煤矿膏体充填支架结构与液压系统建模仿真研究.pdf

分分 类类 号号密密级级 太原理工大学 硕 士 学 位 论 文 题目煤矿膏体充填支架结构与液压系统建模仿真研究 英文并列题目 研究生姓名宋凯歌 学号2014520442 专业矿业工程 研 究 方 向 煤矿膏体充填开采 导 师 姓 名冯国瑞 职称教授 学位授予单位太原理工大学 论文提交日期2017/6 地址山西太原 太原理工大学 Research on Modeling and Simulation of coal mine paste filling support structure and hydraulic system 太原理工大学硕士研究生学位论文 I 煤矿膏体充填支架结构与液压系统建模仿真研究 摘要 充填开采是解决“三下压煤”的根本途径，现阶段充填开采技术依然无 法满足高效环保的绿色理念。究其重要原因在于充填开采的工艺设备无法 达到工作面所需要的开采及充填要求。本文通过理论分析和模拟研究的手 段，以汾西集团新阳煤矿 10203 工作面地质条件为背景，针对该矿的支架 围岩力学关系、支架三维模型及压架模拟实验设计、ANSYS 支架结构有限 元分析、支架液压系统模型构建与仿真四个方面展开研究。 首先，以矿压基本理论为中心，分析了支架、围岩所受载荷的情况， 建立了充填系统的等效弹簧支护模型。重点以充填支架与围岩相互的作用 关系基础上分析论证，参考前人研究的充填体强度形成规律，进一步建立 了充填支架初撑力计算公式，并得出初撑力的大小随着充填体压缩率的增 大而增大。随着工作面推进距离的增加，充填支架初撑力大致以对数形式 增加，并逐渐趋于稳定。 其次，基于充填支架与围岩关系的理论分析、在新阳矿原有的支架结 构参数和液压支架的基本设计原则的基础上，对膏体充填工作面的充填液 压支架进行了辅助机构分析优化和主体承载结构的三维建模。基于充填开 采特殊工况，通过 ANSYS 有限元分析对支架底座扭转、集中加载、顶梁 偏载、中部及两端集中加载方式进行压架实验。得出充填支架在充填初期 的顶梁偏载、底座扭转加载的工况下受到的应力最大，其最大应力为 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 139.91MPa，支架的后立柱部分受到的应力普遍较大，为充填支架的优化提 供了一定的数据支持。 最后， 针对该矿的实际情况， 建立了充填液压支架的液压系统仿真模型， 对支架立柱系统、控制系统的各部件工作状态进行模拟仿真，得到充填开 采初期的立柱升柱特性在立柱初撑阶段，随着时间不断增加立柱升高， 当达到 12.3s 时完成升柱并上升至 2.1m。同时分析了在膏体充填初期，支 架液压系统安全阀的启闭特性、阀芯的受力、位移、速度特性。得出了随 着顶板对支架的来压，先导阀芯产生周期性受力的结论。通过本文的研究， 丰富了膏体充填开采、膏体充填支架结构、膏体充填支架液压系统等研究 领域的内容，同时也为支架整体的优化设计提供了多角度的参考和借鉴。 关键词充填开采，充填支架，围岩，有限元分析，AMESim 太原理工大学硕士研究生学位论文 III RESEARCH ON MODELING AND SIMULATION OF COAL MINE PASTE FILLING SUPPORT STRUCTURE AND HYDRAULIC SYSTEM ABSTRACT Filling mining is the fundamental way to solve the problem of “three coal pressing“ the research progress of mining s is not obvious, At this stage, filling mining technology still can not meet the green concept of efficient and environmental protection.The important reason is that the equipment and technology of filling mining can not meet the requirements of mining and filling in the face.Based on the theoretical analysis and simulation research s, the geological conditions of the 10203 working face of Xinyang coal mine in Fenxi group are taken as the background.Four aspects of research are carried out, namely, the support of the mine, the mechanical relationship of the surrounding rock, the three-dimensional model of the support and the simulation experiment of the press frame, the finite element analysis of the ANSYS support structure, and the construction and Simulation of the hydraulic system model of the support. 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV First of all, the equivalent spring support model of the filling system is established on the basis of the analysis of the load on the support and surrounding rock,and it based on the basic theory of rock pressure.Based on the analysis of the interaction relationship between the filling support and the surrounding rock, the calculation ula of the initial support force of the filling support is established by referring to the ation law of the strength of the filling body.It is found that the initial force increases with the increase of compression ratio of the filling body.With the increase of the advancing distance of the working face, the initial support force of the filling bracket increases in logarithmic , and gradually tends to be stable. Secondly, analysis of the relationship between support and surrounding rock filling on the basis of the theory on the basic design principles of Xinyang mine original support structure parameters and hydraulic support on the paste filling working face filling hydraulic support for the auxiliary mechanism analysisandoptimizationandthemainbearingstructureof3D modeling.Furthermore, through the ANSYS finite element analysis, the support frame torsion, concentrated loading, roof bias load, middle and both ends of the loading test were carried out.It is concluded that the top load of the filling support at the initial filling stage is the maximum under the torsional loading condition, and the maximum stress is 139.91MPa. The stress of the back column of the support is generally larger.The above conclusions provide certain data support for the optimization of filling support. 