Research on soil improvement and engineering application under mixed application of environmental materials in alpine mining areas
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摘要:
为了解决高寒矿区土地复垦中表层土壤结构差、水土流失和土壤肥力低下等问题，以青海威斯特铜矿为例，通过土壤培养模拟正交设计试验，研究了混施羊板粪（A）、TG改良剂（B）、保水剂（C） 3 种材料对土壤改良的效果，并筛选出一种效果最佳的混合比例。正交极差结果表明：羊板粪对土壤有机质、土壤密度、孔隙度和全盐含量的影响较强，TG改良剂对pH的影响较强，保水剂对田间持水量的影响较强。综合极差分析和主成分分析结果得，处理1（A含量6 g/kg，B含量1.85 g/kg，C含量0.06 g/kg）为改良土壤理化性能最优组合。通过冗余分析得出，羊板粪和TG改良剂对土壤理化性质的差异性解释最好。有机质、土壤田间持水量和孔隙度与环境材料的相关性较强。有机质与羊板粪呈正相关，孔隙度和田间持水量与保水剂、TG改良剂呈正相关。pH、全盐含量和土壤密度与环境材料的相关性较小。孔隙度和田间持水量正相关性强，二者与有机质呈负相关。综合考虑，土壤有机质最优组合 A3B3C2和土壤其他理化性能最优组合 A1B1C1，通过中值法得到高寒矿区土壤基质恢复最优配方结果为A2B2C1.5，即A含量 12 g/kg，B含量 3.7 g/kg，C 含量0.09 g/kg为最优配比。通过工程应用，总结出以“边坡修整、挂椰网/铁丝网、挂生态棒、设置排水沟、客土筛分、客土喷播、铺设保水毯、养护管理及监测”为主的技术应用流程，将试验配方研究和工程应用进行了结合。3种环境材料工程应用结果表明，土壤理化性质和生物量也得到明显改善。此研究为解决青藏高海拔矿区土壤肥力和结构的恢复提供参考，对水土保持产生重要意义。
Abstract:To address the issues of inadequate topsoil structure, soil erosion, and low soil fertility in the reclamation of alpine mining areas. Taking Qinghai West Copper Mine as an example, this study investigates the impact of three materials—sheep manure(A), TG modifier(B), and water retaining agent(C)—on soil improvement using a simulated orthogonal design experiment. The experiment aims to identify the optimal mixing ratio that yields the most significant improvement. Orthogonal polar results revealed that sheep manure had a more pronounced effect on soil organic matter, soil bulk density, porosity, and total salt content. Meanwhile, TG modifier demonstrated a stronger impact on pH, and the water retaining agent exhibited a greater influence on water-holding capacity in the field. The combined results of extreme difference analysis and principal component analysis indicated that treatment 1(A 6 g/kg, B 1.85 g/kg, C 0.06 g/kg) represented the optimal combination of physicochemical properties for soil improvement. Redundancy analyses yielded that sheep manure and TG modifier explained the best variability in soil physicochemical properties. Organic matter, soil field water holding capacity, and porosity exhibited significant correlations with environmental materials. Organic matter displayed a positive correlation with sheep manure, while porosity and field water holding capacity were positively associated with water retaining agent and TG modifier. Conversely, pH, total salt content, and soil bulk density demonstrated weaker correlations with environmental materials. Porosity and field water holding capacity were strongly positively correlated and both were negatively correlated with organic matter. Considering the optimal combination of soil organic matter (A3B3C2) and other soil physicochemical properties (A1B1C1), the optimal formula for soil matrix restoration in alpine mining areas was determined using the median algorithm as A2B2C1.5. This corresponds to 12 g/kg of A (sheep manure), 3.7 g/kg of B (TG modifier), and 0.09 g/kg of C (water retaining agent) as the optimal ratios. The engineering application process, primarily centered around activities such as slope trimming, hanging coconut/barbed wire, hanging ecological rods, setting up drainage ditches, screening of guest soil, spraying of alien soil, laying of water-preserving blankets, and maintenance management and monitoring, was summarized. This summary integrates research on experimental formulations with practical engineering applications. The results of the engineering applications of the three environmental materials illustrate that soil physicochemical properties and biomass were also significantly improved. This study provides a reference to address the restoration of soil fertility and structure in high-altitude mining areas of Qinghai-Tibet, which is of great significance for soil and water conservation.
