煤礦巷道超前支護結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真研究目錄TOC\o"1-2"\h\u67491前言 1189542巷道超前支護液壓支架及零部件設(shè)計 452692.1巷道超前支護液壓支架的總體結(jié)構(gòu) 4220612.2超前支護設(shè)備液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計 6255813超前支護裝備仿真研究 7247093.1超前支護裝備靜力學仿真 7248093.2超前支護裝備模態(tài)分析 915714結(jié)論 1277參考文獻 121前言根據(jù)世界能源理事會(WEC)評估，世界上的煤炭資源可開采量為4.84×104億噸,占世界化石燃料資源可采量的66.8%[1]。煤炭也是我國的主要能源和重要原材料。國內(nèi)煤炭消費占能源消費總量的62%以上。受政策、市場等因素的影響，煤炭消費總量呈現(xiàn)出逐年小幅下降的趨勢，但在未來很長一段時間內(nèi)，煤炭仍將是我國能源消費的主要來源[2-6]。我國煤炭生產(chǎn)歷史悠久，長期以來取得了很大進步，但與國外先進國家相比仍有差距。研究表明，該煤礦支護不合理，使煤炭無法實現(xiàn)安全、高產(chǎn)、高效生產(chǎn)。這已經(jīng)不適應中國社會發(fā)展的需要，嚴重阻礙了中國建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”國家的進程。煤礦井下支護問題是困擾煤炭工業(yè)實現(xiàn)高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)的重要問題。增加生產(chǎn)力和綜合標題臉和駕駛區(qū)速度增加,機械化和快速開挖和支持駕駛道路已經(jīng)成為高生產(chǎn)率的關(guān)鍵技術(shù)之一,效率高、和礦山安全生產(chǎn),在大多數(shù)情況下,我國礦山的屋頂壞了,大部分圍巖不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定,難以支持,妨礙行車速度的增加,每月的平均長度和駕駛螺栓很難增加,煤礦巷道支架的問題嚴重阻礙了安全、高產(chǎn)、高效煤礦的生產(chǎn)。數(shù)據(jù)顯示，頂板塌方占隧道事故的80%，由于我國長期缺乏合適的爆破和綜采支護設(shè)備，約20%的死亡是由于頂板塌方發(fā)生在我國[7]。顯然，如何在保證人員和設(shè)備安全的同時提高交通速度是我們迫切需要解決的問題。根據(jù)很多地方的調(diào)查，影響開挖速度的主要原因之一是開挖與永久支護不能同時進行[8]。我國的煤礦巷道掘進大多采取懸臂式掘進機與單體氣動錨桿鉆機配合的作業(yè)方式[9]，掘進機的掘進技術(shù)一般遵循“一進一錨”的要求，即每排掘進距離后，掘進機后退并停止，然后用地腳螺栓支撐頂板和兩側(cè)。當支架完成并檢測合格后，將啟動TBM切割線、TBM支撐線和TBM支撐循環(huán)作業(yè)。該方法在巷道開挖過程中可節(jié)省70%左右的支護時間[10]，但在支護工作中，掘進機必須停止等待，導致掘進機起動率低，嚴重影響巷道效率。為了提高隧道施工效率，保證人員安全，降低工人勞動強度，一種重要的方法就是在隧道中利用自移式支護設(shè)備與掘進機等設(shè)備協(xié)同工作，采用自行移動支護設(shè)備對新暴露圍巖進行臨時支護，可在短時間內(nèi)保持掘進巷道頂板的穩(wěn)定[11]，這樣可以將錨桿支護的工作位置由開挖改為隧道效率，實現(xiàn)隧道的安全、快速開挖。目前，我國綜采巷道有兩種臨時支護方法。