矸石充填液压支架的研究.pdf

分类号T D 3 5 5 U D C 密级公开 单位代码1 0 0 7 6 l I I l l l l lHI I I H l1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1I IJI II 工学硕士学位论文 一Y 2 印1 4 2 9 矸石充填液压支架的研究 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 宋志江 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 矸石充填液压支架的研究 河北工程大学 2 0 13 年5 月 AD i s s e r t a t i o nS ub m i t t e dt o 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 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 R e s e a r c ho nW a s t eF i l l i n gH y d r a u l i c S u p p o r t C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA 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 S o n gZ h i j i a n g P r o ￡L iQ i u s h e n g M a s t e ro f E n g i n e e r i n g 一 一 M e c h a n i c a lD e s i g na n d T h e o r y C o l l e g e o fE 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 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 M a y , 2 0 1 3 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 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大堂或其他教育 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。 学位论文作者签名震左，江 签字日期z 。1 3 年箩月巧日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑耋垦兰猩盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑皇堡．王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 学位论文作者签名采走，江签字日期2 。f 3 年岁月叩日 导师签名 i ≠‘私芝 签字日期1 。1 3 年岁月刁目 摘要 摘要 液压支架在煤矿开采的过程中可以有效地支撑项板、隔离采空区，保证了采 煤工作面作业工人的人身安全以及采煤机械的安全，是重要的综合机械化采煤设 备。由于液压支架在工作时承担了煤层上面所有岩层的重量，所以它必须要有足 够的支撑力与强度。随着采煤工业的快速发展，煤炭的开采量逐渐增大，煤矿开 采出的废弃物已经开始影响环境，采空区的沦陷已经影响到煤矿上方地表的建筑 物。为了解决这些问题，就需要研究应用新的采煤方法与采煤支架，矸石充填支 架的应用就很好地解决了上述问题。 首先，通过分析普通综采液压支架，研究设计了矸石充填开采液压支架，并 通过对充填夯实机构进行了设计改进，实现了充填机构的往复振动，使充填物能 够更好的接顶，压实效果更好。 其次，通过三维参数化设计软件P r o ／E ，对矸石充填液压支架各个零部件进行 了三维参数化建模，然后进行虚拟装配与干涉检查。对建立好的支架三维模型进 行有限元模型简化，并导入到A N S Y SW o r k b e n c h 软件中，进行多种工况下的有限 元静力分析，得出相应的应力云图与变形云图，验证了本次设计满足相应地强度 要求。 最后，分析了传统跨落式采煤法开采后矿山压力形成的过程，揭示了破坏地 表上方各种建筑物成因，而矸石充填开采能及时对采空区回填，矿山压力会大大 减小，通过数值模拟软件F L A C 3 D 对矿山压力进行了分析，验证了使用矸石充填 液压支架充填后可以有效地减小矿山压力的显现。 关键词充填液压支架；充填夯实机构；有限元分析；矿山压力 A b s t r a c t A b s t r a c t H y d r a u l i cs u p p o r ti sa ni m p o r t a n tm o d e mm i n e - m e c h a n i z e dc o a le q u i p m e n t ，i nt h e p r o c e s so fc o a lm i n i n g ，h y d r a u l i cs u p p o r tC a ns u p p o r tt h er o o fe f f e c t i v e l y ，i s o l a t i o nt h e g o ba n de n s u r et h ew o r k e r sa n dm i n i n gm a c h i n e r ys a f e l y 。