巷道超前支护液压支架的研究.pdf

工学硕士学位论文 巷道超前支护液压支架的研究 河北工程大学 2 014 年5 月 分类号I 旦三墅 U D C 密级 单位代码 Q Q 2 鱼 工学硕士学位论文f ㈣科 巷道超前支护液压支架的研究 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 王亮亮 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 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 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 fH y d r a u l i cS u p p o r tf o rR o a d w a y ■_■■ 卜O r e D O n g ●V 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 c D e g r e eA p p l i e d f 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 W a n gl i a n g l i a n g P r o f ．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 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 H e be iU n i v e r s i t yofE 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。 学位论文作者签名锄签字日期- 知l q - 年厂月v 了日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰垦王堡盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰垦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 学位论文作者签名互表废／／签字目期一，，牛年岁月～y - H 导师签名 走命、．艺 孓甲、- 乞 签字日期叩吁年r 月’j 日 摘要 摘要 本文针对煤矿巷道掘进过程中所面临的超前支护问题进行探讨，并对目前常 用的几种超前支护方式进行了简要介绍，指出它们在实际应用过程中的不足，通 过分析研究，提出一种安全可靠的超前支护装置，即巷道超前支护液压支架。这 种装置可以和掘进机配合工作，位于掘进机上方，护项面积大，可以对巷道围岩 进行及时有效的维护，能够有效防止冒顶、片帮事故的发生，大大提高了井下工 作人员及设备的安全性。此外，我们在该巷道超前支护液压支架的后架部分设计 有方孔，可以进行后续锚杆或锚网支护。本巷道超前支护液压支架支护时不影响 掘进机工作，可以实现掘进和支护同时进行，大大提高了掘进效率。 首先，本文对巷道超前支护液压支架的结构、特点、工作过程以及承载原理 等进行了介绍，并对巷道超前支护液压支架的各个零部件结构形式进行分析和选 择，设计出合适本设计的结构形式。 其次，利用P r o ／E Z 维设计软件建立本巷道超前支护液压支架的各个零部件的 三维实体模型，完成总体装配并进行干涉检查。 最后，将建好的P r o ／E 模型进行合理简化，并导入A N S Y S 进行有限元分析。对 顶梁和底座的各种受力情况进行分析，验证结构的强度和刚度设计的合理性，为 本次设计提供理论依据。 综上所述，本文提出了一种新型超前支护装置，可以实现掘进和支护同时进 行，提高了掘进机开机率以及巷道掘进的速度。 关键词巷道超前支护；液压支架；结构研究；三维模型；静力分析 A b s t r a c t I nt h i s p a p e r ，t h ep r o c e s so ft h ec o a lm i n er o a d w a yd r i v a g ef o r e p o l ef a c i n g p r o b l e m sw e r ed i s c u s s e d ，a n ds e v e r a la d v a n c e ds u p p o r t i n gm e t h o dh a sc a r r i e do nt h e b r i e fi n t r o d u c t i o n ，p o i n t so u tt h e i r s h o r t c o m i n g si np r a c t i c a la p p l i c a t i o np r o c e s s ， t h r o u g ht h ea n a l y s i sa n dr e s e a r c h ，p u tf o r w a r dak i n do fs a f ea n dr e l i a b l ef o r e p o l e d e v i c e ，n a m e l yr o a d w a ys u p p o r t i n gh y d r a u l i cs u p p o r ti na d v a n c e ．