對于采用錨桿網(wǎng)支護的永久支護巷道，支護效率低，支護力小，頂板陷落時間長，易下沉、變形、陷落，對人員的安全、勞動強度構(gòu)成威脅[12]。此外，機載臨時支護和自行移動臨時支護的研究也很多，但大多處于理論研究的早期階段，尚未達到應用和推廣的階段。一些應用仍然存在一定的局限性，不能真正實現(xiàn)隧道開挖、永久支護同時進行，且適應性差。為了提高地下掘進速度，有效控制頂板事故的發(fā)生，必須采用先進的支護技術(shù)。不僅可以改進字幕和配套字幕的并行操作，提高行車速度和生產(chǎn)效率，而且可以實現(xiàn)安全生產(chǎn)，確保人員和設(shè)備的安全[13-15]。本文論述了煤礦巷道掘進過程中超前支護存在的問題，簡要介紹了目前常用的幾種超前支護方法，提出了一種安全可靠的超前支護裝置，即巷道超前支護的液壓支架。該裝置可與掘進機配合工作，位于掘進機上方，具有較大的頂板保護面積，可對巷道圍巖進行及時有效的維護，并能有效防止頂板坍塌和RIB剝落事故的發(fā)生，井下作業(yè)人員和設(shè)備的安全性大大提高。利用三維設(shè)計軟件建立巷道前方液壓支架各部件的三維實體模型，完成裝配并對干涉進行校核。最后，對模型進行了合理簡化，并將其引入有限元分析中。分析了頂梁和基礎(chǔ)的各種應力，驗證了結(jié)構(gòu)強度和剛度設(shè)計的合理性，為設(shè)計提供了理論依據(jù)。綜上所述，本文提出了一種新型的超前支護裝置，能夠同時進行掘進和支護。本文以巷道超前支護液壓支架為研究對象，以力學設(shè)計和地壓理論為指導，構(gòu)建了巷道超前支護液壓支架與圍巖、工具、本文應用工程設(shè)計分析軟件，對液壓支架的整體結(jié)構(gòu)和主路進行設(shè)計，然后利用軟件進行實體模型的構(gòu)建和虛擬裝配，并對液壓支架進行有限元分析。具體內(nèi)容如下:對巷道超前支護液壓支架的結(jié)構(gòu)和主要部件進行了設(shè)計和選擇；通過工程設(shè)計軟件，對先進液壓支架的各個部件和結(jié)構(gòu)進行建模和虛擬裝配，并對其干涉現(xiàn)象進行檢測，利用有限元分析軟件對液壓支架的主要結(jié)構(gòu)道路進行分析，并對壓力、分析主要構(gòu)件在受力狀態(tài)下的應變和振動，判斷設(shè)計是否可行。2巷道超前支護液壓支架及零部件設(shè)計2.1巷道超前支護液壓支架的總體結(jié)構(gòu)步進式先進支架設(shè)備由7根頂梁、4根側(cè)護板、4根橫梁、8根平衡千斤頂、8根前、后連桿等構(gòu)件組成。其中又可分為主支架組和輔助支架組。階梯式前桿設(shè)備結(jié)構(gòu)及形狀如圖所示，與其他綜掘設(shè)備一起使用，階梯式前桿設(shè)備主要是完成立柱、全支撐、通道(包括主支撐組和副支撐組支撐及換檔過程)護幫這些動作，完成主油缸執(zhí)行機構(gòu)的這些動作，分別是平衡千斤頂。千斤頂、側(cè)推千斤頂及頂部支撐裝置，并通過液壓控制系統(tǒng)控制執(zhí)行機構(gòu)來完成上述動作。柱提升過程在液壓系統(tǒng)控制下，步進式超前支護設(shè)備在掘進工作面上開工時，主、輔助部位支撐裝置組和柱缸1-8全部出來，使步進式超前支護設(shè)備橫梁維持在水平位置，同時以一定的速度平衡千斤頂1-8同時全部后退，當主副在群頂接觸并有效支護頂板支撐裝置時，平衡千斤頂1-8同時以一定的速度收縮，當主副頂板支撐裝置群接觸并有效支撐頂板、柱缸和平衡千斤頂停止運行時，此時柱提升過程完成。