液压支架与围岩耦合关系及应用

王国法;庞义辉

【摘 要】基于“砌体梁”理论力学模型,对支架所受顶板岩层载荷进行分类,采用理论分析方法对支架与围岩耦合作用关系进行研究,提出支架与围岩之间存在刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合关系,并分析了酸刺沟煤矿大采高综放液压支架失稳破坏原因.认为顶板动载荷主要受破断基本顶岩块与随动岩层自身质量、回转空间共同影响,直接顶(含顶煤)-支架-底板的整体刚度可以影响基本顶的断裂位置,从而降低基本顶来压对支架的作用力与作用时间;合理的支架支护强度可以降低顶板下沉量与下沉速度,减轻顶板动载冲击对支架的影响,支架支护强度还对底板及煤壁片帮冒顶产生影响;支架自身稳定性及对围岩失稳的适应性是支架-围岩系统稳定性耦合的关键.

【期刊名称】《煤炭学报》 【年(卷),期】2015(040)001 【总页数】5页(P30-34)

【关键词】液压支架;围岩;刚度耦合;强度耦合;稳定性耦合;适应性分析 【作 者】王国法;庞义辉

【作者单位】天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京100013;天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京100013 【正文语种】中 文 【中图分类】TD353

责任编辑:常 琛

王国法,庞义辉.液压支架与围岩耦合关系及应用[J].煤炭学报,2015,40(1):30-34. doi:10. 13225/j. cnki. jccs. 2013. 1704

Wang Guofa,Pang Yihui. Relationship between hydraulic support and surrounding rock coupling and its application[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(1):30-34. doi:10. 13225/j. cnki. jccs. 2013. 1704

工作面液压支架作为依托底板、支护顶板、防护煤壁以维护工作面安全生产空间的结构物,并不是孤立存在的,而是始终处于与围岩的相互作用、相互制约的动态平衡体系中,符合不同介质耦合作用关系。

目前,国内外研究学者对工作面上覆岩层运移规律进行了大量研究,钱鸣高院士提出了“砌体梁”结构力学模型,研究了支架工作状态与控顶效果的关系,认为基本顶断裂岩块的最终回转变形值与支架工作阻力无关,即液压支架不能改变基本顶的回转变形量,基本顶岩层始终处于“给定变形”状态[1-3];宋振

骐院士提出了“传递岩梁”力学模型,分析了工作面顶板岩层运移破断规律,认为支架可以改变基本顶的活动状态,即存在支架对基本顶的“限定变形”[4-5]。在支架-围岩相互作用关系研究方面,发现了液压支架工作阻力与顶板下沉量呈类双曲线规律,确定了液压支架主要处于“给定载荷”、“给定变形”和“限定变形”3种受载状态,得出了液压支架工作阻力计算方法及影响因素,为液压支架优化设计提供了理论依据[6-12]。

以往的大量研究成果均主要以顶板运移破断规律为主,对采场矿压理论发展起到了重要推动作用,但是忽视或淡化了液压支架对顶板运移破断规律的影响。笔者通过对支架所受载荷进行分类分析,研究了支架与围岩耦合作用关系,为液压支架设计优化提供理论依据。

力的三要素主要包括大小、方向及作用点。经过多年的探索与科研实践,目前对不

同地质条件下支架承受载荷的大小、方向及作用点有了一定认识,但仍然还不能准确掌握,由此制约了支架-围岩耦合关系的发展。通过对支架所受力源及特点进行分析,可将顶板施加于支架的载荷形式分为两大类:①静载荷;②动载荷。液压支架为维护工作面安全作业空间做出的响应方式也分为两大类:①主动承压;②被动让压。支架所受载荷分类及作用关系如图1所示。

以往大量生产实践发现:支架发生压死、顶梁断裂等安全事故主要由顶板岩层的动载荷引起,而动载荷的大小主要受破断基本顶岩块与随动岩层自身质量、回转空间共同形成的动载冲击影响,其产生原因是多方面的,主要是由于支架-围岩耦合作用的动态平衡被打破,支架破坏失稳导致围岩失控,但是绝不能简单地认为只是由于支架工作阻力不足造成的。

