急倾斜综采工作面液压支架的稳定性研究.pdf

论文题目急倾斜综采工作面液压支架的稳定性研究 工程领域机械工程 硕 士 生王乐乐 （签名） 指导老师李海宁 （校内） （签名） 安光明 （校外） （签名） 摘要 液压支架作为煤矿井下主要的支护设备，是煤矿安全开采的保证。急倾斜煤层综采 工作面液压支架因煤层倾斜角度大和地质条件复杂，分析液压支架防滑、防倒稳定性， 分析销轴连接孔轴间隙对液压支架稳定性的影响，以及支架有限元分析和运动学仿真， 为设计急倾斜液压支架并保证其稳定性提供了可靠的理论依据， 对急倾斜煤层的安全生 产和采煤效率的提高有重要意义。 本论文以某煤矿急倾斜综采放顶煤工作面液压支架展开了研究。 为了验证液压支架 在工作面上的稳定性，分别建立了液压支架的三维实体模型，力学模型，运动仿真模型 和有限元分析模型。首先根据支架在工作面上的受力情况，对支架进行防滑稳定性和防 倒稳定性两种失稳情况力学分析计算， 证明了液压支架在 74倾角状态的稳定性是有保 障的。然后分析了销轴连接对液压支架稳定性的影响，从隔离腐蚀物质和减小孔轴强度 差两方面， 提出了在销轴和支架孔连接处外面加一个保护套和对支架孔采用磨削淬火加 工工艺两个方法增加销轴连接可靠性，从而增加液压支架的稳定性。其次用 adams 软件 对液压支架进行运动仿真， 验证了支架顶梁前端的最大位移满足设计要求。 最后用 ansys 软件对液压支架进行有限元分析，进行内加载和侧向水平力外加载验证支架强度，从而 证明液压支架的稳定性。 关 键 词急倾斜液压支架；防滑防倒稳定性；运动仿真；有限元分析 研究类型应用研究 万方数据 万方数据 Subject Research on The Stability of Hydraulic Support in Inclined Fully Mechanized Working Face Specialty Mechanical Engineering Name Wang Lele Signature InstructorLi Haining Signature An Guangming Signature ABSTRACT Hydraulic support is the main support equipment in coal mine, the coal mining safety is guaranteed. Steeply inclined coal seam fully mechanized working face hydraulic support for coal seam inclination angle is large and complex geological conditions, analysis of the hydra- ulic support anti-skid, anti reverse stability, analysis of the influence of pin connection shaft hole clearance on the stability of the hydraulic support, and support the finite element analysis and kinematics simulation for the design of inclined, and ensure the stability of the hydraulic support provides theory on the basis of reliable, has important significance for steeply inclined coal seam mining safety in production and improve the efficiency of. In this paper, taking a coal mine inclined fully mechanized top coal caving working face hydraulic support is studied. In order to verify the stability of hydraulic support in the working face, 3D solid model of hydraulic support are respectively established mechanical model and motion simulation model and the finite element analysis model. Firstly, according to the situation of the stress in the working face of the bracket, analysis and calculation of stability and anti slip stability of two kinds of instability mechanics of support, we prove the stability of the hydraulic support in the 74 degree angle state is guaranteed. Then analyzed the pin connection effect on the stability of hydraulic support, isolation from the corrosive substances and reduce the Kong Zhou intensity difference two aspects, proposed in the pin shaft and bracket hole connection outside plus a protective sleeve and the grinding hardening process of two s to increase the support hole pin connection reliability, thereby increa- sing the stability of hydraulic support. Secondly, the hydraulic support motion simulation with ADAMS software, verify the maximum displacement of support beam is to meet the design requirements. At the end of the hydraulic support are analyzed by