H y d r a u l i cs u p p o r t su n d e r t a k e t h ew e i g h to fa l lt h es t r a t aa b o v es e a m ，s oi tm u s th a v ea d e q u a t es u p p o r ta n ds t r e n g t h ． W i t h “ t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ec o a lm i n i n gi n d u s t r y , c o a lp r o d u c t i o ni n c r e a s e d g r a d u a l l y , t h ew a s t ec o a lm i n i n gh a sb e g u nt oa f f e c tt h ee n v i r o n m e n t ．G o bf a l lh a s a f f e c t e dt h eb u i l d i n g sw h i c ha r ea b o v et h es u r f a c eo ft h ec o a lm i n e s ．I no r d e rt os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，w en e e dt os t u d ya n da p p l yo ft h en e wm e t h o do fc o a lm i n i n ga n dc o a l m i n i n gb r a c k e t ．T h ew a s t ef i l l i n gb r a c k e ti sag o o dw a y t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m ． F i r s t l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so fo r d i n a r yh y d r a u l i cs u p p o r t ，r e s e a r c ha n dd e s i g no f w a s t er o c kb a c k f i l l m i n i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ，a n di m p r o v et h ef i l lc o m p a c t i o n m e c h a n i s m ．A n dt h r o u g ht h ed e s i g ni m p r o v e m e n to ft h ef i l l i n gc o m p a c t i o nm e c h a n i s m ， t oa c h i e v eaf i l l i n gm e c h a n i s mo ft h er e c i p r o c a t i n gv i b r a t i o n ，S Ot h a tt h ef i l l i n gm a t e r i a l s a r eb e t t e ra b l et op i c kt h et o p ，t h ec o m p a c t i n ge f f e c ti sb e t t e r ． S e c o n d l y , u s i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ls o f t w a r eP r o ／E ，c o m p l e t e dt h ew a s t ef i l l i n g h y d r a u l i cs u p p o r t ’St h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e l ，v i r t u a la s s e m b l ya n dt h ei n t e r f e r e n c e c h e c k i n g ．T h e ns i m p l i f i e dt h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lf o r f i n i t ee l e m e n tm o d e l ，a n d i m p o r t e d i n t ot h eA N S Y SW o r k b e n c hs o f t w a r ef o ra n a l y s i so fv a r i o u sw o r k i n g c o n d i t i o n s ，g e tt h ec o r r e s p o n d i n go fs t r e s sn e p h o g r a ma n dd e f o r m a t i o nn