支架对顶板的支撑力主要分为初撑力(主动支撑力)和工作阻力(被动支撑力),合理的工作阻力可以保证支架既具有一定的刚度和强度,又具有一定的可缩性,从而最大程度利用顶板岩层的自承能力。充足的支架初撑力可以防止顶板岩层发生离层,降低顶板岩层断裂回转产生的动载荷。

支架-围岩动态平衡系统中,围岩变形失稳对系统的稳定性起主导作用,支架通过主动调整受力状态可以最大程度的适应并影响围岩运动,保护工作面安全作业空间,液压支架既要有一定的刚度,又要有一定的强度及稳定性,因此,笔者提出支架-围岩耦合关系可分为刚度耦合、强度耦合与稳定性耦合。 2.1 支架-围岩刚度耦合分析

一般将基本顶视为可发生滑落、回转失稳的刚性体,直接顶(含顶煤)视为可发生挤压变形的损伤破碎体,液压支架则视为具有一定刚度的弹性体,直接底板也视为可发生挤压变形的损伤破碎体,采空区冒落的矸石则视为可压缩的损伤破碎体,支架-围岩系统刚度耦合模型如图2所示(D为可压缩的损伤破碎体)。

根据支架载荷分类可知,支架的最危险受力状态为动载冲击,动载荷的大小主要与破

断的基本顶岩块和随动岩层的质量、回转或滑落空间有关。在一定地质条件下,断裂的基本顶和随动岩层的质量为定值,根据“砌体梁”理论,基本顶的回转空间为“给定变形”,主要受开采高度、采空区矸石厚度及刚度影响。直接顶(含顶煤)-支架-底板的组合刚度既不能改变基本顶的“给定变形”,又不能改变基本顶岩层质量,但可以影响基本顶的断裂位置,如图3所示。 由于工作面前方的顶板-煤体-底板为类刚体,

一般基本顶的断裂位置位于工作面煤壁前方[15]。由于直接顶、底板均为可压缩的损伤破碎体,单纯分析支架自身刚度意义不大,应分析直接顶(含顶煤)-支架-底板的组合刚度。假设直接顶(含顶煤)-支架-底板系统为不能发生变形的纯刚体,则基本顶的断裂位置由图3中的A点偏移至B点,即提高直接顶(含顶煤)-支架-底板系统刚度可以使基本顶断裂位置向采空区偏移,降低基本顶回转施加于支架的载荷,将矿山压力甩入采空区。

假设正常情况下工作面推进至C—D位置,基本顶发生断裂,断裂位置位于A点,则相当于直接顶(含顶煤)-支架-底板为纯刚体时工作面推进至E—F位置基本顶才发生断裂,由于基本顶断裂位置位于支架的中后部,此时支架很快便可脱离基本顶断裂回转的影响,即提高直接顶(含顶煤)-支架-底板系统刚度可以减少基本顶失稳对支架的影响作用时间。由于支架-围岩系统的刚度主要受直接顶(含顶煤)-支架-底板的组合刚度影响,提高支架初撑力可以压缩底板浮煤和顶板破碎层,防止顶板发生离层,从而提高直接顶(含顶煤)-支架-底板系统的整体刚度,减小顶板下沉量,降低基本顶动载冲击对支架的影响。基本顶发生回转或滑落失稳是不可避免的,支架在基本顶断裂之前,应最大程度地保持较高的刚度,而在基本顶断裂形成动载冲击时还应具有较好的可缩性,即对基本顶形成的动载冲击进行及时让压,适应基本顶变形,利用围岩的自承能力维护开采空间安全。 2.2 支架-围岩强度耦合分析