finite element analysis with ANSYS software, internal load and lateral force loading test the strength of the support, so 万方数据 that the stability of hydraulic support. Keywords Steeply inclined hydraulic support; Anti reverse stability; Motion simulation; Finite element analysis Thesis Application Research 万方数据 目 录 I 目录 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1 1.1 概述 ............................................................................................................................... 1 1.2 选题的背景和意义 ....................................................................................................... 1 1.3 急倾斜综采工作面液压支架国内外现状 ................................................................... 2 1.4 研究的条件 .................................................................................................................. 3 1.5 研究的内容及方案 ....................................................................................................... 4 1.5.1 研究的内容 ........................................................................................................ 4 1.5.2 研究的方案 ........................................................................................................ 4 2 ZF5000/17/28 型液压支架的结构特征和特征参数 ............................................................. 6 2.1 ZF5000/17/28 型液压支架架型确定 ........................................................................... 6 2.2 ZF5000/17/28 型液压支架的结构特征 ....................................................................... 6 2.3 ZF5000/17/28 型液压支架的结构特征参数 ............................................................... 8 2.4 ZF5000/17/28 支架的防滑防倒装置 ......................................................................... 10 2.5 本章小结 ..................................................................................................................... 11 3 液压支架稳定性分析 .......................................................................................................... 12 3.1 影响液压支架稳定性的因素 ..................................................................................... 12 3.2 液压支架力学分析 ..................................................................................................... 12 3.2.1 液压支架防滑稳定性分析 .............................................................................. 13 3.2.2 液压支架防倒稳定性分析 .............................................................................. 14 3.3 本章小结 ..................................................................................................................... 16 4 销轴连接对液压支架稳定性的影响 .................................................................................. 17 4.1 销轴连接几何结构分析 ............................................................................................ 17 4.2 支架四连杆机构配合间隙对支架稳定性的影响 ..................................................... 18 4.3 销轴连接可靠性对支架稳定性的影响及改进措施 ................................................. 