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Keywords:
- alpine mining areas /
- soil bulk density /
- soil organic matter /
- TG modifier /
- water retaining agent
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0. 引 言
大倾角煤层是指埋藏倾角在35°～55°的煤层，是国内外采矿界公认的难采煤层[1–2]。在我国西部如四川、新疆、甘肃等地大倾角煤层储量占总储量的50%以上，且大倾角煤层中有50%以上为优质焦煤和无烟煤等稀缺煤种。而大倾角煤层“支架–围岩”系统相互作用关系与缓斜煤层差异较大，随煤层倾角增大支架重力沿工作面倾向的分力增大，垂向分量减小，支架稳定性变差，导致支架下滑、倾倒，架间挤压、咬架等现象发生，且支架在顶底板岩层、煤壁、矸石和相邻支架等因素影响下处于一个非均衡的复杂受力环境中[3–4]。
液压支架是综采工作面的主要配套设备，其适应性决定工作面能够安全、高效生产的关键要素之一[5]。目前，代表性的液压支架设计建模方法方面，徐亚军等[6]利用VB 6.0编程工具，调用Solidworks API对ZY8400/26/52两柱式大采高液压支架进行了动态尺寸干涉检查，提高了支架设计的可靠性；何明等[7]运用Pro/E搭建三维参数化模型，并利用Mechanism运动仿真模块分析运动仿真，导入ANSYS进行有限元分析，提高了支架的设计效率及缩短了设计周期；蔡文书等[8]利用Solidworks软件对ZF720放顶煤液压支架简化模型进行机械结构分析，提出了支架整机虚拟装配及运动仿真；于涛等[9]利用Pro/E与Visual C++软件结合的方式搭建了液压支架参数化建模的辅助设计系统。刘晓莲等[10–11]利用AMESim软件对ZY12000/28/64型号的液压支架进行了系统的建模，模拟了立柱上升工况和平衡缸液压回路升降以实现液压系统的建模和仿真。对液压支架适应性检验方面，郭军等[12]制造出微型四柱式放顶煤支架通过运动仿真、结构屈服强度检测、强度测试、刚度测试、承载性能测试等方式论证了支架的可行性；赵锐[13]对二柱掩护式液压支架进行了不同工作阻力的测试，解决了液压支架实验力无法准确测试的技术难题。
目前，大倾角综采液压支架的设计制造及样架型式实验标准大多数基于缓倾斜支架开采结构的基础上进行局部改装(如增加防倒防滑装置、采用邻架操作等)，以满足煤层开采支架的性能，一定程度上保证了支架的稳定性，但缺乏系统性的理论支持和设计标准，在大倾角煤层实际开采过程中仍会出现支架部件损坏、支架过重、稳定性差、倾倒后扶正难和飞矸频发等众多研究难题，导致生产效率低、安全状况差[4]。针对以上，文中基于大倾角俯伪斜综采工作面的矿压显现规律[14–15]、俯伪斜综采工作面支架稳定性分析[16]以及俯伪斜综采工作面液压支架选型问题基础上[17]，分析在大倾角煤层下液压支架的空间受力模型，结合大倾角液压支架受力特性来研发设计系统。分析在大倾角煤层液压支架的空间受力模型，结合大倾角液压支架受力特性来研发设计系统，并对物理模型支架运动、静应力、结构、刚度等方面进行了分析，验证了系统的实用性，提高大倾角支架适应性，促进大倾角煤层长壁综采装备的发展。
1. 工程背景
某矿3132工作面位于二采区5号煤层，煤层倾角36°～47°，平均倾角43°，平均厚度2.5 m，密度1.44 t/m3。煤层分布主要以半暗半亮型焦煤、焦肥煤为主，赋存较稳定，工作面采用伪俯斜综合机械化开采，俯斜角度为25°，布置38个ZY5000/15.5/38两柱式液压支架和6架ZY6000/15.5/38过渡液压支架，工作面液压支架如图1a所示。值得注意的是，大倾角液压支架在研制过程中因结构、测量技术有限，不能适应大倾角工作面复杂多维施载的特性，导致液压支架在工作面开采过程中出现失稳、支架下滑、倾倒后难以扶正等问题，且液压支架油缸、结构件等损坏频发[18]，如图1b所示。
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图 1 大倾角煤层长壁工作面液压支架工作状态Figure 1. Working state of hydraulic support in longwall face of steeply dipping coal seam图2为大倾角煤层长壁工作面液压支架三维空间受载特征示意，由图2可知，在工作面走向、倾向、垂向共同作用下支架处于三维动态平衡状态。因此，分析大倾角工作面液压支架受力特征，应从特殊三维受载特征下力学响应作为大倾角液压支架设计建模的厘定条件，为大倾角工作面液压支架三维模型的参数化设计提供理论支撑。
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图 2 大倾角工作面液压支架三维受载特征Figure 2. Three-dimensional loading characteristics of hydraulic support in steeply inclined coal seam coal working face2. 大倾角工作面液压支架受载特性
大倾角工作面液压支架的稳定性一直以来是大多学者们研究的重点，在实际应用中液压支架经常处于复杂的三维受力状态。支架各构件的受力特征反映了支架与围岩之间的相互作用关系，同时，支架立柱、前后连杆、平衡千斤顶和顶梁–掩护梁铰接点的受载主要与伪斜角、煤层倾角、顶板载荷作用位置等因素有关。为更好地反映支架在工作面的实际受力状态，进而设计系统的开发，先对伪俯斜工作面条件下支架二维力学模型进行了分析，得出支架保持稳定的临界工作阻力；在支架稳定性的基础上，再对大倾角工作面液压支架工作状态下三维空间受力特性进行分析，研究支架的失稳机理，指导大倾角煤层液压支架建模系统的搭建。
2.1 伪俯斜采场液压支架二维力学模型
伪俯斜工作面支架发生倒滑和扭摆将造成与其上下邻架间的支架发生“咬、挤”现象，会形成支架间拉架和移架困难，诱发顶板漏冒，最终导致工作面大范围的“支架–围岩”系统灾变[19]。大倾角液压支架的二维力学模型如图3所示，其中y轴沿伪斜工作面向下，z轴垂直煤层向上，支架逆向转动为正。
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图 3 伪俯斜采场液压支架二维力学模型Figure 3. Two-dimensional mechanical model of hydraulic support in pseudo-inclined stope支架与底板间的最大静摩擦力为FFmax，当支架下滑分力大于最大静摩擦力时，支架将发生滑移。分析支架处于临界下滑失稳状态时的平衡方程为
