【论文】采场支架刚度实验室测试及顶板下沉量关系.pdf

第 40 卷第 7 期煤炭学报vol 40no 7 2015 年7 月 jounal of china coal societyjuly2015 徐刚 采场支架刚度实验室测试及与顶板下沉量的关系 j 煤炭学报， 2015， 40( 7) : 1485 1490 doi: 10 13225/j cnki jccs 20150220 xu gang experimental and theoretical study on hydraulic support in working face and its relationship with roof subsidence j journal of china coal society， 2015， 40( 7) : 1485 1490 doi: 1013225/j cnki jccs 2015 0220 采场支架刚度实验室测试及与顶板下沉量的关系 徐刚 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 开采设计分院， 北京100013) 摘要: 针对目前采场支架刚度的实测数据较为匮乏的研究现状， 利用 ztn 1 液压支架试验台对 4 种型号支架的线刚度及刚度进行实测分析， 并基于实测结果采用弹性基础板力学理论对支架刚 度与顶板下沉量之间的关系进行研究。结果表明: 支架在增阻过程中是可压缩的， 4 个支架平均线 刚度为 138 538 kn/mm， 平均刚度为 20 3 68 5 mpa/m， 以此推断， 目前支架线刚度范围为 100 600 kn/m， 刚度范围为 10 80 mpa/m; 支架工作阻力越大， 支架刚度越大， 相同工作阻力的四柱 式支架刚度大于两柱式支架; 每个加载循环内支架刚度是惟一的， 与支架所处的工作阻力区间关系 不大; 支架刚度越大， 对顶板下沉量抑制作用越明显; 当支架刚度达到某一临界值， 顶板下沉量趋于 稳定。 关键词: 支架刚度; 线刚度; 顶板下沉量; 支架与围岩; 切顶 中图分类号: td322文献标志码: a 文章编号: 0253 9993( 2015) 07 1485 06 收稿日期: 20150212责任编辑: 常 琛 基金项目: 国家自然科学青年基金资助项目( 51304115， 51174106) 作者简介: 徐刚( 1979) ， 男， 内蒙古商都人， 副研究员， 博士研究生。e mail: xugang tdkcsj com experimental and theoretical study on hydraulic support in working face and its relationship with roof subsidence xu gang1， 2 ( 1 coal mining and designing department， tiandi science and technology co ， ltd ， beijing100013， china; 2 coal mining and designing branch， china coal esearch institute， beijing100013， china) abstract: in terms of the shortage of stiffness measurement data for hydraulic support， by using ztn 1 hydraulic sup- port test bed， four types of support line stiffness and anti- compression stiffness were analyzed also， based on the meas- urement results， by using elastic foundation plate mechanics， the relationship between support stiffness and the amount of roof subsidence was theoretically studied the results show that support is compressible in increasing resistance process， the average line stiffnessrange of the four typesof supports is 138 538 kn/m， and the average anti- compres- sion stiffness range is 20 3 68 5 mpa/m， so the current hydraulic support line stiffness range is about 100 600 kn/m， and the anti- compression stiffness range is about 10 80 mpa/m; the