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硕士学位论文 充填综采液压支架底座强度分析充填综采液压支架底座强度分析 及其结构优化及其结构优化 Strength Analysis and Structure Optimization for Foundation of Hydraulic Support in Filling Mining 作 者唐 琨 导 师冯梅梅 副教授 中国矿业大学 二〇一四年五月 万方数据 中图分类号 学校代码 10290 UDC 密 级 公开 国家重点基础研究发展计划（973 计划）项目（2013CB227900） 国家自然科学基金仪器专项（51227003） 高等学校学科创新引智计划（111 计划）项目（B07028） 中国矿业大学 硕士学位论文 充填综采液压支架底座强度分析及其结构优化充填综采液压支架底座强度分析及其结构优化 Strength Analysis and Structure Optimization for Foundation of Hydraulic Support in Filling Mining 作 者 唐 琨 导 师 冯梅梅 副教授 申请学位 工学硕士 培养单位 力学与建筑工程学院 学科专业一般力学与力学基础 研究方向 结构分析及优化设计 答辩委员会主席 评 阅 人 二○一四年五月 万方数据 67 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文充填综采液压支架底座强度分析及其 结构优化 ， 是本人在导师指导下， 在中国矿业大学攻读学位期间进行的研究工 作所取得的成果。据我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由 本人承担。 学位论文作者签名 年 月 日 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解中国矿业大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学 位论文的部分使用权，即①学校档案馆和图书馆有权保留学位论文的纸质版 和电子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为 教学和科研目的，学校档案馆和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案 馆、 图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、 浏览。 另外， 根据有关法规， 同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 年 月 日 年 月 日 万方数据 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生唐琨在规定的学习年限内， 按照研究生培养方案的要求， 完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论 文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰 写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专 家评审。 导师签字 年 月 日 万方数据 致谢致谢 本论文是在冯梅梅副教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、思路构架到 最后的完成，每一个环节和过程都包含着导师的教诲。从师三载，从生活、做人 到学习、 科研， 我的每一步成长都倾注了导师的心血。 导师追求真理的执着信念、 精益求精的工作作风、严谨求实的治学态度和崇高质朴的品德风范，是我终身学 习的榜样和楷模， 将永远激励我在今后的人生道路上不断进取。 当论文完成之际， 所有的话语都只能凝聚成两个字感谢。感谢导师对于我做人的方向的鞭策，感 谢导师对于我治学的教诲，感谢导师对于我人生目标的点拨。在即将毕业之际， 祝福导师及家人身体健康，工作顺利。 感谢茅献彪教授在论文写作中给予的指导。正是由于两位老师的帮助、指导 才使得论文顺利的完成。在论文的选题、研究思路的规划、技术路线的设计、论 文具体的研究过程方面茅献彪老师都给予我足够的指导。在论文的细节方面，正 是由于茅献彪老师的细心讲解和点拨才保证了论文的整体完善。 在论文完成之际， 向茅献彪老师及其家人送去我最真挚的祝福和感谢。 感谢王连国教授、白海波教授、陈占清教授、陈荣华教授、浦海教授、卢爱 红副教授、吴宇副教授、张凯副教授等在学术论文写作方面给予的指导；感谢王 璐珍博士、刘玉博士、刘展博士、李明博士、郁邦永博士、曹丽丽博士、王捷浩 博士、李兵博士、姜广辉硕士、刘瑞雪硕士、李玺茹硕士、高娟硕士、陈远峰硕 士、仇培涛硕士、陶静硕士、崔灿硕士、张光辉硕士、张公一硕士等多年同窗在 论文完成过程中给予的帮助； 感谢吴洪老师在论文打印和排版方面所付出的辛勤 劳动。 感谢本论文所引用文献的作者。感谢所有帮助和关心我的人。 感谢父母的养育之恩及多年来为我学业的完成而付出辛勤劳作。 最后， 感谢在百忙之中评审、 答辩本论文并提出宝贵意见的各位专家教授。 万方数据 I 摘摘 要要 充填综采是煤矿绿色开采的重要方法之一， 能有效解决煤矿“三下”压煤开 采和煤矿开采出现的环境问题。 充填综采液压支架是充填工作面的主要设备之一， 一次性投资占充填综采装备总资金的七成以上，是充填综采工作面实现安全、高 效采煤的关键装备。底座作为承受顶板传递到底板的压力的同时，要保证刚度和 强度以及底板比压，可谓是非常重要的承载原件，研究其受力特征和强度分析对 于评估充填综采液压支架的可靠性，并改进其结构，降低其成本，都有重要的意 义。 本文综合应用理论分析和数值模拟等方法， 对充填综采液压支架的受力特征、 底座强度及其优化结构等进行了系统的研究，取得了以下的主要成果 （1）基于工作面上覆岩层的移动变形特征，分析得到了充填采煤液压支架 与围岩相互作用关系， 给出了六柱式充填综采液压支架的整体及危险工况下支架 底座受力特征，并比较了与传统综采支架在结构功能受力特征等方面的差异。 （2）建立了六柱式充填综采液压支架的三维数值模型，分析了多种危险工 况下支架各部件的应力分布特征，得到了支架底座的等效应力、变形分布规律， 给出了底座结构危险区域的强度特征及影响因素。 （3）以危险工况下的支架底座为对象，建立了支架底座的多变量多目标优 化模型，对支架底座箱式结构进行了优化，得到了底座板结构的合理厚度。优化 后的底座结构应力集中现象得以改善，底座结构的重量得以减轻。 研究结果可为充填综采液压支架的设计提供参考。 该论文有图 68 幅，表 17 个，参考文献 94 篇。 关键词关键词 充填综采液压支架； 支架围岩作用关系； 受力特征； 底座强度分析； Ansys Workbench 优化。 万方数据 II Abstract The fully-mechanized coal mining FMCMis one of the most important s of green mining, which can solve the coal buried under building, railways ,and water bodies ,even the environmental issue. Filling mining hydraulic is the key device to guarantee safety and efficiency which takes 70 of the investment. The foundation not only transmits the pressure from roof to seam floor but also assures strength, rigidity and seam floor specific pressure. To study the mechanics characteristic and strength analysis has an important meaning for uating the reliability of hydraulic support, improving the structure and reducing the cost. Based on the of theoretical analysis and numerical simulation, the paper research the mechanics characteristic, the strength of the foundation and optimize structure of filling mining hydraulic support. Following results were obtained 1Based on the movement, deation of overlying strata, the relationship between surrounding rock and hydraulic support under solid filling coal mining is studied, the mechanics characteristic of support foundation with the filling mining hydraulic support under dangerous conditions is got, the deference between traditional filling mining hydraulic support and that of six pillar in structure function and mechanics characteristics is gained. 2Six pillar filling fully mechanized three-dimensional numerical model of hydraulic support is built, the characteristic of stress distributed of support component in a variety of dangerous working condition is analyzed, the equivalent stress and deation distribution of support foundation is obtained, the characteristic strength and influence factor of the danger zone is discussed. 