CN101936171A - 液压支架围岩耦合三维动态设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑采煤工作面围岩动态影响的液压支架三维设计方法，其采用离散元软件模拟工作面推进过程中顶板、煤层、底板的运动；建立支架-围岩三维耦合模型，计算支架对围岩运动的反向支护效果和控制作用。循环优化支架参数，得出对围岩具有最佳支护效果的结构。液压支架在工作面推进的不同时刻、不同位置及不同地质条件下存在偏载、扭转及垮落岩石对支架掩护梁的冲击等受力情况，采用动力学软件模拟得出支架零部件上拉压、弯曲和扭转内力的分布规律。结合结构布置需求，采用有限元方法设计和优化支架结构形式。本发明提出的设计方法能够有效提高液压支架对于围岩变化的适应能力，增强其稳定性和可靠性，保证采煤工作安全、高效的进行。

Description

液压支架围岩耦合三维动态设计方法

技术领域

本发明涉及一种液压支架的设计方法，具体的说就是考虑采煤工作面围岩动态影响的液压支架三维设计方法。

技术背景

在阐述具体技术问题之前，首先说明下面三个词汇的含义：

工作面围岩：采煤工作面受开挖影响范围内的岩层，分为顶板、煤层和底板三部分。

液压支架：采煤工作面支护设备，用来支撑和控制顶板，隔离采空区；与采煤机配套使用，实现采煤综合机械化。

耦合：即依赖性、相互影响。支架的边界条件即为围岩，而支架的特性又影响围岩的垮落特性和应力、应变场的分布。

目前液压支架设计没有考虑工作面围岩的动态特性，主要以静态结构设计为主。在采煤工艺、支护强度确定的情况下，综合确定的支架高度、工作阻力和架型后，对连杆机构、顶梁、掩护梁等关键部件的几何尺寸进行运动学优化，保证支架拥有最佳的梁端距曲线；对支架进行平面受力分析，得出支架各个主要部件在整个运动过程中所承受的力和力矩的最大值，据此进行顶梁、掩护梁、底座的等主要部件的详细结构设计。

液压支架静态设计及其力学计算是建立在采高不变、支架结构对称、受力均匀、没有冲击的基础上的，在正常地址条件和受力环境下，误差不大，且计算简单、设计速度快，适当加大安全系数后可适应工作面推进全过程的应用。但随着工作面长度增加，采高增大，围岩的矿压显现规律也越来越复杂，支架承受的来自围岩和相邻支架的作用力越来越不均衡；且在整个工作面走向长度上，采高的变化范围在增大，因而要求支架在不同工作高度时都要有良好的支护性能。

目前，采用静态力学分析设计的支架在大采高复杂围岩条件下的适应性差，倒架、压架、结构件损坏的情况越来越多。从设计角度分析，主要有以下原因：

(1)设计时只将支架作为一个受力体单独考虑，而没有将其放入工作面采煤环境中与围岩作为一个整体力学系统进行分析。简化的因素过多，不能适应整个工作面地质条件的变化；

(2)设计时未考虑在工作面不同位置支架所受压力、弯矩、扭矩等的差别，以及矿压显现时支架的受力状态，无法准确得出支架承受的最大外部载荷；

(3)对于煤层赋存高度变化较大的工作面采用一次采全高采煤方法，要求支架能够在多个工作高度都能够保持稳定的支护性能。采用静态结构设计方法设计的支架显然无法满足这一要求。

发明内容

本发明的目的在于针对目前支架静态结构设计的不足及大采高长壁工作面的特点，提出了一种综合考虑工作面整个采煤过程中围岩运移及采高变化对于支架动态影响的支架三维设计方法。本发明方法可有效解决目前支架设计针对性、适应性差的问题。

为实现上述目的，本发明方法采用如下技术方案：

首先从围岩的运移规律出发，采用离散元软件模拟工作面推进过程中顶板、煤层、底板的破坏、离层、断裂、回转、垮落等运动过程，并通过应变场、应力场、破坏区域等可量化形式进行记录和直观反映；随后建立支架-围岩耦合模型，将工作面围岩与支架作为一个整体力学系统，通过围岩运动数据提出对支架主要参数和结构性能的要求。在初步确定支架主要参数和结构形式后，计算和模拟支架对围岩运动的反向支护效果和控制作用。循环优化支架参数，直至得出一组数据能够使支架对围岩具有最佳的支护效果。

具有最佳总体结构参数的支架，其在工作面推进过程中的不同时刻、工作面的不同位置及不同地质工况下的受力状态是千差万别的。综合考虑各种工况，以如下三类恶劣工况为主要研究对象：