20 4.4 本章小结 ..................................................................................................................... 21 5 液压支架运动学仿真 .......................................................................................................... 22 5.1 ADAMS 软件介绍 ...................................................................................................... 22 5.2 液压支架四连杆机构的介绍 ..................................................................................... 22 5.2.1 四连杆机构的作用 .......................................................................................... 22 5.2.2 四连杆机构的设计要求 .................................................................................. 23 5.3 运动学仿真 ................................................................................................................. 24 万方数据 目 录 II 5.3.1 模型简化 .......................................................................................................... 24 5.3.2 仿真过程 .......................................................................................................... 24 5.4 本章小结 ..................................................................................................................... 27 6 液压支架整架有限元分析 .................................................................................................. 28 6.1 ANSYS 软件介绍 ....................................................................................................... 28 6.2 三维模型建立及其简化模型 ..................................................................................... 28 6.3 支架铰接部位处理 ..................................................................................................... 29 6.4 网格划分 ..................................................................................................................... 29 6.5 支架的受载方式 ......................................................................................................... 30 6.6 支架有限元分析结果 ................................................................................................. 31 6.7 支架强度校核 ............................................................................................................. 46 6.8 本章小结 ..................................................................................................................... 46 7 结论与展望 .......................................................................................................................... 48 7.1 结论 ............................................................................................................................. 48 7.2 展望 ............................................................................................................................. 48 致 谢 ...................................................................................................................................... 50 参考文献 .................................................................................................................................. 