浅埋“两硬”厚煤层放顶煤液压支架技术研究.pdf

论文题目浅埋“两硬”厚煤层放顶煤液压支架技术研究 专 业机械工程 硕 士 生张宝艳李怀怡 （签名） 指导教师任中全 （签名） 摘 要 放顶煤支架是现代煤矿高效综采和安全生产最关键的设备之一， 在综合机械化放顶 煤开采中起到支护顶板、维护作业空间和推移工作面采煤机以及运输机的作用，然而我 国煤层地质条件复杂，液压支架在浅埋深、硬顶板、硬煤层的“难放顶煤”条件下开采 时，由于技术限制，使得顶煤难以冒落和回收，综放开采和效率不是很高。论文提出， 解决浅埋“两硬”地质条件下特厚煤层放顶煤开采高产、高效、高回收率的关键，是液 压支架的支、护、放顶煤问题。ZF12000/23/40D 型支架是结合安家岭 9煤层设计的大 采高两柱放顶煤液压支架，本文以此为例，进行相关研究与分析。 论文首先介绍了工作面地质条件和配套设备， 并应用矿山压力及控制理论结合矿井 浅埋“两硬”的特点分析“支架围岩”关系，研究放顶煤液压支架技术方案。针对 ZF12000/23/40D 型支架进行四连杆机构运动、受力分析及参数优化，使放顶煤液压支架 具有超大支撑力作用在坚硬顶煤上，反复支撑足以使坚硬顶煤破碎放落，并能对大块硬 煤破碎，放煤充分，提高回采率。 基于 ANSYS 有限元分析软件， 对 ZF12000/23/40D 型支架进行应力及强度分析。 通 过网格划分、施加载荷及边界条件，精确仿真支架在顶梁扭转、顶梁偏载、顶梁弯曲等 不同工况下，其复杂结构的应力场及应力集中，并对云图结果进行了分析，为放顶煤液 压支架设计中如何提高结构件强度和承载力提供了科学依据。 最后，根据浅埋“两硬‖厚煤层放顶煤液压支架结构设计及技术参数，结合综放支 架总体配套图、液压支架效果图简述了综放三机配套设置，作为本课题技术研究结论， 也为国内煤炭企业技术装备提供了新的思路和参考。 关 键 词液压支架； “两硬”厚煤层；优化设计；有限元；方案 研究类型应用研究 万方数据 SubjectShallow buried “two hard“ study technology in thick seam caving hydraulic support SpecialtyMechanical Engineering NameZhang Baoyan Signature InstructorRen Zhongquan Signature ABSTRACT Hydraulic support is one of the key equipment of modern coal mine fully efficient and safe production, in the comprehensive mechanized coal caving mining in supporting the roof, the maintenance work space and goes on working surface coal mining machine and conveyor role, however, Chinas complex geological condition of coal seam, the hydraulic support in shallow buried depth, roof, hard coal seam “hard top coal caving mining under“ conditions, due to technical limitations, the top coal caving and difficult recovery, caving and efficiency is not high. The paper puts forward, to solve the shallow geological conditions of “two hard“ thick top coal caving mining in high yield, high efficiency, high key recovery rate of coal, is a hydraulic supports, protects, top coal caving problems. ZF12000/23/40D support is a combination of Anjialing Coal Seam 9 design of large mining height two pillar caving hydraulic support, for this example, related research and analysis. This paper firstly introduces the working surface geological conditions and equipment, and application of mine pressure and control theory combined with mine shallow “two hard“ characteristics “-- Analysis of surrounding rock support“ relationship, technical scheme of top coal caving hydraulic support. Based on the type of ZF12000/23/40D support for the movement, the four connecting rod mechanism of stress analysis and parameter