(2)全面支護過程在掘進工作面機械工作時，步進式超前支護設(shè)備處于全支護狀態(tài)，即支護裝置頂部的主、副群和柱筒1-8均處于支護狀態(tài)，機械工作擾動會影響巷道頂板下沉穩(wěn)定性，頂板承壓是第一支護裝置群頂部的主、副群,隨著頂板壓力的增加，主、副頂板群根據(jù)頂板下沉情況，開始收縮時頂板下沉至固定位置，主體群、副頂板群停止后退，與頂梁“保持一體”將頂梁壓力完全傳遞到頂板支柱上，在柱頂作用下頂板停止繼續(xù)下沉，完成做為頂板支護，即全面支護過程完畢。(3)推移過程移動過程主要包括兩個過程:主支撐架組和輔助支撐架組。為了安全問題著想，首先移動主支架組，然后移動輔助支架組，實現(xiàn)交替移動支架的動作。圖一超前支護裝備外形結(jié)構(gòu)圖圖二超前支護裝備三維模型圖圖當掘進機截割完成單個步長并向前移動時，步進式超前支護設(shè)備-起向前移動，副支撐架組保持支撐狀態(tài)，主支撐架組通過控制立柱1、3、5、7縮回，平衡千斤頂1、3、5、7伸出，使得主支撐頂梁、橫梁及主頂部支撐裝置組平穩(wěn)下落，當主支撐頂梁下落至副支撐橫梁上時，副支撐橫梁相當于起到限位作為，阻止主支撐頂梁繼續(xù)下落，此時立柱繼續(xù)縮回則將底部滑靴上提至拖離地面--定位置處則停止運行，在推移油缸1~4作用下，主支撐架組被向前推移-一個步長，推移動作完成后，主支撐架組控制立柱1、3、5、7伸出，平衡千斤頂1、3、5、7縮回，當?shù)撞炕ハ侣渲料锏赖酌鏁r，主支撐頂梁、橫梁及主頂部支撐裝置組.上升，當主頂部支撐裝置組接觸并有效支撐頂板或主支撐橫梁.上升至副支撐頂梁的下端面時，立柱油缸及平衡千斤頂停止運行，此時主支撐架組移架動作完成。當掘進機向前切割一步，步進式超前支護設(shè)備開始移動一步時，子支撐架組保持支撐狀態(tài)，主支撐架通過控制縮進柱1、3、5、7和平衡千斤頂1、3、5、7延伸主支撐梁，橫梁和主頂支撐總成脫落平穩(wěn)。當主支撐梁的sub-support橫梁,sub-support橫梁作為限制防止橫梁的主要支持進一步下降,當立柱繼續(xù)收縮,滑靴底部上升至離開地面上,它會停止運行的位置。在1-4推進油缸的作用下，主要支架組是被動的被推往向前一步一個距離,運動完成后,主要支撐架組控制立柱1,3,5,7擴展,和平衡千斤頂1,3,5,7時收回了，當滑靴的底部已經(jīng)下落至巷道的底面時,主支撐頂梁、橫梁及主頂部支撐裝置組上升，當主頂部支撐裝置組接觸并有效支撐頂板或主支撐橫梁.上升至副支撐頂梁的下端面時，立柱油缸及平衡千斤頂停止運行，此時主支撐架組移架動作完成。當梁的下端面提起時，柱缸和平衡千斤頂停止運轉(zhuǎn)，主支撐架組的運動完成。液壓缸是2468柱和平衡千斤頂2468柱。在框架拆除過程中，主副支架組中的梁和縱梁仍然起著一定的限制作用。為了保證步進式先進支護設(shè)備在完成全部支護過程或主支架組移動過程后的穩(wěn)定性和可靠性，通過控制側(cè)推千斤頂1-4，將兩側(cè)的側(cè)保護板推出。推到一定位置后，側(cè)推千斤頂1-4停止運轉(zhuǎn)。當主支架組需要降低或移動時，可通過控制側(cè)推千斤頂1-4將兩側(cè)的保護板收回原位，防止步進式超前支架設(shè)備與巷道側(cè)墻之間的移動干擾。上述則為步進式超前支護設(shè)備的運動全部過程。2.2超前支護設(shè)備液壓系統(tǒng)分析與設(shè)計步進式超前支護設(shè)備是一種獨立的臨時超前支護設(shè)備，可與掘進機、錨機等綜采掘進設(shè)備配合使用。工作環(huán)境惡劣，工作條件復雜多變，這對先進的支架結(jié)構(gòu)設(shè)計和液壓系統(tǒng)設(shè)計提出了更高的要求。因此，在設(shè)計先進支護設(shè)備液壓系統(tǒng)時，需要對先進支護設(shè)備的運動過程和支護要求進行分析，以獲得先進支護設(shè)備在不同工況下的技術(shù)要求，保證設(shè)備的正常運行。