基于支架与围岩耦合关系的支架适应性评价方法

摘要

本发明公开了一种基于支架与围岩耦合关系的支架适应性评价方法，创新性建立了液压支架与围岩耦合关系模型，分析了液压支架与围岩的刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合关系，建立了支架与围岩适应性评价指标体系；根据不同开采方法对围岩控制效果的要求，确定支架与围岩评价指标体系权重值；根据液压支架在现场使用过程中获得的实测数据，确定支架与围岩评价指标的独立评价结果；根据目标权重值和评价指标的独立评价结果，得出支架与围岩适应性综合评价结果；通过对评价结果进行分析，提出液压支架设计改进意见。本发明能够全面反应支架对围岩的适应情况及存在的问题，为制定支架改进设计方案提供重要理论数据支持，评价方法简单有效，实用性强，填补了我国煤矿用液压支架与围岩适应性评价方法的空白。

说明书

技术领域

本发明属于煤矿开采技术领域，涉及一种煤矿用液压支架适应性评价方法，具体地说是一种基于支架与围岩刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合关系的支架适应性评价方法。

背景技术

耦合是指两个或两个以上的体系通过各种相互作用而彼此影响的现象。工作面液压支架与煤层、底板、采空区矸石、直接顶板、基本顶板、上覆岩层进行相互作用与影响，符合不同体系的耦合关系；由于液压支架主要为钢铁材质，煤层与顶底板岩层属于岩体，二者相互作用符合不同介质的耦合关系。

目前，我国液压支架适应性评价方法仍处于空白状态，绝大多数关于液压支架适应性的研究主要是针对液压支架工作阻力的适应性分析，即通过对工作面矿山压力进行监测，分析工作面矿山压力观测数据，得出液压支架工作阻力能否满足对顶板支护要求的结论。关于支架与围岩适应性的理论研究也主要集中在分析顶板运移状态方面，即煤层开挖导致顶板断裂，顶板断裂运动失稳对工作面形成矿山压力，忽视了液压支架对围岩施加的反作用力对顶板运移状态产生的影响。

现有的液压支架与围岩适应性研究主要是分析了支架工作阻力的适应性，评价指标单一、片面，而且缺乏统一标准。

发明内容

本发明的目的是针对我国目前尚未有液压支架适应性评价方法的现状，通过分析液压支架与围岩的刚度耦合、强度耦合与稳定性耦合关系，构建了以液压支架与围岩适应性为核心的评价指标体系，提出了液压支架与围岩适应性评价方法。本发明可实现对液压支架使用效果进行综合评价，指导液压支架进行改进设计。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种煤矿用液压支架与围岩适应性评价方法，包括：1）获取煤层顶底板岩层岩性、厚度、埋深、岩石单轴抗压强度、抗拉强度、内聚力、泊松比、内摩擦角，分析岩层结构特征及地质构造（断层、褶皱、陷落柱）情况，以及获取工作面采高、工作面长度、推进长度参数，分析所采用的液压支架架型、支护强度、顶梁结构、护帮装置、防倒防滑装置、推移机构特征，确定液压支架对围岩控制效果要求；2）建立液压支架与围岩耦合关系模型，包括液压支架与围岩的刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合关系，构建支架与围岩适应性评价指标体系；所述支架与围岩适应性评价指标体系包括支架与围岩刚度耦合适应性指数、支架与围岩强度耦合适应性指数、支架与围岩稳定性耦合适应性指数；3）根据不同开采方法对围岩控制效果的要求，确定支架与围岩适应性评价指标体系的目标权重值；4）根据液压支架在现场使用过程中获得的实测数据，确定液压支架与围岩系统各评价指标的独立评价结果；根据支架与围岩适应性评价指标体系的目标权重值和评价指标的独立评价结果，得出支架与围岩适应性综合评价结果；通过对该综合评价结果进行分析，指导液压支架进行改进设计。

所述的液压支架与围岩刚度耦合关系，是将含顶煤的直接顶板、液压支架和底板视为一个组合体，基本顶板的回转空间为“给定变形”，主要受到煤层开采高度、采空区冒落矸石充填效果影响，液压支架可通过与直接顶板和底板组成所述组合体的整体刚度对所述基本顶板的断裂位置产生影响，从而影响基本顶板的运动过程和来压强度。

所述的液压支架与围岩强度耦合关系，是指煤层基本顶板强度影响基本顶板的来压步距，决定了基本顶板来压时的载荷；直接顶板强度影响直接顶板的碎胀系数，决定了基本顶板的回转或滑落空间，二者共同决定了工作面矿山压力的大小；液压支架通过对直接顶板施加一定的工作阻力，并间接影响基本顶板载荷对支架的作用位置、基本顶板下沉速度，维护工作面安全作业空间；通过液压支架护帮机构对煤壁施加作用力，防止煤壁片帮；通过对支架底座进行优化，降低底座对底板比压，并辅助以支架抬底座机构，使支架适应煤层底板强度，实现支架顺利推移。