T h ed e v i c ec a nw o r k a n dc o o p e r a t ew i t hm a c h i n e ，l o c a t e di nt h eu p p e rm a c h i n e ，t op r o t e c tt h et o pa r e ai s l a r g e ，t h em a i n t e n a n c eo ft h er o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c kc a nb et i m e l ya n de f f e c t i v e ，c a n e f f e c t i v e l yp r e v e n tt h er o o fc a v i n g ，h e l pt h ea c c i d e n t ，g r e a t l yi m p r o v e dt h es e c u r i t yo f t h eu n d e r g r o u n dw o r kp e r s o n n e la n de q u i p m e n t ．I na d d i t i o n ，i nt h er e a ro fr o a d w a y s u p p o r t i n gh y d r a u l i cs u p p o r ti na d v a n c e ，w ed e s i g nas q u a r eh o l e ，c a r lc a r r yo u tt h e f o l l o w 。u pb o l ta n da n c h o rn e ts u p p o r t i n g ．F o r e p o l eh y d r a u l i cs u p p o r to fr o a d w a y s u p p o r t i n gi nd o e sn o ta f f e c tt h em a c h i n ew o r k i n g ，i tc a nr e a l i z et h et u n n e l i n ga n d s u p p o r t i n ga tt h es a m et i m e ，g r e a t l yi m p r o v i n gt h ed r i v a g ee f f i c i e n c y ． F i r s t l y , i nt h i sp a p e r , t h ea d v a n c er o a d w a ys u p p o r t i n gh y d r a u l i cs u p p o r ts t r u c t u r e ， c h a r a c t e r i s t i c s ，w o r k i n gp r o c e s sa n dp r i n c i p l eo fb e a r i n ga r ei n t r o d u c e d ，a n dw e a n a l y s i sa n dc h o i c eo fr o a d w a yf o r e p o l ee v e r yp a r t sa n dc o m p o n e n t si nt h eh y d r a u l i c s u p p o r ts t r u c t u r ef o r m ，d e s i g nas u i t a b l es t r u c t u r ef o r m ． S e c o n d l y , w eu s eP r o ／E3 dd e s i g ns o f t w a r et oe s t a b l i s ha d v a n c er o a d w a y s u p p o r t i n gt h ev a r i o u sc o m p o n e n t so ft h et h r e e - d i m e n s i o n a le n t i t ym o d e lo fh y d r a u l i c s u p p o r t ，c o m p l e t et h eo v e r a l la s s e m b l ya n di n t e r f e r e n c ec h e c k i n g ． F i n a l l y , w en e e dt os i m p l i f yt h eP r o ／Em o d e l ，a n di m p o r tt h eA N S Y Sf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ．O nt h eb a s eo ft h et o pb e a ma n da v a r i e t yo ff o r c ea n a l y s i so fs t a t i c a n a l y s i s ，v a l i d a t et h er a t i o n a l i t yo ft h ed e s i g no ft h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s so ft h e s t r u c t u r e ，a st op r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ed e s i g n ． T os u mu p ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dan e w t y p eo fa d v a n c e ds u p p o r t i n gd e v i c e ，i t c a nr e a l i z et h et u n n e l i n ga n ds u p p o r t i n ga tt h es a m et i m e ，i m p r o v e st h es p e e do ft h e m a c h i n eo p e np r o b a b i l i t ya n dr o a d w a y d r i v a g e ． K e y w o r d s t u n n e la d v a n c es u p p o r t ；h y d r a u l i cs u p p o r t ；s t r u c t u r a ls t u d i e s ； d i m e n s i o n a lm o d e l ；S t a t i cA n a l y s i s 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 选题背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 巷道超前支护发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．3 论文研究的意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．4 论文研究的内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 第2 章巷道超前支护液压支架综述及零部件设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 巷道超前支护液压支架综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 ．1 ．1 巷道超前支护液压支架的总体结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 ．1 ．2 巷道超前支护液压支架的设计特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 ．1 ．3 巷道超前支护液压支架的承载原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．4 巷道超前支护液压支架的工作过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 巷道超前支护液压支架参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 ．1 支护强度计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 ．2 立柱技术参数的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1l 2 ．3 零部件的选择与设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．3 ．1 顶梁形式的选择与设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．3 ．2 底座形式的选择与设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．3 ．3 前探梁的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 7 2 ．3 ．4 护帮板的结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．3 ．