综掘巷道迈步式超前支护系统力学特性研究.pdf

分类号T D 3 5 3 U D C6 2 1 学校代码 10 14 7 密级公开 博士学位论文 综掘巷道迈步式超前支护系统力学特性研究 R e s e a r c ho nM e c h a n i c a lP r o p e r t i e so f S t e p p i n g ．t y p e A d V a n c e dS u p p O r t i n gS y s t e mo nF u l l yM e c h a n i z e d T u n n e l l i n g lU n n e l I l n 2 作者姓名卢进南 指导教师 副导师 申请学位工学博士 学科专业机械设计及理论 研究方向 机械系统动力学分析与控制 辽宁工程技术大学 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者及指导教师完全了解辽宝王墨堇本太堂有关保留、 使用学位论文的规定，同意辽宝工猩堇本太堂保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，学校可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文． 保密的学位论文在解密后应遵守此协议 学位论文作者签名幽一一 导师签名 年月日 致谢 本课题的研究工作是在导师毛君教授悉心指导下完成的．导师质朴谦逊的品格和正直 的处世作风时时影响着我，使我能不断充实和完善；导师弘毅宽厚、平易近人、宽广的胸 怀、亲切的师长风范、非凡的人格魅力，渊博的学识、严谨的治学、敏锐的洞察力、求真 务实的科学态度，激励鼓舞我投身科研工作，使我受益匪浅．让我学到了扎实、宽广的专 业知识的同时，也学到了做人的道理，在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬 意． 本文研究课题得到国家自然青年科学基金项目“迈步式超前支护装备与掘进迎头项板 动力耦合机理研究 编号5 1 3 0 4 1 0 7 ”的支持，在此表示感谢． 本课题的研究得到了西山煤电 集团 公司技术中心高级工程师孟君、崔旭红，官地 矿王建亮，东曲矿机电副矿长王振福高级工程师以及煤矿现场各位工作人员的大力支持， 在此表示深深的谢意． 本课题研究的同时得到了副导师谢苗副教授、师弟陈洪月讲师，同事王书举讲师、朴 明波讲师、候建讲师，研究生张睿、苗立野、曹建南、路朝留、刘治翔、谢春雪、郑广辉、 贾灿、白雅静、刘希福、潘德文、杨振华的大力帮助与支持，在此表示最真诚的感谢． 感谢辽宁工程技术大学大型工况实验室郑连宏工程师及课题现场施工组的各位师傅 的支持与帮助，难忘现场施工的种种． 特别感谢家人给予的关爱、理解和支持． 最后，向各位评审专家致以深深的谢意，希望专家们提出宝贵意见．向所有关心、帮 助我的老师、同事、朋友表示感谢． 摘要 综掘迎头及巷道冒顶事故频发、掘进效率低，采用临时支护设备及时有效的对迎头顶 板进行支护、优化掘进工艺、使掘支锚可以并行作业是煤矿机械迫待解决的技术难题．论 文在查阅和调研大量现有理论和资料基础上，结合国家自然科学基金项目“迈步式超前支 护装备与掘进迎头顶板动力耦合机理研究 编号5 1 3 0 4 1 0 7 ”和自主知识产权的国家发 明专利“液压迈步式超前支护装备”，采用现场调研、理论研究、数值模拟和实验研究相 结合的方法，对综掘巷道超前支护装备动力学特性及其控制技术进行了研究，主要研究内 容包括 1 分析了综掘巷道形成过程及顶板应力变化规律和掘进支护工艺需求，提出了采用 液压迈步式超前支护方式对迎头顶板进行临时支护．基于岩石力学各向同性薄板和厚板理 论，分别建立了顶板的薄板和厚板的静力学和动力学模型，通过数值模拟获得了项板的位 移和应力应变的变化规律；通过对顶板破裂特征与破碎机理进行研究，提出了迎头顶板的 支护判据；依据项板的临时支护要求，确定了超前支护装备的初撑力、工作阻力，提出了 超前支护装备的设计要求． r 2 依据综掘巷道项板临时支护需求，研究了一种液压交替迈步式超前支护装备．依 据该装备与顶板相互作用关系，分别建立了超前支护装备单组支撑和双组支撑的静力学和 动力学模型，得出了超前支护装备自身的静、动力学特性． 3 依据超前支护装备顶梁与迎头顶板接触形式的不同，利用变形协调原理，分别建 立了顶梁多点分布支撑和全接触支撑工况下的超前支护．项板体系的静力学模型．通过对超 前支护装备的工作原理和结构特征的分析，建立了顶梁多点分布接触和全接触状态下的超 前支护．顶板体系耦合动力学模型，研究了超前支护装备交替迈步移动过程中与顶板相互作 用的耦合动力学特性． 4 通过对综掘迎头顶板力学数值仿真，分别得出了顶板静态、动态位移特征的规律； 对超前支护装备结构自身的静力学、动力学进行了数值仿真研究，得出了超前支护装备工 作时位移特征、动态特征和模态特征的变化规律；通过对超前支护．顶板体系的静力学和动 力学数值仿真，分别计算出了多点分布接触、顶梁全接触、单组支撑和双组支撑工况下支 护装备与项板的位移特征、接触力的分布特性、以及支护装备与项板之间相互作用的动力 学耦合特性． 5 根据超前支护装备与顶板相互作用的工作原理和力学特性，以减少对项板的扰动 量为约束条件，分别研究了双组变单组支撑、单组变双组支撑过渡态支撑力的变化对项板 的影响，通过数值仿真计算，获取了超前支护装备支撑压力的最优加载和卸载特征曲线．利 用电液伺服控制原理，实现了通过对超前支护装备液压系统工作压力的调控以实现加载和 卸载特征的控制． 6 研制了一套模拟巷道顶板特征的加载实验台和液压迈步式支护系统，通过模拟综 掘巷道顶板力学工况，对超前支护装备与实验顶板相互作用的静力学、动力学进行了实验， 测试数据与理论结果进行比较分析，验证和完善了理论研究成果． 关键词超前支护；迎头顶板； 耦合动力特性； 过渡态控制；载荷分布特征 A b s t r a c t ’I h er o o f士a l la c c l d e n t so fm U 。m e c h a n l z e de x c a V a t l o nh e a d 。o n r o a d w a yt a k ep l a c e 丘e q u e n t l ya n dt h en u m e l i n ge m c i e n c yi sl o w ．T h ek e yt e c l l l l i c a lp r o b l e m st ob es o l v e d i m m e d i a t e l ya r es u p p o n i n gt h eh e a d o nr o o ft i m e l ya n de f f e c t i V e l yb yt h et e m p o r a r ys u p p o n i n g e q u i p m e n te m p l o y e d ，t h eo p t i m i z a t i o no ft h ee x c a V a t i o np r o c e s s ，a n dt h ep a r a l l e lw o r k i n go f e x c a V a t i n g ，s u p p o n i n ga n da n c h o r i n gs i m u l t a n e o u s l y ．B a s e do nl o t so ft h e o r i e sa n dp a p e r s c o n s u l t e d ，a n dc o m b i n e dw i t ht h eN a t i o n a lN a t u r a lS c i e n c eF u n dP r o j e c t ”R e s e a r c ho n s t e p p i n g 。