e p h o g r a m ， v e r i f yt h er e l i a b i l i t yo f t h ed e s i g n ． F i n a l l y , a n a l y s i st h ef o r m a t i o no ft h er o c kp r e s s u r ea f t e rt h em e t h o do ft r a d i t i o n a l c a v i n gm i n i n g ，R e v e a lt h ec a u s e so f t h ed e s t r u c t i o no fv a r i o u sb u i l d i n g sw h i c hi sa tt h e t o po ft h es u r f a c e ．H o w e v e rt h ew a s t ef i l l i n ge x p l o i t a t i o nt i m e l yb a c k f i l li nm i n e d o u t a r e a ，a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h ef i l l i n g ，M i n ep r e s s u r ei nt h e o r yw i l lg r e a t l yd e c r e a s e ， a n dt h r o u g ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eF L A C 3 Dt oa n a l y s i sm i n i n gp r e s s u r e ， v e r i f yt h ew a s t ef i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r tf i l l i n gc a ne f f e c t i v e l yr e d u c et h em a n i f e s t a t i o n o fm i n ep r e s s u r e ． K e y w o r d s F i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ；f i l l i n gc o m p a c t i o nm e c h a n i s m ；f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ；m i n i n gp r e s s u r e 目录 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 国内外充填开采与支架现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 国外充填开采与支架现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3 本课题的提出、研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．3 ．1 本课题的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 ．2 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⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．4 ．1 本课题研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．2 关键技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．4 ．3 仓0 新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 ． 第2 章矸石充填液压支架结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．1 矸石充填支架的组成结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．2 矸石充填支架整体参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 ．3 支架主要零件的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．3 ．1 顶梁设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 。4 充填机构的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l3 2 ．5 充填夯实液压缸结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 2 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯17 第3 章矸石充填液压支架三维建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 3 ．