《Applied Sciences》：Hydraulic Support Loading in a Deep Longwall Face with Large Dip and Advance Angles: Distribution Characteristics and Mechanical Interpretation
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摘要翻译：深部长壁开采在大倾角和推进方向倾角条件下可引起显著非对称的顶板变形和非均匀载荷传递，使得液压支架载荷的评估复杂化。以陈四楼煤矿2902工作面为工程案例，本研究结合现场监测、理论分析和FLAC3D模拟，研究了在倾角和推进方向倾角均约为35°的固定几何条
摘要翻译：深部长壁开采在大倾角和推进方向倾角条件下可引起显著非对称的顶板变形和非均匀载荷传递，使得液压支架载荷的评估复杂化。以陈四楼煤矿2902工作面为工程案例，本研究结合现场监测、理论分析和FLAC3D模拟，研究了在倾角和推进方向倾角均约为35°的固定几何条件下反复出现的M形压力分布。在累计推进距离40、60、80和100 m处的代表性现场剖面一致呈现出M形液压支架压力分布。为解释该空间模式，将主顶板表示为具有三边固支、一边自由的双向倾斜等效弹性板，而液压支架–直接顶系统表示为局部Winkler地基。解析解识别出两个空间分离的顶板挠度集中区，FLAC3D结果也表现出大致相似的双峰压力趋势。随后分析了完整的28天监测记录，以检验该模式是否在四个代表性推进阶段之外持续存在，结果揭示了两个大致位于支架45–75和105–135区间的反复出现的高压区。现场、解析和数值结果在分区水平上显示出近似对应关系。因此，本研究提供了一个针对特定案例的力学框架，将反复出现的分区液压支架载荷与空间变化的覆岩载荷、非对称等效边界约束、非均匀主顶板弯曲以及局部顶板–支架载荷传递联系起来。
论文解读文章：
**研究背景与问题**
随着浅部易采煤炭资源的枯竭，长壁开采日益向深部复杂地质条件延伸。在倾斜煤层中，煤岩自重平行于层面的分量显著增加，导致覆岩运动、顶板断裂、载荷传递和液压支架载荷呈现强烈非对称性。已有研究涉及大倾角煤层的综采技术、三维覆岩运动、大采高工作面顶板–支架相互作用、基于板理论的主顶板变形与断裂，以及支架–围岩系统稳定性等。对于更复杂倾斜条件下的长壁工作面，也探讨了顶板失稳、支架阻力确定、区域岩层运动、支承压力、液压支架–煤壁相互作用及双向倾斜工作面的矿压显现。此外，已有多种方法用于确定复杂顶板、深部和超大采高条件下的液压支架阻力。多峰和M形液压支架载荷模式已在长工作面和超长工作面中被报道，这些研究通常将非均匀支架载荷与工作面尺寸、顶板结构、区域顶板运动、周期来压和边界效应相关联。然而，2902工作面观察到的反复出现的M形液压支架载荷无法完全由现有解释说明。该工作面具有大埋深和固定的双向倾斜几何特征，倾角和推进方向倾角均约为35°。在此条件下，顶板–支架响应可能受到空间变化的覆岩载荷、非对称边界约束以及液压支架–直接顶系统局部支撑作用的共同影响，但这些因素与空间分离高压区形成之间的力学关系尚未被充分理解。
**研究内容与意义**
研究人员以陈四楼煤矿2902工作面为工程案例，旨在表征反复出现的M形液压支架载荷分布，并对其在深部下行开采、大倾角和推进方向倾角条件下的形成机制提供力学解释。首先通过现场监测表征液压支架压力的空间分布，并识别推进过程中的反复高压区；其次，针对固定双向倾斜几何建立简化的等效主顶板–支架力学模型，其中主顶板表示为三边固支、一边自由的双向倾斜弹性板，液压支架–直接顶系统表示为局部Winkler地基；然后采用Ritz方法求解主顶板挠度和相应液压支架载荷的空间分布；最后将解析识别的变形集中区与现场监测高压区以及FLAC3D模拟高压区进行对比，以液压支架编号为统一空间参考。本研究的创新点在于整合全工作面现场监测、包含空间变化载荷、非对称边界约束和局部支撑作用的等效板模型以及FLAC3D模拟，建立反复分区液压支架载荷与非均匀主顶板变形之间的案例特异性力学联系。
**主要技术方法**
研究人员采用了三种主要关键技术方法：一是现场监测，利用SAC电液控制系统和GPD60矿压传感器对2902工作面全部192台ZY8000-18/38D型液压支架进行压力监测，采样频率为10 Hz，记录每循环末工作阻力；二是理论分析，基于经典板弯曲理论建立主顶板等效弹性板模型，考虑空间变化覆岩载荷、三边固支一边自由边界条件及局部Winkler支撑，采用Ritz法求解挠度场；三是数值模拟，使用Rhino、Griddle和FLAC3D建立三维数值模型，模型尺寸为500 m×600 m×630 m，包含2228441个单元和1862624个节点，采用Mohr–Coulomb本构模型，并用等效结构单元模拟液压支架阵列。样本来源为陈四楼煤矿2902工作面，位于河南省永城市，埋深684.6–915.5 m，走向长度1148–1208 m，倾向长度约270 m，采高2.75 m，倾角和推进方向倾角均约35°。