5 垂直导向筒的结构设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 2 ．3 ．6 万向连接头⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．19 2 ．3 ．7 推移结构的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 2 ．3 ．8 液压油缸的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 2 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 第3 章巷道超前支护液压支架P r o ／E 模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 建立巷道超前支护液压支架零部件实体模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 目录 3 ．2 巷道超前支护液压支架零部件虚拟装配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 巷道超前支护液压支架的干涉检查⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 第4 章巷道超前支护液压支架的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1A N S Y SW o r k b e n c h 有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．1 ．1 A N S Y SW o r k b e n c h 有限元分析方法简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 5 4 ．1 ．2 创建模型时注意事项⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1 ．3 有限元网格划分的基本原则⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 静力学分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．2 ．1 顶梁的静力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 4 ．2 ．2 底座的静力分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 8 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 第5 章巷道超前支护液压支架顶梁和底座的模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．1 顶梁的模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．2 底座的模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 1 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 第1 章绪论 1 ．1 选题背景 第1 章绪论 近年来，我国的经济一直处于高速发展时期，而任何一个国家的发展都离不 开能源的支持。经济的快速发展再加上现阶段我国能源利用率还处于较低水平， 使得我国成为一个世界能源消耗大引1 | 。 我国能源主要以煤、石油、天然气、核能、水利发电为主，但现阶段我国最 主要的能源依然是煤炭。2 0 1 2 年我国能源消耗中，煤炭所占比例超过三分之二， 是目前我国能源结构中的绝对主体，所以我国对煤炭的合理开采及采煤过程中实 现安全、高产、高效也成为重中之重【2 J 。 我国在煤矿生产方面已有很长的历史，长久以来也取得了很大的进步，不过 与国外先进国家相比，仍存在一定差距。研究表明，煤矿井下支护的不合理，使 得煤炭无法实现安全、高产、高效生产，在煤炭开采过程中，井下事故也是时有 发生。这不符合我国社会发展的需求，严重阻碍我国向“资源节约型，环境友好 型”国家发展的进程。 煤矿井下的支护问题一直是困扰煤炭行业高产高效、安全生产的重要问题。 随着综合掘进工作面生产能力和推进速度的提高，掘进区范围的日益加大，掘进 巷道的机械化快速掘进和快速支护成为矿井高产高效、安全生产的关键技术之一[ 3 ] 。 我国矿井的顶板多数情况比较破碎，围岩大部分属于不稳定或中等稳定的类型， 造成支护起来比较困难，阻碍了掘进速度的提高，掘锚平均月进尺量很难提高， 因此，煤矿井下的巷道支护问题严重阻碍煤矿的安全、高产、高效生产。资料表 明，由于长期以来我国炮掘、综掘工作面没有合理配套的超前支护设备，顶板冒 落事故占掘进事故的8 0 ％，全国顶板事故造成的人员死亡情况有2 0 ％是发生在掘进 工作面【4 ] 。