t ，p es u p p o n i n ge q u i p m e n ti na d V a n c ea n dt u n n e l i n gh e a d - o nr o o fd m 锄i cc o u p l i n g m e c h a n i s m n u m b e r 5 13 0 410 7 ”a n dt h en a t i o n a li n v e n t i o np a t e n to fi n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i 曲t s ”H y d r a u l i cs t e p p i n g - t y p es u p p o n i n g e q u i p m e n ti na d v a n c e ”，t h e 如1 l m e c h a n i z e d e x c a V a t i o nt u n n e ls u p p o n i n gs y s t e mi na d v a n c ea n di t sc o n 仃o lt e c h n i q u ea r es t u d i e db ym e a n s o fl o c a li n V e s t i g a t i o n ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h ．T h e m a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea st h ef o l l o w i n g s 1 T h ef o n n a t i o no fp r o c e s sa n dt h es t r e s sv a r i a t i o nr e g u l a t i o n so ft h er o o ff o r f u l l 。m e c h a n i z e dh e a d - o nr o a d w a ya n dt h ep r o c e s sd e m a n d so fe x c a v a t i o na r ea n a l y z e d ，t h e t e m p o m r i l ys u p p o n i n gt h eh e a d 。o nr o o fb yh y d r a u l i cs t e p p i n g - t y p es u p p o r t i n ge q u i p m e n ti n a d V a n c ei sp u tf o n Ⅳa r d ．B a S e do nt h er o c km e c h a n i c so fa n i s o t r o p ”h i np l a t ea n dt h et h i c kp l a t e ， t h es t a t i c sm o d e l sa n dt l l ed y n a m i c sm o d e l sf o rt h e s et w om o d e l sa r eb u i l tr e s p e c t i v e l y ．T h e d i s p l a c e m e n ta n ds t r e s ss t m i nV a r i a t i o nr e g u l a t i o n so ft h er o o fa r eo b t a i n e db yt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n ．T h eh e a d 。o nr o o fs u p p o r t i n gc r i t e r i o ni sp r o p o s e db ys t u d y i n go nt h er o o ff h c t l l r e c h a r a c t e r i s t i ca n dc o m m i n u t i n gm e c h a n i s m ． A c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t sf o rt h er o o f t e H l p o r a 叫s u p p o n i n g ，t h ed e m a n d so ft h es e t t i n gf o r c e ，t h ew o r k i n gr e s i s t a n c ef o rm es u p p o n i n g s y s t e mi na d V a n c ea r ec o n f i m e d ，a n dt h ed e s i g l lr e q u i r e m e n t so ft h es u p p o r t i n gs y s t e mi n a d V a n c ea r ep r e s e n t e d ． 2 B a s e do nt h er o o ft e m p o r a r ys u p p o n i n gr e q u i r e m e n t so f 如1 1 ．m e c h a n i z e de x c a v a t i o n t u l l I l e l ， ah y d r a u l i c a l t e m a t i n g s t e p p i n g t y p es u p p o n i n gs y s t e mi na d v a n c ei s d e v e l o p e d ． A c c o r d i n gt ot h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nt h ee q u i p m e n ta n dt h er o o et h es t a t i c sa n dd y n a m i c sm o d e l o fas i n g l e s e to fs u p p o na n dd o u b l es u p p o r tf o rt h e s u p p o n i n g e q u i p m e n ti na d v a n c ei s e s t a 【b l i s h e d r e s p e c t i V e l y ． T h e nt h es t a t i c sa n dd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c so ft h e s u p p o r t i n g e q u i p m e n ti na d v a n c ei t s e l fa r ec o n c l u d e d ． ．I I I 3 A c c o r d i n gt ot h ed i f ．f e r e n c eo fc o n t a c tf o m sb e t w e e nm et o pb e a m so ft h es u p p o r t i n g e q u i p m e n ti na d V a n c ea n dt h eh e a d - o nr o o f ， a n db ym e a n so ft h ep r i n c i p l eo fd e f l o 咖a t i o n c o m p a t i b i l i t y ， t h es t a t i c sm o d e l so ft h es u p p o n i n ge q u i p m e n ti na d v a n c e d r o o fs y s t e ma r e r e s p e c t i V e l ye s t 2 l b l i s h e du n d e rt h ec o n d i t i o n so ft o pb e 锄m u l t i p o i n td i s t r i b u t i o ns u p p o r t i n ga n d 如l lc o n t a c ts u p p o r t i n g ．