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含CAD图纸+文档 陈四楼 煤矿 1.5 Mta 设计 CAD 图纸 文档

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专题部分浅析煤层开采对地面桥梁的影响摘要：文章从采空区地表沉陷的规律出发，介绍了影响地表沉陷的主要因素和预测方法，阐述了地表变形和对桥梁结构的影响，进而从煤层开采方面提出了一些解决措施。关键词：采空区；沉陷规律；地表变形；桥梁；不均匀沉降1前言地下固体矿床开采后的空间及其围岩失稳而产生位移、开裂、破碎垮落，直到上覆岩层稳定下沉、弯曲引起的地表变形和破坏的地区或范围，统称为采空区。近年来，随着我国公路建设的迅猛发展，公路网越来越密集，公路遍及各个县城小镇，而我国又是能源消耗大国，对矿产需求极大，因此，如何保证在开采过程中，采空区道路、桥梁仍可以安全运营，是当今急需解决的问题。地下采空区具有隐伏性强、空间分布特征规律性差、采空区顶板冒落塌陷情况难以预测等特点，因此，公路桥梁下伏采空区的潜在危害性评价和处治技术是目前具有挑战性的难题1。这就是近年来越来越多的人研究采空区地表变形规律，从而解决工程中遇到的实际问题的原因所在。但大部分都是对“建筑物、水体、铁路下”采煤技术的研究1-8，而对采空区道路桥梁的建设和加固尚处于摸索阶段，没有形成系统的治理理论和技术，也无规范可循。采空区覆岩的不均匀沉降和变形，很容易造成公路桥梁结构的变形、开裂，桥梁墩台产生大变形等破坏现象，对公路桥梁的正常运营以及养护和维修，构成严重的安全隐患和潜在危害。本文主要介绍了煤层开采引起地表变形，从而使得地面桥梁结构发生破坏的过程，就此提出了煤层开采过程中要注意的一些问题或采取的一些措施。2开采深陷规律2.1开采沉陷的基本规律2.1.1开采沉陷的基本形式对于层状或似层状矿体，缓倾条件且开采深度较大时，在上覆岩层内形成了垮落带、裂隙带、弯曲带。开采结束一定时间后，破裂岩层达到新的相对平衡，地表移动趋于停止。采空区破裂覆岩结构如图2-1 所示。图2-1 采空区破裂覆岩结构对于倾斜和急倾斜矿层的开采，除上述基本移动模式外，还包括以下几种形式10：岩石沿层理面方向滑动；垮落岩石下滑（或移动）；地板岩石隆起；矿体的挤出（片帮）。 当地下开采达到一定距离（约为采深的1/41/3）后，地下开采便波及到地表，使得受采动影响的地表从原有标高下沉，从而在采空区上方地表形成一个比采空区大得多的沉陷盆地，或称为下沉盆地。地表移动状态的定量描述指标有：下沉、水平移动、倾斜、曲率、水平变形、扭曲和剪应力。地表移动盆地的一般示意图如图2-2。图2-2 地表移动盆地一般示意图2.1.2地表变形分类地表沉陷规律是指地下开采引起的地表位移和变形的大小、空间分布形态及其他地质采矿条件的关系。不同的地质采矿条件对地表沉陷破坏程度差异很大，反映到地表的形态可归结为连续位移变形和非连续位移变形两类。地表连续位移变形开采的方法：a、条带开采；b、充填开采。采空区连续位移变形以连续下沉盆地为特征。当地下的开采范围达到一定程度时，地表开始位移，出现下沉盆地。随着开采范围的增大，下沉盆地也不断的增大，对应地表每一点都要经历拉伸倾斜压缩及扭曲等复杂的动态位移破坏过程。地表沉陷一般要持续2.55.0年，剧烈沉陷期（下沉速度1.8mm/d）一般要持续0.51.0年。地表非连续位移变形开采方法：不科学的乱挖滥采或急倾斜煤层采深较浅。采空区非连续位移变形破坏形式为：地表出现大的裂隙，台阶式沉降、漏斗状塌陷坑及伴随沉陷，地表出现滑动或出现滑坡等破坏形式。非连续破坏以突发性、隐藏性为特点，没有一点规律，有时开采后几十年还会发生较大的沉陷破坏，这种情况对地面构筑物危害极大。一般认为，在采深较大（h100m），深厚比大于30的条件下，地表移动变形在空间和时间上都具有明显的连续性和一定的分布规律，目前研究的也较为充分；而地表非连续性变形破坏规律极差，目前研究的还很不够。因此，本文总结的地表变形规律为连续位移变形规律。