51 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 概述 综采放顶煤开采技术在我国已经成为特厚煤层条件的主要开采方法， 适应煤层赋存 条件已经从近水平条件下的完全成熟向大倾角、 急倾斜等复杂条件发展。 从上个世纪 90 年代开始，我国采用的放顶煤开采煤层方式已慢慢成熟，并对倾角为30左右倾斜煤层 广泛采用这种开采方式。我国河南永城市葛店煤矿、甘肃靖远矿务局王家山煤矿、宁夏 石炭井矿务局乌兰矿和河南焦作九里山矿等陆续实行了3035倾角，8m～l0m 厚度煤 层的综放开采试验，取得了部分成果。但支架的稳定性和可靠性还存在很多问题，不能 保证煤层的绝对安全支护。 本论文研究的华亭煤业集团东峡煤矿的工作面最大倾角达到 74。 由于急倾斜工作面倾斜角度大，在煤矿井下采煤过程中刮板输送机的前移、液压支 架的移架，顶煤的回采等采煤工序都受到制约和影响，这些采煤工序和采煤器械的不稳 定性又会导致液压支架的支护不稳定。液压支架是综放工作面的支护安全、采煤设备生 产安全、 井下人员安全的主要关键设备， 在综采放顶煤工作面又是主要的开采回收设备， 对矿井、开采煤层甚至采区工作面有很强的专用性，占用投资比重较大（60以上） ， 液压支架的设计还决定了煤矿煤层的产煤能力、开采煤层的地质情况、以及相配套的刮 板输送机和采煤机等采煤设备， 所以液压支架的稳定性对煤层的安全生产起到了决定性 作用。研究设计一套适应急倾斜煤层采煤工作面特殊条件的液压支架结构形式，即液压 支架如何实现可靠的防滑、防倒以及调架功能；如何实现支架支护的稳定性、支架支护 的封闭性、支架顶梁的偏载稳定性和支架底座和掩护梁的抗扭稳定性；如何实现工作面 下端头及过渡三角区支护的稳定及支架对工作面圆弧过渡段的适应性； 如何实现支架和 其他采煤设备配套时液压支架沿斜面的整体稳定性； 以及如何实现对工作面端尾回风平 巷整体支护及对工作面回风平巷与切眼的无支护三角区域实现封闭性支护， 是急倾斜液 压支架迫切需要解决的技术难题。 1.2 选题的背景和意义 液压支架是由多各杆件铰接组合而成的一种承载机构，目前，由于急倾斜煤层倾斜 角度大，急倾斜液压支架的架型选择、结构设计、防滑放倒以及支架与采煤设备配套关 系等方面的问题都有待完善，其研究缺乏可靠的理论和实践依据。所以在急倾斜工作面 采煤生产进程中， 支架发生架型不适应， 支架下滑、 倾倒、 咬架现象频繁、 冒顶等情况， 从而导致工作面采煤效率低、煤矿产量低、经济效益不好等情况，甚至出现煤矿安全事 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 2 故，造成更大的人员伤亡和经济损失。研究急倾斜煤层工作面上液压支架的稳定性，对 急倾斜煤层的开采、支护和安全保证十分重要。 在急倾斜综采放顶煤工作面，合理准确设计液压支架结构和有效的防倒防滑装置， 是保证急倾斜液压支架适应性和稳定性的首要条件。 在急倾斜综采工作面放置和作业中， 煤层倾角的大小是影响支架稳定性的根本原因， 同样确定了支架的架型选择、 结构设计、 工作阻力设计等方面。因为煤层工作面倾斜角度越大，支架自身重力沿斜面的切向分力 就越大，同时法向分力就越小，使得支架在斜面方向上下滑力增加而摩擦力减小，支架 更容易下滑。同时煤层工作面倾斜角度越大，支架顶梁上方所能承受载荷的能力越低， 支架沿斜面更容易发生扭转和倾倒。在急倾斜工作面上，每个液压支架的高度（重心） 不同，当倾角大到一定程度时，支架沿斜面的下滑力会小于摩擦力，支架会沿斜面发生 下滑；同时当倾角大到一定程度时，支架顶梁所能承受的载荷就会小于实际顶板载荷， 此时支架重心偏离原来位置， 在重力方向上的合力的作用线会偏离支架底座的支撑边缘， 支架会沿斜面发生倾倒，这两种情况都标志着液压支架已经失稳。支架的失稳有自重造 成的重力失稳，也有顶底板偏载作用下的外力失稳，外力失稳状态下支架的受力状况恶 化，尤其是连杆机构，各杆件运动副间的间隙会增大顶梁与底座间的偏摆量，增大失稳 的风险。 在急倾斜综采工作面上，工作面倾角越大，液压支架的失稳风险越大，支架发生下 滑、倾倒及支架间倒架、咬架的现象加重，不仅会出现冒顶、片帮等安全事故，还会直 接导致整个煤层的采煤效率降低，甚至影响所有采煤设备正常运行。所以应该对急倾斜 煤层综采工作面上的液压支架进行防滑稳定性分析、 防倒稳定性分析、 有限元强度分析、 运动仿真分析以及分析销轴连接孔轴间隙对液压支架稳定性的影响， 这为设计急倾斜液 压支架并保证其稳定性提供了可靠的理论依据， 对急倾斜煤层的安全生产和采煤效率的 提高有重要意义。 1.3 急倾斜综采工作面液压支架国内外现状 国外对大倾角采煤工作面起主要支护作用的液压支架的设计有了一些研究， 设计制 造了适应大倾角煤层放顶煤开采的液压支架。英国一般采用多布逊支架（适应煤层倾角 25 45，支架之间设计了一种具有弹性伸缩作用的连接件，铰接相邻两个支架的底 座，使斜面上整套支架互相支撑成为一个整体，用于防止支架的倾倒及下）和伽里克支 撑式支架（适应煤层倾角小于40，为了提高支架支撑顶板载荷，每个支架设计 5 个立 柱，同时为减轻自重，支架顶梁采用优质钢材制造。为增强支架的稳定性，运用了降低 支架重心的办法，支架设计了较矮的伸缩式底座） 。这两种支架的设计在一定程度上都 能提高液压支架在倾斜工作面的稳定性， 但是适应的工作面倾角在 45以下， 对于急倾 斜工作面（大于45）液压支架的设计还没有成熟的理论和具体实验应用。所以国外对 万方数据 1 绪论 3 急倾斜液压支架的研究发展迟缓，设计能力一般。 相关资料表明， 国外煤矿开采采用机械化的水平尽管在上个世纪九十年代初就达到 了 8090，但由于急倾斜煤层开采成本高，西方一些国家为快速提高国家的总体经 济水平，当前还是以开采缓倾斜煤层为主，对急倾斜煤层没有涉及，其中一些国家因为 煤矿开采成本高和本国石油储量丰富，这些年就暂时放弃对煤炭资源利用的涉及，把之 前生产煤炭的煤矿都封闭了（如苏联、英国、意大利等） 。所以国外在急倾斜液压支架 方面的研究几乎没有涉及[6]。 近些年国内主要研制的倾斜煤层液压支架大部分只适用于缓倾斜煤层， 对倾角大于 35的煤层的液压支架实际应用极少， 设计的急倾斜液压支架在具体实验工作面使用都 不是很理想，设计时考虑的因素还是不够全面。我国的急倾斜液压支架的设计研究还有 欠缺， 需进一步全面深入的研究， 究其本质， 还是因为煤层倾角过大、 工作面环境复杂， 支架设计难度大成本高，即对急倾斜液压支架的稳定性要求很高。虽然对倾斜煤层液压 支架的失稳原因和受力分析都有一定的研究，但在急倾斜工作面上，液压支架的下滑、 倾倒及其支架的倒架、咬架情况还是时常出现，这是由于在急倾斜工作面每个单独支架 的重心不同，支架的每个部件的受力也可能不同，架型不能实现与所有大倾角综采工作 面的匹配，这样除了考虑每个支架的在斜面上的稳定性，还要实现成套液压支架在斜面 上的稳定性。