所述的支架与围岩稳定性耦合关系，是指煤层开挖导致围岩系统断裂失稳，液压支架通过适应围岩失稳来保证支架自身稳定，并通过保证自身稳定性来维护围岩的稳定性。

所述的支架与围岩刚度耦合适应性指数为支架初撑力适应性指数、顶板下沉量、立柱下缩量、底座下陷量、地表下沉量。

所述的支架与围岩强度耦合适应性指数为立柱安全阀开启率、立柱千斤顶损坏率、阀体损坏率、结构件损坏率、底座扎底率、煤壁片帮率。

所述的支架与围岩稳定性耦合适应性指数为支架倾倒情况、顶板冒顶情况、支架低头情况、支架高射炮情况、支架咬架情况。

所述的支架与围岩适应性评价指标体系的目标权重值，是根据不同开采方法对顶板控制的不同要求进行评价指标优先度排序，确定评价指标的优先关系系数，通过改造优先关系系数矩阵得到评价指标的模糊关系一致矩阵，利用方根法计算各指标对应的优度值，作为各指标对应的权重：

 其中，R为模糊关系一致矩阵，其中  ；B为各指标重要性优先关系系数矩阵，其中b_ij为指标u_i对u_j的优先关系系数；S_i为各项指标对应的优度值，i=1,2，...，n，其中  。

所述的支架与围岩评价指标的独立评价结果，是通过安装在液压支架上的矿用本安型倾角传感器、矿用本安型压力传感器、矿用本安型位移传感器和矿用本安型采集处理器来确定液压支架的姿态、受力状态及位移，并结合现场观测结果进行统计分析确定。

所述的支架与围岩适应性综合评价结果，通过模糊综合评判计算确定：

 其中，Z为支架与围岩适应性综合评价结果，M为综合评价结果集，U^T为支架与围岩适应指数评价集对应的分数向量，U={适应性很好，适应性较好，适应性一般，适应性较差}={>90,70～90,60～70,<60}，W_i为评价指标权重，N_i为各因素的评价矩阵。

通过对评价指标结果进行分析，发现支架与围岩适应性较差的部分，分析原因并进行改进设计。

本发明的优点和效益：

本发明充分分析了支架与围岩的刚度、强度、稳定性耦合关系，通过建立支架与围岩适应性评价指标体系，进行不同开采方法对顶板控制不同要求的综合评价，该评价方法采用先进的倾角传感器、压力传感器、位移传感器，实现了液压支架姿态、压力、位移的精确统计，并结合现场观测结果，能够全面反应支架对围岩的适应情况及存在的问题，为制定支架改进设计方案提供重要理论数据支持。该评价方法改变了以往液压支架适应性分析中存在的单一、片面问题，不仅对液压支架工作阻力适应性进行了分析评价，而且还分析了支架的姿态及顶板位移，该评价方法简单有效，实用性强，填补了我国煤矿用液压支架与围岩适应性评价方法的空白。

附图说明

图1  支架与围岩适应性评价方法流程图；

图2  支架与围岩刚度耦合关系；

图3  直接顶板-支架-底板组合刚度对顶板断裂位置影响；

图4  支架与围岩强度耦合关系；

图5  支架与围岩稳定性耦合关系；

图6  支架与围岩适应性评价指标体系。

具体实施方式

图1示出了支架与围岩适应性评价方法流程图，主要包含以下步骤：

第一步，充分调研煤层顶底板赋存情况（煤层顶底板岩层岩性、厚度、埋深）、岩石力学参数（岩石单轴抗压强度、抗拉强度、内聚力、泊松比、内摩擦角）、地质构造情况（断层、褶皱、陷落柱），了解工作面开采技术参数（工作面采高、工作面长度、推进长度），分析所采用液压支架的架型结构特征及主要技术参数（液压支架架型、支护强度、顶梁结构、护帮装置、防倒防滑装置、推移机构），明确液压支架对围岩控制效果要求；

第二步，排除工人操作失误、液压支架制造质量等影响因素；

第三步，根据支架与围岩耦合关系模型，分析支架与围岩的刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合关系，建立支架与围岩适应性评价指标体系；