太原理工大学硕士研究生学位论文 V Finally, according to the actual situation of the mine,the paper established the simulation model of the hydraulic system for filling hydraulic support, support system, simulation of parts working state of the control system, get the column filling mining early column characteristics the column setting stage, with the time increasing column increased, when the time reaches 12.3s complete the lifting column and up to 2.1m. At the same time analyzed in the early stage of paste filling, opening and closing characteristics of hydraulic system safety valve, stress, displacement, speed characteristics of the spool. The roof of the bracket with pressure, the pilot valve generates periodic stress results. Through this research, enrich the paste filling mining, paste filling support structure, research in the field of paste filling hydraulic support system of the content, but also for the optimization of the overall design of the stent provides multi angle reference. 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 太原理工大学硕士研究生学位论文 i 目录 摘要.............................................................................................................................................I ABSTRACT.................................................................................................................................III 第一章 绪论...............................................................................................................................1 1.1 研究背景与意义...........................................................................................................1 1.2 国内外研究现状...........................................................................................................2 1.2.1 充填采场液压支架-围岩研究现状..................................................................2 1.2.2 充填开采液压支架研究现状............................................................................4 1.2.3 充填支架液压系统仿真研究现状....................................................................7 1.3 本文研究内容与方法...................................................................................................8 1.3.1 研究方法............................................................................................................8 1.3.2 研究内容...........................................................................................................8 第二章 煤矿膏体充填支架与围岩作用关系.........................................................................11 2.1 膏体充填工作面上覆岩层运动规律........................................................................11 2.1.1 传统采煤法开采覆岩移动变形机理分析.....................................................11 2.1.2 膏体充填开采覆岩移动变形控制方式.........................................................13 2.2 膏体充填液压支架与围岩作用关系.........................................................................14 2.2.1 膏体充填开采工作面等效支护系统的建立.................................................15 2.2.2 膏体充填开采基本顶力学分析及支架初撑参数的确定.............................19 2.3 工程实际算例.............................................................................................................22 2.4 本章小结.....................................................................................................................24 第三章 煤矿膏体充填支架结构设计及其三维建模.............................................................27 3.1 充填开采工作面支架的基本布置方式....................................................................27 3.1.1 10203 充填工作面的地质概况......................................................................27 3.1.2 充填工作面支架的基本分类及其布置.........................................................29 