0 引 言

相似模型试验是以相似理论、因次分析为理论基础的试验方法[1]。基于几何、动力、运动等相似关系，将工程原型按一定比例缩小为物理模型，通过室内模拟结果预测工程原型各参量的变化特征，为科研工作者制定工程方案提供依据。在煤矿开采研究领域，相似模型试验方法在采场矿压研究方面取得了丰富的研究成果，许多经典的矿压假说通过模型试验得以验证[2-3]。其中，支架与围岩相互作用关系、顶板支护强度、支架额定工作阻力确定等是采场模拟研究必须解答的问题[4-6]，研究结论对于覆岩运移规律、采场矿山压力显现、采场顶板管理、煤矿顶板灾害防控等研究方面具有工程指导意义。

作为采场矿压模拟研究的重要测试装置，液压支架模拟系统的机械结构、力学性能的相似性及可靠性是影响模拟试验准确性的主要因素。随着测试技术的不断进步，特别是采场模拟结果定量化分析的科研需要，支架模拟装置在机械结构、加载方式、数据采集等方面不断改进，先后研发出多种结构的模拟支架。孔令海等[7]在研究确定塔山煤矿15 m以上特厚煤层综放支架合理工作阻力时，在相似模拟试验中设计了简易模拟支架，包括上下钢板、应力计和可压缩垫片。通过在应力计与钢板之间设置可压缩垫片来模拟实际支架的下沉，通过应力计读数计算支架工作阻力的大小。伍永平等[8-9]研制了测力支架模型，包括顶梁、底座、四连杆机构，支架机械结构与真实支架具有较好的几何相似性。支架高度调节装置由丝杠、螺母、内螺纹套筒组成，通过调节螺母调整立柱的升降，支撑高度120～150 mm。杨晓科等[10]在研究榆神矿区覆岩破坏规律与支护阻力时，模拟支架主要由角钢座、调高块、立柱、传感器和顶梁组成，通过调高块螺栓和立柱调整支架高度。杨培举等[11]在开展两柱掩护式放顶煤支架与围岩的动态作用关系研究时，根据ZYF6800-18/35放顶煤支架的几何尺寸按1∶15比例设计模拟支架，液压系统采用手动泵加压，在供油系统中安设截止阀和安全阀实现支架的初撑、增阻和恒阻特征。贾立锋等[12]在开展辛安煤矿综放采场矿压特征研究时，基于液压原理设计了测力支架，整套装置由手动泵、压力表、六通阀、模拟支架组成，模拟支架由两个液压油缸和角钢组成，支撑高度28～43 mm，伸缩量15 mm，能够模拟降架、移架、升架过程。

综上分析，目前采场模拟研究中液压支架模拟装置多是采用螺旋调节、手动加载等工作原理，模拟支架与真实支架在机械结构及液压工作原理等方面存在显著差异，这势必制约测试数据的准确性。更为不利的是，目前采场矿压模型试验多采用几何比尺1∶100以下(最小为1∶600)的中小型平面应力试验台[13-15]，由于几何比尺小，在数据处理过程中会导致测试误差被异常放大，降低了试验结果的相似性与可信度，这已成为制约采场模拟数据定量化分析的瓶颈。基于此，急需研制一种相似度高、采样精度高、性能稳定的液压支架模拟系统。

1 液压支架模拟系统的原理与结构

笔者所在团队在开展大比尺采场模型试验时，借鉴已有液压支架模拟装置的设计原理，从机械结构、液压控制、信号采集等方面进行优化改进，研制了新型液压支架模拟系统。该模拟系统包括泵站动力系统、液压控制装置、模拟支架、支架工况监测装置和信号处理系统等5部分，系统主体结构如图1所示。

  