第四步，根据支架对围岩控制效果要求，进行评价指标的优先关系排序，确定各项评价指标权重；

第五步，通过安装在液压支架上的矿用本安型倾角传感器、矿用本安型压力传感器、矿用本安型位移传感器和矿用本安型采集处理器来确定液压支架的姿态、受力状态及位移，并结合现场观测结果数据，对支架与围岩适应性各项评价指标进行评价赋值，并进行模糊综合评判计算，得出支架与围岩适应性综合评价结果；

第六步，对支架与围岩适应性综合评价结果进行分析，指导液压支架改进设计。

图2、图3示出了支架与围岩刚度耦合关系，将基本顶板视为可发生滑落、回转失稳的刚性体，直接顶板（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。将直接顶板（含顶煤）--支架--底板视为一个组合体，由于基本顶板的回转空间为“给定变形”，主要受开采高度、采空区矸石厚度及刚度影响，液压支架虽然不能改变基本顶板的最终运动状态，但可以通过与直接顶板和底板组成组合体的整体刚度影响基本顶板的断裂位置，从而影响基本顶板的运动过程及来压强度。假设正常情况下工作面推进至C-D位置时，基本顶发生断裂，断裂位置位于A点，此时支架继续向前推进将会受到基本顶板断裂回转或滑落失稳影响，工作面矿压显现剧烈，如图3（b）所示。若直接顶板-支架-底板为纯刚体，不发生变形，则此时工作面推进至E-F位置时，基本顶才会发生断裂，断裂点同样为A点，但此时支架已位于A点前部，基本顶板断裂回转或滑落失稳对支架影响减小，工作面矿压显现程度降低。

图4示出了支架与围岩强度耦合关系，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，而围岩强度主要指顶板、煤壁、底板在外力作用下达到破坏时的极限应力。煤层基本顶板强度影响基本顶板的来压步距，决定了基本顶板来压时的载荷；直接顶板强度影响直接顶板的碎胀系数，决定了基本顶板的回转或滑落空间，二者共同决定了工作面矿山压力的大小。支架通过对顶板施加一定的工作阻力影响基本顶载荷作用位置及顶板下沉速度，实现维护工作面安全作业空间的目的。通过支架护帮机构对煤壁施加作用力，防止煤壁片帮。通过优化支架底座对底板比压，并辅助以支架抬底座机构，使支架适应煤层底板强度，实现支架顺利推移。

图5示出了支架与围岩稳定性耦合关系，包括急倾斜液压支架1、急倾斜采煤机2、急倾斜刮板输送机3及顶底板岩层。由于煤层开挖导致围岩发生动态变形失稳，破碎的直接顶容易发生顶板冒顶，导致支架不能接顶，在基本顶来压或其它因素影响下极易引发支架倾倒、变形、断裂失稳。液压支架通过适应围岩失稳来保证支架自身稳定，并通过保证自身稳定性来维护围岩的稳定性。

图6示出了基于支架与围岩刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合关系的支架适应性评价指标体系，支架与围岩刚度耦合适应性指数细分为支架初撑力适应性指数、顶板下沉量、立柱下缩量、底座下陷量、地表下沉量；支架与围岩强度耦合适应性指数细分为立柱安全阀开启率、立柱千斤顶损坏率、阀体损坏率、结构件损坏率、底座扎底率、煤壁片帮率；支架与围岩稳定性耦合适应性指数细分为支架倾倒情况、顶板冒顶情况、支架低头情况、支架高射炮情况、支架咬架情况。

根据不同开采方法对顶板控制的不同要求进行评价指标优先度排序，确定评价指标的优先关系系数，通过改造优先关系系数矩阵得到评价指标的模糊关系一致矩阵，利用方根法计算各指标对应的优度值，作为各指标对应的权重。

 其中，R为模糊关系一致矩阵，其中  ；B为各指标重要性优先关系系数矩阵，其中b_ij为指标u_i对u_j的优先关系系数；S_i为各项指标对应的优度值，i=1,2，...，n，其中  。

所述的支架与围岩评价指标的独立评价结果，是通过安装在液压支架上的矿用本安型倾角传感器、矿用本安型压力传感器、矿用本安型位移传感器和矿用本安型采集处理器来确定液压支架的姿态、受力状态及位移，并结合现场观测结果进行统计分析确定。

所述的支架与围岩适应性综合评价结果，通过模糊综合评判计算确定：

 其中，Z为支架与围岩适应性综合评价结果，M为综合评价结果集，U^T为支架与围岩适应指数评价集对应的分数向量，U={适应性很好，适应性较好，适应性一般，适应性较差}={>90,70～90,60～70,<60}，W_i为评价指标权重，N_i为各因素的评价矩阵。

通过对评价指标结果进行分析，发现支架与围岩适应性较差的部分，分析原因并进行改进设计。