可见，提高掘进速度的同时保障掘进工作面人员及设备安全是急需我们 解决的问题。 为了提高煤矿井下掘进速度，有效控制顶板事故的发生，需要使用超前支护 技术。对掘进工作面的超前支护进行研究，完善巷道掘进工作面超前支护技术， 不仅可以实现掘进与支护平行作业以提高掘进速度和生产效率，而且可以实现安 全生产，确保工作人员与设备的安全[ 5 - 7 ] 。 河北工程大学硕士学位论文 1 ．2 巷道超前支护发展现状 国内很多专家通过长时间的总结和实践经验，研究设计出了多种临时支护设 备，目前应用较多的有前探梁式、支柱加横梁式、掘进机机载式三种临时支护， 但从应用效果上来看都不是特别理想，存在着一定的缺点。 前探梁式临时支护对顶板要求很高，只能用于顶板比较好的情况，具有很强 的局限性，并且它的探梁与顶板间是线接触，护顶面积较小，安全性差，操作复 杂支护速度也慢，以至于导致多起人身伤亡事故的发生峭J 。 单体液压支柱配合金属铰接顶梁，属于被动支护方式，是目前井下临时支护 应用的主要形式，但自身也存在着难以克服的诸多缺点【9 】支护强度低，支护速度 慢，劳动强度大，成本高，安全性差，制约了掘进工作面的推进速度，而且无法对 工作面最前方进行支护，也容易导致事故发生。 机载式的掘护一体设备主要是在机体或炮筒上添加支撑装置。这种方式较前 两种在支护速度上有一定的提高，行走方便，但缺点是支护面积和初撑力都很小， 后续工作危险性大；需要在掘进机上增加装置并进行改动，而掘进机本身在设计 时并没有考虑到这些，所以势必会对掘进机的性能及操作造成影响【1 0 1 6 J 。 国外为了解决井下超前支护问题，也对超前支护设备进行了大量的研究和积 极的探讨，并取得了一定的成就。如1 9 8 7 年澳大利亚J O Y 公司设计的1 2 C M 2 0 W H R B ．4 ．8 8 型采掘锚机组，它能够实现掘进面的迎头支护，支护速度快、效率 高，不过仍不能实现支护和掘进同时进行。随后奥钢联公司研制出可以实现掘进 与支护能够同时进行的A B M 2 0 型采掘锚机组【l 。 综上所述，为解决国内巷道掘进工作面超前支护问题上面临的不足，通过吸 收国内外经验，提出一种能够实现快速掘进并且机械化程度较高的巷道超前支护 液压支架。 1 ．3 论文研究的意义 按规定，掘进机每向前推进1 2 m 就要对巷道顶板和围岩进行一次加固处理， 在加固过程中，掘进机只能停机而不能持续地进行正常掘进工作，这就不可避免 地造成时间的浪费，导致掘进机实际开机率很低。调查数据显示即便是大、中型 煤矿井下巷道掘进时的综掘机开机率也不足三成，也就是说超过三分之二的时间 消耗于临时支护。而巷道超前支护液压支架的使用不仅可以大大缩短临时支护所 需要的时间，提高掘进机的开机率，还可以减少巷道顶板暴露的时间，及时对巷 道顶板进行全面有效的支撑，避免空顶作业，为掘进面的工作人员及设备提供可 第l 章绪论 靠的安全保护。 此外，在巷道超前支护液压支架的设计中建立支架与围岩关系的模型，可完 善支架设计理论，为支架设计和应用提供理论依据；改进巷道超前支护液压支架， 构建新架型，运用虚拟装配、有限元分析等现代设计手段，可极大缩短产品开发 周期、降低开发成本，具有良好的应用前景和重要的研究意义。 1 ．4 论文研究的内容 本文以巷道超前支护液压支架为研究对象，以机械设计和矿山压力理论为指 导，构建巷道超前支护液压支架与围岩的关系模型，并采用工程设计和分析软件 等工具，对巷道超前支护液压支架的总体结构及主要部件进行设计，然后利用P r o ／E 软件进行实体建模、虚拟装配，并对液压支架进行有限元分析。具体内容如下 1 对巷道超前支护液压支架的结构和主要零部件进行设计和选择。 2 利用工程设计软件P r o ／E 对巷道超前支护液压支架的各个零部件及结构进 行实体建模和虚拟装配，并检查是否存在干涉现象。 3 利用有限元分析软件A N S Y SW o r k b e n c h 对巷道超前支护液压支架的主要 结构进行有限元分析，分析主要部件在受力状态下的应力、应变及振动情况，以 判断设计是否可行。 1 ．5 本章小结 本章主要对当前掘进工作面临时支护进行了分析和阐述，指出它们在应用中 表现出的缺点和不足，提出一种新的巷道超前支护液压支架的。介绍了论文的研 究背景及研究意义，并对论文研究的主要内容进行了说明。 第2 章巷道超前支护液压支架综述及零部件设计 第2 章巷道超前支护液压支架综述及零部件设计 2 ．1 巷道超前支护液压支架综述 2 ．1 ．1 巷道超前支护液压支架的总体结构 本巷道超前支护液压支架主要应用于断面为矩形或梯形的平巷中，每套分为 前架和后架，平行于巷道方向布置，给巷道掘进机及操作人员提供了安全有效的 保护，不仅留有充足的空间用以布置和掘进机配套使用的转载机等装备，还能保 证巷道有足够的通风面积，有利于巷道通风[ 1 8 】。如下图2 ．1 为巷道超前支护液压支 架的整体结构示意图。 图2 ．1 巷道超前支护液压支架整体结构示意图 1 ．前探梁2 ．顶梁3 ．立柱4 ．推移装置5 ．底座6 ．