图1 液压支架模拟系统主体结构Fig.1 Schematic of support modeling system

泵站动力系统通过液压控制装置与模拟支架的驱动油路连接，模拟支架安装支架工况监测装置，监测信号与信号处理系统的输入端连接。

信号处理系统包括静态电阻应变仪和计算机。位移传感器和油压传感器的信号输出端与静态电阻应变仪的输入端连接，后者的输出端与计算机输入端连接，在该计算机上设有数据储存器、通信接口和控制接口，该控制接口与液压控制装置连接。模拟系统结构及应用如图4所示。

泵站动力系统包括定量泵、先导式溢流阀、液压表和油箱。定量泵的入口和出口分别与油箱和液压控制装置连接。液压控制装置的另一端与液压缸连接。定量泵的出口连接有先导式溢流阀和液压表。

液压控制装置包括一个三位四通换向阀和一个液控单向阀。三位四通换向阀的第1端和第2端与该定量泵的出口连接，三位四通换向阀的第3端和第4端分别与液控单向阀的入口和控制端连接。该三位四通换向阀为电控阀或手动阀，电控阀的控制端与计算机的控制接口连接。液压控制装置设置多组，每组液压控制装置连接一组模拟支架的2个液压缸。泵站和液压控制装置如图2所示。

我们总结了鱼粉感官评价的主要评价指标和可能的质量状态(见表1)。表1中，将鱼粉的感官评价的气味分为5种，并对5种气味的评定依据进行论述。

  

图2 泵站和液压控制装置构成示意Fig.2 Schematic of pump station and hydraulic control

笔者所在团队依托自主研制的大比尺采场模型试验系统，以晋城矿区大采高综采工作面为工程背景，开展了大采高综采采场矿压与岩层移动的模拟研究，试验过程中采用上述液压支架模拟系统进行采场顶板支护。试验工作面开采3号煤层，煤层平均厚度6.2 m，倾角4°，埋深350～430 m。工作面设计采高6.0 m，顶板支护采用ZY12000/28/62二柱式液压支架，循环进尺0.865 m。此次大采高综采相似模拟试验，几何相似比1/40，容重相似比0.72，应力相似比0.018，时间相似比0.158。模型厚度400 mm，顶板支护采用4个模拟支架。

  

图3 模拟支架三视图Fig.3 Multi-view of support model

通过上述试验,复合溶葡萄球菌酶溶液对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、链球菌等均具有良好的杀灭作用,在使用过程中,有机物对复合溶葡萄球菌酶溶液的杀菌效果无影响; 弱酸弱碱及中性环境下,消毒剂具有较好的杀菌效果,对宠物源耐甲氧西林伪中间型葡萄球菌的杀菌效果明显。自然菌现场表面消毒与特定病原菌表面消毒结果表明复合溶葡萄球菌酶对表面消毒具有较好的消毒效果。

  

图4 模拟系统结构和应用示意Fig.4 Schematic of roof support simulation system

2 大采高液压支架模拟系统的研制案例

大采高综采工艺具有采出率高、安全条件好等技术优势，目前已成为厚煤层安全高效开采的重要发展方向，在晋城、潞安、大同、神府、东胜等多个矿区得到成功应用。其中，神东、晋城矿区大采高液压支架在机械结构、支撑高度、支护强度、额定工作阻力等方面具有广泛的代表性，因此以这两个矿区的大采高综采支架为原型，通过研制液压支架模拟系统开展大采高综采矿压与覆岩移动特征模拟试验。原型支架主要技术参数见表1。

2.1 模拟支架技术参数

1)覆岩垮落过程概述。2017年3月8日14时进行模型开挖试验，至3月10日10:30基本结束，历时约44 h，完成开挖循环59次，累计开挖3 100 mm，顶板先后发生初次来压和3次周期来压。试验过程中主要矿压现象如图8所示，覆岩破断过程见表4。

 

表1 大采高综采支架技术特征Table 1 Technical parameters of prototypehydraulic support

  

