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液压支架与围岩耦合状态的监测、控制是智能化综采的主要特征之一[1-2]。液压支架-围岩的耦合是通过接触，以力的形式予以相互作用，因此接触状态与载荷大小是耦合的2个直接因素。鉴于井下复杂的环境，通过直接观测建立围岩状态-支架响应规律间的关系较为困难，借助支架型式试验来研究支架-围岩耦合规律，是敏感参量获取和自适应控制的重要途径。
近年来，综采智能化进程促进了井下液压支架状态监测工作，液压支架试验装备水平也取得了显著提升。王阳阳等[3]分析了加载方式对液压支架型式检验结果的影响，指出内加载需在额定压力基础上增大5%～15%以保障安全性能，且无法准确反应顶梁变形趋势；国家煤矿支护设备质量监督检验中心[4-5]建成了30 000 kN液压支架综合试验台和26 000 kV立柱试验台，具备外加载等功能，更符合井下的使用工况，满足了GB 25974.1试验要求，现已全面开展试验工作；煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室[6]建设了大比尺采场模型试验液压支架模拟系统，可测试模型试验中的支架运行工况。液压支架井下监测方面，文献[7-9]研究了基于倾角传感器的液压支架高度姿态监测方法，侯刚[10]开发了液压支架支护质量监测系统；周凯等[11]基于液压支架油缸压力和姿态，对所受集中载荷进行了反演计算；杜毅博[12]利用液压支架支护状态参数，开展了模糊综合评价方法研究。
上述研究工作为液压支架状态研究提供了基础。但液压支架不同接触方式和加载条件下的响应规律尚无试验支撑，笔者依托国家煤矿支护设备质量监督检验中心外加载试验台，试验研究加载方式下液压支架响应规律，为井下感知系统构建和调控提供参考。
试验在30 000 kN液压支架试验平台[13]上进行，该试验平台由下平台、上平台、顶梁与4根立柱构成一个高度可调节的“三梁四柱”封闭式承载框架(图1)。额定垂直外载 22 000 kN，额定水平外载 6 600 kN，额定侧向外载3 200 kN，最大试验空间8.0 m×4.0 m ×7.6 m，可进行内、外加载2种方式试验，由于上平台与门架梁采用销轴-孔联接，只能实现高度的有级调整。
其中垂直外加载分为加载、保压与卸载 3 个阶段，行程400 mm，加载速度1.8 mm/s(最大可调)。4个垂直加载缸分别由比例方向阀控制， 通过位移传感器实时监测、采集各个缸的高度并分析对比高度偏差，将该偏差反馈给工控机，对比例方向阀的开度进行控制，实现4个液压缸局部流量独立控制和高度偏差调节；采用液控单向阀进行系统保压，通过比例溢流阀进行系统卸载。
试验采用ZY6400/17/31型两柱掩护式支架的1∶2缩比模型。该缩比支架(图2)是按照几何相似、静力相似和强度等强等准则[14-15]，专门为姿态监测和冲击试验研究工作制作的样机，采用整体顶梁结构，无侧护板，左右结构对称。液压支架模型主要参数见表1。
图1 液压支架外加载试验平台
Fig.1 Powered support test bench with external loading
图2 支架模型及测量参数
Fig.2 Powered support model and testing parameters
表1 液压支架模型主要参数
Table 1 Main parameters of powered support model
项 目缩比支架参数原架参数最低/最高高度/m0.85/1.551.7/3.1宽度/mm7301430～1600初撑力/kN12665066工作阻力/kN16006400双伸缩立柱——缸径/mm160/125320/230柱径/mm150/100290/210行程/mm6881370平衡千斤顶——缸径/mm100200杆径/mm70120行程/mm450450
研究不同加载和接触条件下立柱位移和压力变化规律，压力传感器在双伸缩立柱下腔和活柱进液腔各设1个，2根立柱共用4个，平衡千斤顶有杆腔和无杆腔各1个；在液压支架底座和顶梁间设置1个激光测距仪(测量行程400 mm)，安装时加装调高架保证传感器与顶梁反射面之间的距离小于400 mm。
采用DHDAS动态采集分析系统进行数据采集，采样频率设置为10 Hz。液压支架测试初始高度1 220 mm，小于上下平台最小间距，因此加设了垫高支架来提高平台高度。试验现场布局如图3所示。
图3 试验现场布局
Fig.3 Layout of testing system
内加载可模拟液压支架初撑接顶过程，外加载模拟顶板来压过程，因此分别按照内加载和外加载2种方式对支架进行加载。内加载时从泵站直接向液压支架立柱下腔供液加压，试验平台的上平台和下平台均锁定，加载到安全阀设定压力附近；外加载时将上平台固定，液压支架立柱自锁，通过垂直加载缸对下平台和被试架整体加载，先加载到初撑力31.5 MPa，然后保压，继续增压到安全阀设定附近停止加压。加载过程不对平衡千斤顶进行调控操作，每种试验工况重复3次。
