高水充填液压支架的设计研究.pdf

分类号T D 3 5 5 U D C 工学硕士学位论文 密 级公开 单位代码 1 0 0 7 6 高水充填液压支架的设计研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 高添 李秋生教授 工学硕士 机械设计及理论 机电工程学院 河北工程大学 工学硕士学位论文 高水充填液压支架的设计研究 河北工程大学 2 0 1 4 年5 月 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo f E n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g D e s i g nA n d R e s e a r c ho nH i g hW a t e r F i l l i n g H y d r a u l i cS u p p o r t C a n d i d a t e G a oT i a n S u p e r v i s o r P r o f ．L iQ i u s h e n g A c a d e m i cD e g r e e A p p l i e df o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t M a s t e ro fE n g i n e e r i n g M e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y C o l l e g eo f E l e c t r i c a la n d M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g 一一 H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g 一 一 一 M a y , 2 0 1 4 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名名添 签字日期矽孵岁月2 _ 5 4 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰堡王堡盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰垦墨堡盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名- 、习6 “ 老} 签字日期2 。 午年岁a2 5 - n 导师签名 求杈芝 签字日期加f q 年岁月万日 摘要 摘要 高水充填液压支架集采煤支护与充填支护为一体，是煤矿综合机械化采煤的 关键设备。随着目前充填工艺水平的提高，充填支架的广泛应用可以有效地缓解 煤炭资源枯竭的现状，解决采煤带来的地表塌陷、环境破坏等问题，从而带来巨 大的经济效益和社会效益。 高水充填液压支架是在一般液压支架结构形式的基础上，根据充填开采工艺 要求进行设计的。前后铰接顶梁的结构和适合高水充填的上下挡板结构为支架的 支护充填工作提供了重要保障，使高水充填材料能够达到较高的充填率、接顶率 和密实度。 本课题通过分析研究普通综采液压支架，根据充填支架的工作原理、吸收已 有充填支架的设计经验，利用现代的设计软件A u t o C A D 和P r o ／E 设计出高水充 填支架的各个零部件的二维和三维图。支架各个结构合理、准确，装配之后，未 出现干涉，符合充填支架的设计要求。然后将建立好的三维模型导入到有限元分 析软件A N S Y SW o r k b e n c h 中，进行多种工况下的加载和有限元分析，得出相应 的应力云图与变形云图，验证本次充填液压支架各结构满足相应的强度条件。 本课题通过对充填支架和围岩的关系进行研究，得出了充填支架与围岩之间 的规律，对充填支架结构的设计具有重大的积极意义。最后通过对充填支架之间 和充填支架自身的稳定性分析，提出了在充填支架设计过程中应满足的稳定性的 基本条件，为高水充填支架的设计奠定了理论基础。 关键词高水充填；液压支架；有限元分析；围岩，I 稳定性 A b s t r a c t A b s t r a c t T h eh i g hw a t e rf i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r tt h a t s e t sm i n i n gs u p p o r ta n df i l l i n g s u p p o r tf o r t h ei n t e g r a t i o ni st h ek e ye q u i p m e n ta b o u tm e c h a n i z e dc o a lm i n i n gi nt h e m i n e s ．W i t ht h ec u r r e n tl e v e lo ft h ef i l l i n gt e c h n o l o g yi m p r o v i n g ，t h ef i l l i n gs u p p o r t w i d e l yu s e dc a ne f f e c t i v e l ya l l e v i a t et h ec u r r e n ts i t u a t i o no fc o a lr e s o u r c ed e p l e t i o n a n ds o l v ee a r t h ’Ss u r f a c es u b s i d e n c ec a u s e db yc o a lm i n i n g ，e n v i r o n m e n t a ld a m a g e a n do t h e ri s s u e s ，S Ot h a ti tb r i n g se n o r m o u se c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s ． A c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h ef i l l i n ga n dm i n i n gp r o c e s s ，t h eh i g hw a t e r f i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r ti sd e s i g n e do nt h eb a s i so ft h es t r u c t u r eo fg e n e r a lh y d r a u l i c s u p p o r t s ．