optimization, the caving hydraulic support with large support force in the hard top coal, repeated support enough to make the hard top coal broken down, and the bulk coal crushing, caving fully, improve the recovery rate. Based on finite element analysis software ANSYS and the mesh, load and boundary conditions on the bracket model, torsion, accurate simulation of support beam in beam beam bending load, under different conditions, the complex structure should focus on the stress field and stress, and the images were analyzed, providing scientific basis for the hydraulic support design in how to improve the structure strength and bearing capacity. 万方数据 Finally, through the fully mechanized top coal caving support overall matching diagram, hydraulic support renderings of the fully mechanized top coal caving three machine set, provides the reference for the research, but also provides a new thought and for the technology and equipment of domestic coal enterprises. Keywords hydraulic support; “two hard“ thick seam; optimization design; FEA; Proposal Thesis Application research 万方数据 目 录 I 目 录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 选题背景及研究意义 ................................................................................................... 1 1.2 国内外放顶煤液压支架研究及技术的综合比较 ....................................................... 2 1.2.1 国外放顶煤液压支架技术研究状况及对比 ..................................................... 2 1.2.2 国内放顶煤液压支架技术研究状况及发展 ..................................................... 2 1.3 本课题的研究目标、主要工作和技术路线 ............................................................... 3 1.4 本章小结 ...................................................................................................................... 3 2 浅埋“两硬”厚煤层放顶煤液压支架技术方案 ................................ 4 2.2 工作面概况 ................................................................................................................... 4 2.1.1 地质构造 ............................................................................................................. 4 2.1.2 煤层概况 ............................................................................................................. 4 2.1.3 工作面布置 ......................................................................................................... 5 2.2 浅埋两硬‖厚煤层综放工作面支架围岩关系 .................................................. 5 2.2.1 浅埋“两硬”厚煤层的特点 ............................................................................. 