针对急倾斜工作面国内也设计出了防倒防滑装备，但支架失稳的事故还是 时有发生，因为地质构造复杂，每个工作面都不一样，我们应该对工作面的情况具体问 题具体对待，设计出适应具体工作面的液压支架，保证研究设计的液压支架在具体工作 面上的稳定性，实现煤矿开采的支护安全。 1.4 研究的条件 本论文将针对正在进行的华亭煤业公司东峡煤矿急倾斜综采放顶煤工作面设备配 套和液压支架设计研究项目开展工作。支架的结构设计和加工生产已经完成，现对支架 的在工作面上的稳定性进行分析研究。 工作面情况 （1）煤层 顶煤最厚11.4-2.58.9 m，垂高15.5 m；煤层中间有夹矸， 夹矸主要包括粉砂质泥岩、灰色泥岩和泥质粉砂岩等成分，煤层倾角45 55，局部 最大角度达到74。（2） 顶板 直接顶包括粉砂岩和炭质泥岩两种成分， 煤岩蓬松柔软， 直接顶最大厚度4.3 m，垂直高度7.5 m； （3）底板 直接底包括粉砂质泥岩和炭质泥岩 两种成分， 厚度为0.8～0.06 m，（4） 水文 工作面水文情况简单， 顶板中存在少量水份， 回采过程中会出现滴水、 淋水情况， 涌水量最大为0.15 m3/min， 涌水量正常为0.05 m3/min。 （5） 瓦斯 矿井煤层瓦斯含量相对较低， 绝对涌出量1.94 m3/min， 相对涌出量1.75 m3/t， 二氧化碳绝对涌出量1.14 m3/min。属低瓦斯矿井。煤的挥发性较高，易发生煤尘爆炸事 故，煤尘爆炸指数38.13。煤层具备一定自燃性，煤的燃点29.8 ℃，自燃发火期3-6个 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 4 月，最短发火期36天。 1.5 研究的内容及方案 1.5.1 研究的内容 （1） 分析液压支架在急倾斜工作面的受力情况， 从支架在斜面上的稳定性角度出发， 以设计的 ZF5000/17/28 型液压支架为例， 对其进行防滑稳定性和防倒稳定性两种失稳情 况力学分析计算，验证 ZF5000/17/28 型液压支架在工作面上是否能够保证其稳定性。 （2） 支架底座和连杆、 掩护梁和连杆、 掩护梁和顶梁都是通过销轴铰接方式连接的， 分析了销轴连接时孔轴间隙对液压支架稳定性的影响， 从而提出增强液压支架可靠性及 稳定性的方法。 （3）建立液压支架运动仿真模型，利用 Adams 软件对支架整体进行运动学仿真， 得到液压支架在升降过程中顶梁最前端的运动轨迹， 看顶梁前端的最大水平位移是否符 合四连杆机构设计要求，以此保证液压支架在工作面的稳定性。 （4）建立急倾斜液压支架的三维模型和简化的有限元分析模型，在不同工况下对液 压支架进行强度有限元分析，得出支架应力图、位移图、应变图和局部应力图，从图中 可以看出危险区域和结构薄弱位置， 并指出支架在在不同工况下的应变最大值和应力最 大值分布，看液压支架的强度是否满足工作面生产要求。 1.5.2 研究的方案 根据上述研究内容，总的研究方案流程图如图 1.1 所示 万方数据 1 绪论 5 图 1.1 研究方案流程 急倾斜综采工作面液 压支架研究现状 液压支架设计理论和 技术要求 影响液压支架稳定性 的因素 急倾斜液压支架受 力分析 急倾斜液压支架防 滑稳定性分析 急倾斜液压支架防 倒稳定性分析 理 论 知 识 力 学 分 析 液压支架防滑、 防倒 稳定性分析 销轴连接对液压支架 稳定性的影响 Ansys 有限元 分析 Adams 运动学 仿真 总结分析结果 理论基础 万方数据 西安科技大学全日制工程硕士学位论文 6 2 ZF5000/17/28 型液压支架的结构特征和特征参数 2.1 ZF5000/17/28 型液压支架架型确定 大倾角倾斜特厚煤层综放工作面，由于特殊的地质条件，支架在工作面受到的重力 法向及切向分量随倾角的变化而变化。倾角增大，支架所受的切向分力增大，法向分力 减小， 从而使工作面支护系统所受的有效载荷变小， 而引起支护系统失稳的外载荷增大， 工作面支架下滑、倾倒及架间挤、咬现象加剧；同时煤层倾角增大，工作面矿压显现变 化也很大随着倾角的增大，煤层顶、底板移进量逐渐变小，上覆岩层重力沿层面法向 力减小，切向下滑力增大，从而加大了支架侧向载荷。东峡煤矿急倾斜特厚易燃煤层 长壁倾斜综放开采技术研究矿山压力防治及顶煤运移规律研究表明一是工作面压力 显现最大主应力在两个区域出现较高集中，一个在本工作面上端，一个沿煤层倾向在工 作面下端煤层和附近底板岩层中，而且工作面下位煤体均处于拉应力状态，使顶煤出现 自然拉破裂；二是工作面煤壁具有向下山侧移动的趋势，工作面两端明显朝向采空区内 侧移动和冒落；三是工作面前方煤壁剪切应变率较大，易造成架前漏顶和片帮。 根据东峡煤矿 2007 年所作的大倾角坚硬易燃特厚煤层群综合机械化放顶煤开采 技术工作面矿山压力观测研究报告 ，由于煤质比较硬，顶板压力在支架顶梁上的合 力作用位置相对比较靠后，前后立柱的承载不均衡系数较小，因此，对东峡煤矿的新工 作面支架采用四柱支撑掩护式低位放顶煤 ZF5000/17/28 架型。 它是一种紧凑型架型， 掩 护梁和连杆既是稳定机构同时又形成后部放煤空间的结构，有利于支架的抗扭；支架人 行通道宽敞，有利于人员工作的安全，适用于急-倾斜特厚易燃煤层高效综放工作面条 件。 综上所述，决定该套支架的研制重点是增加支架稳定性和整体封闭性；在满足支架 基本工作阻力的前提下，提高支架整体初撑力和抗扭性，减轻支架重量，以降低支架侧 向的重力分力，保持支架稳定性和便于及时调架。 2.2 ZF5000/17/28 型液压支架的结构特征 ZF5000/17/28 型液压支架架位于工作面上部的直线倾斜段，倾斜角度最大，因顶煤 过放而导致支架失稳的风险较大， 为此在支架的结构设计中有针对性地加入了某些功能 和可靠性措施。 （1）整体刚性顶梁。可使侧护板延长至最前端，最大程度的增加架间封闭性。 （2）图 2.1 所示，顶梁前端有内伸缩式的伸缩前梁，伸缩行程大于一个截深长度 （800mm） 。伸缩梁前端装护帮机构，可 180翻转。对 600mm 的采煤机截深，可以在 万方数据 2 ZF5000/17/28 型液压支架的结构特征和特征参数 7 任何相对位置状态下将支架前端的空顶区域完全封闭。 图 2.1 支架的伸缩梁和护帮装置工作状态 （3）顶梁、掩护梁、尾梁设双侧可伸缩式活动侧护板，单伸缩行程 200mm，总行 程 2200mm。 每个侧护板有两个φ 100mm 的侧推千斤顶， 支架的单侧总推力 4247KN。 如图 2.2 所示。 图 2.2 双侧可伸缩式活动侧护板 （4）掩护梁尾端设有摆动的尾梁，尾梁体内有伸缩式插板。尾梁和内插板构成支架 的放煤机构。 （5）采用推移千斤顶倒置型式的长杆推移机构，有较大的拉架力，能更