**研究结果**
**2. 案例研究**
**2.1 地质条件**
2902工作面开采2-2煤层，采用综采走向长壁采煤法，全厚一次采全高，全部垮落法管理顶板。监测区段内无主要断层或岩性突变，顶底板岩层连续。
**2.2 现场监测的液压支架压力分布**
在累计推进距离40、60、80和100 m处，四个代表性剖面的支架压力沿倾向均呈现M形分布，高压区大致位于支架45–60和105–130之间，中间为低压区。Peak I至波谷的振幅分别为3.43、4.94、4.26和4.60 MPa，Peak II至波谷的振幅分别为2.97、3.49、4.01和3.43 MPa，相对各阶段平均压力的变化幅度为12.18%–17.41%（Peak I）和10.55%–13.57%（Peak II）。四个阶段峰值–波谷振幅的重复出现定量支持了M形分布。
**3. 理论分析**
**3.1 主顶板–支架力学模型建立**
研究人员将主顶板表示为双向倾斜等效弹性板，边界条件为三边固支（x=0、x=L1cosβ、y=L0cosα）和一边自由（y=0），承受空间变化法向载荷，并采用Winkler地基模拟支架–直接顶局部支撑。通过Ritz法求解，得到挠度场和支架工作阻力分布。
**3.2 理论结果与分析**
在截断阶数M=N=3时，挠度场出现两个局部极大值，分别位于x=64.8 m和x=157.3 m，约对应倾向投影跨度的十分之三和十分之七处，且靠近自由边。计算得到的支架工作阻力也呈双峰分布，两峰位置与挠度极大值所在分区大致对应。
**4. 数值模拟**
**4.1 数值模型建立**
构建了三维数值模型，模拟工作面推进，液压支架用等效结构单元表示，包括顶梁、掩护梁、底座和两根立柱，立柱以pile单元模拟，轴向刚度为20 MN/m，初始设定载荷为每支架5.4 MN。采用节点–单元耦合传递载荷。
**4.2 数值结果与分析**
在推进距离40、60、80和100 m处，模拟压力剖面均呈现双峰M形趋势，峰值幅度随推进而波动并总体增加，可能与悬顶跨度变化和周期来压有关。
**5. 讨论**
对2026年2月1日至28日共28天的每日平均支架压力分析显示，两个反复高压区大致位于支架45–75和105–135之间，中间为低压区，表明分区压力分布并非仅存在于代表性阶段。将解析位置转换为支架编号，理论峰值x=64.8 m和x=157.3 m分别对应支架136和55附近，与现场分区（105–135和45–75）及数值模拟高压区（29–50和132–153）在分区水平上近似对应，Peak Region I的对应性更强。工程上，支架管理应重点关注这两个分离高压区。研究局限性包括：主顶板理想化为均质各向同性弹性板，未考虑横向剪切变形、节理、层理、空间岩性非均质、渐进断裂和垮落、支架间差异及液压系统瞬态响应；仅考虑单一工作面长度和固定倾角组合，无法分离各因素贡献。未来应研究参数敏感性、独立改变变量、采用剪切变形板或三维断裂模型，并结合长期监测和地质信息。
**6. 结论**
本研究结合现场监测、简化等效板分析和FLAC3D模拟，主要结论如下：（1）28天监测显示，在推进40、60、80和100 m时，压力剖面呈M形分布，Peak I和Peak II的峰谷振幅分别为3.43–4.94 MPa和2.97–4.01 MPa，完整记录进一步显示两个反复高压区约在支架45–75和105–135，并被低压区分隔。（2）等效板模型计算的挠度场在x=64.8 m和x=157.3 m处有两个局部极大值，对应约支架136和55，与现场对比显示Peak Region I对应性更强，Peak Region II仅分区水平近似对应。（3）对于2902工作面固定35°倾角、35°推进方向倾角和270 m工作面长度，反复分区支架载荷可力学解释为空间变化覆岩载荷、非对称等效边界约束、非均匀主顶板弯曲和局部顶板–支架载荷传递的共同作用。FLAC3D结果在推进40、60、80和100 m处显示类似双峰趋势。由于仅研究一个工作面长度和固定倾角组合，其个体贡献无法分离，识别的高值区和理论位置应视为该工作面的案例特定参考，应用于其他工作面需针对性监测、参数确定和进一步验证。该研究发表在《Applied Sciences》期刊。