导向筒7 ．侧护板8 ．千斤顶 F i g ．2 1A d v a n c er o a d w a ys u p p o r t i n gt h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h eh y d r a u l i cs u p p o r t 1 ．F o r e s t o p e2 ．U p p e rb e a m3 ．P i l l a r4 ．M o v i n gd e v i c e5 ．B a s e6 ．G u i d ec y l i n d e r 7 ．H o l d i n gs i d eb e a m8 ．H o i s t i n gj a c k 河北工程大学硕士学位论文 巷道超前支护液压支架主要包括以下几部分承载结构件、执行元件、控制 元部件、辅助装置、液压动力供应装置[ 1 9 】。 1 承载结构件 此次设计的巷道超前支护液压支架的主要承载结构有顶梁、伸缩式前探梁、 侧护板和底座等。顶梁主要用来承担顶板上方岩石垮落产生的载荷，是主要的承 重部件；侧护板可以维护巷道侧帮，防止发生片帮；底座将巷道超前支护液压支 架所受的载荷传递给底板，是最主要的稳固部件。 2 执行元件 执行元件包括立柱和各类千斤顶。立柱连接顶梁和底座，通过伸缩调节巷道 超前支护液压支架的支撑高度；千斤顶主要包括伸缩式前探梁千斤顶、侧护板千 斤顶等。 3 控制元部件 控制元部件包括单向阀、安全阀等各种阀类，以及电控、管路、液压等元件。 主要用来控制各个执行元件，使液压支架能够完成工作所需的各种动作。 4 辅助部件 辅助装置主要包括推移装置、联接元件等。这些部件都是实现巷道超前支护 液压支架功能不可或缺的部分。 5 液压动力供应装置 液压动力供应装置包括泵站以及输送乳化液的管路，为液压支架提供动力。 2 ．1 ．2 巷道超前支护液压支架的设计特点 巷道超前支护液压支架是专门用于掘进工作面巷道掘进时的临时支护设备， 为巷道掘进及后续进行永久支护工作创造安全作业空间，在设计时应该具备下面 特点[ 2 0 】 1 要有合理的支护强度。巷道超前支护液压支架作为巷道掘进迎头工作面 临时支护设备，必须具有合理的支护强度，支护强度太小无法保证巷道支护的安 全性，太大则又容易损坏项板的完整性[ 2 1 1 。 2 要具有合理的配套性。巷道超前支护液压支架要跨骑在巷道迎头掘进机 机身上方，因此，支架在宽度和高度等结构上必须与巷道及掘进机相互匹配，这 样才能正常工作互不干涉。 3 要具有较高的自动化程度。巷道超前支护液压支架通过液压系统提供动 力，紧随巷道掘进机自移前进，系统简单、安全、可靠，自动化程度高。 4 要具有较简单的结构和较小的体积。巷道超前支护液压支架的结构要尽 6 第2 章巷道超前支护液压支架综述及零部件设计 可能简单实用，在满足支护功能的前提下少占用巷道空间，以便留下充足空间用 于工作人员的通行及巷道通风。 2 ．1 ．3 巷道超前支护液压支架的承载原理 巷道超前支护液压支架的作用是对顶板进行暂时的支撑和维护，保障工作人 员和设备安全。掘进机落煤后，顶板及围岩变得松散、不稳定，需要进行支撑维 护。支架初撑力来自于工作站，工作站通过管道向设备提供一定压力的乳化液， 并通过单向阀、溢流阀、安全阀等调节液压来调节立柱支撑力，并通过项梁作用 于顶板【2 2 J 。 支架的承载过程包括初撑阶段、承载增阻阶段和恒阻阶段 1 初撑阶段乳化液工作站向支架立柱供入乳化液使立柱支撑顶梁升高， 直到柱内液压与供液液压相等为止，这一过程为巷道超前支护液压支架对顶板的 初撑阶段。此时巷道超前支护液压支架对顶板的主动支撑力为初撑力，其大小由 立柱的缸径、数量和泵站压力所决定，表达式为 P c D 2 n P b 1 0 3 2 - 1 式中，D _ 巷道超前支护液压支架的立柱缸径； 玎巷道超前支护液压支架的立柱数量，n 4 ； P 6 一乳化液泵站的工作压力，在本次设计中取P b 3 5 M P a 。 2 承载增阻阶段巷道超前支护液压支架初撑阶段结束后，顶板变形量随 时间的延续仍会慢慢变大，造成立柱受到的压力不断增大，进而压缩活塞腔里的 液体，其液压值变大，但尚未达到初始设定值，巷道超前支护液压支架承载的载 荷变大，阻力增加，使顶板下沉趋势减缓，这就是支架的增阻阶段。 3 恒阻阶段随着掘进的持续进行，顶板变形继续增大，支架承受的载荷 也随之增加，支架立柱受压力变大，使其有回缩趋势，当柱内液压达到安全阀调 控值时开始卸荷，直到再次稳定，并不断重复此过程，使巷道超前支护液压支架 支撑力基本维持不变，这就是恒阻阶段。此时，巷道超前支护液压支架对顶板的 支撑力称为工作阻力。工作阻力大小是由安全阀的调定压力决定的。巷道超前支 护液压支架的工作阻力计算公式为【2 3 ] P 手D 卜F ／P 。1 0 3 2 ．2 4 “、’ 式中，巳一巷道超前支护液压支架安全阀的调定压力，其他符号的意义同前。 下图2 ．2 反映了巷道超前支护液压支架工作阻力与承载时间之间的关系 河北工程大学硕士学位论文 p p 1 I “ 2 图2 - 2 巷道超前支护液压支架工作特性曲线 F i g ．