$$ G\sin \; \beta - {F{\mathrm{_R}}} - \Delta S + {F{\mathrm{_S}}} - {F_{{{{\mathrm{Fmax}}}}}} = {\text{0}} $$ (1) 经计算：
$$ \left\{ \begin{gathered} {F{\mathrm{_R}}} = \mu P \\ \Delta S{\text{ }} = {S_{{\mathrm{down}}}} - {\text{ }}{S_{{\mathrm{up}}}} \\ {F_{{{{\mathrm{F}}}}\max }} = \mu (P + G\cos \; \beta ) \\ \end{gathered} \right. $$ (2) 式中，G为支架在工作面伪斜方向的重力分量，kN；β为工作面倾角，（°）；FR为顶板对支架的切向载荷，即支架与顶板间摩擦力，kN；ΔS为相邻支架间作用载荷之和；FS为矸石对支架尾部的作用力，kN；FFmax为支架与底板间的最大静摩擦力，kN；μ为支架与顶底板之间的摩擦因数；P为顶板对支架的法向载荷，kN；Sup，Sdown为相邻支架间作用载荷，kN。
支架工作阻力过大时，支架将发生下沉；当支架所受的转动力矩大于支架本身的抗转动力矩时，支架将发生转动。这里假设支架绕底座中点O转动，支架下沉以及处于临界转动失稳状态时的平衡方程[18]分别为：
$$ {F{\mathrm{_N}}} - P - G\cos \; \beta = 0 $$ (3) $$ \begin{gathered} {F{\mathrm{_N}}}\left({y_1} - \frac{m}{2}\right) - \Delta Sn + {L_G}G\sin \; \beta + \\ \frac{n}{2}{F{\mathrm{_S}}} - {F{\mathrm{_R}}}{\mathrm{n}} + P\left(\frac{m}{2} - {y_0}\right) = 0 \\ \end{gathered} $$ (4) $$ \begin{gathered} F_{\mathrm{N}}=\frac{2}{2 y_1-m}\left[n \Delta S-L_{\mathrm{G}} G \sin \;\beta-\frac{n}{2} F_{\mathrm{S}}+\right. \\ \left.F_{\mathrm{R}} n-P\left(\frac{m}{2}-y_0\right)\right] \end{gathered}$$ (5) 式中，FN为底板对支架的法向载荷，kN；LG为支架重心高度，m，取LG=n/2；y0为顶板载荷作用位置，m；y1为底板载荷作用位置，m；m为支架宽度，m；n为支架高度，m；FR为顶板对支架的切向载荷，即支架与顶板之间摩擦力，kN。
整理化简式(1)—(2)，可得液压支架不发生下滑失稳的临界工作阻力P1´为
$$ {P_1}^\prime = \frac{1}{{2\mu }}[G(\sin \; \beta - \mu \cos \; \beta ) + {F{\mathrm{_S}}} - \Delta S] $$ (6) 由式(3)—式(5)可得使液压支架不发生转动的临界工作阻力P2´为
$$ \begin{aligned} {P_2}^\prime =& \frac{1}{{2(\mu n + {y_0} - {y_1})}}[(2{y_1} - m)\cos \; \beta G + \\ &n(G \sin \; \beta + {F{\mathrm{_S}}} - 2\Delta S)] \\ \end{aligned} $$ (7) 由式（6）、（7）可得，在工作面倾角β不变、不考虑相邻支架间作用载荷ΔS情况下，支架临界工作阻力P1´、P2´随着矸石作用力FS如图4所示，支架临界阻力P1´、P2´随着矸石作用力FS的增大而增大。因此在大倾角液压支架的设计过程中，为使工作面支架能稳定工作，FR和FF的作用位置和大小与支架的工作阻力有关，在工程实践中应适当增大侧推千斤顶的侧推力以及支架的工作阻力，增强支架的调架能力和稳定性。
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图 4 支架临界阻力随矸石作用力的变化关系Figure 4. Relationship between critical resistance of support and force of the waste rock2.2 大倾角液压支架三维空间力学模型
支架各构件的受力特征反映了支架与围岩之间的相互作用关系以及支架的失稳机理，同时决定着支架是否能正常受载，尤其对顶底板凹凸不平和间隙碎裂时，支架外载荷离散分布，集中载荷可能与支架中心线不在同一垂直面内，造成支架平面力学分析结果与实际受载情况不吻合[20]。为明确大倾角煤层伪俯斜工作面支架的受载特征，分离顶梁以及掩护梁分别进行空间力学分析，建立两柱支撑掩护式支架空间力学模型的一般数学方程[21]，代入支架有关几何参数，对支架载荷进行计算，支撑掩护式支架力学模型如图5所示。
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图 5 大倾角液压支架力学模型图Figure 5. Force diagram of steeply inclined coal seam hydraulic support根据大倾角煤层伪俯斜工作面下液压支架稳定后顶梁受力状态建立平衡关系式：