1 三维实体建模软件P r o ／E ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 3 ．2 矸石充填液压支架三维实体建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19 3 ．3 支架的虚拟装配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 第4 章矸石充填液压支架有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 4 ．1A N S Y SW o r k b e n c h12 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 河北工程大学硕士学位论文 4 ．2 矸石充填液压支架有限元分析前处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．2 ．1 矸石充填液压支架三维模型的建立及简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．2 ．2 材料和属性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 ．3 载荷与边界条件的处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 ．4 铰接处的处理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．2 ．5 网格的划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．3 矸石充填液压支架有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 ．3 ．1 顶梁两端集中加载、底座扭转有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 4 ．3 ．2 顶梁中部加载、底座扭转有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 4 ．3 ．3 顶梁两端集中加载、底座两端集中加载有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．3 ．4 项梁偏载、底座两端集中加载有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．3 ．5 上述四种加载下有限元结果分析总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 5 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 第5 章矸石充填后矿山压力的显现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．1 传统长壁跨落式法采煤的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 ．2 传统采煤法采煤后矿山压力的显现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．2 ．1 顶板下沉⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．2 ．2 直接项的垮落⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．2 ．3 基本顶的初次来压与周期来压⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 5 ．3 矿山压力导致的事故⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．4 矸石充填开采⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5l 5 ．5 矸石充填开采工艺⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 5 ．6 充填开采减小采高的分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．7 传统综采与充填开采的数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．7 ．1 数值模拟软件F L A C 3 D 简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．7 ．2 数值模拟软件F L A C 3 D 的优点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．7 ．3 数值模拟软件F L A C 3 D 计算分析的通常步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 。