液压支架-围岩环境复杂，具有因破碎、冒空、割煤等产生顶板不平整情况，造成液压支架顶梁和顶板实际接触状态非理想的严密平面接触，对液压支架的受力造成不良影响，加剧了销轴、承力件等扭转破坏。然而，实验室直接模拟液压支架与围岩接触状态难度较大[16-18]，实验室中一般通过加垫块来模拟。本文按照GB 25974.1—2010液压支架试验规范，通过在支架与试验台之间设置垫块来模拟实际工况，对于两柱掩护式液压支架，该规范给出了15种加载方式，图4选取了其中6种典型接触工况进行试验。由于接触工况的多样性，本次试验采用单一模式来模拟接触状态，如模拟顶梁加载工况时被试支架底座下不加垫块，与垫高支架的顶梁支架平面接触；模拟底座扭转加载时，支架顶梁与试验台上平台之间不加垫块，被试支架顶梁与上平台支架保持平面接触。
图4 加载垫块布置方式
Fig.4 Layout of loading pads
在顶梁前后两端横向设置条形垫块，左右对称、前后非对称，进行内、外加载试验。图5a为内加载压力响应情况，左右立柱下腔压力完全一致(通过单阀供两柱)，合力作用点处于支架承载曲线的平衡千斤顶上腔工作区(受拉)[19-22]，平衡千斤顶处于拉伸状态，上腔压力达到32 MPa；图5b显示加载和卸载阶段，由于单侧间隙存在等原因，左立柱位移具有波动现象。多次内加载过程状态参数重复性较好。
外加载时压力(图5c)变化表明，左右立柱压力大小和趋势基本一致，初始加压阶段波动明显；图5d显示立柱高度在压力作用下处于不断压缩状态，安全阀开启后无补液不可复位，具有累加效应，累计下缩量达35 mm以上。因高度和位态变化，合力作用点位置不断变化，平衡千斤顶上、下腔压力相应处于不断调整状态，相较内加载，外加载各次循环过程参数一致性较差。
在顶梁后端设置横向条形垫块，右前方设置圆垫块形成扭转加载。图6a、图6b显示内加载条件下，左右立柱下腔压力一致，位移仍是左立柱波动，右立柱稳定；平衡千斤顶压力未波动，未发生压缩或拉伸变化，合力位置推测处于立柱工作区(主平衡区)。
图6c、图6d显示外加载条件下，合力作用位置发生了明显变化，移至立柱后方上腔工作区，平衡千斤顶上腔压力随加载循环不断增高，达到了39 MPa，接近安全阀开启压力，是其位移变化的累积显现；立柱高度不断被压缩，左右立柱变化趋势基本一致。
在顶梁右侧设置条形垫块，形成左右非对称偏心加载，内外加载条件下的支架响应特性如图7所示。内加载时压力变化平稳、一致性较好；左侧立柱由于顶梁上方与试验台上框架空顶，接顶过程产生较大位移，右立柱距支撑点(条形垫块处)较近，因此位移变化小，左右立柱位移成比例变化，偏载特征明显，可作为推测支架-顶板接触状态的判据之一。
外加载条件下，由于初始载荷使顶梁偏载状态下与上平台保持接触，压力和位移均协调变化，平衡千斤顶压力保持稳定，姿态保持一致。前后对称，顶梁未发生前后偏转，内外加载条件下平衡千斤顶内压力波动较小。
可以看出，条梁左右单侧加载条件下因前后协调，合力作用点在立柱工作区未发生明显偏移，平衡千斤顶上、下腔压力无明显变化。
在底座左下和右上设置垫块，形成对角加载。图8表明，内加载条件下左右立柱压力保持一致，左立柱位移变化幅值大于右立柱(垫块距右立柱近)；外加载时平衡千斤顶内压力经历调整过程后趋于一致，立柱多次加载过程位移整体被压缩。对角加载前后非对称，内加载合力作用点处于上腔工作区，外加载条件下合力作用点进一步后移，平衡千斤顶上腔压力达到了安全阀开启值。
图5 顶梁两端加载
Fig.5 Loadings at two ends of the canopy
图6 顶梁扭转加载
Fig.6 Torsion loading at canopy
图7 顶梁偏心加载
Fig.7 Loading at one side of canopy
在底座前端设置横向条形垫块，后左设置垫块形成扭转加载。图9a、图9b显示底座扭转加载状态，合力作用点处于立柱工作区，平衡千斤未承载，内加载条件下左、右立柱压力一致；位移变化幅值基本一致。图9c、图9d表明外加载条件立柱压力和位移有个协调趋稳过程，处于主平衡区，平衡千斤顶未承压，平稳一致性好。
由上述分析可以看出，内外加载的差异主要在于合力作用位置的不同，造成了平衡千斤顶和立柱的不同压力响应；且在平衡千斤顶工作区腔内压力极易受拉、压作用超出安全阀设定值，即处于敏感非稳定区间。
图8 底座对角加载
Fig.8 Diagonal loading at the base
图9 底座扭转加载
Fig.9 Torsion loading at the base
1)试验给出了内、外加载条件下，不同接触形式下两柱掩护式液压支架立柱压力和位移响应，两立柱压力、位移变化规律整体具有一致性，但非对称接触工况存在差异，位移(姿)对加载垫块位置更为敏感，可作为支架-围岩接触状态反演依据。
2)初步发现内外加载下液压支架不同相应规律：内加载双立柱表现出压力协同(通过位移调整实现压力一致)；外加载双立柱表现出位移协同(通过压力的调整得到位移的一致)，同时外加载具有累积效应，复杂围岩条件下两立柱状态需同时监测。
3)两柱掩护式液压支架平衡千斤顶需协调支架位移和力的变化，是最为敏感部件[23]，尤其累计效应易造成安全阀开启等恶劣状态，必须作为姿态变化的敏感指标。
4)本文仅对立柱、千斤顶参量进行了试验和表象分析，下一步需进一步完善试验，对结构形变和应力响应进行全面测量分析，深入研究两柱掩护式液压支架-围岩的耦合规律[24]，为智能调控提供参考。
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