（1）從運動過程角度分析在惡劣的工作環(huán)境和復雜的工作條件下，超前支護設(shè)備在完成各個移動過程時，機械零件不能相互干擾，以免對超前支護設(shè)備造成損壞。從這個角度來看,在先進的支持設(shè)備研究,每一個組支撐架一側(cè)組由一對一的列,杰克,一個平衡橫梁,盾牌梁,基礎(chǔ)和前后連桿,當支架組完成解除列或降低列,立柱和平衡千斤頂需要共同工作，以確保橫梁始終處于水平狀態(tài)。但在綜采工作面，由于工作環(huán)境極其惡劣，很可能不會引起立柱和平衡千斤頂?shù)倪\動。如果過程中提高(或降低)正直的人列,當杰克平衡停止移動由于外部環(huán)境的影響,而列仍在上升(或下降)以一定的速度在液壓系統(tǒng)的作用下,平衡千斤頂或其他機械零件一定會損壞是由于過度負荷,如果，當平衡千斤頂停止移動，感覺到外部負載增加時，使用一個裝置將負載變化饋回液壓系統(tǒng)，停止向立柱泵油，使立柱不再繼續(xù)移動，平衡千斤頂或其他機械部件，然后保護，以防止損壞的支持設(shè)備。（2)從支護要求角度分析步進式超前支護設(shè)備在支護過程中需要滿足“先軟后硬”的支護原則，具有節(jié)能效果。支持支持組裝頂部的屋頂,直到它被壓縮到最短的狀態(tài),外部負載的執(zhí)行元素,如列和平衡千斤頂將大大增加,如果液壓系統(tǒng)仍保持原來的流量輸出,它將不可避免地導致液壓系統(tǒng)溢出問題,使大部分的電力浪費和使液壓系統(tǒng)無法達到節(jié)能的效果,如果泵的液壓系統(tǒng)可以調(diào)整位移,減少系統(tǒng)的功率損耗,當系統(tǒng)的壓力上升,那么支持原則“先軟,然后剛性”可以滿足,從而達到節(jié)能的效果。同時，超前支護必須有足夠的支護強度，即能“支的住"頂板。因此，從以上分析可知，步進式先進支護設(shè)備的液壓系統(tǒng)需要具有負載靈敏度和恒功率控制功能，柱等千斤頂能夠滿足工作要求，以保證先進支護設(shè)備的正常運行。同時，步進式先進的支承設(shè)備在支承過程中也需要一個相對穩(wěn)定的運行速度，以防止支承設(shè)備的損壞，因此，液壓系統(tǒng)需要具有良好的動態(tài)特性。同時，還需要保護系統(tǒng)不受過大壓力損壞，以確保液壓系統(tǒng)的正常運行。對液壓系統(tǒng)進行綜合分析，分步進行設(shè)備液壓系統(tǒng)，以滿足以下技術(shù)要求:(1)液壓系統(tǒng)應該是一個泵的輸出流量可以改變，各個元件的流量分配不受執(zhí)行機構(gòu)外載系統(tǒng)的影響，并且負載靈敏、壓力補償、恒功率控制功能;(2)液壓系統(tǒng)應該具有良好的動態(tài)特性，并且支撐和移動過程應該是穩(wěn)定的;(3)立柱、平衡千斤頂?shù)纫簤簣?zhí)行元件在系統(tǒng)中必須滿足板狀巷道的支撐要求。3超前支護裝備仿真研究3.1超前支護裝備靜力學仿真為了研究超前支架的結(jié)構(gòu)特性和承載變形，利用ANSYS仿真軟件對超前支架靜力學問題進行建模和仿真。由于前支撐縱梁與頂板直接接觸，承受頂板壓力。因此，在超前支護靜力學模擬中，對縱梁靜力學進行了研究。超前支護的支護方式分為單一支護和全支護兩種。仿真研究了兩種支承狀態(tài)，比較了縱梁的位移變化。由于縱梁與屋面直接接觸，在對縱梁進行靜力研究時，縱梁與屋面滿足變形協(xié)調(diào)原則，即縱梁的上平面始終與屋面的下平面接觸。因此，在ANSYS縱梁仿真中，縱梁的靜態(tài)仿真結(jié)果如圖所示。圖三全支撐縱梁位移云圖圖四單組支撐縱梁位移云圖從圖中可以看出，超前支護縱梁的位移變化與頂板的位移變化相似。