8 利用数值模拟软件F L A C 3 D 进行采场围岩模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 5 ．8 ．1 煤层开采后应力与项板下沉数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 5 ．8 ．2 煤层充填后应力与顶板下沉数值模拟分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 5 ．9 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 结沦⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 致j 射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 8 第1 章绪论 第1 章绪论 液压支架在现代的综合机械化采煤中占有重要的地位，在我国已经历了相当 长的发展历史，已在许多大中型煤矿中推广使用，并取得了明显的社会效益与经 济技术效益【l 】。利用液压支架进行充填开采的新方法在我国仅仅是开始试验阶段， 特别是矸石充填还是缺少一定的经验基础。过去曾经使用的水沙充填和风力充填 等采煤方法，都是采用的普通支护设备，效率低、成本高，效果不好，只是为了 减少地表下沉量而不得不采取的一种措施1 2 j 。矸石充填液压支架不但可以实现对顶 板可靠有效地支撑、隔离采空区、保护作业工人人身安全等普通综采液压支架的 功能，而且由于矸石充填液压支架在架后增加了一套矸石充填夯实机构，所以矸 石充填液压支架的应用，既能有效地控制顶板、减少地表的下沉量、降低成本， 又利于减小地面矸石堆放，少占用农田，保护了生态环境，因此研究开发使用矸 石充填液压支架对矿山安全与环境保护都具有重要的现实意义p ，4 j 。 1 ．1 国内外充填开采与支架现状 1 ．1 ．1 国外充填开采与支架现状 在国外，利用充填法进行开采已有近百年历史，可以划分为四个阶段。第一 阶段2 0 世纪3 0 年代以前，该阶段尚处在一个起步阶段，对各方面并没有深入的 研究，仅仅是为了处理一些矿山废弃物，例如，加拿大霍恩矿在2 0 世纪初曾使用 废矿石进行充填开采。第二阶段为2 0 世纪4 0 “ - 5 0 年代，西方一些国家研究应用 了水沙充填技术，这一阶段才将充填开采列入采矿计划，并对充填工艺及充填材 料开展研究。第三阶段为2 0 世纪6 0 “ - 7 0 年代，美国、加拿大、澳大利亚等采煤 技术先进国家开始研发和应用尾矿胶结充填技术，这一阶段典型的代表为澳大利 亚的忙特艾萨矿，随着科学技术的进步，该阶段深入研究了充填材料的力学性质， 煤矿充填后与围岩的相互作用关系等。第四阶段为2 0 世纪8 0 ～9 0 年代，人们对 环境保护的要求越来越高，原来的充填工艺难以达到“绿色”开采的要求，因而 发展了一些较为先进的充填技术，例如矸石固体充填、膏体充填、高水充填等p J 。 随着1 9 5 4 年，在英国诞生的第～台垛式液压支架开始，液压支架发展到现阶 段已经历了近6 0 年的历史，现阶段液压支架的设计综合应用了三维参数化设计、 有限单元法、C A D 和C A M 等现代化设计手段，使支架的设计制造更加高效合理。 河北工程大学硕士学位论文世界上主要采煤国家正在积极研究和开发新技术，致力于大中心距、高可靠性、高性能的重型液压支架的研究，从而使支架的移架速度能够达到6 ～ 8 s ／架，使用寿命也提升到了8 ～1 0 年，其支架的平均工作阻力为6 0 0 0 “ - - “ 8 0 0 0 K N ，最高可达1 0 0 0 0 K N 。充填液压支架只是在最近十几年才开始研究应用，它包含了普通综采液压支架的基本结构，不同之处在于它增加了充填结构，例如矸石充填液压支架在尾梁下悬挂了充填刮板运输机，在底座上增加了充填夯实机构，高水充填支架可以由主架和副架组成，在副架上悬挂了充填袋等【6 拶J 。1 ．1 ．2 国内充填开采与支架现状国内煤矿充填开采发展的经历与国外类似，也经历了4 个阶段的发展，但总的来说国内充填开采的研究要比国外的发展滞后1 0 “ ～2 0 年，由于我们不断学习借鉴国外充填开采的先进经验和自身投入研究力度的加大，我们目前的技术水平正在与国外的水平逐渐减小【l ⋯。1 9 6 4 年我国成功研制出了第一台架液压支架，后来历经几十年的技术引进、消化吸收和自主研发，液压支架在我国有了显著发展。目前，国内液压支架正朝着重型化、强度高、移动快和电液控制的方向发展【1 1 1 。充填支架在我国同样也是近些年才开始研究应用，其架型在我国主要有膏体充填液压支架、矸石充填液压支架、超高水材料充填液压支架等。主要用于“三下”、河流、水库、道路、壁后充填等。例如，邢台矿采用的Z Z C 4 8 0 0 ／1 6 ／3 2 四柱支撑式固体充填支架；焦作小马矿采用的Z C 4 8 0 0 ／0 9 ／1 8 膏体充填支架；兖州济三矿采用的Z Z C l 0 0 0 0 ／2 0 ／4 0 六柱支撑式固体充填支架。随着研究推广的深入，充填液压支架在我国将会得到越来越多的应用。