3.2 充填开采工作面支架结构的确定.............................................................................30 3.2.1 充填基本支架的结构设计..............................................................................30 3.2.2 端头支架的结构设计......................................................................................33 太原理工大学硕士研究生学位论文 ii 3.3 充填支架辅助充填配套设施优化分析.....................................................................35 3.4 充填液压支架结构分析方案的确定.........................................................................39 3.5 充填工作面充填支架的三维建模.............................................................................41 3.5.1 UG 软件简介....................................................................................................41 3.5.2 充填液压支架的建模......................................................................................42 3.6 本章小结.....................................................................................................................46 第四章 煤矿膏体充填液压支架有限元分析.........................................................................49 4.1 ANSYS（14.5 版）有限元分析软件简介.................................................................49 4.2 膏体充填液压支架有限元分析前处理.....................................................................50 4.2.1 膏体充填液压支架的简化..............................................................................50 4.2.2 材料属性及其网格划分..................................................................................51 4.2.3 载荷及边界条件处理.....................................................................................52 4.3 膏体充填液压支架有限元分析.................................................................................53 4.3.1 底座扭转、顶梁两端集中加载分析..............................................................53 4.3.2 底座扭转加载、顶梁偏载分析.....................................................................56 4.3.3 底座两端集中加载、顶梁两端集中加载.....................................................60 4.3.4 底座两端集中加载、顶梁中部集中加载.....................................................63 4.3.5 膏体充填支架有限元加载结果分析.............................................................67 4.4 本章小结....................................................................................................................69 第五章 基于 AMEsim 的充填支架液压系统仿真...................................................................71 5.1 AMEsim 10 软件介绍.................................................................................................71 5.2 充填支架立柱液压系统模型的建立.........................................................................72 5.2.1 立柱模型的建立..............................................................................................72 5.2.2 阀组模型的建立..............................................................................................74 5.2.3 充填支架立柱液压系统的整体模型的建立.................................................76 5.3 充填支架立柱液压系统模型仿真分析.....................................................................77 5.3.1 充填支架立柱的仿真结果分析......................................................................77 5.3.2 充填支架控制阀组的仿真结果分析..............................................................78 5.4 充填支架液压系统压力损失计算分析.....................................................................81 太原理工大学硕士研究生学位论文 iii 5.4.1 局部压力损失计算..........................................................................................82 5.4.2 供液管路压力损失计算..................................................................................83 5.4.3 充填支架系统压力损失估算..........................................................................85 5.5 本章小结.....................................................................................................................85 第六章 结论与展望.................................................................................................................87 6.1 