縱梁位移的最大變化發(fā)生在縱梁中部，縱梁位移的變化是彌散的，但其變化規(guī)律與全支撐時的變化規(guī)律相似。3.2超前支護裝備模態(tài)分析模態(tài)分析具有非常廣泛的實用價值，它可以幫助人們確定結(jié)構(gòu)設(shè)計的模態(tài)參數(shù)，指導設(shè)計者預測結(jié)構(gòu)的振動，避免發(fā)生共振。動力學問題的一般方程為:動力學微分方程的矩陣表示為Mx'+KX=0。式中，m為質(zhì)量矩陣，k為剛度矩陣，x為位移矢量，x'為加速度矢量。結(jié)構(gòu)的自由振動形式為簡諧振動，因此上式可簡化為振動頻率ω與特征向量(K-ω2M)=0的關(guān)系。通過對超前支護的模態(tài)分析，可以得到超前支護的固有頻率和主要振型，為超前支護和頂板共振的研究提供數(shù)據(jù)參考。利用三維建模軟件建立超前支護結(jié)構(gòu)模型，并將模型引入ANSYS分析軟件中，設(shè)置模型參數(shù)。最后，對模型進行模態(tài)分析，得到全支撐狀態(tài)下超前支架前兩階的固有頻率和主振型。如下所示：圖五全支撐狀態(tài)第一階模態(tài)振型圖六全支撐狀態(tài)第二階模態(tài)振型從圖中可以看出，在全支撐條件下，超前支架的一階振型繞x軸彎曲，超前支架的最大位移發(fā)生在前端，最大位移為4.8mm。二階振動模態(tài)繞Z軸彎曲，超前支架前端最大位移為5.3mm。表1超前支護全支撐狀態(tài)前二階模態(tài)頻率階次模態(tài)頻率/HZ118.084222.749根據(jù)全支撐狀態(tài)下超前支架模態(tài)分析方法，建立單支撐狀態(tài)下超前支架仿真模型，對其進行模態(tài)仿真，如圖5.13~圖5.14所示。從圖中可以看出,第一振型單一支持是在x軸彎曲,和最大位移發(fā)生在中間縱梁前端的單一的支持的情況下,二階振動模式是圍繞Z軸彎曲,中間縱梁前部的最大位移為3.4mm。圖七單支撐狀態(tài)第一階模態(tài)振型圖八單支撐狀態(tài)第二階模態(tài)振型表2超前支護全支撐狀態(tài)前二階模態(tài)頻率階次模態(tài)頻率/HZ116.327217.661通過對不同條件下頂板和超前支護的模態(tài)分析，得到了全支護和單支護條件下頂板的前5階模態(tài)和超前支護的前5階模態(tài)參數(shù)。仿真結(jié)果表明，最小模態(tài)頻率為16.327Hz，最大位移為12.2mm，最小模態(tài)頻率為1.7182Hz，最大位移為5.67mm。由于頂板最小固有頻率與頂板最小固有頻率相差一個數(shù)量級，頂板與超前支護之間不存在共振。4結(jié)論利用計算機輔助軟件，模擬超前支護和頂板的靜態(tài)特性和模態(tài)，得到以下結(jié)論:(1)基于煤礦巷道頂板物理參數(shù)，對無支護、單支護和全支護巷道頂板靜力學進行模擬，三種工況下頂板最大位移和變形分別是32.7mm、9.3mm和1.9mm，(2)分別對全支架和單支架進行靜態(tài)模擬，得到超前支架縱梁和頂板的位移變形規(guī)律;(3)對超前支護與頂板進行了模態(tài)數(shù)值模擬，仿真結(jié)果表明，超前支護與頂板的前5個固有頻率相差10倍以上，超前支護-頂板體系不會產(chǎn)生共振參考文獻張耀堯.中國煤炭市場分析及動力煤期貨合約設(shè)計[D].華中科技大學.CompanyBP.BPstatisticalreviewofworldenergy.[J].London,England,BritishPetroleumCompany,1990,1990.梁永煌,魏濤,張宗飛,等.我國城市能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的工程解決