B ya n a l y z i n gt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n ds t m c n l r ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e s u p p o r t i I l ge q u i p m e n ti na d V a n c e ，t h ec o u p l i n gd y n a m i c sm o d e lo ft h es u p p o r t i n ge q u i p m e n ti n a d V a n c e d - r o o fs y s t e mu n d e rt h ec o n d i t i o n so ft o pb e 锄m u l t i p o i n td i s t r i b u t i o nc o n t a c ta n dm l l c o n t a c ti s e s t a b l i s h e d ，a n dt h ei n t e r a c t i o nc o u p l i n gd y l l a m i cc h a r a c t e r i s t i c sb e t 、 l ，e e nt h e s u p p o n i n ge q u i p m e n ti na d V a n c ea n dt h er o o fi nt h ep r o c e s so fe q u i p m e n ts t e p p i n ga n dm o V i n g a l t e m a t e l yi sr e s e a r c h e d ． 4 A c c o r d i n gt om em e c h a n i c sn u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h e 如l l - m e c h a n i z e de x c a V a t i o n h e a d o nr o o et h er e g u l a t i o n so ft h es t a t i ca n dt h ed y n a m i cd i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c sf o rt h e r o o fa r eo b t a i n e d ．T h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h es t a t i c sa n dm e 1 y n a m i c so ft h e e q u i p m e n ti t s e l fi sp e r f o 姗e d ，a n dt h eV a r i a t i o nr e g u l a t i o n so ft h ed i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ， t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em o d a l c ha r a c t e r i s t i c sw h e nt h es u p p o r t i n ge q u i p m e n ti n a d V a n c ei sw o r k i n ga r er e c e i v e d ．B yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es t a t i c sa n dt h ed y n a m i c sf o r t h es u p p o r t i n ge q u i p m e n ti na d V a n c e - r o o fs y s t e m ，t h ed i s p l a c e m e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ec o n t a c t f o r c ed i s t 抽u t i o nc h a r a c t e d s t i c s ，a n dt h ed y n a m i cc o u p l i n gc h a r a c t e r i s t i c so fm ei n t e r a c t i o n b e 锕e e nt h es u p p o n i n ge q u i p m e n ta n dt h er o o fa r er e s p e c t i V e l yc o m p u t e dc o r r e s p o n d i n gt ot h e I n u l t i p o i n td i s t r i b u t i o nc o n t a c t ，t h e 如l lc o n t a c to ft o pb e a m ，as i n g l es e to fs u p p o r t i n ga n dt h e d o u b l es u p p o r t i n g ． 5 B a s e do nw o r k i n gp r i n c i p l ea n df - o r c e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n t e r a c t i o n b e t w e e nt h e s u p p o n i n ge q u i p m e n ti na d V a n c ea n dt h er o o ￡u n d e rt h ec o n s 仃a i n tc o n d i t i o n so fr e d u c i n g d i s t u r b a n c et ot h er o o ￡t h ei n f l u e n c e s o ft r a n s i t i o n s t a t es u p p o r t i n g ’sV a r i a t i o no nr o o fw h e na s i n g l e s e to fs u p p o r t i n gc h a n g e st od o u b l es u p p o r t i n go rad o u b l e s e to fs u p p o r t i n gc h a n g e st oa s i n g l es u p p o r t i n ga r er e s e a r c h e d ．T h eo p t i m a l l o a da n du n l o a dc h a r a c t e r i s t i cc u Ⅳe so fs u p p o r t p r e s s u r ea r eo b t a i n e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nc a l c u l a t i o n 。B ym e a n so ft h ee l e c 觚 - h y d r a u l i c s e r v oc o n t r o l p r i n c i p l e ，t h el o a da n d 吼1 0 a dc h a r a c t e r i s t i c sa r ea c h i e V e db yc o n t r ．o l l i n gm e w o r k i n gp r e s s u r eo ft h eh y d r a u l i cs t e p p i n g - t y p es u p p o n i n gs y s t e mi na d V a n c et or e a l i z et h e 1 0 a d i n ga n dt h eu n l o a d i n g ． 