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1、矿山采场支架与围岩相互作用原理一、支架与围岩的相互作用（一）支架与围岩相互作用体系回采工作面的支架与其支撑的围岩是一对相互作用着的矛盾统一体。支架结构及性能的设计必须符合回采工作面围岩运动规律，只有这样才能使支护结构设计既经济又合理。同时也只有支架的支撑力分布合适，护顶装置可靠，才有可能维护好顶板，以保证矿工的安全和生产正常进行。（二）支架与围岩相互作用的特点回采工作面支架与围岩关系的特点如下：（1）支架和围岩是相互作用的一对力。在小范围内，围岩形成的顶板压力可看作是一个作用力，支架可以视为一个反力，两者应互相适应,使其大小相等，而且尽可能地作用在一个作用点上。（2）支架受力的大小及其在回采工
2、作面分布的规律与支架性能有关。事实证明，刚性、急增阻式、微增阻式或恒阻式支架受力在工作面的分布状态是不一致的，恒阻式支架的受力比较均匀。（3）支架结构及尺寸对顶板压力的影响。实际生产中证明，在支架架型选择合适时，可以用最小的工作阻力维护好顶板。例如在有些条件下使用短梁的掩护式支架（支柱工作阻力仅80OkN）却能取得比使用四柱垛式（工作阻力2400kN）更好的维护效果。从上述情况可知，支架结构设计必须适应围岩条件，支架性能应尽可能设计成恒阻式，在支架受力的过程中应尽可能使其与顶板压力相一致。在支架参数中最主要的是确定工作阻力与可缩量。对围岩来说，主要是考虑在各种支架反力作用下的顶板状态，由此引出
3、评定围岩完整与否的质量标准问题。（三）支架工作阻力与顶板下沉量的关系早在60年代，国内外曾多次进行了支架工作阻力P与顶板最终下沉量AL之间关系的试验。我国当时是在实验室内进行的，有些国家是根据现场实测资料加以统计，其中最完整的是前苏联在一个工作面进行了支架调压试验，结果与实验室所得大致相同，即证明了工作阻力P与顶板最终下沉量（即由煤壁到采空区一侧）是一近似的双曲线，或称为“P-4L”曲线。试验的条件为：采高1.31.5m,倾角2。3。，直接顶为5m左右的粉砂岩，抗压强度为73MPa;再上面仍为粉砂岩，但较致密，抗压强度为8182.6MPa;采用支撑式液压支架。在调压试验中，开始时使用每架150
4、0kN的工作阻力，而后调到13OOkN架。此为试验的第I阶段。在第阶段则调到每架lOOOkN。最后将支架调到600kN架。每阶段都经历了周期来压及平时两个过程。表54介绍了试验所得的数据。试臆阶段开始阶段IIIkN/架150013001000600工作阻力kN/米,390338260156折合岩柱采离的倍数119.87.44.4顶板大下沉量（平均）(mm)205253256991量大下沉量(tnm)284280307447表5-4调压试验各阶段情况表所有上述的统计及试验结果均证明了一个事实，即在一定工作阻力以上,支架工作阻力增加对顶板下沉量影响较小，但低于此值则影响极大。由此，可以得到在前述分
5、析中同样的结论，即采场支架的工作阻力并不能改变上覆岩层的总体活动规律。二、采场支架的工作状态由于支架处于支架与围岩相互作用体系中，支架的工作状态是支架与围岩关系的综合反映，也是老顶的位态、直接顶、支架以及底板力学特性的综合体现。分析掌握支架的工作状态，对于及时调整和保持支架良好的工作状况，保持良好的支架与围岩关系具有重要意义。（一）支架与围岩体系的刚度模型支架与围岩体系可视为由具有一定刚度的直接顶、支架和底板组成的，其刚度模型可由5T2所示。1.支架的刚度根据支架的工作特性，支架的刚度一般是指支架增阻阶段的刚度。支架刚度越大，单位活柱缩量支架的增阻量越大，对顶板保持稳定所起的作用越好。支架的刚
6、度可用下式表示Ks=NkcosI,I.I老顶Ks77/777-7KfT77-7T777图5-12支架与围岩体系刚度模型式中K支架的刚度；2支架立柱数；k-支架立柱的刚度；（3-支架立柱与竖直方向的夹角。支架的刚度可由实验室试验测得，也可在工作面实测得到。2直接顶的刚度研究表明，破断为四边形体的采场直接顶其刚度与其弹性模量和实际承载Kg体的几何尺寸有关。即一Jm为四边形体直接顶的高度和其实际承载宽度的比值。直接顶在不同的硬度和赋存条件下具有不同的刚度特征，可表现为似刚性、似零刚度和中间型刚度直接顶三种类型。不同刚度类型的直接顶对支架围岩体系有着不同的影响。3底板的刚度底板对支架围岩系统的影响主要
7、体现在当底板刚度较小时，支架活柱在下缩增阻的同时，底板也被压缩，相当于立柱增阻量一定时增大了活柱缩量，从而减小了支架的刚度及支撑系统的刚度，由此可造成顶板下沉量增大，顶板状态变差。底板的刚度K可通过对反映底板抗压入特性的底板比压的分析获得。不同硬度的底板具有不同的刚度，因而对支架围岩体系的影响也不同。4支架与围岩体系的刚度支架与围岩体系的刚度K由体系直接顶、支架和底板的刚度共同决定，可由下式表示Illl=+KKrK,Kf当底板为坚硬和中硬时，其刚度较大，对支架围岩系统的影响较小；当底板较软时，其刚度较小，这时可通过增大支架底座面积，改变底座的比压分布，减小底座对底板的比压来减小底板对支架围岩体
8、系的影响。从这一意义上讲，可以认为底板的影响是有限的，在支架围岩系统中，主要是直接顶和支架的相互作用。因此上式可简化为：IKK,Kx根据上述分析，若直接顶的刚度Kr,即直接顶为似刚性体,则K=Ks,此时支架的刚度即为系统的刚度；若直接顶的刚度Kr0,即直接顶为似零刚度，则K=O,此时系统的刚度为零；若直接顶的刚度0Kr8%时，即认为系统的变形主要是由支架的变形决定的，则支架的刚度特性决定系统的总体力学特性；当AS,S4时，支架围岩体系的变形量主要由支架承担，因此，可把直接顶视为似刚性体。此时，支架的工作状态为“给定变形”工作状态，即老顶的“给定变形”经直接顶全部传到支架上，因此，顶板的下沉量由
9、老顶的回转量决定。当KJKQ4时，支架与围岩体系的变形量主要由直接顶来承担，相比之下，可视直接顶的刚度为零。此时，老顶的“回转变形压力”被直接顶的变形所吸收，支架所承受的载荷为直接顶的重量，支架处在“给定载荷”工作状态。当025KKs4或O25K,/&4时，支架与围岩体系的变形量是由直接顶和支架共同分配的。在这种情况下，支架的变形量与其刚度间具有关系：KrS=-ASS+K,KS与ASS间具有双曲线关系。即随着支架刚度的增大，支架的承载能力增强，顶板的下沉量减小。支架的工作状态是处于“给定变形”状态还是处于“给定载荷”状态，是由直接顶刚度和支架刚度的相对变化决定的。当支架处在“给定变形”工作状态时，支架应具有足够的支护强度和可缩量；当支架处在“给定载荷工作状态时，支架应具有足够的稳定性。