液压支架强度主要指支护强度和自身结构件发生断裂失稳需要的载荷,而围岩强度主要指基本顶、直接顶及底板在外力作用下达到破坏时的极限应力。通过对支架-围岩系统进行分析,建立了支架-围岩系统强度耦合模型,如图4所示。

基本顶岩层强度决定了基本顶来压步距的大小,即基本顶强度越高,则工作面来压步距越大,反之则越小。顶板来压步距越大,则基本顶与随动岩层质量越大,导致工作面来压时的动载荷越大。直接顶岩层强度决定了直接顶破坏后的碎胀系数,直接顶碎胀系数又决定了直接顶破碎垮落后对采空区的充填效果,从而直接影响破断基本顶岩块与随动岩层发生回转或滑落失稳时的“给定变形”值。

通过分析可知:基本顶强度决定了来压时的载荷,而直接顶强度决定了来压时的载荷运动空间,二者共同决定了顶板来压时冲击动载荷的大小,并对支架支护强度及自身结构件强度提出要求。

基于钱鸣高院士“砌体梁”理论的“给定变形”理论,支架支护强度不足以改变基本顶断裂后的最终下沉量,但可以降低顶板下沉速度,减小顶板急速下沉对支架的冲击,并给工作面向前部推进将矿山压力甩入采空区创造时间。根据刚度耦合分析结果,支架支护强度还可以通过改变支架刚度来影响顶板断裂位置,降低冲击动载荷对液压支架的影响。

工作面底板岩层强度对液压支架底座前端比压值提出要求,底板岩层强度低,则要求支架底座前端比压值小,以防止支架发生扎底现象。支架底座前端比压主要受支架质量及支护强度影响,其中支架支护强度起主要影响作用,但可以通过对支架结构进行优化、增大底座面积、改变底座形状、增加抬底座装置等措施,提高支架对底板强度的适应性。

工作面静载荷及动载荷较大时,煤体强度较低则易发生工作面煤壁片帮,可适当提高支架初撑力及工作阻力,从而降低煤层顶板(含顶煤)对煤壁的压力,降低工作面煤壁片帮机率。

2.3 支架-围岩稳定性耦合分析

煤层未开挖前,顶板-煤层-底板系统处于稳定状态,煤层开挖打破了原始地应力平衡状态,导致围岩发生动态失稳,尤其是大倾角、急倾斜或俯、仰采煤层,底板破坏后,无需外力,岩体自身应力便能使底板发生底鼓、滑移运动[13],煤壁在顶、底板的挤压作用下易发生片帮失稳,而破碎的直接顶则容易发生顶板冒顶,导致支架不能接顶,在基本顶来压或其他因素影响下极易引发支架倾倒、变形、断裂失稳,如图5所示。 支架-围岩系统失稳的最终表现形式为支护失效导致围岩失控,并由此引发围岩灾害事故。由于顶板、煤壁、底板均处于动态失稳过程,且支架不能改变顶板下沉、底板滑移的最终运动状态,但可以通过对支架结构、参数进行优化设计,从而改变顶板、煤壁、底板发生失稳的过程,最终保证工作面人员、设备安全。支架-围岩系统稳定性耦合的最终目的是通过保证液压支架的稳定性来维护作业空间安全,因此支架自身稳定性及对围岩失稳的适应性成为支架-围岩系统稳定性耦合的关键。 支架-围岩系统稳定性耦合过程中,运动失稳是绝对的,安全控制是相对的,地质条件是前提,支架结构及参数是关键,维护工作面安全是目的。

内蒙古伊泰酸刺沟煤矿开采6上煤层,该煤层位于石炭系上统太原组,煤层厚度6.3~11.8 m,平均9.76 m,结构较复杂,含0~12层夹矸,一般含5层夹矸,煤层倾角0°~5°,煤层埋深170~240 m,直接顶为中粒砂岩、泥岩,平均厚度9.61 m,基本顶为粗粒砂岩,平均厚度26.35 m,底板为灰色泥岩,平均厚度3.65 m。采用大采高综放开采技术,最大机采高度4.0 m,工作面长度245 m,初期采用ZF15000/26/42型放顶煤液压支架,其主要技术参数见表1。