T h ef i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ’Ss t r u c t u r e so ff r o n ta n dr e a rh i n g e dt o pb e a m s a n du pa n dd o w nb a f f l e ss u i t a b l ef o rf i l l i n gh i g hw a t e rp r o v i d ea ni m p o r t a n tg u a r a n t e e f o rs u p p o r t i n gt h er o o fa n df i l l i n gh i g hw a t e r , w h i c hm a k et h eh i g h w a t e rm a t e r i a l r e a c hah i g h e rf i l l i n gr a t e ，a p p r o a c h i n gt o pr a t ea n dc o m p a c t n e s s ． T h i sp a p e rm a k e st h ed e s i g na b o u tt w o d i m e n s i o n a la n dt h r e e - - d i m e n s i o n a l d r a w i n g so ft h eh i g hw a t e rf i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ’Sa l ls t r u c t u r e sb ym o d e md e s i g n s o f t w a r eA u t o C A Da n dP r o ／E ，w h i c hi sb a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eg e n e r a lh y d r a u l i c s u p p o r ta n dw o r k i n gp r i n c i p l ea n dt h ea b s o r p t i o np r e v i o u sd e s i g ne x p e r i e n c ea b o u t t h ef i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ．T h es u p p o r t ’Sa l ls t r u c t u r e sa r er e a s o n a b l ea n da c c u r a t e a n dm e e tt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t so ft h ef i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ．A f t e rt h ef i l l i n g h y d r a u l i cs u p p o r ta s s e m b l e d ，t h ei n t e r f e r e n c eb e t w e e na l ls t r u c t u r e sd o e sn o to c c u r ． T h e ni tp u t st h ee s t a b l i s h e dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li n t ot h es o f t w a r ea b o u tf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s A N S Y SW o r k b e n c h ，m a k e st h ef i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ’Sl o a d e d a n dt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fav a r i e t yo fw o r kc o n d i t i o n st oo b t a i nt h e c o r r e s p o n d i n gs t r e s sa n dd e f o r m a t i o nc l o u dc h a r t sa n dv a l i d a t e st h es t r u c t u r a ld e s i g n o ft h ef i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r tm e e t i n gt h ec o r r e s p o n d i n gs t r e n g t hc o n d i t i o n ． T h i sp a p e ro b t a i n st h er u l eb e t w e e nt h ef i l l i n gs u p p o r t sa n dt h es u r r o u n d i n g r o c k sb yr e s e a r c h i n go nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ef i l l i n gs u p p o r t sa n ds u r r o u n d i n g r o c k s ，w h i c hh a sa ni m p o r t a n ta n dp o s i t i v es i g n i f i c a n c et ot h ed e s i g no ft h ef i l l i n g s u p p o r t ’Ss t r u c t u r e s ．