$$ \left\{ \begin{gathered} {R_{1x}} + {R_{2x}} - ({P_1} + {P_2})\sin \;{\theta _1} - {P_E}\cos\; {\theta _2} + {Q_x} + {f_x} + {F_{\mathrm{m}}} = 0 \\ {R_{1{\textit{z}}}} + {R_{2{\textit{z}}}} + ({P_1} + {P_2})\cos\; {\theta _1} + {P_E}\sin \;{\theta _2} - {Q_{\textit{z}}} - {G_1}\cos \;\alpha = 0 \\ {R_{1y}} + {R_{2y}} - F + {S_{{\mathrm{up}}}} - {S_{{\mathrm{down}}}} + {G_1}\sin \alpha - {Q_y} - {f_y} = 0 \\ \end{gathered} \right. $$ (8) $$ \left\{ \begin{gathered} ({P_1} - {P_2}){a_1}\cos\;{\theta _1} + {Q_z}{a_2} + ({R_{1z}} - {R_{2z}}){a_3} = 0 \\ ({R_{1x}} - {R_{2x}}){a_3} - ({R_{1y}} + {R_{2y}})\frac{b}{2} - {Q_x}{a_2} - {Q_y}{b_4} - {f_x}{a_2} - {f_y}{b_4} + {S_{{\mathrm{up}}}}{b_2} - {S_{{\mathrm{down}}}}{b_1} + F\frac{b}{2} + {F_{\mathrm{m}}}{a_5} + ({P_2} - {P_1}){a_1}\sin\; {\theta _1} = 0 \\ {Q_z}{b_3} - ({P_1} + {P_2}){b_5}\cos\; {\theta _1} + {G_1}\frac{b}{2}\cos \;\alpha - {P_E}{b_6}\sin \;{\theta _2} = 0 \\ \end{gathered} \right. $$ (9) 式中，α为煤层倾角，（°）；R1x，R2x，R1y，R2y，R1z，R2z为顶梁与掩护梁铰接点约束力，kN；P1，P2为立柱工作阻力，kN；PE为平衡千斤顶工作阻力，推力为正，拉力为负，kN；F为支架与煤壁之间的摩擦力，kN；a为支架宽度，m；b为顶梁长度，m；c为掩护梁长度，m；θ为顶梁与掩护梁最大夹角，（°）；θ1为立柱与垂直方向夹角，（°）；θ2为平衡千斤顶与顶梁、掩护梁夹角，（°）；θ3为前连杆与垂直方向夹角，（°）；θ4为后连杆与垂直方向夹角，（°）；G1为支架顶梁、掩护梁重力，kN；Qx，Qy，Qz为顶板作用载荷分力，kN；fx，fy为支架与顶板间摩擦力分力，kN；Fm为煤壁对支架的作用力，kN。
由式(8)可得顶梁沿x，y、z方向的受力平衡关系式。煤层倾角α不变下，沿顶梁x，y的约束力主要和立柱工作阻力P、顶板作用载荷Q、支架顶梁重力等有关；沿顶梁z方向的约束力还受到Sup，Sdown的影响。式(9)可得顶梁沿x，y、z方向的力矩平衡关系式，各铰接点约束力主要与立柱工作阻力、千斤顶工作阻力有关，同时，立柱及千斤顶与顶梁的夹角也会影响支架的约束力。因此，当煤层倾角和伪斜角发生变化时，应适当增大支架立柱工作阻力和平衡千斤顶工作阻力以保持支架稳定，同时应做好顶板管理，防止支架顶梁发生偏载，避免支架结构损坏、支架倒滑等发生，在对大倾角液压支架设计建模过程中，需考虑大倾角采场三维空间受力特征的影响来指导液压支架的具体结构设计。
根据大倾角煤层伪俯斜工作面下液压支架稳定后掩护梁受力状态建立平衡关系式：
$$ \left\{ \begin{gathered} {R_{1x}} + {R_{2x}} - {P_E}\cos \;{\theta _2} - ({F_1} + {{F'}_1})\sin \;{\theta _3} - ({F_2} + {{F'}_2})\sin \;{\theta _4} = 0 \\ ({F_1} + {{F'}_1})\cos \;{\theta _3} - ({R_{1z}} + {R_{2z}}) - {P_E}\sin\; {\theta _2} + + ({F_2} + {{F'}_2})\cos {\theta _4} - {G_2}\cos\; \alpha = 0 \\ {F_S} - ({R_{1y}} + {R_{2y}}) + {G_2}\sin \;\alpha = 0 \\ \end{gathered} \right. $$ (10) $$ \left\{ \begin{gathered} ({R_{1x}} - {R_{2x}}){a_3}\sin \;\theta + ({R_{1z}} - {R_{2z}}){a_3}\cos \;\theta + ({F_1}^\prime - {F_1}){a_4}\cos (\theta - {\theta _3}) + ({F_2}^\prime - {F_2}){a_4}\cos (\theta - {\theta _4}) = 0 \\ ({R_{1x}} - {R_{2x}}){a_3}\cos \;\theta + ({R_{2z}} - {R_{1z}}){a_3}\sin \;\theta + ({R_{1y}} + {R_{2y}})\frac{c}{2} + ({F_1} - {F_1}^\prime ){a_4}\sin (\theta - {\theta _3}) + ({F_2} - {F_2}^\prime ){a_4}\sin (\theta - {\theta _4}) - {F_{\mathrm{S}}}{c_3} = 0 \\ {P_E}{c_1}\cos (\theta - {\theta _2}) - {G_2}\frac{c}{2}\cos \;\theta \cos\; \alpha + ({F_1} + {F_1}^\prime )(c - {c_2})\cos (\theta - {\theta _3}) + ({F_2} + {F_2}^\prime )c\cos (\theta - {\theta _4}) = 0 \\ \end{gathered} \right. $$ (11) 式中，F1，F1'为前连杆力，kN；F2，F2'为后连杆力，kN；G2为支架顶梁、掩护梁重力，kN；Fs矸石对支架尾部的作用力，kN。
由式（10）—式（11）可得掩护梁沿x，y、z方向的受力平衡关系式及力矩平衡关系式，与顶梁空间受力不同的是，掩护梁还受到前后连杆力、矸石尾部作用力的影响，伪斜角和顶板载荷作用位置对支架各构件受载影响较大，当煤层倾角和伪斜角发生变化时，应适当增大支架立柱工作阻力、前后连杆力、平衡千斤顶工作阻力以保持支架稳定，同时应做好顶板管理，预防支架尾部矸石的冲击载荷，防止支架顶梁发生偏载，避免支架结构损坏、支架倒滑等围岩灾害发生。
为建立顶梁两端、顶端扭转和顶梁偏载状态下顶梁和掩护梁的通用稳定性力学计算公式，将式（6）—式（7）、式（8）—式（11）进行联立，可得到一个14维的线性矩阵，如下式所示：