支架型号ZY18000/32/70(神东矿区)ZY12000/28/62(晋城矿区)支撑高度范围/mm3 200^7 0002 800^6 200顶梁长度×宽度/mm5 380×2 0504 700×1 750额定工作阻力/kN18 00012 000额定支护强度/MPa1.631.36^1.40支架初撑力/kN12 3708 000初始支护强度/MPa1.120.97支架中心距/mm2 0501 750移架步距/mm865865

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大比尺采场模型试验系统模型厚度400 mm，拟并排布置4个模拟支架。支架顶梁宽度90 mm，相邻支架的顶梁间距10 mm，顶梁长度170 mm。

2)支护强度与工作阻力。大比尺采场模型试验系统采用以河沙、石膏、碳酸钙为主料的相似材料，干料密度1 800 kg/m3，模型试验的密度相似比取0.72。根据应力相似比Cσ与密度相似比Cγ和几何相似比CL的换算关系，得Cσ=CγCL=1/40×0.72=0.018；模型应力相似比Cσ取0.018。两种原型支架中，ZY18000/32/70额定工作阻力F=18 000 kN，额定支护强度p0=1.63 MPa，模拟支架额定支护强度 kPa。据此计算，模拟支架的额定工作阻力F0=(90+10)mm×(170+22)mm×29.34 kPa=563 N≈56.3 kg(采煤机截深865 mm，模型开采进尺折合21.6 mm/刀，取22 mm)。模拟支架与原型支架的技术参数对比见表2。模拟支架如图5所示，支架工况监测传感器的技术参数见表3。

 

表2 模拟支架与原型支架的技术参数Table 2 Technical parameters of hydraulic support and its model

  

支架顶梁尺寸/(mm×mm)支撑高度/mm额定支护强度/MPa额定工作阻力/kN原型支架14 700×1 7502 800^6 2001.36^1.4012 000原型支架25 380×2 0503 200^7 0001.6318 000模拟支架90×170125^180 mm2.934×10-20.563

  

图5 模型支架样机Fig.5 Hydraulic support model

 

表3 支架传感器参数Table 3 Sensor parameters in hydraulic support model

  

传感器类别型号灵敏度/(mV·V-1)测量范围线性度重复性位移传感器5G2011.930^50 mm0.14%0.32%油压传感器AK-11.1380^5 MPa0.07%0.12%

2.2 模拟支架参数标定

在自行设计的标定装置上进行模拟支架支护参数标定，包括测力传感器、反力框架、高度调节垫块等部件。需要说明的是，4个支架虽然是基于相同设计方案加工的同一批次产品，其机械结构与工作原理完全相同，但由于各油缸摩擦性能及支架机械组装中的细微差异，会导致“立柱油压—输出载荷”特性存在差异，为区分各支架的不同工况特性，在标定之前将4个支架分别编号为A、B、C、D。标定过程中，调节泵站油压改变立柱的油压，泵站油压从0逐渐升高，油压传感器记录立柱油压，测力传感器记录支架工作阻力。为检验模拟支架性能的稳定性，每个支架采用同样的方法重复标定3次。标定装置及操作如图6所示。

3次标定结果表明，模拟支架力学性能稳定，测试数据具有较好的重复性。整理测试数据得到各支架的“立柱油压—输出载荷”时程曲线，如图7所示，立柱油压与支架输出载荷保持较好的线性关系，线性回归相关系数达0.99以上。

  

图6 模拟支架参数标定Fig.6 Parameter calibration of support model

  

图7 模拟支架标定分析Fig.7 Calibration analysis of support model

3 应用案例分析

模拟支架的机械部分包括顶梁、液压缸和底座。两个液压缸的缸体底端间隔固定在底座上，液压缸的活塞杆顶端与顶梁连接。支架工况监测装置包括位移传感器和油压传感器，位移传感器安装在顶梁与底座之间，油压传感器连接在液压缸与液压控制装置之间的油管上。模拟支架结构如图3所示。