A tl a s t ，i tp u t sf o r w a r dt h eb a s i ca n ds t a b l ec o n d i t i o n st h ef i l l i n g s u p p o r ts h o u l dm e e ti nt h ep r o c e s so ft h ef i l l i n gs u p p o r t ’Sd e s i g nb yt h es t a b i l i t y a n a l y s i sa m o n gt h ef i l l i n gs u p p o r t sa n dt h ef i l l i n gs u p p o r ti t s e l f , l a y i n gt h et h e o r e t i c a l A b s t r a c t f o u n d a t i o nf o r t h ed e s i g no ft h eh i g hw a t e r f i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ． K e y w o r d s H i g hw a t e rf i l l i n g ；f i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； s u r r o u n d i n gr o c k ；s t a b i l i t y 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 A B S T R A C T ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 国内外充填开采与充填液压支架现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．1 国外充填开采与支架现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 ．2 国内充填开采与支架现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 我国充填开采与支架发展中需要研究的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．3 本课题研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．4 本课题研究内容、关键问题及创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．4 ．1 课题的具体内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．2 重点解决的关键问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．3 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。4 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 第2 章高水充填液压支架主体结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 充填支架设计的原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．2 高水充填支架的组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 2 ．3 高水充填支架的参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 2 ．4 支架主要组件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 ．4 ．1 顶梁型式选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．4 ．2 顶梁结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 。4 ．3 底座结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．4 ．4 护帮机构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．5 支架充填机构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．5 ．1 中间支架充填组件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．5 ．2 隔板支架充填组件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．6 充填工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．7 项梁强度初步校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．7 ．1 前顶梁两端加载⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．7 ．2 后项梁两端加载⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．16 2 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 目录 第3 章高水充填液压支架三维建模与有限元强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．