2 - 2R o a d w a yf o r e p o l i n go p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v e so fh y d r a u l i cs u p p o r t 曲线上的t 。、t 。、t 分别表示支架的初撑阶段、增阻阶段、和恒阻阶段的时间。 巷道超前支护液压支架的工作阻力即其对顶板最大支撑力，是其主要性能指标之 2 ．1 ．4 巷道超前支护液压支架的工作过程 巷道超前支护液压支架与掘进机结合使用，位于掘进机的上部，给输送机、 转载机等留有充足的安装位置。前后两架构成一组，互为支撑，交替前进，移架 过程包括以下几个步骤 1 前架前探梁、侧护板收回，支撑立柱收缩降架，使前架顶梁脱离顶板； 2 以后架为支撑，推移千斤顶伸长，将前架向前推进，然后立柱升起，侧 护板打开、前探梁伸出，前架移架完成； 3 后架侧护梁落下，立柱收缩降架，使后架顶梁脱离顶板； 4 以前架为支撑，推移千斤项收缩，将后架向前拉进，完成拉架后升起项 梁、打开侧护梁。 这样掘进机每掘进一段距离，巷道超前支护液压支架也同时交替前移相应距 离，紧跟掘进机行进。使掘进机掘进后刚暴露的项板及两帮立即得到封闭和支护， 防止了项板及两帮的提前松动和冒落，改善了掘进机端头支护状况，减少了掘进 机回头时间，有效地保护了设备和人员的安全，为工作面快速推进创造了条件。 在巷道超前支护液压支架移动过程中，应注意以下两个要点 1 推拉过程中，必须有一架保持支撑状态，经检查无问题后方可移动另一 支架； 2 遇冒落带或顶板高度变坡较大时，要用老料衬平，以保证巷道超前支护 液压支架的顶梁接项严密；遇巷道底板不平或变坡较大时要落底或用老料衬平， 以保证巷道超前支护液压支架底板受力均匀。 第2 章巷道超前支护液压支架综述及零部件设计 2 ．2 巷道超前支护液压支架参数确定 巷道超前支护液压支架的设计过程中要着重考虑若干技术参数，这些参数决 定巷道超前支护液压支架的结构和性能。 2 ．2 ．1 支护强度计算 支护强度是巷道超前支护液压支架最主要的技术参数之一，它代表巷道超前 支护液压支架对顶板的支护能力。在此，我们应用自然平衡拱理论来计算巷道超 前支护液压支架的支护强度。 自然平衡拱理论认为 1 岩体由于节理的切割，经开挖后形成松散岩体，但仍具有一定的粘结力； 2 硐室开挖后，硐顶岩体将形成一自然平衡拱。在硐室的侧壁处，沿与侧 壁夹角为4 5 。一由／2 的方向产生两个滑动面，其计算简图如图2 ．3 所示。而作用在硐 顶的围岩压力仅是自然平衡拱内的岩体自重。 g 图2 - 3 普氏围岩压力计算模型 F i g ．2 - 3P l a t t sc o m p u t a t i o n a lm o d e lo f r o c kp r e s s u r e 3 采用坚固系数厂来表征岩体的强度。其物理意为 9 缰 河北工程大学硕士学位论文 厂 一C t a n 矽 2 3 但在实际应用中，普氏采用了一个经验计算公式，可方便地求得厂值。即 厂 告 2 - 4 式中R 。单轴抗压强度 M P a 。 厂一个量纲为1 的经验系数，在实际应用中，还得同时考虑岩体的 完整性和地下水的影响。 4 形成的自然平衡拱的硐顶岩体只能承受压应力不能承受拉应力。 按自然平衡拱理论计算两帮煤体受挤压深度C cKrHB一[孚】htan45-2-5costan1000f L 一一 _ l 二- ll c K c 、2 ’J2 ’ ’ 6 ．7m 式中，k 自然平衡拱角应力集中系数，与巷道断面形状有关；矩形断面，取2 ．8 ； r 上覆岩层平均容重，取2 ．5 t ／m 3 ； 巷道埋深，m ；8 0 0 m 卜固定支撑力压力系数，按实体煤取1 ； 肛煤层普氏系数；1 ．0 殷- 一煤体完整性系数，0 ．9 ～1 ．0 ，此处取1 ．0 ； 口煤层倾角，此处为水平巷道； 五巷道掘进高度，此处取3 ．5 m ； 卜煤体内摩擦角，a r c t a nV t - f c 。I 旷4 5 。。 2 潜在冒落高度 扣≮笋 p 6 ， 式中，口顶板有效跨度之半； 酌一直接顶煤岩类型性系数，当岩石厂 3 4 4 时， 取0 ．6 ；厂 6 ～9 时，取0 ．7 5 ； 肛直接顶普氏系数，此处取4 。 据此，硐顶最大围岩压力可按下式计算 q y b 取0 ．4 5 厂 4 ～6 时， 0 ．1 2 5M P a 为了满足支护要求，巷道超前支护液压支架的支护强度应取为 2 - 7 第2 章巷道超前支护液压支架综述及零部件设计 q 0 ．1 2 5M p a 2 ．2 ．2 立柱技术参数的确定 立柱的缸体内径按下式进行计算 眈 2 - 8 式中，D 广立柱缸体内径，m m ； 卜支护设备承受的理论支护阻力，支护强度和支护面积的乘积，此处取 值为2 5 8 7 ．5 1 0 3k N ； ％一每架支护设备立柱数，此处为4 ； 只安全阀调定压力，M P a ，按产品样本取 或参考同类支架选取 此处 为4 0 ．5M P a ； ％立柱