working resistance was bigger， support anti- compression stiffness was bigger when the working resistance is the same， the anti- compression stiffness of four- leg hydraulic supports is bigger than that of two- leg supports in each loading cycle， support stiffness is unique， and has little to do with the working resistance of support at the interval relationship; the support anti- compression stiffness is bigger， inhibitory effect on the roof subsidence is more obvious， when the anti- compression stiffness reaches a critical value， roof subsidence tends to be stable key words: support stiffness; line stiffness; roof convergence; support and surrounding rock; roof cutting 煤炭学报 2015 年第 40 卷 采场支架与围岩关系研究是采场矿山压力理论 的重要课题， 是指导工作面支架选型和顶板控制理论 依据 1 2 。钱鸣高等3 7 建立了采场裂隙带岩体的 “砌体梁” 结构模型， 并提出了滑落失稳和回转变形 失稳 2 种失稳形式， 认为采场支架的受力来自于直接 顶的重量和基本顶运动对支架的作用。宋振骐 等 8 9 认为工作面直接顶以“给定变形” 和“限定变 形” 2 种形式存在， 同时认为对基本顶上位岩梁“给定 变形” 的前提下， 支架对下位岩梁是否进行抵抗以及 抵抗到什么程度， 明显影响着基本顶来压完成时采场 内最大顶板下沉量大小。闫少宏等 10 对大采高综放 工作面顶板下沉量与工作阻力关系进行了探讨。 支架工作阻力变化是支架围岩相互作用的综合 体现， 而支架刚度是建立“支架 围岩” 系统力学模 型以及分析系统整体稳定性的基础指标11 。李鸿昌 等在 20 世纪 60 年代首次在实验室发现了支架工作 阻力与顶板下沉量间呈双曲线关系， 并在现场进行了 验证， 为揭示支架围岩的相互作用关系奠定了基础。 钱鸣高等 12 13 基于关键层理论进一步分析了支架工 作阻力与顶板下沉量双曲线关系的机理。史元伟 等 14 通过观测数据回归出顶板下沉量与支架工作阻 力和系统刚度成反比关系。刘长友等 15 16 认为， 直 接顶的刚度不同使得支架工作阻力与顶板下沉量的 关系发生新的变化， 当直接顶厚度达到一定值时， 两 者呈现非双曲线关系。杨朋华等 17 建立刚度模型， 得出了采高对工作面支架刚度的影响规律。 通过上述查询近 30 a 相关文献发现， 支架工作 阻力变化是描述支架工作状态的瞬时性指标， 而支 架刚度是“支架 围岩” 相互作用过程中分析系统 整体稳定性的永久性指标， 对于分析“支架 围岩” 关系具有更为重要的意义。但目前对支架刚度的 研究更多的局限在理论层面， 实测数据较为匮乏， 从而不能清楚的掌握其确切的大小及范围， 也就不 能够验证“支架为刚性体， 在增阻阶段不可压缩” 这 一被众多学者接受的观点的可靠性， 更不能有针对 性的开展在支架可压缩的情况下对支架刚度与顶 板下沉量关系的研究， 而这些较为严重的制约了我 国采场围岩控制技术的发展。鉴于此， 本文首先采 用实验室试验方法对 4 种不同型号支架的刚度进 行实测分析， 然后基于实测结果采用弹性基础板力 学理论对支架刚度与顶板下沉量关系进行研究， 研 究结果为工作面支架选型及顶板岩层控制提供了 重要的试验及理论依据。 1支架刚度实验室测试分析 支架刚度主要受架型、 立柱缸径、 结构、 钢材型 号、 部件间隙等影响， 计算难度较大， 因此， 采用实验 室测试是较为准确且可行的方法。 1. 1试验支架及平台 本试验测试了 4 种型号的支架， 支架型号和主要 参数见表 1。采用煤炭科学研究总院检测分院 ztn 1 液压支架试验平台， 额定工作阻力为 30 000 kn。 位移和压力数据采集系统采用天地科技股份有限公 司开采设计事业部研制的 kj21 矿压监测系统。 表 1测试支架型号及主要参数 table 1types and main parameters of measured hydraulic supports 支架型号架型工作阻力/kn安全阀开启压力/mpa中心距/m支护强度/mpa zz5200/21/42四柱支撑掩护式综采支架5 200375150085 zfy10000/23/34两柱掩护式放顶煤支架10 000398175095 zf8000/19/38四柱支撑掩护式放顶煤支架8 0003251501. 