(1)整个工作面推进过程中不同采高情况下的支架受力；

(2)由工作面压力分布不均匀导致的液压支架偏载、扭转工况；

(3)顶板来压时，跨落岩石对支架掩护梁的冲击；

上述三种工况全面考虑了顶板最大来压、工作面最易片帮、支架所受偏载最大、支架顶梁受力合力作用点最靠前或靠后等多种特殊情况，保证支架具有足够广泛的适应性。

通过动力学分析软件实施上述三种工矿下的支架受力分析，总能够得出支架零部件上拉压、弯曲和扭转内力的分布规律。因而，可以进一步结合结构布置需求，采用有限元分析的方法优化支架截面的结构形式和几何尺寸。

上述的液压支架围岩耦合三维动态设计方法，其特征在于模拟和研究工作面推进过程中支架在不同的工作高度、工作面的不同位置以及矿压显现时的受力状况，从时间和空间两个方面对原有支架静态设计方法进行扩展。

上述的液压支架围岩耦合三维动态设计方法，其特征在于建立支架围岩耦合整体力学系统，据此设计和优化支架的总体参数和结构尺寸，提高其对工作面围岩的适应性。

本发明的优点和效益：

(1)本方法考虑了整个工作面开采全过程，能够有效提高液压支架对于不稳定煤层的适应能力，从而降低工作面采煤设备的故障率，提高工作面推进速度；

(2)本方法在液压支架设计之初即将围岩对支架的偏载、扭转、水平载荷等考虑到设计过程中，同步解决了支架的稳定和强度问题。

(3)本方法考虑到顶板来压对于掩护梁的冲击，有效提高了支架的可靠性。

液压支架围岩耦合三维动态设计方法从顶板运动规律出发，运用一系列的条件动态规划支架的结构型式和尺寸大小，使之能够满足和适应顶板运移规律的要求，安全有效的支撑顶板和维护其稳定性。

下面以大采高放顶煤液压支架的设计过程为例对本发明所阐述的设计方法和技术做进一步的说明，以使公众对发明内容有更为详细和充分的了解，而并非对本发明保护范围的限定。前述部分依据充分公开了本发明可以实施的保护范围。因此，凡依照本发明公开内容进行的任何本领域公知的等同替换，均属对本发明的侵犯。

附图说明

图1为本发明方法所阐述的设计流程；

图2为采用本发明方法建立的支架围岩耦合模型视图；

具体实施方式

依据图1所示的液压支架围岩耦合设计流程，在离散元分析软件中，建立大采高综放开采支架围岩关系耦合模型。模拟随工作面推进，围岩逐渐呈现的出顶煤离层、顶煤初次垮落、顶煤二次垮落、顶煤三次垮落、直接顶离层、直接顶一次垮落、直接顶二次垮落等顶板(煤)的运移状态，并且随工作面的推进，其各个过程循环往复，互相重叠，共同对工作面支架作用。

其中，顶板和顶煤的地质特性和垮落特征可以通过输入特定矿区的煤层地质条件，并结合已有的观测资料和矿压理论进行修正和调整。

在离散元软件分析时，首先采用大采高放顶煤组合悬臂梁模型(如图2所示)初步确定支架合理的支护强度。然后，以支架工作阻力、立柱数量、顶梁长度、支架中心距、最大最小高度等结构参数为变量，以顶板应力分布及支架前端底板比压等围岩力学状态为目标函数，进行优化计算，其表达式为：

目标函数： $\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δp}=|p-p_j|\≤\mathrm{\λ}\\ \min \mathrm{\δ}\end{array}\right.(j=\mathrm{1,2},...n)$

其中，p_j＝f(F，n，l，h_max，h_min，a，b)

      δ＝k(F，n，l，h_max，h_min，a，b)

式中，Δp为以支架参数迭代计算出来的顶板支护强度p_j与以围岩参数计算得到的支护强度的绝对差值，当其小于等于给定的收敛条件λ时，认为支架的支护强度合理；地板前端比压的优化目标是使其最小。函数f和k分别为支架围岩相互作用力学分析基础上得出的支架参数对围岩力学状态作用效果的表达式。在目标函数中，F为工作阻力，n为立柱数量，取2或4，l为顶梁长度，h_max和h_min为支架的最大、最小高度；a为支架中心距，可选值设为1，5，1.75和2.05，b为立柱中心距。

围岩运移对液压支架形成了顶板压力、摩擦力、护帮力、冲击力等多种作用形式。在确定支架结构形式及其关键参数后，即可以上述力学作用作为边界条件，在动力学软件中进行结构参数的多目标优化，确定支架的合理四连杆尺寸、柱窝柱冒位置、平衡千斤顶位置等具体结构参数。实施过程中，考虑并模拟如下三种工况：