6 T h el o a d i n ge x p e r i m e n t a le q u i p m e n ta n dt h eh y d r a u l i cs t e p p i n g - t y p es u p p o r t i n gs y s t e m a r ed e v e l o p e dt os i m u l a t et h et l l m l e lr o o fc h a r a c t e r i s t i c s ．B yt h em e c h a n i c ss i m u l a t i o no ft h e I V 如l l - m e c h a n i z e de x c a V a t i o nt l l n n e lh e a d - o nr o o et h ee x p e r i m e n ti sp e r f o m e dt ov a l i d a t et h e s t a t i c sa 1 1 dt h ed ，I l a m i c su n d e rt h ei n t e r a c t i o ns u p p o r te q u i p m e n ta n dr o o fT h ec o m p a r i s o ni s c a m e do u tb e t 、Ⅳe e nt h ee x p e r i m e n td a t aa n dt h et h e o r e t i c a lr e s u l t ，a n dt h et h e o r e t i c a lr e s e a r c h a c h i e V e m e n t sa r eV a l i d a t e da n di m p r o V e d ． K e yW o r d s s u p p o r t i n g i na d V a n c e ；h e a d - o nr o o f ； c o u p l i n gd y n a m i c sc h a r a c t e r i s t i c s ； t r a n s i t i o n s t a t ec o n t r o l l o a dd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c ．V ． 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I 1绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．1 ． 1 ．1工程背景与项目来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 - 1 ．1 ．1 工程背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．2 ． 1 ．1 ．2项目来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 ． 1 ．2主要研究内容与目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 ． 1 ．2 ．1 主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 ． 1 ．2 ．2研究目标⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 5 ． 1 ．3论文结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．一5 - 2国内外研究现状与发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ．1综掘装备研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 - 2 ．2巷道支护装备研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．一9 2 ．3巷道顶板力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．一1 3 - 2 ．4支护装备与项板作用的力学问题研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 15 - 2 ．4 ．1支护装备与项板作用静力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 1 5 - 2 ．4 ．2支护装备与项板作用动力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 1 6 ． 2 ．4 ．3支护装备与项板作用接触力学研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 ． 2 ．5巷道顶板支撑力的控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 1 8 2 ．6支护技术试验基础研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 2 0 - 3综掘巷道顶板力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．- 2 3 3 ．1掘进迎头巷道应力形成机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯- 2 3 3 ．1 ．1巷道形成过程的力学描述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．一2 3 - 3 ．1 ．2迎头巷道弹塑性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．- 2 4 3 ．1 ．3迎头顶板岩石属性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．- 2 5 3 ．2综掘迎头巷道超前支护原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 3 ．3综掘迎头顶板静力学模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 ． 3 ．3 ．1基于薄板理论的迎头顶板静力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 ． V I 3 ．3 ．2基于厚板理论的迎头顶板静力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 1 3 ．4综掘迎头顶板动力学模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 - 3 ．4 ．1基于薄板理论的迎头顶板动力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．4 ．2基于厚板理论的迎头顶板动力学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 ． 3 ．5综掘迎头顶板支护判据研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 ． 3 ．5 ．1顶板的破裂特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 ． 3 ．5 ．2顶板支护的力学判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 6 ． 3 ．6超前支护装备工作阻力与初撑力的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 ． 3 ．7本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 0 ． 4 超前支护装备构成及力学特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ． 