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在国内外历经近百年的发展，取得了巨大成就，也积累了宝贵的经验，但仍然有很多缺陷值得我们去深入研究探讨，如对充填材料的研究，尽可能地开发使用新型环保的充填物料，尽可能使用煤矿开采后产生的废弃物，这样既减少煤矿固体污染、保护了生态环境又节约了充填成本；对充填设备的研究，例如，利用充填支架进行充填后，是否能保证充填材料压缩率达到最高，充填接顶效果达到最好；对充填理论的研究，包括能否从理论上验证出煤矿充填后地表下沉量在减小，矿山压力不明显等。本课题研究设计的矸石充填开采液压支架可以很好的解决上述问题，矸石充填物料的使用可以消灭大量煤矿周围积累的矸石山，充填夯实机构设计成往复振 第1 章绪论动形式可以保证矸石很好的压缩率与接顶。矸石充填开采液压支架的应用可以实现架前采煤，架后充填，开采与充填可以同时作业，保证了采煤的高效性与连续性，未来发展前景广阔，是今后煤矿充填开采的方向。1 ．3 本课题的提出、研究意义1 ．3 ．1 本课题的提出由于经济的飞速发展，生活水平的显著提高，人们逐渐认识到环境保护对人类可持续发展的重要性，现在煤矿开采普遍采用的长壁垮落式采煤法会对环境产生较大的破坏，据不完全统计，我国煤矿现有矸石堆积量大约4 6 亿吨，堆积的矸石山约1 6 0 0 余座，占地约1 5 公顷，而且每年新产生的矸石量约为1 ．5 “ - - 2 ．0 亿吨，煤矿产生的粉煤灰历年已达到了5 亿吨以上，且每年新增5 “ - 7 千万吨。况且，长壁垮落式采煤法不对采空区进行回填，随着时间的推移，必将造成煤矿上覆岩层的沉降，进而造成煤矿上方建筑物的损毁，这些都会对生态环境、人们的生命财产造成不可估量的破坏。随着我国对能源需求的大量增加，煤炭开采量也会逐渐增加，“三下”压煤问题越来越突出，严重影响着许多矿山企业的可持续发展。针对这些问题，本课题对矸石充填液压支架进行了研究开发，矸石充填液压支架结构不但包括了普通综采液压支架的结构，如顶梁、底座、立柱、各种液压缸等，还包括了一套特有的充填夯实机构，即在尾梁下悬挂矸石充填运输机，并在底座上铰接充填夯实机构，对运输机上落下的矸石进行充填夯实，从而既消耗了大量矸石、保护了环境，又对煤矿上覆岩层起到了支撑作用、保护了煤矿上方建筑物。同时该支架的设计也要符合普通综采液压设计的要求，满足机构动力学要求，具有可靠地强度，良好的通风等。1 ．3 ．2 本课题研究意义本课题研究意义主要体现在如下两方面 1 我国煤矿“三下” 建筑物下、铁路下、水体下 压煤量己达1 3 7 ．9 亿吨，其中建筑物下9 4 ．6 8 亿吨，占总压煤量的6 9 ％，充填开采是解决“三下”压煤的根本途径。矸石充填液压支架的应用研究，不仅可以消耗大量的矸石，解决矸石山污染，还能有效的开采“三下”压煤，回填采空区，防止地表沉陷，具有良好的经济、环保价值。 2 本课题对矸石充填液压支架的设计，不论是在三维实体P r o ／E n g i n e e r 软件 河北工程大学硕士学位论文 中对零部件的设计，还是对整机的虚拟装配，再到A N S Y SW o r k b e n c h 有限元分析 软件中对模型的简化以及各种工况下的有限元整机强度分析，全部在计算机上完 成，完全区别于传统的设计方法，设计效率高、成本小、方便、快捷，同时也方 便修改和结果的保存与交流。 1 ．4 本课题研究内容、关键问题及创新点 1 ．4 ．1 本课题研究内容 1 矸石充填液压支架主体零部件结构设计 根据液压支架相关的理论及标准，确定矸石充填液压支架的主要参数，并对 项梁进行结构设计、强度初步校核，并对充填夯实机构进行结构设计。 2 矸石充填液压压支架的三维建模及其有限元分析 采用P r o ／E n g i n e e r 三维实体建模软件对可矸石充填液压支架的顶梁、前伸梁、 尾梁、底座、夯实机构、立柱等零部件进行三维参数化建模，完成虚拟装配，并 对整机进行初步干涉检查。 依据M T 3 1 2 ．2 0 0 0 液压支架通用技术条件中加载试验类型，利用A N S Y S W o r k b e n c h 有限元分析软件对矸石充填液压支架进行整机有限元强度分析。 3 矸石充填液压支架对煤矿上覆岩层的控制 主要分析了长壁跨落式采煤法采煤后，矿山压力的显现特点及其造成的破坏， 并利用岩土工程数值模拟软件F L A C 对采场上覆岩层及煤层建模，找出矸石充填 开采后矿山压力的不同，进而得出矸石充填开采可以有效地减小矿山压力的显现。 1 ．4 ．2 关键技术 1 充填液压支架关键结构的改进设计 2 矸石充填液压支架整机有限元强度分析 3 矸石充填液压支架对岩层控制的研究 1 ．4 ．3 创新点 1 充填液压支架对上覆岩层的控制的研究 2 对矸石充填液压支架结构进行改进设计 4 第1 章绪论 1 ．5 本章小结 本章主要介绍了当前国内外充填开采及液压支架的发展现状，分析了我国充 填开采及支架在应用中存在的问题，确立了本课题的研究意义，详细介绍了本课 题的研究内容及关键技术。 河北工程大学硕士学位论文 第2 章矸石充填液压支架结构设计 矸石充填液压支架不但有顶梁、底座、前伸梁、立柱、各种液压缸等普通综 采液压支架的结构，还包括了一套特有的充填夯实机构 充填夯实液压缸、充填 刮板运输机等 。该支架的设计不仅要符合普通综采液压支架整机的设计要求，如 要拥有良好的作业空间、满足机构动力学及各主要承载部件要满足承载能力的要 求，还要达到良好的充填效果，如充填过程中要尽可能的充满采空区、对矸石充 填材料的最大程度压实等。 2 ．