1)几何参数。模型试验依托自主研发的大比尺采场模型试验系统。该系统可容纳模型的最大尺寸为5.0 m×2.0 m×0.4 m，模拟深度可达1 200 m以深，模拟地层倾角0°～60°。

材料力学主要解决三类问题：强度问题、刚度问题和稳定性问题[1-2]。强度是指杆件在外载荷作用下抵抗断裂和过量塑性变形的能力。刚度是指杆件在外载荷作用下抵抗弹性变形的能力。稳定性在材料力学中范围比弹性力学中的窄了很多，特指杆件在轴向压力作用下保持其原有平衡状态的能力。这三类问题反映了固体构件在外载荷作用下力学性能的三个不同的侧面。这三类问题的计算公式大部分情况下可以统一表示为：横截面内力/包含横截面几何性质的参数≤许可量。

  

图8 模型支架及岩移实拍Fig.8 Photos of support model and strata movement

 

表4 覆岩运移破断过程Table 4 Movement and breaking process of overlying strata

  

开挖步序累计进尺/mm矿压现象备注361 9506 m细砂岩(不含)以下层位出现离层392 0506 m细砂岩(不含)以下层位第一次大面积垮落顶板初次来压432 3006 m细砂岩(不含)以下层位局部垮落512 7006 m细砂岩(不含)以下层位悬臂式折断45 cm第1次周期来压1573 0006 m细砂岩(不含)以下层位悬臂式折断45 cm第2次周期来压2593 1006 m细砂岩(中下部)以下层位全跨度冒落;7 m粉砂岩(含)以下层位全跨度冒落;覆岩大范围冒落第3次周期来压3

2)支架工况分析。试验过程中模型顶界面垂直应力保持恒定值0.23 MPa，模拟支架支护强度实测值为9.0～18.9 kPa，仅为边界应力的3.9%～8.2%，如图9所示。模型相似材料密度1 800 kg/m3，据此测算，支架上部需承载范围0.49～1.05 m，约为模拟煤层厚度15 cm的3.26～7.00倍。

  

图9 模型支架支护强度实测统计Fig.9 Supporting intensity of support model

为表达直观起见，通过下式换算关系，将模拟支架实测的支护强度值换算为原型支架的等效工作阻力。

翻转课堂“把知识内化的过程放在教室内，以便学生之间、学生和教师之间有更多的沟通和交流，确保课堂上能够真正引发观点的相互碰撞，把问题的思考引向更深层次”[2]。但是“与国外学生相比，我国很大一部分学生性格较为内敛，受家庭背景、情感体验等因素影响，习惯了传统的被动灌输式，喜欢被直接、明确地告知问题的关键所在，以及如何思考、如何操作等”[4]，而并不善于与他人交流、分享和探讨。

P=pBlk=Blkp′/Cσ

其中：P为原型支架的等效工作阻力，kN；p为原型支架的支护强度，kPa；B为原型支架的中心距，1.75 m；lk为原型支架的控顶距，5.32 m；p′为模型支架支护强度测试值，kPa；Cσ为应力相似比，0.018。

目前国内大采高工作面割煤高度已突破7 m，综合考虑模型尺寸、覆岩裂采比等因素，大采高模型几何相似比取1/40，模型中模拟煤层最大厚度约合175 mm，考虑到升架、降架、移架、底板超挖等操作细节，模拟支架的支撑高度范围取125～180 mm。

代入公式可得：P=517.8p′，通过上述换算，基于相似模型试验所得支架等效工作阻力为4 660～9 786 kN。在采场矿压规律研究中，时间加权阻力和循环末阻力是判断顶板矿压显现强度、周期来压步距及评价支架适应性的重要参考指标。支架等效阻力分析表明，各开挖时步支架的循环末阻力为6 450～10 856 kN，时间加权阻力为5 542～7 887 kN，顶板来压时支架动载系数为1.06～1.15，见表5。

 

表5 模拟支架时间加权工作阻力统计Table 5 Statistic analysis of time weight average working resistance