$$ \begin{gathered} {\boldsymbol{X}} = [{P_1}^\prime ,{P_2}^\prime ,P,{P_E},{F_1},{{F'}_1},{F_2},{F_2}^\prime, \\ {R_{1x}},{R_{2x}},{R_{1y}},{R_{2y}},{R_{1z}},{R_{2z}}] \\ \end{gathered} $$ (12) 根据煤矿初始设计参数可计算得到液压支架的P，PE，F1，F2，F1'，F2'，R1x，R2x，R1y，R2y，R1z，R2z，即液压支架的平衡千斤顶工作阻力、前后连杆力、铰接点接触力等力学响应数据，对后节大倾角液压支架三维建模结构参数设计具有重要的判据依据。
3. 大倾角煤层液压支架结构建模与优化系统
3.1 基于Top-Down建模设计方法
目前，产品在设计建模过程中大部分是由零件到装配，形成整架模型，该方法增加了支架零部件之间的尺寸、运动干涉，而Top-Down(自顶向下)设计顺序是产品→部件→组件→零件，即在装配体中完成零部件的设计与配合[22]，如图6所示。由于是在装配体上直接设计出零部件，因此从根本上避免了干涉现象的产生，同时当装配体设计完毕，零部件也自动生成，减少了工作量，提高了工作效率。利用Top-Down的设计方法，先构建液压支架的底座、前后连杆、掩护梁、顶梁、前梁等模型，各部件尽量采用单一的实体建模方式。然后创建完支架所有的零件后，对零件进行装配，通过面匹配、面对齐、轴对齐、联接等装配关系，将前后连杆、掩护梁、顶梁、立柱等零部件一次进行装配。
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图 6 大倾角煤层液压支架设计流程Figure 6. Design process of hydraulic support in steeply inclined coal seam3.2 大倾角煤层液压支架设计系统的开发
SolidWorks这款软件为用户提供免费的2次开发工具，2次开发支持 C#，Visual Basic，C++，VB.NET等多种语言，可以适应不同用户的开发基础[23]。此系统以Visual Studio 2019作为系统开发工具，VB.NET为开发语言，对SolidWorks建模完后系统的2次开发，设计开发良好的人机交互用户界面[24]，其中包括对液压支架的参数选型、力学分析、强度计算、计算参数模块、更新产品模块和打包项目模块。如图7所示。
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图 7 大倾角煤层液压支架设计系统流程Figure 7. Flow chart of hydraulic support design system for steeply inclined coal seam该系统主要由两部分组成，一是平面设计模块，主要是对支架的技术参数化计算，由大倾角工作面液压支架的临界工作阻力、平衡千斤顶工作阻力、前后连杆力、铰接点接触力等进行系统计算，为实时反馈支架多维受力特征，提高支架受力的可视化程度，并对支架连杆进行优化，指导支架三维模型的建立；二是立体设计，主要针对平面设计优化后的参数进行三维物理模型的搭建，包括对支架零部件、三维图纸、二维图纸等的生成，然后生成支架的BOM表指导液压支架的实际生产过程。
以ZY5000/15.5/38型液压支架为例，设计系统的主要步骤如下操作：
1）设计的人机交互界面如图8a所示，液压支架进行四连杆优化参数如图8b所示。
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图 8 大倾角液压支架建模设计系统基本参数设定Figure 8. Basic parameter setting of modeling design system for steeply inclined coal seam hydraulic support2）基于空间力学理论分析的大倾角液压支架指导设计方法。
基于表达式（12）建立顶梁、掩护梁受载状态下的通用力学分析矩阵，利用系统算法计算通用力学分析矩阵，分析支架各构件的受力特征，建立空间力学系统分析数据库，将分析数据库嵌入建模设计系统中，生成大倾角工作面环境静态平衡下液压支架的相关数据，为大倾角液压支架三维建模各个数据提供基础。
以某矿3132工作面为工程背景，取煤层倾角α =43°等相关开采参数。模拟大倾角煤层液压支架顶梁前端受力过程中的参数如图9a所示。系统依次对顶梁、掩护梁加载完成后，将输出本次设计的结果，如图9b所示。
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图 9 大倾角液压支架平面参数设计指导Figure 9. Plane parameter design guidance of steeply inclined coal seam hydraulic support通过系统生成的设计参考数据对液压支架进行Top-Down方法三维建模，生成的模型后期需要手工加入其他的标准间(如螺母、垫块、标准油缸等)如图10所示。
4. 大倾角煤层液压支架适应性检验
4.1 运动仿真检验
运动检验中四连杆的优劣直接影响着支架掩护梁和四连杆的受力状况以及支架的正常升降过程，本小节利用Solidworks Motion插件对液压支架的运动进行了重点分析检验。
为了与大倾角工作面液压支架实际三维空间力学受载特征相结合，根据3.2节ZY5000/15.5/38型液压支架计算得出的数据，在支架上施加不同方向的应力边界以保持平衡，进一步模拟支架的升架、降架过程。由图2可得液压支架在伪斜工作面倾斜方向受到不同的力，同时，施加顶板、底板方向的力以保持支架平衡。具体地，对图10生成的物理模型施加重力，液压立柱设置线性马达，速度0.1 m/s，护帮板设置旋转马达，速度0.1 RPM，设置运动帧数为25 f/s，在对其运动仿真过程中，具体布置如图11所示。
以液压支架底座与底板接触的面为平面坐标系，分析液压支架顶梁前端的运动轨迹。支架从最高位置降到最低位置时，轨迹宽度e为48 mm左右，在缓慢下降过程中，由图12可以看出支架顶梁前端运动轨迹为双扭线，液压支架在3.71 s（支架高度为2 900～2 700 mm）和7.95 s左右（支架高度为2 000～1 800 mm）发生转折，小于设计规范中e（70 mm）。
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图 12 大倾角煤层液压支架顶梁前端运动轨迹Figure 12. Front end trajectory of top beam of hydraulic support in steeply inclined coal seam4.2 支架屈服强度检测