5 2.2.2 浅埋“两硬”厚煤层综放工作面支架围岩关系 .................................... 5 2.2.3“两硬”厚煤层放顶煤液压支架工作阻力 ...................................................... 7 2.3 浅埋“两硬”厚煤层放顶煤液压支架技术方案 ....................................................... 9 2.3.1 放顶煤液压支架的选型 ..................................................................................... 9 2.3.2 放顶煤液压支架结构设计方案 ....................................................................... 10 2.4 浅埋“两硬”厚煤层放顶煤液压支架主要结构和技术参数 ................................. 10 2.5 本章小结 ..................................................................................................................... 11 3 放顶煤液压支架优化设计 .................................................................................................. 12 3.1 液压支架机构运动分析 ............................................................................................. 12 3.1.1 液压支架机构运动方程 .................................................................................. 12 3.1.2 液压支架四杆机构轨迹优化 .......................................................................... 14 3.2 液压支架受力分析 ..................................................................................................... 17 3.3 本章小结 ..................................................................................................................... 27 4 放顶煤液压支架有限元结构应力及强度分析 .................................................................. 28 4.1 三维建模 ..................................................................................................................... 28 4.2 单元选择与网格划分 ................................................................................................. 29 4.3 边界条件 ..................................................................................................................... 29 万方数据 目 录 II 4.4 材料属性 ..................................................................................................................... 29 4.5 应变应力有限元分析 ................................................................................................. 30 4.5.1 顶梁扭转工况加载下的应变应力分析 ........................................................... 30 4.5.2 顶梁加偏载工况下的应变应力分析 ............................................................... 36 4.5.3 顶梁弯曲工况加载下的应变应力分析 ........................................................... 38 4.5 有限元分析结论 ........................................................................................................ 