3Based on support foundation in dangerous condition, multiple goal optimization model is established, Box-type structure is optimized, the reasonable thickness of plating of support foundation is calculated. the weight of the base structure is reduced, and the stress concentration phenomenon is improved after optimization. Research results can provide reference for the design of filling mining hydraulic support. Keywords filling mining hydraulic support；the relationship between surrounding rock and hydraulic support； mechanics characteristic； strength analysis； optimization of Ansys Workbench. 万方数据 III 目目 录录 摘要摘要I I 目录目录IIIIII 图清单图清单VIIVII 表清单表清单XIXI 变量注释表变量注释表XIIXII 1 绪论绪论 ........................................................................................................................... 1 1.1 研究背景及意义..................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状..................................................................................................... 4 1.3 研究内容及技术路线............................................................................................. 8 2 充填采煤液压支架与围岩作用关系充填采煤液压支架与围岩作用关系..................................................................... 10 2.1 充填采煤上覆岩层移动变形破坏特征............................................................... 10 2.2 充填采煤液压支架与围岩相互作用关系........................................................... 11 2.3 充填采煤液压支架结构特征与受力分析........................................................... 14 2.4 充填综采液压支架的结构特点及设计原则....................................................... 19 2.5 液压支架在特殊工况下的受力分析................................................................... 24 2.6 本章小结............................................................................................................... 26 3 充填采煤液压支架底座强度分析充填采煤液压支架底座强度分析......................................................................... 27 3.1 Pro/E、Ansys Workbench简介 ........................................................................... 27 3.2 支架底座三维模型的建立................................................................................... 28 3.3 支架底座有限元模型的建立............................................................................... 31 3.4 结果分析............................................................................................................... 37 3.5 本章小结............................................................................................................... 45 4 充填采煤液压支架底座结构的优化充填采煤液压支架底座结构的优化..................................................................... 46 4.1 优化设计概述....................................................................................................... 46 4.2 设计变量与目标变量........................................................................................... 48 4.3 响应分析............................................................................................................... 50 4.4 目标驱动优化....................................................................................................... 56 4.5 优化结果与优化前的比较................................................................................... 56 4.6 本章小结............................................................................................................... 58 万方数据 IV 5 结论与展望结论与展望 ............................................................................................................. 59 5.1 主要结论............................................................................................................... 59 5.2 研究展望............................................................................................................... 59 参考文献参考文献61 作者简历作者简历66 论文原创性声明论文原创性声明67 学位论文数据集学位论文数据集68 万方数据 V Contents AbstractII ContentsV List of FiguresVII List of TablesXI List of VariablesXII 1 Introduction ............................................................................................................. 1 1.1 Background and Significance ................................................................................ 1 1.2 Research Status ...................................................................................................... 4 1.3 Research Contents and Technical Route ................................................................ 8 2 Relationship between Surrounding Rock and Hydraulic Support under Solid Filling Coal Mining .................................................................................................. 10 2.1 Movement, Deation and Failure of Overlying Strata under Solid Filling Coal Mining .......................................................................................................................... 