(1)整个工作面推进过程中不同采高情况下的支架受力；

(2)由工作面压力分布不均匀导致的液压支架偏载、扭转工况；

(3)顶板来压时，跨落岩石对支架掩护梁的冲击；

在工作面推进过程中，由于煤层厚度不均匀，使得支架的工作高度远低于其最大高度。“高架低用”使支架无法发挥其最大支护效力，受力状况也较其正常状态时更为恶劣。通过对第一种工况的考虑，合理确定支架四连杆机构的尺寸。具体实施技术方案为：在支架可能的工作高度位置，以四连杆尺寸为变量，计算在与工作阻力同等大小的外载作用下四连杆机构各部件的受力大小；按先后顺序，以不同高度时掩护梁受力变动最小、前后连杆受力变动最小、顶梁受力变动最小和底座受力变动最小为约束条件，优选最佳的四连杆机构几何尺寸。由此得出的方案能够使支架在可能的工作高度表现出与其设计指标尽可能接近的支护性能。

将支架顶梁、掩护梁的宽度及截面尺寸均作为关键参数，模拟和比较支架在围岩偏载、扭转作用下的受力状况，以保证支架的横、纵向稳定性和结构强度为目标，确定参数最佳取值。通过对第二种工况的考虑，可合理确定支架的宽度方向和截面的关键尺寸。实施的技术方案为：支架在最高位置(此时支架的稳定性最差)与围岩相互作用，考虑此时支架承受的水平力作用，通过有限元分析计算支架立柱、顶梁等在宽度方向的取值；支架在最低位置(此时支架承受扭转的能力最弱)与围岩相互作用，考虑此时支架承受的最大扭矩和偏载力，依据零部件上弯矩和扭矩的变化以及柱窝、柱冒、千斤顶耳座等布置情况，通过有限元优化，确定筋板的尺寸和位置，保证零部件在长度和宽度方向上抗弯和抗扭能力的连续性。

顶板来压时，若跨落岩石作用于顶梁，则立柱安全阀的开启可保护顶梁不至在压力冲击下发生破坏。但在“高架低用”的情况下，掩护梁长度较大且更加接近水平位置，造成其背矸过多，因而其实际上是与顶梁一起在承受顶板压力。此时，顶板的切顶线就会从顶梁移至掩护梁。当顶板来压时，顶梁压力不大，安全阀并不开启，冲击力主要作用在了没有立柱支撑的掩护梁上。

通过对第三种工况的考虑，合理设计支架掩护梁的截面结构，防止其因冲击力过大而发生破坏。实施的技术方案为：在支架最低高度，设冲击载荷作用于掩护梁上距与顶梁铰点300mm处，大小为顶梁和掩护梁间销轴达到断裂临界值时所需的冲击力。采用基于有限元优化的算法得出掩护梁弯曲、拉压应力的分布规律，找出危险截面，在平衡结构、安全和经济因素的基础上，设计掩护梁前端截面。

Claims (4)

1.液压支架围岩耦合三维动态设计方法，其特征在于从围岩的运移规律出发，模拟工作面推进过程中顶板、煤层、底板的运动过程；建立支架-围岩三维耦合模型，将工作面围岩与支架作为一个整体力学动态系统进行分析计算，得出支架对围岩具有最佳支护效果所应具备的参数；具有最佳总体结构参数的支架在工作面推进过程中的不同时刻、工作面的不同位置及不同地质工况下承受三类恶劣工况：(1)整个工作面推进过程中不同采高情况下的支架受力；(2)由工作面压力分布不均匀导致的液压支架偏载、扭转工况；(3)顶板来压时，跨落岩石对支架掩护梁的冲击；模拟支架在上述工况下的受力，得出支架零部件上拉压、弯曲和扭转内力的分布规律；结合结构布置需求设计支架截面的结构形式和几何尺寸。

2.根据权利要求1所述的液压支架围岩耦合三维动态设计方法，其特征在于建立支架围岩耦合整体力学系统，直接观察和记录支架结构形式及其主要参数对围岩运移的影响。

3.根据权利要求1所述的液压支架围岩耦合三维动态设计方法，其特征在于模拟和研究工作面推进过程中支架在不同的工作高度、工作面的不同位置以及矿压显现时的受力状况，从支架工作的时间和空间两个范围内考虑其设计计算。

4.根据权利要求1所述的液压支架围岩耦合三维动态设计方法，其特征在于将顶板垮落岩石对支架掩护梁的冲击计算作为支架设计的重要依据。

Images