39 4.6 本章小结 ..................................................................................................................... 40 5 综放支护装备放顶煤液压支架设计图例 .......................................................................... 41 5.1 放顶煤液压支架结构设计及主要技术参数 ............................................................. 41 5.1.1 液压支架主要技术参数 ................................................................................... 41 5.1.2 液压支架结构设计 ........................................................................................... 41 5.1.3 液压支架结构特点 ........................................................................................... 44 5.2 工作面综放支架总体配套设备 ................................................................................. 45 5.3 工作面中部支架效果图 ............................................................................................. 47 5.4 本章小结 ..................................................................................................................... 48 6 结论 ...................................................................................................................................... 50 6.1 结论 ............................................................................................................................. 50 6.2 展望 ............................................................................................................................. 50 致 谢 .................................................................................................................................. 52 参考文献 .................................................................................................................................. 53 附 录 .................................................................................................................................. 56 万方数据 1 绪 论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 从上世纪末至今，伴随我国改革开放的深入进行，煤炭一直作为基础能源和重要原 料，在国民经济和社会进步中占有极其重要的战略地位。在中国已探明的化石能源中， 煤炭约占总储量的 93，是不可再生资源，如何最大限度将煤炭储量优势转化为经济优 势，是国家、企业及煤炭工作者不断探索的课题。为了使全民进一步迈入小康社会，实 现中国梦，作为重要燃料和能源的煤炭仍有大量需求。为了安全高效的保障煤炭供应， 挖掘煤炭企业潜力，实现资源效益最大化，对煤矿设备技术、矿井建设、采煤方法等要 求不断改革，特别是作为综采工作面支护装备的液压支架取得了突飞猛进的发展。改善 和优化液压支架设计是提升煤炭开采技术及实现“十二五”规划的重大项目内容。 我国是世界上厚煤层储量最大的国家之一，特别是陕、甘、宁、晋、新等西部地区 分布着大量的厚煤层，约占全国煤炭资源储量和产量的 45。 “两硬”厚煤层储量丰富， 而综合机械化放顶煤开采特别适用于煤层厚度变化大， 超出采煤机和液压支架所不能及 的最大高度的厚煤层开采，而且开采适应性较广，较软的或节理发育的易碎煤更有利于 顶煤的放落开采，而对于特别坚硬煤的不易破碎放落的顶煤，需要爆破松动顶煤，使开 采工艺复杂化。综放开采由于其安全、高效、掘井工作量少等优点，在我国厚煤层及特 厚煤层开采中备受青睐。 放顶煤液压支架是综放技术核心设备之一,它的性能和质量直接决定着综放工作面 的产量和效率。 “九五”期间，原煤炭部将坚硬厚煤层综放开采列为国家重点攻关项目， 以提高顶煤回收率技术为核心，以顶板控制技术、顶煤爆破技术，以及适应“两硬”开 采的工作面支架、过渡支架、端头支架和整体配套技术为突破口，协助攻关[l]。由于顶 煤爆破使工艺复杂， 同时又占用了时间， 因此， 过去的坚硬整体性顶板和坚硬煤层的 “两 硬”条件下的综放开采效率及产量不是很高。随着时代的发展，研究开发“性能更高、 放顶煤能力更大、适应性更强”的高端综放支护支架，对提高综合机械化放顶煤开采产 能和回采率，拓展综合机械化放顶煤开采适用范围，促进综合机械化放顶煤开采关键技 术升级和创新，保持我国在此领域的国际领先地位，有重大意义。 本课题来源于当煤层高度超过 7m 以上 （目前世界上支护设备最大釆高是神东 7m） ， 对于坚硬整体性顶板和坚硬煤层的“两硬”地质条件，综放开采效率及产量不是很高为 切入点进行研究，赋存煤层顶板硬度大多为普氏系数 ƒ7～23，采场老顶一般为整体性 砂岩，厚 19～41m，开采中周期来压步距大，基本在 30m 以上，老顶来压现象非常强 烈，冲击载荷大，动载系数在 1.2～2.0 之间；煤层的单向抗压强度 RC30～55MPa，煤 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 2 层硬度普氏系数 ƒ3～4.5，完整性较强，由于顶煤的悬顶在 4.5m 以上，使得综放开采 时顶煤难以冒落和回收，存在煤炭回收率低（丢顶） 、开采效率及产量不高等一系列问 题。 本课题以安家岭 9煤层综放开采中遇到的难题为例，研究浅埋深、两硬、特厚煤层 综放支架的支、护、放顶煤问题，针对公司研制的 ZF12000/23/40D 型液压支架进行机 构运动受力分析、参数优化，有限元分析，为解决支架综放适应性、抗冲击性、支护性、 安全性以及提高顶煤采出率等技术难题提供一定借鉴， 为相似条件下的放顶煤开采和液 压支架设计提供参考。高产高效是当今煤矿生产追求的目标，而此目标能否顺利实现的 关键是高可靠性放顶煤液压支架的研制，所以本课题基于我国浅埋“两硬”厚煤层地质 条件下“放顶煤液压支架优化设计技术”进行研究，具有现实意义。 1.2 国内外放顶煤液压支架研究及技术的综合比较 1.2.1 国外放顶煤液压支架技术研究状况及对比 放顶煤开采最早起源于欧洲，英、德、法、俄等国相继研究应用放顶煤开采技术并 研制了多种早期的高、中、低位放顶煤液压支架。1963 年，法国研制了用于放顶煤开采 的支撑掩护式液压支架，为四柱式，后来研制出节式放顶煤液压支架，开采特厚煤层并 取得成功，70 年代，英国研制成功了“开天窗”式放顶煤液压支架，使特厚煤层开采工 艺有了新的突破，产量和效率纪录不断提升。进入 21 世纪，国外的放顶煤开采技术和 液压支架设备的研究相对中国比较滞后，开始购买中国的大型、高端综采放顶煤液压支 架。我国目前的综采放顶煤支护技术及液压支架技术与高速铁路技术很相似，工作高度 最大的、工作能力最强的、性能最好的在中国。 1.2.2 国内放顶煤液压支架技术研究状况及发展 我国放顶煤液压支架的研究始于 20 世纪 80 年代初， 原来测绘仿制国外的高位放顶 煤支架，由于其放煤口比较高又小，放煤损失大效率低，故基本上都已淘汰，中位放顶 煤支架也由于采出率低下等缺点，目前应用的也较少。在引进、消化国外液压支架技术 的基础上，我国科技人员创新研制的四杆机构低位放顶煤支架，回采率高，丢煤少，产 生的粉尘低，是架型最好，开采效率最高，技术最先进的放顶煤液压支架，已经得了推 广和使用。此前，这种四杆机构低位放顶煤支架在国家“十五”期间兖州东滩矿创造了 单个综放工作面年产 600 万吨的历史纪录。 经过 30 年的发展，我国的放顶煤开采在顶煤运营规律、顶煤冒放性分类、冒放规 律计算机仿真、顶煤破碎机理、放顶煤适应性等方面都取得了一定成果，综放开采瓦斯 涌出机理与治理技术、安全技术有了突破，基本掌握了煤炭自然规律，研制成功了不同 万方数据 1 绪 论 3 地质条件下的成套放顶煤液压支架及其配套设备，完成了从技术需求到经济需求的转 变，煤炭产量、效益进一步提高，放顶煤开采适用范围进一步拓宽，随着在较薄煤层、 “三软”煤层、中硬煤层、高瓦斯煤层中的推广和普及，在浅埋“两硬”厚煤层等条件 下的综放也在推广，研制高工作阻力、大放煤口、高回采率带强力破碎功能的放顶煤液 压支架是支架技术的必然途径，随着计算机功能的不断强大，种类繁多的计算机辅助设 计软件被广泛应用于工程技术实际分析、设计中来，其中，通过三维软件及有限元分析 对放顶煤液压支架应变应力进行分析计算，仿真模拟验证支架实际的承载情况，提高支 护性能，从而使液压支架技术研究进入一个新的阶段。 1.3 本课题的研究目标、主要工作和技术路线 本课题的研究目标 解决在浅埋“两硬” 地质条件下的特厚煤层放顶煤开采的高产、高效、高回收率 的关键放顶煤液压支架的支、护、放顶煤问题。 （针对埋藏浅、硬顶板、硬煤质特 厚煤层综合机械化开采中，由于技术难题，使高度在 7m 以上的煤只能丢掉，造成煤炭 资源的浪费，本文为解决这一煤炭回采率低的难题进行支架优化设计。 ） 本课题的主要工作 （1）根据工作面地质条件和浅埋“两硬”厚煤层矿压特点，以“砌体梁”理论为 基础，分析工作面支架围岩关系，设计放顶煤液压支架。 （2）进行 ZF12000/23/40D 型放顶煤液压支架机构运动、受力分析及参数优化。 （3）ZF12000/23/40D 型放顶煤液压支架有限元结构应力及强度分析。利用三维软 件建立各构件模型，并进行装配。将模型导入 ANSYS 有限元软件，模拟顶梁扭转、顶 梁偏载和顶梁弯曲工况加载，获取应力应变仿真数据进行分析。 （4）根据前文放顶煤液压支架优化设计及有限元分析的基础上，最终得出支架及 整体配套优化设计结果。 本课题的技术路线 在分析浅埋“两硬”厚煤层矿压特点和支架围岩关系的基础上，通过机构优化 和空间力学对放顶煤液压支架进行参数优化设计；在理论分析的基础上，基于 ANSYS 有限元软件对支架结构应力及强度进行研究； 最后得出放顶煤液压支架优化设计研究结 果及整体配套设计相关图例。 1.4 本章小结 本章阐述了研究课题的选题背景和研究意义，并列出本课题的研究目标、主要研究 内容及技术路线。 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 4 2 浅埋“两硬”厚煤层放顶煤液压支架技术方案 ZF12000/23/40D 型放顶煤液压支架针对安家岭 9煤层开发设计，本章首先介绍了 安家岭 9厚煤层的地质条件和工作面配套设置情况， 根据煤层地质、 工作面顶板条件及 浅埋“两硬”综放工作面支架围岩关系的分析和研究，确定满足工作面支护安全和 顶煤放落开采技术的液压支架工作阻力；通过分析浅埋“两硬”厚煤层放顶煤液压支架 技术方案，初步确定了支架的主要结构和关键技术参数。 2.2 工作面概况 2.1.1 地质构造 平朔矿区是我国重点采煤矿区之一，煤层埋藏浅、硬顶板、硬煤质属浅埋“两硬” 条件的典型矿区。平朔井工一矿、二矿合称安家岭矿，井田地处宁武煤田的北部，宁武 煤田的东西边缘有呈条带状的上太古界变质页岩、上元古界震旦环状出露，第三系和第 四系地层在煤田内的广大地区均有不同程度的分布。 地层总厚度 2600～3500m 以上。 地 表大部分被新生界地层覆盖，属典型的黄土丘陵地貌。在本区的北部靠近煤层露头处， 以及区内各大沟谷的底部有零星地层出露[7]。区内由下至上发育有奥陶系上统上马家沟 组，石炭系中统本溪组、上统太原组，二叠系下统山西组、下石盒子组、上统上石盒子 组，新生界第三系静乐组，第四系中、上更新统、全新统地层。 井田内东部、西部煤层总体平缓，但在井田中央南至北方向煤层有较大的起伏，煤 层呈不对称盆状构造，南部煤层倾角 7 左右，北部煤层倾角 12 左右。矿井主采煤层为 4煤、9煤和 11煤[8]。各主采煤层赋存稳定，构造简单，倾角一般为 0～5 ，最大倾角 ＜13 。在井田西部区域首采盘区 9煤埋深约 170m 左右。且大部分地区煤层倾角平缓。 煤层厚度变化较大，煤层结构较复杂。顶板多为砂质泥岩、炭质泥岩及泥岩，底板以砂 质泥岩为主，局部为炭质泥岩或砂岩。 2.1.2 煤层概况 平朔安家岭矿煤层埋藏深度 170～180m，厚度 3.05～19.04m，平均 12.51m。 煤层硬度f ≤4，煤层倾角为 2 ～5 ，局部达 12 左右；煤层倾角煤层煤的单向抗压 强度，上部 16.85MPa，中部 9.47MPa，下部 18.53MPa，平均值为 14.95MPa。属中硬煤 层，且中部强度偏低，下部强度偏高。9煤层煤的单向抗拉强度平均为 0.968MPa，层 节理发育。 煤层顶部多与 8煤合并，底部常与 10煤合并。结构复杂，含夹矸层厚度 200～ 万方数据 2 浅埋“两硬”厚煤层放顶煤液压支架技术方案 5 250mm，层理发育，岩性多为褐色泥岩，也有高岭石及粉砂岩。顶底板均为泥岩或炭质 泥岩，顶板有时为高岭石，底板有时为沙质泥岩；顶板抗压强度≤124.5MPa，底板抗 压强度≤93.43MPa。 矿区气温-32.4℃～37.9℃；矿井涌水量 150m3/h，最大涌水量 180 m3/h；有粉尘污 染；煤层瓦斯绝对涌出量 0.575m3/min，相对涌出量 0.69m3/t；矿井煤层属易燃煤层，存 煤自然性发火期为 100 天，被雨淋或灌水后更易燃；煤层含硫份平均 2，属中高硫煤； 井工矿生产能力和工作制度实行连续作业制，每天四班制，其中，检修班每天 2/h。 2.1.3 工作面布置 工作面长度 300m（巷道内帮之间尺寸） ，巷道尺寸为运输顺槽净高 3.2m 宽 5m， 回风顺槽高 3.5m 宽 5m，切眼净高 3.5m 宽 10m，均为矩形巷道。主要配套设备中部 支架 163 架，过渡支架 4 架（机头、机尾各 2 架） ，排头支架 7 架（机头 3 架、机尾 4 架） ，端头支架 1 组（两架一组） 。前、后部位为 SGZ1000/2000 型刮板输送机，采煤机 为艾克夫公司 SL-750 型采煤机。 2.2 浅埋“两硬”厚煤层综放工作面支架围岩关系 2.2.1 浅埋“两硬”厚煤层的特点 安家岭矿地层赋存特征属于典型浅埋 “两硬” 厚煤层。 浅埋煤层通常指具有埋藏浅、 基岩薄、上覆厚松散层赋存条件的煤层[6]。浅埋煤层赋存特点是煤层埋深较小，150m 左右；基岩一般为单一坚硬岩层，且基岩与载荷层厚度相比（基载比）Jz4；基岩之上 为松散表土层。对典型工作面实测结果表明，浅埋煤层长壁工作面矿压显现和覆岩运移 规律主要体现为老顶破断步距短，顶板难形成稳定结构，采场覆岩很难形成“三带” ， 来压具有明显动载现象，液压支架处于给定失稳载荷状态。 浅埋煤层长壁开采过程中，老顶将产生周期性破断现象，破断后的岩块互相铰接成 砌体梁结构形态。浅埋煤层由于顶板单一，其破断后铰接成的砌体梁结构形态不同于一 般普通长壁工作面，而是多铰接成“短砌体梁”和“台阶岩梁”两种结构。 2.2.2 浅埋“两硬”厚煤层综放工作面支架围岩关系 根据“砌体梁”理论，悬露岩层在极限跨距下产生破断，破断的岩块由于回转互相 挤压形成水平力，从而在岩块间产生摩擦力，在合适的水平挤压力条件下可形成三铰拱 形式的裂隙体梁的平衡。在浅埋深条件下，老顶周期性破断后形成的铰接岩梁呈现“短 砌体梁”结构，此时岩块块度 i 近于 1。 顶板稳定性取决于两个关键力，即老顶岩块水平力和受的剪切力 万方数据 西安科技大学工程硕士学位论文 6 1 11 11 2cossi