  

开挖时步推进距离/m加权工作阻力/kN动载系数开挖时步推进距离/m加权工作阻力/kN动载系数34747 023—481026 961—35767 3641.075491047 232—36786 555—501066 607—37805 942—511087 8871.15138817 2471.058521107 629—39827 023—531127 792—40846 264—541147 734—41885 939—551167 205—42906 556—561187 430—43925 604—571207 5701.10544946 302—581226 540—46985 907—591247 4801.092471005 542—

模型支架工作阻力的变化过程与覆岩破断等宏观现象具有较好的对应关系，如图10所示，覆岩即将大范围垮断之前，时间加权工作阻力为7 480 kN，占平均加权工作阻力的109%；大范围垮断后，该值速减至5 121 kN，占平均加权工作阻力的74.76%。模型支架工作阻力变化特征能够反映顶板来压过程，并与覆岩破断宏观现象相吻合。

  

图10 顶板来压与支架工作阻力变化的关系Fig.10 Relationship between roof weighing and support resistance

3)现场支架工况实测验证。试验工作面采用6.0 m大采高一次采全高工艺，初设阶段综合采用理论计算、数值模拟及包含顶板支护模拟系统在内的相似材料试验验证，顶板支护确定采用ZY12000/28/62型掩护式大采高支架，主要技术参数见表1。生产期间的矿压实测表明，工作面不同地段基本顶初次来压步距32～37.4 m，周期来压步距12.5～15.4 m，平均13.5 m。周期来压期间，动载系数平均1.30～1.40。各观测支架时间加权阻力7 468～9 458 kN，占额定工作阻力的62.2%～78.8%；循环末阻力8 340～10 247 kN，占额定工作阻力的69.5%～85.4%。各观测支架的时间加权工作阻力、循环末阻力等承载指标统计见表4。

 

表6 各观测支架运转工况分析Table 6 Analysis of support resistance in the working face

  

支架编号时间加权工作阻力/kN循环末阻力/kN198 5019 109278 8519 420357 8459 540678 16010 247757 8689 500838 35010 100917 5088 780997 6308 3401077 4689 6501158 6209 5801238 4309 2641399 45810 019

五是抓紧修复震损水电站及电网。组织水利系统水电技术力量和精兵强将，会同当地水利部门，帮助灾区尽快修复震损水电站及电网。特别是要抓紧修复禅古水电站、拉贡水电站、西杭水电站、当代水电站及供电线路，尽快恢复水电站供电。同时，对震区所有小水电站机组和设施逐一进行排查和检修，早日全面恢复供电。

苏轼“以诗为词”的词学理论是建立在“诗词同源”基础之上的，“清诗绝俗，甚典而丽。搜研物情，刮发幽翳，微词宛转，盖诗之裔”［3］。词为诗之苗裔，苏轼重点强调的是词如诗的主观抒情性、个性化的色彩，用以淡化词之媚俗，展现文人士大夫刚健清雅的精神境界，这就打破了词为艳科的藩篱，摆脱了音律对词的束缚，从而改革词风，扩大词境，促进词之雅化，提高词之品格。古往今来的论者，对“以诗为词”的褒扬者，其在自己所处时代的历史境遇内，皆是以诗词的相通之处——诗词均出自于《诗》、《骚》、古乐府，都能吟咏性情，皆可作为察政观俗的工具，词可寓诗人的句法［4］50为基点，进而对苏轼“以诗为词”理论的进行发扬。

  

图11 观测支架的典型工况曲线Fig.11 Working condition of hydraulic support

回采初期，由于移架操作及初撑力偏低等原因，中部局部区域曾出现轻微的片帮。正常回采阶段，支架安全阀开启率低于5%，煤壁完整性较好，对于回采过程未产生较大影响。基于理论计算、数值模拟及相似模拟验证等研究方法，所选支架的架型、工作阻力等关键技术指标满足采场围岩控制要求。