1 三维实体建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 。2 中间支架三维实体建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．3 隔板支架三维实体建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 液压支架装配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．5 高水充填液压支架有限元分析应用软件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．6 高水充填液压支架有限元分析前期处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．6 ．1 高水充填支架的简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．6 ．2 载荷与边界条件的处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．6 ．3 材料属性和网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．7 高水充填液压支架有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．7 ．1 前后顶梁两端加载、底座两端加载⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．7 ．2 前后顶梁扭转、底座扭转⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．7 ．3 前后顶梁偏载、底座扭转⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．7 ．4 三种加载方式下有限元分析总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 3 ．8 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 第4 章高水充填液压支架对围岩控制效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．1 传统的支架围岩关系描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．2 井下项板控制方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 4 ．3 传统采煤方式下顶板对液压支架工作阻力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．4 充填法采煤充填支架对围岩控制效果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 ．4 ．1 力学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 4 ．5 充填采煤方式直接项对充填支架工作阻力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 第5 章高水充填液压支架稳定性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．1 充填支架稳定性研究的重要性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 支架结构稳定性控制要求⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．1 四连杆机构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．2 ．2 侧护板⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 ．3 护帮装置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．2 ．4 充填工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．3 支架自身稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．4 支架工作状态下稳定性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．4 ．1 稳定性影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 目录 5 ．4 ．2 稳定性影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．。5 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 攻读硕士学位期间发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 第1 章绪论 第1 章绪论 液压支架是煤矿井下支护的主要设备，液压支架的发展是煤矿综合机械化采 煤的重大飞跃，使煤炭开采的产量与数量都大大提高。同时，液压支架成为了煤 炭高产、高效率开采的重要保障⋯。目前，煤炭开采仍在进一步地发展与探索， 在我国，充填开采的技术日益发展成熟，充填开采是利用煤矸石、膏体、高水等 充填物对采空区进行充填，有效地保护顶板，减少地表的破坏。充填液压支架随 着充填技术的发展也随之发展，充填液压支架是根据充填材料的不同而专门设 计，在液压支架的后部加上充填机构，使支护开采与充填同步进行，有效地减少 了顶板的活动程度和范围。高水充填支架是对采空区进行高水充填的机械设备， 以一般液压支架为基础进行设计改进，在顶梁下方增加了挡板、隔板支架在主底 座后部增加了铰接底座等装置，使得充填开采安全性有了保障，提高了采煤效率， 为煤矿带来了巨大的经济效益【2 J 。 