液压支架满足基本运动要求后其强度也需要满足开采实践需求，需保证支架在受载过程中不发生变形破坏，维持工作面正常生产。本节对大倾角煤层液压支架整架模拟采场三维受力情况，分析支架设计是否满足要求。
对图10系统生成的模型简化后，导入到Solidworks Simulation中，SolidWorks Simulation在静应力分析过程中是基于剪切应变能的一种等效应力，遵循材料力学的第4强度理论(形状改变比能理论)[25]，支架顶梁、掩护梁、底座等材料属性设置为标准45号钢，材料的屈服应力值为530 MPa；弹性模量为201 GPa，泊松比为0.26，密度为7.85 g/cm3，液压支架按照图11布置在俯斜工作面上，平衡后单个支架的应力分析。边界条件包括初始参数压力P取7 500 kN、煤层α取43°、重力G取9.8 N/kg；相邻支架间作用载荷ΔS在平稳状态下之和为0，矸石对掩护梁的作用力Fs(Fs=68 kN)由3.2节公式计算出的数据。模型网格划分后进行屈服强度分析如图13所示。
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图 13 大倾角煤层液压支架三维载荷作用下数值分析Figure 13. Numerical analysis diagram of hydraulic support under three-dimensional load in steeply inclined coal seam实验中以1.5倍的理论应力(支架额定工作阻力时承受的最大压力)施加强度分析，由图13a可得液压支架顶梁柱窝的最大应力值为146.7 MPa，图13b可得最大位移不超过0.531 mm；支架掩护梁最大应力值为131.5 MPa，最大位移不超过0.314 mm；支架连杆位置最大应力120.1 MPa，最大位移不超过0.302 mm。结果表明，支架受力远小于其可屈服的应力，且最大变形位移不超过0.6 mm。
4.3 支架物理模型性能检测
通过前述对支架结构研发设计、物理建模、运动仿真、系统搭建的叙述，验证了设计参数满足实验需求，进一步对系统生成的三维模型支架进行物理模拟实验，而在大型二维、三维相似模拟实验过程中需要遵循相似准则。支架的相似性在于其实体支架承载能力的相似，即需要满足施加载荷过程中初撑、增阻、恒阻3个阶段的性能要求[12]。原ZY5000/15.5/38型支架的额定工作阻力5 000 kN，系统设计出的模型进行1∶5的物理模型液压支架，如图14所示。
模型相似比见表1。
表 1 液压支架模型相似比Table 1. Similarity ratio of hydraulic support model参数 取值 几何相似比 $ {\alpha _l} = 5 $ 容重相似比 $ {\alpha _\gamma }{\text{ = }}{\gamma _{\text{p}}}/{\gamma _{\text{m}}}{\text{ = 1}} $ 强度相似比 $ {\alpha _\sigma }{\text{ = }}{\sigma _{\text{p}}}/{\sigma _{\text{m}}}{\text{ = }}{\alpha _l} {\alpha _\gamma }{\text{ = 5}} $ 外力相似比 $ {\alpha _{\mathrm{F}}}{\text{ = }}{\alpha _\sigma } \alpha _l^2{\text{ = 125}} $ 1∶5模拟液压支架的具体参数见表2。
表 2 液压支架参数Table 2. Hydraulic support parameter table参数 原型支架参数取值 模型支架参数取值 支架高度/mm 1 550～3 800 310～760 额定工作阻力/kN 5 000 40 额定初撑力/kN 3 619 28.925 支架宽度/mm 1 680～1 880 336～376 适应工作面倾角/（°） ≤60 ≤67 泵站压力/MPa 31.5 6.3 在可变角“支架–围岩”系统物理模拟与仿真实验平台上进行模拟实验如图15a所示。该实验平台能够模拟0～67°倾角范围内采场物理环境，监测液压支架在平台中的姿态和状态，满足液压支架在大倾角工作的各种动作操控以及不同形式的加载实验。
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图 15 大倾角液压支架物理模拟实验Figure 15. Physical simulation experiment of steeply inclined coal seam hydraulic support液压支架的力学性能在于支架的结构力学性能，由于整体主要由金属构成，可视为刚性体。模型液压支架的额定工作阻力为40 kN。为增加液压支架空间受力可视化，由2.2节可得液压支架空间受力分析结果，在模型支架顶梁立柱位置、平衡千斤顶位置等安装压力传感器，在掩护梁矸石作用位置、前后连杆铰接点位置等安装压力传感器如图16所示，图中以支架顶梁上带有①～⑨和掩护梁带有①～⑥标记的传感器，以及相邻支架安装传感器⑪～⑫测量在俯伪斜工作面下支架所收到力的大小。
将图14液压支架放入可变角实验平台中进行性能测试，如图15b所示。支架在供油后与顶板接触，随着压力升高，待达到初撑力后停止供油，然后压力机持续对支架进行施压，待达到支架额定工作阻力后，停止加压，实验观测施加载荷过程中满足液压支架初撑、增阻、恒阻3个阶段的性能要求。
实验将实验平台调升43°时，对顶梁施加静载荷40 kN，实验测得静载荷下顶梁载荷受载情况如图17所示。支架顶梁上传感器平均受载3.74 kN，在受载过程中支架传感器平均所受载荷逐渐增大至3.9 kN，总受载最大达38.7 kN。
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图 17 静、动载荷作用下顶梁传感器载荷Figure 17. Size of load of top beam sensor under static and dynamic loads实验模拟动载荷正压冲击下顶梁的动载荷情况如图17所示，顶梁的平均受载为3.62 kN，与静载荷下没有明显差异，这是因为动载冲击作用时间短，且正压冲击下受载比较均匀；后推、侧推作用下掩护梁的受载比静载荷状态下明显增大，如图18所示，但变化趋势均匀，且在实验观测中支架能够在静载、动载下保持稳定状态。顶梁在受到正压冲击载荷下6，7号和掩护梁受到侧推作用下4传感器数值较低，这是由于在伪俯斜工作面顶梁和掩护梁所受正压或侧推作用力的载荷位置、范围不同引起。由表1可得外力相似比为125，由图9b可得液压支架顶梁、掩护梁所受最大受压载荷，根据相似准则计算顶梁、掩护梁受载静载荷与系统计算得出的静载荷基本相符。