00 zz13000/28/65四柱支撑掩护式综采支架13 000404175136 1. 2试验原理 通过试验平台对测试支架进行顶梁平衡外加载， 加载载荷从 0 kn 到额定工作阻力， 通过 kj21 系统采 集立柱内乳化液的压力变化和顶梁与底座位移变化， 分析出支架刚度， 如图 1 所示， 支架刚度分为线刚度 和刚度， 支架线刚度表示压缩支架1 mm( 由于压缩量 较小， 单位采用 mm) 工作阻力变化量， 其计算式为 kzl= fk f0 l0 lk ( 1) 式中， kzl为支架刚度， kn/mm; fk 为安全阀开启前压 力， kn; f0为初始加载力， kn; l0， lk分别为初始加载 时和安全阀开启前的顶梁与底座距离， mm。 支架刚度表示压缩支架 1 m 时支架支护强度变 化量， 其计算式为 kz= kzl 1 000s ( 2) 式中， kz为支架刚度， mpa/m; s 为支架控顶面积， m2。 6841 第 7 期徐刚: 采场支架刚度实验室测试及与顶板下沉量的关系 图 1支架刚度实测原理示意 fig. 1measured principle schematic of hydraulic support stiffness 1. 3试验过程和结果分析 支架加载如图 1 所示， 试验过程分为加载增阻 安全阀开启平台卸载 3 个阶段， 具体为试验平台从 0 kn 左右开始加载， 支架增阻， 直到支架安全阀开 启， 加载速率为 1. 3 1. 7 mm/s， 安全阀开启一段时 间后， 平台卸载， 支架立柱压力恢复到0 mpa 左右， 此 过程为 1 个循环， 第 2 个循环重复上述过程， 由于操 作平台所限， 每个架型试验循环次数不同， 最多为 5 个循环， 最少为 2 个循环。试验过程如图 2 所示， 支 架加载立柱压力变化和支架高度关系如图 3 所示， 加 载数据分析结果见表 2。 由此可知: 4 个支架平均线刚度为 137. 8 538 kn/mm， 平均刚度为 20. 3 68. 5 mpa/m， 以此推 断， 目前支架线刚度范围为 100 600 kn/m， 刚度范 围为 10 80 mpa/m; 从加载曲线可以看出， 在增 阻过程中压力曲线和位移曲线基本呈线性增长， 说明 图 2现场测试照片 fig. 2field testing photos 图 3支架加载压力与位移曲线 fig. 3load pressure and displacement curves of hydraulic support 7841 煤炭学报 2015 年第 40 卷 表 2支架刚度计算分析 table 2calculation and analysis of hydraulic support stiffness 支架循环 合计位 移/mm 压强差/ mpa 合计时 间/s 增压过程 时间/s位移/mm 安全阀开启过程 时间/s位移/mm 线刚度/ ( knmm 1) 刚度/ ( mpam 1) 第 1 6933. 79648344835142. 721 zz13000/28/65 第 2 5735. 27953382619134. 920 第 3 8234. 611251376145135. 820 平均69. 334. 595. 750. 736. 345. 033137. 820. 3 第 1 10537. 7195855411051174. 722 第 2 11438. 1254184627052153. 419 zfy10000/23/34 第 3 9337. 222516552604117923 第 4 16941. 061918234297135301. 238 第 5 9438. 3205183634231152. 119 平均11538. 5299. 6159. 853115. 862192. 124. 2 第 1 5533. 71964719493643765 第 2 5033. 00917639151120831 zf8000/19/38 第 3 4733. 7180693811921832 第 4 4633. 40805327271930545 第 5 4631. 18786034181222633 平均48. 833. 00856131. 42417. 4278. 841. 3 第 1 4025. 371299215372554469 zz13000/28/65第 24438. 07906023302153268 平均4231. 72109. 5761933. 52353868. 5 在增阻过程中刚度不随支架工作阻力变化而变化， 在 每个加载循环内支架的刚度是恒定的; 从图 4 可 知， 总体上支架工作阻力越大， 支架线刚度和刚度越 大， 但支架架型也是影响刚度的重要原因， 四柱式支 架刚度大于两柱式支架刚度， 如 zf8000/19/38 支架 刚度大于 zfy10000/23/34 支架刚度， 而前者工作阻 力为 8 000 kn， 后者工作阻力为 10 000 kn。 