1 ．1 国内外充填开采与充填液压支架现状 1 ．1 ．1 国外充填开采与支架现状 充填开采的方法在世界上已有接近百年的历史，最早有计划地进行矿井充填 的是1 9 1 5 年澳大利亚的塔斯马亚芒特莱尔矿和北莱尔矿，它们使用废石进行充 填。自此后的六十多年，充填开采技术在重金属和非金属的开采中得到了发展。 国外矿山充填开采技术的发展经历了以下几个时期。第一时期，是在二十世纪三 十年代以前，这个时期对充填技术刚有了探索，这个时期主要目的只是为了单纯 处理产生的固体废弃物，由于对废弃物材料性质不了解，直接将废弃物充到采空 区内。第二时期，二十世纪四十到五十年代，以美国、加拿大、澳大利亚等发达 国家开始对充填物质以及充填工艺做出研究，首次在矿山开采中试验性地使用了 水砂进行充填采空区，并获得了成功，从此将水砂充填工艺应用到采矿的技术中。 第三时期，二十世纪六七十年代，开始研究胶结充填技术，克服了水砂充填物自 立能力不强的问题，1 9 6 0 年加拿大试验研究水泥固结水砂充填，在1 9 6 2 年及以后， 在加拿大的F r o o d 矿和澳大利亚的芒特艾萨矿得到广泛应用。第四时期，二十世 纪八九十年代，发展了高浓度充填技术，包括膏体充填、碎石砂浆胶结充填、全 尾胶结充填。在国外如澳大利亚、加拿大、德国、南非美国和俄罗斯的一些矿井 应用了这些技术p j 。 河北工程大学硕士学位论文 国外在液压支架的开发和使用方面发展很早。从1 9 5 4 年，英国开发生产出垛 式液压支架，之后法国将节式支架成功研制出，开辟了煤矿采煤支护设备的新纪 元，因为这些支架取代了以前金属摩擦支架和木制摩擦支架，提高了支护的强度 和安全性l 引。二十世纪六十年代初期前后，前苏联研制出掩护式液压支架，开辟 了设计液压支架的新时代。六十年代末期和七十年代初期，液压支架在欧洲等国 家应用开始增多，经验也日益丰富，支架的结构出现了变化。进入到八十年代以 来，液压支架出现了新的发展，美国、澳大利亚等国家为了提高生产效率，获得 更大的效益，对液压支架采用自动化控制来降低了成本，使用并发展了电液控制， 到了九十年代，美国成了世界上最先进的采煤国家。 到现在，国外液压支架已经有了几十年的发展，发展水平也很高，但是充填 技术在煤矿应用也比较少，充填液压支架的发展比较晚，也不是十分普遍，主要 有在二十世纪八十年代，德国采用风力充填支架，并进行了批量生产，波兰也在 此时开始试验水砂充填支架。 1 ．1 ．2 国内充填开采与支架现状 我国充填开采技术大致经历四个阶段。在二十世纪五十年代以前，我国开始 出现废石干式充填技术，主要目的是处理废弃物。到二十世纪六十年代，开始使 用尾砂水力充填工艺，取得了一定的效果。在六十年代到七十年代，国内开始研 发使用尾矿胶结充填技术，如传统的混凝土充填，后来又使用细砂胶结充填技术， 在八十年代得到广泛应用。到九十年代，国内开始发展高浓度充填技术。 液压支架的发展经历了以下几个时期，从二十世纪五十年代末我们国家开始 对掩护式的支架进行设计研究，到七十年代液压支架的研制有了进展，陆续研制 出垛式、节式和支撑掩护式和掩护式的支架。到了二十世纪九十年代，随着全国 煤炭综采数量增加，液压支架也快速发展，科技人员研制出了大采高支架、大倾 角液压支架等多种架型，液压支架的各项性能指标都有了很大提高【5 ] 。 我国充填液压支架的发展时间不长，技术不成熟，应用不广泛，现在正处于 探索和发展阶段，在近一二十年才得到了研发和应用。但是我们国家煤矿多，自 从应用充填技术以来，从最初的干式充填，到后来不断发展的水力充填，全尾砂 充填和目前的胶结充填技术，发生了巨大的变化，产生了质的飞跃，随着科技的 快速发展和国家实力的提高，我们在充填技术和充填支架的研究、发展、应用方 面都取得了进步。目前在山东济宁矿业集团太平煤矿采用单摆杆充填液压支架 Z C 2 0 0 0 ／1 6 ／2 4 ，兖州济三矿采用Z C l 0 0 0 0 ／2 0 ／4 0 六柱支撑式固体充填支架，冀中 能源邯矿集团采用Z C l 2 4 0 0 ／1 6 ／2 4 分体式膏体、高水充填液压支架，焦作的小马 矿采用的Z C 4 8 0 0 ／0 9 ／1 8 膏体充填支架，都取得了显著效果、获得了煤炭充填开 第1 章绪论 采的成功。 1 ．2 我国充填开采与支架发展中需要研究的问题 充填开采最初是应用在金属和非金属的开采之中，用在煤炭行业的时间还不 是很长，技术还不是很成熟。基于我国煤矿应用充填技术处在探索与发展阶段的 现状，充填理论还需要进一步完善，对充填材料的研究还有很大的拓展空间，充 填开采的产能还需进一步提高。在支架的研究方面，充填支架结构的合理性，在 结构合理的前提下，支架应具备自身良好的稳定性，在具有倾角的工作面工作， 支架应该满足不发生倾倒或翻转，充填支架在复杂工况下，每个结构应该满足材 料应力要求。另外，以往充填支架在充填后，充填体的充填率、接顶率、密实度 等指标并没有达到理想状态，高水充填支架在这些方面需要进一步研究，并且需 要进一步分析充填支架对顶板岩层及围岩的控制。 1 ．3 本课题研究意义 我国是煤炭开采的大国，煤炭也是我国主要利用的能源，由于我国国民经济 的快速发展，能源需求大量增加。我国现在“三下”压煤量达到1 3 7 ．9 亿吨，厚 煤层中和“三下”煤炭储量较大，严重影响着煤炭资源的开采量和许多矿山企业 的正常生产和发展。 通过充填支架的支护作用，将高水充填材料充进采空区，可以将复杂地形的 煤炭资源开采出来，同时减少了顶板和岩层的活动，控制了地表塌陷【5 ’6J 。利用 高水充填液压支架将充填技术应用到厚煤层和“三下”煤炭的开采，可以避免或 减轻地表塌陷现象，能够保护地表环境，实现绿色开采，为我国煤炭行业提供了 发展前景。 高水充填液压支架作为综采工作面支护设备是机械化采煤的主要装备之一， 能够实现前部正常采煤和后部采空区高水充填，保证充填工作和采煤工作面连续 正常作业。本课题通过设计研究的高水充填液压支架对整体机构进行改进设计， 通过三维实体建模、整体支架的装配和有限元分析等现代设计手段分别设计并验 证了高水充填液压支架结构合理，对要求的多种工况加载所得结果符合要求，自 身稳定性和工作稳定性良好，相对于普通综采液压支架和以往的矸石、膏体等其 他充填支架结构、强度、刚度更加合理，具有很强的实用性。 