1 矸石充填支架的组成结构 矸石充填支架的组成结构可按其不同的功能将其各零部件划分如下 1 矸石充填液压支架用于承受外部载荷的零件，如顶梁、底座、前伸梁等。 它们的作用主要是保证采煤作业工人的人身安全、承受煤层顶板、底板的压力以 及煤层开采后上覆岩石垮落后对其产生的载荷。 2 液压装置与液压辅助元件，如立柱、伸缩千斤顶，尾梁千斤顶、推移千 斤顶、夯实机构的夯实与支撑千斤顶、液压管路、液压调向阀、液压安全阀等l J 引。 它们的作用是通过液压系统与液压阀把乳化液输送到液压支架的指定位置，来实 现液压支架的有效支护、移架与充填等。 3 充填夯实机构，如充填刮板输送机、夯实板、夯实油缸等。这是矸石充 填液压支架特有的机构，它们的作用是保证矸石进行充填，并使矸石的充填率、 压缩率到达最高，充填接顶效果达到最好[ 1 3 , 1 4 J 。 2 ．2 矸石充填支架整体参数的确定 1 矸石充填支架高度的确定 充填支架高度的确定，不仅要考虑到要开采煤层的厚度、煤矿的地质条件， 还要考虑到支架是否便于通风以及方便在井下运输等，最终确定该支架的最高支 护高度H 。。。 3 ．2 m ，最低支护高度为H 。i 。 1 ．9 m 。 2 矸石充填支架中心距的确定 支架的中心距，就是相邻两个支架中心线之间的距离，一般可按下式计算 b 。 n c 3 B 。 6 第2 章矸石充填液压支架结构设计式中，b ．一支架的中心距；n 一每架所包含的组架或框架数，整体自移支架1 3 l ；C 3 一相邻支架或框架顶梁之间的间隙；玩一支架顶梁的总宽度。本课题设计的顶梁为整体式项梁，每台充填液压支架不含组架，所以n 取1 ，两台液压支架顶梁之间的间距C ，可取为O ．1 m ，中心距的确定还要考虑到目前井下刮板输送机的溜槽长度，国内液压支架普遍采用1 ．5 m 的中心距，大采高支架可以选用1 ．7 5 m 的中心距，这样可以满足支架的稳定性，小采高小型的支架可以选用1 ．2 5 m 的中心距，来满足该种支架方便运输、安装、移动的要求【1 5 , 1 6 J 。本课题的矸石充填液压支架中心距设计为1 ．5 m 。 3 矸石充填支架宽度的确定在设计支架的宽度时，要综合考虑好支架是否方便安装、调架等要求。本次设计的顶梁采用整体顶梁，它要有足够的支撑强度，且支架工作时立柱的阻力较大，综合考虑支架受力的合理性和中心距的要求，确定顶梁的宽度为1 ．4 m [ 1 7 , 1 8 】。 4 顶梁长度的确定顶梁承受了煤层上覆顶板的巨大压力，是支架最主要的承载零件。其长度既要满足人行通道以及支架型式的要求，还要考虑与其配套的刮板输送机的尺寸、采煤机的滚筒的宽度等条件【l9 1 。设计时可以尽量减小顶梁长度，这样就会减轻了顶梁的重量，使支架结构更加紧凑，同时也减小了顶板反复支护次数，增大了支护强度，最终顶梁的长度确定为3 ．8 m [ 2 们。 5 矸石充填支架的工作阻力充填支架阻力的设计并非越大越大，应该结合采煤工作面岩层的特性、基本顶初次来压与周期来压的特点等确定，本课题设计的矸石充填液压支架在充填开采时，由于已经充填好的矸石可以支撑顶板一部分的压力，所以支架的阻力设计可以相应地减小些。结合上述特点，充填液压支架的工作阻力定为4 0 0 0 k N ，采用四柱支撑，因此每根立柱的工作阻力为F 4 0 0 0 ／4 1 0 0 0 k N 。2 ．3 支架主要零件的设计2 ．3 ．1 顶梁设计2 ．3 ．1 ．1 顶梁型式的选择进行充填支架顶梁型式的选择时，可以参考普通综采支架的顶梁形式，一般分为整体顶梁和铰接顶梁两种情况。7 河北工程大学硕士学位论文 1 整体顶梁的特点是支护能力强、可靠性好、对顶板的覆盖率较高、同 时也便于加工制造。为了补偿焊接变形和改善接顶的效果，整体顶梁的前端处一 般可设计成向上翘1 ～3 。，整体式顶梁的结构如图2 ．1 所示。 黔划辽，剞令甘。渊令l 吨 图2 ．1 整体项梁 F i g ．2 1T h ei n t e g e rc a n o p y 2 铰接式顶梁如图2 ．2 ，铰接式顶梁主要由可伸缩的前梁、伸缩梁千斤顶、 前梁千斤顶、主梁等部件组成。该种形式顶梁的主梁和前梁是通过销轴铰接而成 的，接顶能力比整体顶梁较好，支架在运输工程中也比较方便，但前梁千斤顶必 须有足够的连接强度和支撑能力，铰接式顶梁的结构也较为复杂。 123 图2 2 铰接顶梁 F i g ．2 2T h eh i n g ec a n o p y 1 一前梁；2 一前梁千斤顶；3 一顶梁 由于整体顶梁结构简单、支护能力强、方便加工制造，所以本课题设计的矸 石充填液压支架采用整体顶梁形式，并在顶梁上增加前伸梁，方便更好的保护采 煤机械，及时支护顶板。 2 ．3 ．1 ．2 顶梁结构设计 矸石充填支架的主要零部件，一般都是用钢板焊接而成的箱式结构，顶梁也 是如此，其截面形状可分为多腔室局部开口截面 图2 3 所示 、单腔室和双腔 室截面 图2 ．4 所示 、多腔室对称的箱形截面 图2 ．5 所示 、多腔室非对称的闭 合截面 图2 - 6 所示 。 第2 章矸石充填液压支架结构设计 图2 ．3 多腔室局部开口截面 F i g ．2 - 3T h eM u l t i c h a m b e rp a r t i a l l yo p e n o fs e c t i o n 8l8II9 图2 5 多腔室对称截面 F i g ．2 - 5T h eM u l t i c h a m b e ra s y m m e t