4)模拟支架工况误差分析。为了验证模拟系统与真实支架的相似性及测试结果的可靠性，以运转工况曲线、时间加权工作阻力、循环末阻力等作为对比指标，将上述模拟试验与现场生产期间的统计数据进行对比分析，见表7。

限于篇幅，在此列举工作面中部99号、115号等支架的工作阻力实测曲线，如图11所示。

从定性分析来看，顶板支护模拟系统与真实支架的运转工况具有良好的相似性，二者均表现出较好的增阻过程，能够反映顶板压力的动态变化过程。从定量分析来看，支架工作阻力、动载系数的模拟结果与现场实测值有一定误差。其中，时间加权工作阻力统计下限的误差为25.80%，上限误差为16.61%；循环末阻力统计下限的误差为22.67%，上限误差为5.61%；动载系数统计下限的误差为18.46%，上限误差为17.86%。

模拟系统尽管存在上述统计误差，且模拟指标的上限值一般低于真实支架，但工作阻力及动载系数上限的误差分别为16.61%、5.61%、17.86%，属于工程误差的可接受范围内。相似模拟试验中引入该模拟系统可以在顶板来压特征、支架选型与适应性评价、支架与顶板相互作用关系等研究方面提供重要的参考依据。在将模拟结果应用于现场支架选型设计时，可借鉴工程力学及煤矿装备选型中“安全系数”的做法[16-17] ，参照模拟结果乘以一定的安全系数，再综合采用理论计算、数值模拟等方法，指导现场支架的选型计算。

 

表7 模型支架与真实支架的相似性分析Table 7 Analysis of prototype support and model

  

对比指标模拟支架真实支架相似性(误差)工况曲线增阻过程明显增阻过程明显良好时间加权阻力/kN5 542^7 8877 468^9 45816.61%^25.80%支架循环末阻力/kN6 450^10 8568 340^10 2475.61%^22.67%动载系数/kN1.06^1.151.30^1.4017.86%^18.46%

不足之处在于，与真实支架相比，模拟支架的内部空间仍然较小，在前期的初步设计方案中虽然设计加工了掩护梁、四连杆、安全阀等结构件，但整架组装调试发现，支架降架、移架过程中存在油管与四连杆等结构件的尺寸干涉问题。特别是4个支架并排联调时，相邻立柱的油管导致邻架移架困难，四连杆机构的空间尺寸无法安装拉线传感器，制约了模拟支架的精细化设计，也降低了模拟支架与真实支架的结构与力学相似性。

培训实施阶段：培训实施阶段是定制式乡村旅游培训的关键环节。在此阶段，培训教师要根据事前制定的培训方案实施培训。培训过程要多采用启发式培训、实操式培训等培训新方法、新手段。在培训结束之前，应安排集体讨论、答疑解惑与成果展示等环节，进一步完善培训工作，加深学员培训记忆。

4 结 论

1)基于液压控制原理研制了采场模型试验液压支架模拟系统,包括泵站动力系统、液压控制装置、模型支架、支架工况监测装置和信号处理系统。力学测试结果表明,立柱油压与支架工作阻力保持较好的线性关系,模拟支架具有线性度高、重复性好、力学性能稳定等特点。

2)以大采高综采工作面为工程背景,将液压支架模拟系统应用于大采高采场矿压模型试验。模拟结果分析表明,该模拟系统数据采样精度高,具有良好的长时可靠性,能够模拟支架的运转特性,支架阻力变化能够反映顶板周期来压过程。

3)内部空间尺寸制约了模拟支架的精细化设计,也降低了模拟支架与真实支架的结构与力学相似性,但工作阻力及动载系数上限的误差在工程误差的可接受范围内。相似模拟试验中引入该模拟系统可以在顶板来压特征、支架选型与适应性评价、支架与顶板相互作用关系等研究方面提供重要的参考依据。

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