4 ．1超前支护装备工作原理及组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 - 4 ．1 ．1机械系统组成及工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．4 2 4 ．1 ．2 液压系统组成及动作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 3 ． 4 ．1 ．3 电控系统组成及工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 ． 4 ．2超前支护．顶板体系静力学模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 ． 4 ．2 ．1超前支护．项板体系多点分布接触静力学模型的建立⋯⋯⋯．．．4 6 ． 4 ．2 ．2超前支护．顶板全接触静力学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．5 2 ． 4 ．3超前支护动力学模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 ． 4 ．4超前支护．项板体系耦合动力学模型构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 1 - 4 ．4 ．1超前支护一顶板多点分布接触耦合动力学模型的建立⋯⋯⋯．．61 ． 4 ．4 ．2超前支护．顶板全接触耦合动力学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 ． 4 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．一6 5 ． 5超前支护．项板体系静动力学问题的数值仿真研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 ． 5 ．1项板静力学仿真及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 6 ． 5 ．2超前支护装备静力学仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 ． 5 ．3 超前支护装备和顶板的模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 ． 5 ．3 ．1顶板的模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．6 9 ． 5 ．3 ．2超前支护装备全支撑状态模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 5 ．3 ．3超前支护装备单组支撑状态模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 l - 5 ．4 超前支护．顶板体系耦合动力学数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一7 2 ． 5 ．4 ．1耦合模型及参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．7 3 ． 5 ．4 ．2全支撑状态的数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．7 6 ． 5 ．4 ．3过渡过程的数值分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．7 8 ． 5 ．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．8 4 ． 6超前支护装备过渡过程支撑力控制研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 ． 6 ．1过渡过程控制对象研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 5 ． 6 ．1 ．1超前支护控制系统组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．8 5 ． 6 ．1 ．2超前支护过渡过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．8 7 ． 6 ．2过渡过程控制方法研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 8 ． 6 ．2 ．1支撑油缸的液压控制分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．8 8 ． 6 ．2 ．2支撑油缸支撑力控制方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．8 9 ． 6 ．2 ．3过渡过程支撑油缸控制模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 4 ． 6 ．3仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 6 ． 6 ．3 ．1降架过程仿真及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．9 6 ． 6 ．3 ．2升架过程仿真及结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．9 9 ． 6 ．4本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 1 ． 7实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 2 ． 7 ．1 实验方案设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．1 0 2 ． 7 ．1 ．1实验目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ． 7 ．1 ．2 实验内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．1 0 2 ． 7 ．1 ．3 实验系统构建⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 0 3 ． 7 ．2实验台性能实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 7 ． 7 ．2 ．1模拟顶板实验台静力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 8 7 ．2 ．2模拟项板实验台模态实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 0 9 ． 7 ．2 ．3超前支护实验样机模态实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ． 7 ．3超前支护．顶板体系静力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 5 ． 7 ．3 ．1 全支撑超前支护．顶板体系静力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．11 6 ． 7 ．3 ．2过渡支撑超前支护．顶板体系静力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 8 ． V I I I 7 ．4超前支护，顶板体系动力学实验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一