限制；在外圆柱体，中间圆柱体和色谱柱的可移动色谱柱之间施加压力。限制移动，以使列沿其中心线延伸或缩回。根据列的实际移动，将列定义为驱动其他组件移动的原始移动器。支架的最低位置和最高位置是机芯的起点和终点。

以底座前端ACS0 作为坐标系的参照，重心ACS1 需要在x-y 平面中的转变曲线详见图1 所示。支架其在接近高位置的时候其核心转变的情况比较剧烈,产生这种特点在当前大采高液压支架上变得十分明显。出于对支架出于高位的时候自身的稳定性会有所减少,所以在对大采高液压支架进行设计的时候,一定要考虑到重心位置当前转变过程中对于支架自身稳定性所产带来的影响。

图1 ZF15000/28/52 支架梁端距曲线

4 结语

机械采矿高度超过3.5 m的悬臂开采被称为具有较高采矿高度的悬臂开采。在过去的10 年中，我国最先进的洞采技术的研究取得了重要进展。广泛地推广和应用于开采悬臂的整套全机械化设备和技术成为了我国高效开采厚煤层非常重要的开采方式。顶煤悬臂当前开采技术使用的范围持续提升，已经从5～9 m的中硬煤层至“三软”以及硬煤悬臂煤，并不断地拓展到超厚顶煤开采煤层超过10 m。