结论.............................................................................................................................87 6.2 展望.............................................................................................................................88 参考文献...................................................................................................................................89 致谢...........................................................................................................................................93 攻读硕士期间的学术成果与参加科研项目情况...................................................................95 太原理工大学硕士研究生学位论文 iv 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 研究背景与意义 煤矿开采是煤炭资源开发和利用的基础。我国煤炭资源较为丰富，但同时煤炭资源 的生产、消耗也相对较高。当前水体、铁路、建筑物下的压煤总量日益增加，达到了将 近 138 亿吨。随着社会建设不断推进，建筑物下的压煤总量占比最大，达到了近 90 亿 吨，其所占比例达到了总体三下压煤量的 63.5 [1]。因而，三下压煤的逐渐扩张严重制 约了我国煤矿的发展。我国对能源的需求极大的依赖于大量开采、使用煤炭资源，因此 使得环境压力愈演愈烈。地下岩层的明显移动大多是由于煤炭开采造成的，覆岩运移一 定程度上引发的地质灾害主要有片帮、冒顶、冲击矿压甚至瓦斯爆炸等。最终使得地表 发生沉陷，损害地表建筑物并造成生态环境破坏。多年来的实践证明，充填是解决上述 问题的最有效可行的方法之一[2-3]。因此，研究煤矿充填开采对发展绿色开采有着极其 重要的意义。 传统采煤方式相比于充填法开采法其直接顶的初次垮落步距较小，垮落空间大，矿 山压力的规律显现也更为明显[4-5]。因此，在充填法开采的过程中，载荷的承担由煤壁、 支架和充填体共同完成[6]。基本顶可以将采空区充填体及煤壁相连接，达到共同承担载 荷作用以减少其他部分的支撑所需作用力[7]。当前，中国在充填技术及其工艺方面也取 得了不错的进展和突破[8]，但是，当前针对充填采煤技术在矿山压力的控制领域，尤其 是增加膏体充填体作用后的矿山压力变化作用规律的研究， 大多数研究原理仍然是基于 垮落法开采过程的覆岩破断规律开展研究的[9]。其虽然存在一定的参考价值，但是针对 充填体对于覆岩变形移动的影响并未考虑及说明。因此，针对充填支架及围岩关系的研 究势在必行。 现代综合机械化采煤过程中液压支架起到了关键性的作用， 其地位无可取代。 因此， 液压支架的发展也经历了一段长时间的发展与演变[10]。目前，众多中、大型煤矿早已推 广使用，同时所取得的经济效益显著。现阶段，将液压支架用于充填工作面采煤的技术 工艺方法还尚不完善，亟待大范围的推广与检验。进一步在膏体充填开采方面更是鲜有 突破。已有研究均主要集中在过去曾经使用过的风力、水砂充填等方法[11]。上述方式的 局限性较为明显，主要包括支护设备成本高、效率低下，效果不好。其设计目的主要用 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 于减小地表下沉而采取的一种被动措施。 膏体充填液压支架基于普通液压支架的功用的 基础上增加了充填模板部分，随着充填体的加入使得顶板得到了有效的支撑。达到隔离 采空区以及保护作业工人人生安全的作用[12]。 而其中， 架后充填箱模结构的安装也是基 于充填开采工作面的复杂地质工作条件而设计的。充填工作面负载变化较为明显，关键 部件工作时容易出现不同的应力集中导致破断损坏的现象[13]。 另外， 工作面的围岩状态 复杂多变，工艺的要求加上顶、底板的倾斜、鼓起等变化，亦或是采煤机的设备匹配度 不够完善，导致了液压支架在工作的过程中无法始终保持稳定的工作状态。大部分时间 均处在顶梁、底座的荷载分布不均，包括偏载、集中载荷以及扭转载荷。这些工况的持 续会极大影响到开采的效率和安全性，同时使得支架寿命大幅度降低。甚至使得支架周 围的工作人员安全隐患大幅提高。因此，基于不同地质条件而言，对膏体充填支架与围 岩关系、 支架主体承载结构、 液压系统分析和优化进一步保证了支架的工艺性、 安全性， 对于提升充填开采的经济效益也是十分重要的[14-15]。 1.2 国内外研究现状 国外利用充填法开采的思想已有近百年的历史[16]。20 世纪 30 年代以前，各方面的 研究仅集中在矿山废弃物的处理方面。比如二十世纪初加拿大将废矿石应用于霍恩矿 的充填开采当中[17]。 二十世纪四十至五十年代， 水砂充填技术逐渐被西方国家所接受和 使用。基于此，采矿计划中才逐渐增加了充填开采这一新兴开采方法，与此同时也对充 填材料逐渐开始进行研究[18]。随着技术水平的进一步发展，时至六十至七十年代，尾矿 胶结充填技术逐渐发展于欧美各国，其中澳大利亚较为典型，忙特艾萨矿的成功使得该 项技术得以快速推广。进一步随着工艺的进步，该阶段人们把热点也投向了充填材料的 研究方面， 其中包括了材料的力学性质及充填体与岩层间相互作用关系使等方面[19]。 时 至二十世纪末期，环境的日益恶化推动绿色开采理念逐渐浮出水面，原来的工艺已无法 完全满足要求。故逐渐的发展了一些更为先进的矸石固体、高水、膏体等充填工艺、方 法[20]。 1.2.1 充填采场液压支架-围岩研究现状 采场的覆岩运移是采矿学研究当中不可或缺的重要部分，其研究时间也相对久远。 十九世纪初期，国外就开始针对采场顶板范围的岩层进行分析，同时逐渐尝试支架与围 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 岩关系进行理论推导。随着理论及技术手段的逐步发展，总结得出以下研究成果 1、前苏联对于覆岩运动理论发展起到重要贡献，许普鲁特便是本时期的杰出代表。 他提出了拱结构是顶板结构主要形态特征的理论[21]。 本理论主要得出的结论有分为以下 两个方面第一，位于工作面的支架承载范围存在有限性的特点；第二，控顶区域上方 的覆岩的一定重量使得采空区矸石以及煤壁上方存在相对较高的支撑压力。 2、库式理论分析了铰接岩梁及其冒落带组成了需控顶板的范围。支架的给定荷载 由冒落带提供，并全部作用于冒落带上方岩层。横向上的水平推力使得其铰接岩快组成 了类似梁的结构形式。支架与该结构之间形成了一定的“给定变形”，以达到了整个开采 系统的平衡作用[22]。 总的来说，国外对支架与围岩关系研究不够全面。研究的重点主要分布于采空区的 固体废弃物利用方面， 而针对充填工艺及其设备的研究方面尚且不足。其中， Popevich 学者提出了矸石充填区的水力输送技术手段； 波兰学者 Palarskis 简述了该国充填开采技 术的发展，逐步完善了在充填开采过程中着重考虑的设计因素；德国学者 Holinderbeumer、knissel 两人综述了采空区固体废弃物充填工艺发展概况[23-25]。 上世纪七十年代以来， 岩层控制理论的不断突破和发展使得我国在该领域逐渐处于 国际领先水平。支架与围岩的研究主要包括以下方面 1、宋振骐教授逐步开展了以岩层运动为核心，基于众多现场实测的数据指导依据， 建立了成熟的矿山压力理论体系[26]框架， 该体系的突出特点是集合了控制设计、 控制效 果、预测预报三位一体，综合分析矿区地质区域构造，可靠性较高。 2、钱鸣高院士课题组针对的研究更多集中在顶板岩层的控制领域。关键层理论[27] 的提出使得八十年代后期的采矿领域发展达到了一个新的高度。 其理论的核心在于分析 了岩体在采动过程中的运移特征，包括其岩层内部的运移演化规律的提出，极大程度上 降低了采动岩体的破坏灾害风险。 宋振琪教授、钱鸣高院士的理论成果为充填采场的矿压显现规律分析奠定了基础， 提供了相应的理论指导。 与此同时， 谢文兵[28]详细分析了部分充填开采时围岩应力和位 移变化规律及特点 ,重点分析了关键层的破断与充填方式差异性的关系，同时研究了各 充填工艺方法的不同对采空区覆岩稳定性的影响。 冯国瑞[29]建立了直接顶面接触块体结 构的物理力学模型，并分析了其力学实质，提出了面接触块体结构的力学定义。同时基 太原理工大学硕士研