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图 18 静、动载荷作用下掩护梁传感器载荷Figure 18. Size of load of shield beam sensor under static and dynamic loads综上所述，实验结果得出该系统生成下的模型液压支架顶梁前端运动轨迹范围48 mm左右，曲线满足双扭线特性；模型支架应力远小于材料屈服的等效应力值，最大变形位移也不超过0.531 mm；研制相似比为1∶5模型液压支架在初撑、增阻、恒阻及卸压各阶段均满足支架的运动及承载要求，且实验中模型支架的力学数据与系统生成的力学数据基本相符。以上满足工程设计需求，由此可得此大倾角建模设计系统可以用来指导大倾角工作面条件下液压支架的三维建模。
5. 结 论
1）根据大倾角工作面液压支架三维受载特征，分析了三维倾斜采场空间液压支架的力学响应特征，提出了顶梁、掩护梁多维稳定性判据。
2）构建以Top-Dowm设计理论、Solidworks二次开发、VB.NET为开发语言相结合的大倾角煤层液压支架参数化设计系统，包含平面设计和立体设计两部分，平面设计主要对液压支架的连杆优化、力学模型分析；立体设计主要针对平面设计优化后的参数进行液压支架三维模型的搭建。
3）以ZY5 000/15.5/38型大倾角煤层液压支架为例，验证了液压支架参数化设计系统的可行性。结果表明系统生成下的支架顶梁前端运动轨迹为双扭线，轨迹宽度e为48 mm；支架最大应力为146.7 MPa，小于其屈服强度，且最大变形量0.531 mm；研制1∶5模型支架在承载过程中满足初撑、增阻、恒阻3个阶段性能要求，模型支架的力学响应数据与参数化设计系统的计算结果基本相符。
4）大倾角煤层液压支架建模设计系统的研发，相比传统设计方法更加方便、节省人力，提高工作效率。研究成果不仅为大倾角工作面液压支架的建模设计提供了有力工具，同时对大倾角煤层综采设备参数化设计也具有一定的指导意义，有望在生产实践中进一步迭代升级。
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图 2 不同处理复合土壤的理化指标变化
注：不同小写字母表示不同处理之间的差异显著（P < 0.05）。下同。
Figure 2. Change of matrix physical index prepared by raw soil and serpentine muck
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图 3 环境材料与土壤理化性质的冗余分析
Figure 3. Redundancy analysis of environmental materials and soil physicochemical properties
表 1 矿区蛇纹石渣土和原土以及羊板粪理化性能
Table 1 Physical and chemical properties of serpentine residue and original soil and sheep feces in mining area
指标 蛇纹石渣土 原土 羊板粪 土壤比重/(g·cm−3) 2.50 2.33 — 土壤密度/(g·cm−3) 1.34 1.38 — 孔隙度/% 46.63 40.92 — 土壤毛管孔隙度/% 28.05 35.14 — 土壤田间持水量/% 22.51 26.83 — pH 8.81 7.65 7.83 电导率/(μS·cm−1) 308.30 293.70 2420 土壤含盐量/% 0.21 0.12 0.13 As含量/(mg·kg−1) 14.90 33.40 9.95 Hg含量/(mg·kg−1) 0.025 0.258 0.031 Cd含量/(mg·kg−1) 0.108 0.275 0.325 Cr含量/(mg·kg−1) 1 250 111 59.5 Pb含量/(mg·kg−1) 2.45 24.6 15.8 有机质含量(g·kg−1) 16.54 16.36 99.30 有效磷含量/(mg·kg−1) 2.22 6.41 9.67 全氮含量/(g·kg−1) 0.09 0.83 11.9 水解性氮含量/(mg·kg−1) 23.35 54.87 759 速效钾含量/(mg·kg−1) 22.06 143.99 308 
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表 2 3种环境材料添加量
Table 2 Addition of three environmental materials
用量水平 各因素及用量/（g·kg−1） 羊板粪A TG改良剂B 保水剂C 1 A1(6) B1(1.48) C1(0.06) 2 A2(12) B2(3.70) C2(0.12) 3 A3(18) B3(5.92) C3(0.18)
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表 3 正交试验各处理材料用量组合
Table 3 Orthogonal test material dosage combinations for each treatment
处理编号 用量/（g·kg−1） 羊板粪A TG改良剂B 保水剂C CK 0 0 0 处理1 A1(6) B1(1.48) C1(0.06) 处理2 A1(6) B2(3.70) C2(0.12) 处理3 A1(6) B3(5.92) C3(0.18) 处理4 A2(12) B1(1.48) C2(0.12) 处理5 A2(12) B2(3.70) C3(0.18) 处理6 A2(12) B3(5.92) C1(0.06) 处理7 A3(18) B1(1.48) C3(0.18) 处理8 A3(18) B2(3.70) C1(0.06) 处理9 A3(18) B3(5.92) C2(0.12)
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表 4 渣土物理性质极差分析
Table 4 Polar analysis of physical properties of slag soil