同时，本论文通过对支架与岩层等围岩关系的分析，进一步得出了利用高水 充填液压支架可以改善对顶板的支护效果，对充填支架的进一步研究提供了参考 依据和实际价值，将会给复杂地行和地况下采煤带来新的希望，提高我国煤炭开 河北工程大学硕士学位论文 采的效率。 1 ．4 本课题研究内容、关键问题及创新点 1 ．4 ．1 课题的具体内容 1 充填液压支架总体设计 2 充填液压支架的三维参数化设计 3 充填液压支架的有限元强度分析 4 充填液压支架高水充填后对上覆岩层影响及效果分析 1 ．4 ．2 重点解决的关键问题 1 充填液压支架关键结构的改进设计 2 充填液压支架的主要结构的有限元强度分析 3 分析充填液压支架高水充填后对上覆岩层的影响及效果 1 ．4 ．3 创新点 1 依据高水充填液压支架工作载荷特点，对其关键结构进行设计 2 高水充填液压支架高水充填后对上覆岩层的影响及效果分析 1 ．5 本章小结 本章首先介绍了国内外的充填开采技术和充填支架的现状，详细地分析了当 前充填支架的现状和发展水平，以及研究开发高水充填液压支架研究的重大意义 和广阔前景。最后，确定了本课题的研究内容、研究方法和创新之处、所要解决 的关键性问题，为本课题的研究构建了基本结构和框架，为本课题以后章节的开 展研究做了详细的铺垫，成为本课题以后章节研究的理论性基础。 4 第2 章高水充填液压支架主体结构设计 第2 章高水充填液压支架主体结构设计‘8 】 2 ．1 充填支架设计的原则【8 1 充填液压支架设计的基本原则在充填采煤方式下，充填液压支架设计依据 充填工艺的基本要求；充填液压支架支护强度确定依据煤层基本条件、工作面矿 山压力显现；充填液压支架的设计满足支护工作面通风条件，保证工作面通风良 好；充填支架要与采煤机、刮板输送机等设备的工作要求相适应；充填液压支架 充填主体机构的设计能够满足高水充填的工作要求。 本课题设计的高水充填液压支架采用包式充填，即将高水材料注入到采空区 的充填包中，通过充填液压支架顶梁和挡板结构的支撑和阻挡作用，使高水材料 凝固成型，形成具有一定强度的充填体，支撑项板。由于后部增加挡板等挡包的 结构，会使充填支架的项梁加长，控顶距变大，因此要求充填支架的后部顶梁要 有足够的支撑力，在高水材料未凝固成型时支护顶板。 后部挡包结构在充填包前面、左右面形成阻挡，结构紧凑，使充填过程中不 会由于挡板间隙过大导致高水充填材料泄到支架的其他部位，所以各方向的上下 挡板主要起到保护充填包的作用。后部挡包结构上要有挂环，方便挂包，同时挡 包结构要有保证充填包固定的结构，防止充填包的移动和损坏而影响高水充填工 作。为了适应支架在不同位置时不会影响挡包结构的功能，支架的挡包结构必须 能够适应支架不同高度，可方便操作、灵活调节。为了达到较好的充填效果，充 填支架的顶梁尾端、前部、左右挡板厚度要满足支撑、阻挡强度，同时，其有效 长度应该满足充填步距p j 。 2 。2 高水充填支架的组成 高水充填支架由于在后部形成的是封闭的立方体的空间，需要使用两种支 架，即中间支架和隔板支架，在充填体的前方和左右两个侧面形成支撑，必须满 足封闭充填空间的要求【l7 1 。九个支架为一组，中间设置一个充填包，有相同的七 个中间支架排列在充填包前面，左边和右边分别由一个隔板支架组成。 中间支架的主要结构组成 前后顶梁、底座、前后立柱、四连杆、二级护帮机构，这些主要结构作用是 保证支护作用； 液压装置立柱、护帮千斤项、铰接千斤顶、上挡板千斤顶、侧推千斤项， 河北工程大学硕士学位论文 这些装置是为相应机构提供动力，实现指定机构的运动； 液压辅助元件液控单向阀、安全阀、截止阀、操纵阀组、中间接头、三通、 弯头、高压胶管等，通过这些辅助元件把乳化液输送到液压元件。 起挡包作用的后挡板由上下挡板组成，下挡板固定在底座上，上挡板靠千 斤项来实现前后运动，铰接在支架后顶梁上，上挡板里面有插板，靠千斤顶来实 现上下运动，弥补上挡板结构长度的不足，与上挡板组合在一起，一起对充填包 在侧面阻挡、支撑。 隔板支架与中间支架前部相同，不同之处在于隔板支架的上下挡板及插板的 位置与中间支架不同，是在支架的侧面，并且尺寸不同。隔板支架底座后部另加 有铰接底座，侧面的下挡板固定在铰接底座上。上挡板 包括插板 挂在后项梁 的侧面，靠千斤顶来实现垂直于前后的方向运动和上下运动【l 8 1 。 2 ．3 高水充填支架的参数确定 充填开采所在煤层，倾角1 0 。～1 5 。，煤层较稳定，平均煤厚3 ．9 9 m 。 1 充填支架的高度确定根据煤层的平均厚度，确定支架的最高高度 日。。 4 ．2 m ，H I T l i 。 2 ．1 m 。 2 充填支架中心距按公式b 。 n c 3 B 。计算， 式中 b ，一支架中心距； n 一每架所包含的组架或框架数 自移式支架胛 1 ； C ，一相邻支架或框架之间间隙； 召。一支架顶梁总宽度。 国内液压支架普遍采用1 ．5 m 中心距，确定高水充填支架中心距1 ．5 m 。 3 高水充填支架工作阻力 支架的支护阻力在对煤矿矿井及煤层的具体分析和对已有充填支架设计经 验的基础上，根据顶板直接顶类别、基本顶的级别和支架的最大采高高度确定支 架的支护强度，由支护强度的大小和顶梁结构的支护面积，拟确定充填支架的支 护阻力为6 0 0 0 k N ，整个支架采用四个双伸缩立柱支撑，每个双伸缩立柱的工作阻 力为1 5 0 0 k N 。 高水充填支架主要参数表 支架架型四柱支撑式 高度 210 0 “ - - 4 2 0 0m m 中心距1 5 0 0 m m 第2 章高水充填液压支架主体结构设计 工作阻力 6 0 0 0 k N 2 ．4 支架主要组件设计 2 ．4 ．1 顶梁型式选择 液压支架顶梁与顶板直接作用，顶梁与立柱直接作用，将立柱的作用力传递 给顶板，所以顶梁的型式选择以及顶梁的结构强度对控制顶板有重要作用。 1 整体顶梁。顶梁由于具有整体性，结构简单，平衡顶板的载荷效果好， 而且制造工艺简单。顶梁一般要设置侧护板，增大顶板覆盖率，降低架问漏矸现 象。整体顶梁的前端一般向上翘l ～3 。，可以有效改善接顶效果、补偿焊接变形， 见．下图2 ．1 。 图2 ．1 整体顶梁 F i g ．2 1T h ei n t e g e rc a n o p y 2 铰接式顶梁。由于铰接式项梁是由千斤顶控制，顶梁的摆动更灵活， 对顶板的适应性更好。前梁千斤顶必须具有