10 2.2 Interaction System between Hydraulic Support and Surrounding Rock under Solid Filling Coal Mining ............................................................................................ 11 2.3 Structure Characteristic and Force Analysis of Hydraulic Support under Solid Filling Coal Mining...................................................................................................... 14 2.4 Structure Characteristics and Design Principles of Six-pillar Hydraulic Support with Comprehensive Mechanized Solid Filling Coal Mining ..................................... 19 2.5 Force Analysis of Whole Hydraulic Support in Special Work Condition ........... 24 2.6 Summary .............................................................................................................. 26 3 Strength Analysis of Six-pillarHydraulic Support with Solid Filling Coal Mining ....................................................................................................................... 27 3.1 Pro/E, Ansys Workbench Induction ..................................................................... 27 3.2 Three-dimensional Model .................................................................................... 28 3.3 Finite Element Model .......................................................................................... 31 3.4 Results Analysis ................................................................................................... 37 3.5 Summary .............................................................................................................. 45 4 Optimization of Basement of Hydraulic Support with Solid Filling Coal Mining .................................................................................................................................... 46 万方数据 VI 4.1 Optimization Design Overview ........................................................................... 46 4.2 Design and Target Variables................................................................................. 48 4.3 Response Analysis ............................................................................................... 50 4.4 Goal Driven Optimization.................................................................................... 56 4.5 Result and Compare with The Before-optimized Model ..................................... 56 4.6 Summary .............................................................................................................. 58 5 Conclusion and Prospectation .............................................................................. 59 5.1 Conclusion ........................................................................................................... 59 5.2 Prospectation ........................................................................................................ 59 References61 Author’s Resume66 Declaration of Thesis/Dissertation Originality67 Thesis/Dissertation Data Collection68 万方数据 VII 图清单图清单 图序号 图名称 页码 图 1-1 固体充填综采工作面布置方式 2 Figure 1-1 The layout mode of coal mining face with comprehensive mechanized solid filling 2 图 1-2 液压支架在回采中的升架形态 3 Figure 1-2 The lifting of hydraulic support in stopping 3 图 1-3 第一代固体充填采煤液压支架 6 Figure 1-3 The first generation of hydraulic support in solid filling mining 6 图 1-4 第二代固体充填采煤液压支架 6 Figure 1-4 The second generation of hydraulic support in solid filling mining 6 图 1-5 第三代固体充填采煤液压支架 6 Figure 1-5 The third generation of hydraulic support in solid filling mining 6 图 1-6 第四代固体充填采煤液压支架 7 Figure 1-6 The fourth generation of hydraulic support in solid filling mining 7 图 1-7 研究技术路线流程图 9 Figure 1-7 Research and technology roadmap 9 图 2-1 充填综采上部岩层移动示意图 10 Figure 2-1 The schematic offully-mechanized coal wasting filling strata movement 10 图 2-2 集中力 P 作用于半无限平面上 12 Figure 2-2 Effect concentrated force P on half the infinite plane 12 图 2-3 半无限平面上作用三角形分布载荷 12 Figure 2-3 Effect triangular load distribution on half the infinite plane 12 图 2-4 直接顶结构示意图 14 Figure 2-4 Structural schematic of immediate roof 14 图 2-5 直接顶的悬臂梁模型 15 Figure 2-5 Cantilever beam model of immediate roof 15 图 2-6 直接顶的等效悬臂梁模型 15 Figure 2-6 Equivalent cantilever beam model of immediate roof 15 图 2-7 顶梁力学模型 16 Figure 2-7 Mechanical model of the top beam 16 图 2-8 顶梁的静定多跨梁模型 17 Figure 2-8 The statically determinate multi-span beam model of the top beam 17 图 2-9 前顶梁力学模型 17 Figure 2-9 Mechanical model of the front top beam 17 图 2-10 综合机械化固体充填采煤液压支架 19 Figure 2-10 Fully mechanized hydraulic support in backfilling and coal mining face 19 图 2-11 支架结构示意 20 Figure 2-11 Structural schematic of the support