指标 土壤密度/( g·cm−3) 孔隙度/% 田间持水量/% A B C A B C A B C K1 4.21 4.31 4.29 140.710 135.270 136.130 60.11 58.70 59.36 K2 4.40 4.35 4.43 131.110 132.300 130.760 58.12 57.55 54.93 K3 4.41 4.36 4.30 131.230 135.480 136.160 56.01 57.99 59.95 k1 1.40 1.44 1.43 46.903 45.090 45.377 20.04 19.57 19.79 k2 1.47 1.45 1.48 43.703 44.100 43.587 19.37 19.18 18.31 k3 1.47 1.45 1.43 43.743 45.160 45.387 18.67 19.33 19.98 极差 0.07 0.01 0.05 3.200 1.060 1.800 1.37 0.38 1.67 主次顺序 A > C > B A > C > B C > A > B 优水平 A1 B1 C1 A1 B3 C3 A1 B1 C3 优组合 A1B1C1 A1B3C3 A1B1C3 注：表中Ki表示某一因素在i(i=1，2，3）水平时的理化指标的总和；ki表示某一因素在i(i=1，2，3）水平时的理化指标的算术平均值，用来判断因素的最优水平和最优组合。
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表 5 渣土化学性质极差分析
Table 5 Extreme variance analysis of chemical properties of sludge
指标 pH 全盐含量/% 有机质含量/（g·kg−1） A B C A B C A B C K1 23.89 23.84 23.91 0.410 0.350 0.320 30.010 31.180 33.220 K2 24.11 23.97 23.92 0.340 0.370 0.370 33.200 34.060 33.270 K3 24.02 24.21 24.19 0.280 0.310 0.340 36.280 34.250 33.000 k1 7.96 7.95 7.97 0.137 0.117 0.107 10.003 10.393 11.073 k2 8.04 7.99 7.97 0.113 0.123 0.123 11.067 11.353 11.090 k3 8.01 8.07 8.06 0.093 0.103 0.113 12.093 11.417 11.000 极差 0.07 0.12 0.09 0.043 0.020 0.017 2.090 1.023 0.090 主次顺序 B > C > A A > B > C A > B > C 优水平 A1 B1 C1 A2 B3 C1 A3 B3 C2 优组合 A1B1C1 A2B3C1 A3B3C2
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表 6 3种材料对矿区渣土改良综合效果评价
Table 6 Evaluation of the improvement effect of three materials on tailings in the mining area
编号 因子1 因子2 因子3 主成分1 主成分2 主成分3 得分 排名 CK − 0.87147 1.44192 − 2.07068 − 1.5626 1.4803 − 2.0882 − 1.0570 9 处理1 2.31364 − 0.19678 − 0.92378 4.1485 − 0.2020 − 0.9316 2.3036 1 处理2 0.29162 − 1.45487 − 0.55356 0.5229 − 1.4936 − 0.5582 − 0.0872 4 处理3 0.87892 0.96503 1.3144 1.5759 0.9907 1.3255 1.4111 2 处理4 − 0.7079 − 1.3156 − 0.43757 − 1.2693 − 1.3507 − 0.4413 − 1.1262 10 处理5 0.35478 0.32107 0.62231 0.6361 0.3296 0.6276 0.5734 3 处理6 − 0.46791 0.97683 0.63676 − 0.8390 1.0029 0.6421 − 0.1868 5 处理7 − 0.33178 0.47375 0.26677 − 0.5949 0.4864 0.2690 − 0.2131 6 处理8 − 0.6651 − 0.81545 0.81094 − 1.1926 − 0.8372 0.8178 − 0.7349 7 处理9 − 0.79479 − 0.39588 0.33442 − 1.4251 − 0.4064 0.3373 − 0.8829 8
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表 7 矿区渣土改良实地应用综合效果评价
Table 7 Evaluation of the comprehensive effectiveness of field application of mine spoil improvement
处理编号 CK 复垦第1年 复垦第2年 土壤密度/(g·cm−3) 1.35 1.32 1.27 土壤毛管孔隙度/% 30.57 33.29 41.3 孔隙度/% 37.53 36.44 44.5 土壤田间持水量/% 22.12 25.31 29.77 pH 8.20 7.96 8.22 EC/( μS·cm−1) 75.5 127.37 68 全盐含量/% 0.43 0.028 0.1 有效磷含量/(mg·kg−1) 3.86 2.0 5.70 全氮含量/(g·kg−1) 0.41 0.74 1.219 水解性氮含量/(mg·kg−1) 32.94 67.7 85.28 有机质含量/(g·kg−1) 12.98 26.7 33.41 速效钾含量/(mg·kg−1) 62.08 78 180.11 株高/cm 2.33 3.77 11.07 地上鲜重/g 0.058 0.11 0.9 地上干重/g 0.031 0.051 0.27
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