6105 工作面推进至81 m时,发生顶板初次来压,工作面动载冲击十分强烈,造成支架销轴切断、柱窝开裂、顶梁变形、立柱将顶梁穿透、支架压死,引发安全事故。通过对6105工作面支架-围岩耦合关系进行研究,分别从刚度耦合、强度耦合及稳定性耦合对事故原因进行了分析:

(1)支架-围岩刚度耦合分析。

通过对矿压观测资料进行分析,支架前柱平均初撑力为4 626 kN,后柱平均初撑力为3 287 kN,支架初撑力明显偏低;支架拔后柱现象明显,后柱压力经常显示为0,支架有效支护强度低,仅为额定支护强度的50%~60%,导致直接顶(含顶煤)-支架-底板整体刚度下降,顶板下沉量大,基本顶断裂位置向煤壁前部延伸,顶板断裂失稳将相当一部分冲击动载荷通过直接顶(含顶煤)施加于支架,造成支架断裂失稳。液压支架采用单伸缩立柱,支架可缩性差,不能对顶板进行有效让压,导致支架容易被压死。 (2)支架-围岩强度耦合分析。

支架采用整体顶梁四柱支撑掩护型式,对顶板适应性差,前后柱受力不均,有效支护强度低。初次放顶效果差,基本顶悬顶长度大,断裂时基本顶及随动岩层载荷大;顶煤放出量大,直接顶充填效果差,顶板回转空间大。较大的基本顶和随动岩层载荷及回转空间形成了巨大的动载荷,而支架有效支护强度低,导致顶板下沉速度快,下沉量大,支架发生大量压死、变形、断裂。 (3)支架-围岩稳定性耦合分析。

由于煤层倾角小,支架不易发生倾倒失稳,但支架结构及受力状态差,支架初撑力与有效支护强度低,设备管理不到位,架前漏煤严重,煤壁片帮冒顶剧烈,支架与煤壁、顶煤稳定性适应差。

为了解决支架-围岩适应性差的问题,后续工作面采用了ZF21000/25/45D型强力放顶煤支架(表2)。对支架结构及参数进行一系列优化,乳化液泵站压力由31.5 MPa提高至37.0 MPa,支架初撑力

由12 778 kN提高至17 000 kN;操作方式由手动控制改为电液控制,移架方式改用带压擦顶移架,加强支架初撑力管理(电液控制系统可对支架初撑力进行自动补偿),有效提高了直接顶(含顶煤)-支架-底板系统的刚度。

采用双伸缩立柱,提高了支架对顶板来压的让压空间。支架工作阻力由15 000 kN

提高至21 000 kN,并且采用前立柱缸径400 mm、后立柱缸径360 mm型式,提高支架的有效支护强度;加强初次放顶及放煤管理,降低顶板冲击载荷。经过一系列改进,后续工作面没有出现压架事故。

(1)顶板动载荷主要受破断基本顶岩块与随动岩层自身质量、回转空间共同影响,支架主要通过对静载荷主动承压、动载荷被动让压来适应围岩运动,将支架-围岩耦合作用关系分为刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合。

(2)合理的支架初撑力、工作阻力可提高直接顶(含顶煤)-支架-底板的整体刚度,降低顶板下沉量,促使基本顶的断裂位置向采空区移动,减弱基本顶动载冲击对液压支架的影响。

(3)顶板强度决定了冲击动载荷的大小,合理的支架支护强度可以通过降低顶板下沉速度来减弱顶板冲击动载荷对支架的影响,充分发挥围岩的自承能力,支架支护强度还应与底板强度和煤体强度相适应。

(4)围岩发生动态失稳是绝对的,保证支架自身稳定性及对围岩失稳的适应性是支架-围岩系统稳定性耦合的关键。

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