图 4不同支架刚度对比曲线 fig. 4different hydraulic support stiffness comparative curves 2支架刚度与顶板下沉量关系的理论分析 2. 1顶板 支架 底板系统刚度与支架刚度关系 顶板下沉量主要由顶板载荷和顶板 支架 底 板组成的系统刚度决定， 系统刚度计算式为 1 k = 1 kf + 1 kz + 1 kd ( 3) 式中， k 为系统刚度， mpa/m; kz为支架刚度， mpa/ m; kf为顶板刚度， mpa/m; kd为顶板刚度， mpa/m。 现分析顶板、 支架、 底板 3 者分别对系统刚度的 影响。回采工作面顶底板常见岩石的弹性模量见表 3， 一般岩石弹性模量在8 40 gpa， 顶底板未破坏前时 的刚度8 4 gpa/m， 通过上述测试和分析， 目前支架 刚度范围约为10 80 mpa/m， 顶底板刚度为支架刚度 100 4 000 倍。由式( 3) 可知， 整个系统刚度主要由支 架刚度决定， 顶底板对系统刚度影响较小。 表 3常见煤岩的刚度18 table 3anti- compressive rigidity of common coal and rock18 岩石类别煤页岩砂质页岩软砂岩致密砂岩 弹性模量/gpa2. 45 6. 37 8. 83 22. 615. 7 23. 79. 81 13. 9030. 4 未破坏前刚度/( mpam 1) 2 450 6 3708 830 2 2601 570 2 3709 810 1 3903 040 8841 第 7 期徐刚: 采场支架刚度实验室测试及与顶板下沉量的关系 2. 2支架刚度与顶板下沉量关系 现基于上述的实验室实测数据， 对支架刚度与顶 板下沉量的关系进行理论分析。对于正在推进的长 壁工作面， 若基本顶在工作面前和控顶区没有发生断 裂时， 则形成煤壁前方和工作面上方的无限长弹性基 础连续岩板。工作面前方的基本顶为以没有开采的 煤层为弹性基础半无限长连续板; 工作面后方的基本 顶为以支架为弹性基础的半无限连续板。根据 win- kler 关于地基理论分析， 建立弹性基础板力学关系， 如图 5 所示。 图 5工作面前方和支架上方弹性基础板力学系统模型 fig. 5mechanical system model of elastic foundation plate in front of working face and above the support ( 1) 工作面前方 x 0: ej d4z dx4 = pz kmz( 4) z = pz km + e x ( a1sin x + a2cos x)+ e x( a 3sin x + a4cos x) ( 5) 其中: = 4 km 4 槡 ej ( 6) 式中， e 为顶板弹性模量， pa; j 为顶板惯性矩， m4; pz 为作用在顶板上的力， pa; z 为顶板的竖向位移， m; km 为 winkler 地基系数， pa/m。 ( 2) 工作面上方 x 0: 顶板挠曲量: z = pz k + e x( b 1sin x + b2cos x)+ z0 ( 7) = 4 k 4 槡 ej ( 8) 式中， z0为煤壁处的顶板挠曲量， m; k 为控顶区系统 刚度( 根据上述分析， 主要由支架刚度决定) ， pa/m。 根据工作面在煤壁处挠曲量、 斜率、 应力相等原 则， 可知 b1= + pz k ( 9) b2= pz k ( 10) 工作面控顶区基本顶挠曲计算公式为 z = pz km + pz k 1 + 2 2 e x cos x + sin () x ( 11) 根据以上分析， 以不同支架刚度代入上式中， 分 别计算支架控顶区不同位置顶板下沉量如图 6 所示， 其中需要参数分别为基本顶弹性模量 e =25 gpa， 地 基系数 km=0. 54 gpa/m， 顶板压力 pz= 8 mpa， 顶板 惯性矩 j =183. 08 m4， 由图 6 可知: 支架刚度与顶 板下沉量符合双曲线关系， 随着支架刚度的增加， 顶 板下沉量不断减小， 同时支架切顶线( 距煤壁约 5 m 位置) 与煤壁处顶板下沉量的差也在减小; 支架刚 度增大至临界值 40 mpa/m 后( 基于上述参数) ， 对减 少顶板下沉量的抑制作用减小， 顶板下沉量趋于稳 定。综上所述， 增大支架刚度有利于顶板管理， 可有 效防止工作面顶板在煤壁处断裂， 避免发生大面积切 顶压架事故。 图 6支架刚度与顶板下沉量曲线 fig. 6hydraulic support anti- compression stiffness and roof sinkage curves 3结论 ( 1) 4 个支架平均线刚度为 137. 8 538 kn/mm， 平均刚度为 20. 3 68. 5 mpa/m， 以此推断， 目前支架 线刚度范围为 100 600 kn/m， 刚度范围为 10 80 mpa/m。 ( 2) 在增阻过程中刚度不随支架工作阻力变化 而变化， 在每个加载循环内支架的刚度是恒定的。支 架的工作阻力越大， 支架刚度越大。 ( 3) 基于实测结果， 验证了“支架刚度远小于顶 板和底板刚度， 顶板 支架 底板系统刚度主要由支 架刚度决定” 这一观点。 ( 4) 随着支架刚度的增加， 顶板下沉量不断减 小， 同时支架切顶线( 距煤壁约 5 m 位置) 与煤壁处 顶板下沉量的差也在减小; 支架刚度增大至临界值 9841 煤炭学报 2015 年第 40 卷 40 mpa/m 后( 基于上述参数) ， 对减少顶板下沉量的 抑制作用减小， 顶板下沉量趋于稳定。 参考文献: 1钱鸣高， 缪协兴， 何富连， 等 采场支架与围岩耦合作用机理研 究j 煤炭学报， 1996， 21( 1) : 40 43 qian minggao， miao xiexing， he fulian， et al mechanism of cou- pling effect between supports in the workings and rocksj journal of china coal society， 1996， 21( 1) : 40 43 2高峰， 钱鸣高， 缪协兴 采场支架工作阻力与顶板下沉量类双 曲线关系的探讨j 煤炭学报， 1999， 18( 6) : 658 662 gao feng， qian minggao， miao xiexing discussion on the hyperbolic relation between support resistance and immediate roof subsidence j journal of china coal society， 1999， 18( 6) : 658 662 3钱鸣高， 石平五， 许家林 矿山压力与岩层控制m 徐州: 中国 矿业大学出版社， 2010 4钱鸣高， 缪协兴， 许家林， 等 岩层控制的关键层理论 m 徐州: 中国矿业大学出版社， 2003 5钱鸣高， 缪协兴， 许家林 岩层控制中的关键层理论研究j 煤 炭学报， 1996， 21( 3) : 225 230 qian minggao， miao xiexing， xu jialin theoretical study of key stra- tum in ground controlj journal of china coal society， 1996， 21 ( 3) : 225 230 6钱鸣高， 缪协兴， 何富连， 等 采场支架与围岩耦合作用机理研 究j 煤炭学报， 1996， 21( 1) : 40 44 qian minggao， miao xiexing， he fulian， et al mechanism of cou- pling effect between supports in the workings and the rocksj journal of china coal society， 1996， 21( 1) : 40 44 7钱鸣高， 何富连， 王作棠， 等 再论采场矿山压力理论j 中国 矿业大学学报， 1994， 23( 3) : 1 9 qian minggao， he fulian， wang zuotang， et al a further discussion on the theory of the strata behaviors in longwall miningj journal of china university of mining technology， 1994， 23( 3) : 1 9 8宋振琪 实用矿山压力 m 徐州: 中国矿业大学出版社， 1988 9蒋宇静， 宋振琪， 宋扬 采场支架与老顶总体运动间的力学关 系j 山东矿院学院学报， 1988， 7( 1) : 74 76 jiang yujing， song zhenqi， song yang the mechanical relationship between the supports and the whole movement of the main roofj journal of shandong university of mining technology， 1988， 7 ( 1) : 74 76 10闫少宏 大采高综放开采几个理论问题的研究j 煤炭学报， 2008， 33( 5) : 481 484 yan shaohong discussing about the main theoretical problems of long wall with top coal cavingj journal of china coal society， 2008， 33( 5) : 481 484 11钱鸣高， 何富连， 缪协兴 采场围岩控制体系j 煤炭学报， 1997， 22( s0) : 30 32 qian minggao， he fulian， miao xiexing system for strata control in the workingsj journal of china coal society， 1997， 22( s0) : 30 32 12qian minggao