2.1.3地表移动变形规律151、水平矿层非充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律（1）地表下沉曲线在水平或近水平煤层开采条件下，采空区中央上方地表下沉值最大，采空区中央上方地表下沉值最大，从盆地中心向采空区边缘下沉量逐渐减小，在盆地边界下沉点处下沉值为零，下沉曲线与采空区基本对称。（2）地表倾斜曲线采空区地表移动盆地的倾斜变化规律为：盆地边界至拐点间倾斜渐增，拐点至最大下沉点间倾斜逐渐减小，在最大下沉点处倾斜为零，在拐点处倾斜最大，有两个倾向相反的最大倾斜值，倾斜曲线与采空区中央反对称。（3）地表水平移动曲线地表水平移动分布规律曲线与倾斜曲线相似，即：盆地边界至拐点间水平移动逐渐增大，拐点至最大下沉点间水平移动逐渐减小，在最大下沉点处水平移动为零，在拐点处水平移动最大，有两个倾向相反的最大水平移动值，水平移动曲线与采空区中央反对称。（4）曲率曲线曲率曲线的分布规律是：曲率曲线有三个极值，两个相等的最大正曲率和一个最大的负曲率，两个最大的正曲率位于边界点和拐点之间，最大负曲率位于最大下沉点处；边界点和拐点处曲率为零；盆地边缘处为正曲率区，盆地中部为负曲率区。（5）水平变形曲线水平变形曲线与曲率变形曲线的分布规律相似：水平变形曲线有三个极值，两个相等的最大拉伸变形和一个最大的压缩变形，两个最大的拉伸变形位于边界点和拐点之间，最大压缩变形位于最大下沉点处；边界点和拐点处水平变形为零；盆地边缘处为拉伸变形区，盆地中部为压缩变形区。2、水平矿层充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律与水平矿层非充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律相比，它具有以下特点：（1）地表移动盆地的最大下沉点已达到该地质采矿条件下的最大值，即充分采动条件下的地表下沉最大值；（2）在最大下沉点处，水平变形值和曲率变形值均为零，在盆地中心区出现两个最大负曲率和两个最大压缩变形值，位于拐点和最大下沉点之间；（3）拐点处下沉为最大下沉值的一半；（4）水平变形曲线、曲率曲线以拐点反对称。3、水平矿层充分超采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律与水平矿层充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律相比，它具有以下特点：（1）下沉盆地出现坪平底区，该区域内各点的下沉值相等，并都等于最大下沉值；（2）下沉盆地出现坪平底区，水平变形、倾斜、曲率均为零或接近零，各种变形主要分布在采空区边界上方附近；（3）盆地平底区内实际存在残余水平移动而不为零。4、倾斜矿层开采非充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律与水平矿层非充分采动时地表移动盆地主断面内地表移动和变形分布规律相比，它具有以下特征：（1）地表移动变形曲线失去对称性和相似性；（2）地表下沉最大值偏向下山方向，上山下沉曲线比下山陡，影响范围小； （3）拐点不与采空区中心对称，偏向下上方向；（4）指向上山方向的水平移动增加，指向下山方向的水平移动减小，最大拉伸变形在下上方向，最大压缩变形在上山方向。（5）在一定范围内，地表变形的不对称性随倾斜角度的增大而增大。5、地表移动边界的界定地表移动盆地一般划分成3个边界：（1）移动盆地的最外边界，以地表移动和变形都为零的盆地边界点所圈定的边界。煤炭系统一般取下沉为10mm的点为边界点。（2）移动盆地的危险移动边界，以盆地内的地表变形对构筑物有无危害来划分，通常以临界变形值来衡量。目前我国煤炭系统采用的一组临界变形值为i=3mm/m，=2mm/m，k=0.210-3/m 。（3）移动盆地的裂缝边界，根据移动盆地最外侧的裂缝圈定的边界。移动盆地的边界通常通过边界角、移动角、裂缝角和松散层移动角等角值参数来圈定。 而与之边界相对应，根据地表变形值的大小和变形特征自移动盆地向中心边缘分为三个区： （1）均匀下沉区（中间区）：即盆地中心的平底部分，当盆地尚未形成平底时，该区不存在，区内地表下沉均匀，地表平坦，一般无明显的裂缝。 （2）移动区（又称内边缘区或危险区）：区内地表变形不均匀，变形种类较多，对构筑物的破坏作用较大，如地表出现裂缝时，又称为裂缝区。 （3）轻微变形区（又称外边缘区）：地表的变形值较小，一般是以构筑物的容许变形值来划分，其外周边界，即移动盆地的最外边界，实际上难以确定，一般是以下沉值10mm为标准来确定。2.1.4采动过程中动态位移变形分布规律地下矿层采出后引起地表沉陷是一个非常复杂的时间和空间发展过程。随着采矿进行，不同时间回采工作面与地表点的相对位置不同，开采对地表点的影响也不同。地表点的移动要经历从开始移动 剧烈移动 移动停止的全过程15。1、地表移动延续时间规律地表移动延续时间（或移动总时间）是指在充分采动或接近充分采动的情况下，地表下沉值最大的点从移动开始到稳定所持续的时间。在地表移动的各点中，最大下沉点的下沉量最大，下沉的时间最长。苏联专家阿威尔辛按下沉速度大小及对建（构）筑物的影响程度不同将地表的移动过程分为三个阶段。（1）开始期：下沉量达到10mm的时刻为移动开始时刻。从移动开始至下沉速度刚达到1.67mm/d（50mm/m）时刻为移动开始期。（2）活跃期：下沉速度大于1.67mm/d（50mm/月）的阶段。在该阶段内，由于地表点的下沉占总下沉的85%95%，地表移动剧烈，是地面建（构）筑物损坏的主要时期，因此也称该阶段为危险变形阶段。（3）衰退期：下沉速度小于1.67mm/d（50mm/月）起至六个月内地表各点下沉累计不超过30mm时为移动衰退期。开始期、活跃期、衰退期的时间总和，称为移动总时间或移动延续时间。国内各煤矿区的实测资料表明，地表移动延续时间与开采深度、工作面推进速度及上覆岩层的性质等有关，开采深度越大、工作面推进速度越慢、上覆岩层越坚硬，地表移动延续时间越长。很多矿区建立了地表移动延续时间与开采深度等的关系。当采深100200m时，地表移动延续时间一般为12年，大多数不超过5年。不同时期，采空区地表移动量不同。在地表移动开始期内，地表移动量占地表最大下沉量的5%左右；在活跃期内，地表的下沉量占总沉降量的90%左右；在衰退期，地表移动量占地表最大下沉量的5%左右。因此地表移动主要发生在活跃期内。从移动时间的长短来看，衰退期内地表移动时间最长，比开始期和活跃期的总和还要长。因此，本文研究的是采矿区桥梁的抗不均匀沉降，主要应考虑衰退期前的采空区内部和地表移动变化特征。图2-3-2-4为随回采工作面的推进地表变形的一般规律10。 图2-3 采动过程中地表水平移动曲率变化规律图2-4 采动过程中地表曲率变形曲线变化规律2.1.5地表移动的主要影响因素影响采空区地基稳定性的因素从大的方面说主要为地质和采矿两个方面。其中地质方面主要包括矿层埋藏条件、地形地貌、地质构造、覆岩情况及其力学性质、水文地质条件等；采矿方面主要包括采空区的几何条件、采掘方式、顶板管理模式等。（1）地质因素161）地形地貌地形地貌是最基本的地质特征，对采空区地基稳较大的影响作用。在地势平坦的条件下，地表最明显的移动和变形是产生沉陷盆地、裂隙、陷落坑等，在山区条件下，地表移动特征复杂，这主要是与地形起伏状况、地质采矿等因素有密切的关系。其主要特点为山区地表移动除有明显的垂直下沉量外，还产生明显的水平位移。2）地质构造主要指断层，断层与采空区的相对位置关系、断层的倾角、断层的大小、断层面的强度等因素决定着断层对岩层与地表移动的影响程度。岩层在移动过程中遇断层后，将产生沿断层层面的移动，这种移动沿断层面一直发展到地表断层露头处。在断层露头处如有建筑物，建筑物将遭到严重破坏。而位于断层露头处以外的建筑物只受到轻微破坏或不受影响。3）地层岩性和倾角采空区上覆岩层可由一种岩石组成，也可以由两种或两种以上岩石组成。按其硬度，覆岩可分为坚硬岩、较硬岩、软岩等。为坚硬岩石组成时，垮落带不易发育，反之由软弱岩组成时易出现垮落。根据当采空区覆岩国内相关资料的统计分析，坚硬岩层地表的下沉量（水平矿层开采）约为采厚的27%-54%，中硬岩层为采厚的55%-84%,软弱岩层为采厚的85%-100%。另外，地层的产状对采空区地基稳定也有一定的影响。地表移动各种角量参数的变化都与煤层的倾角有关。煤层倾角的增大会使地表移动盆地形状发生变化，不对称性越发明显。4）水文地质采空区内积水，当采矿或掘进触及到这些积水采空区后，积水被疏干，引起上覆岩层移动，使地表建（构）筑物或井下巷道遭到破坏。当上覆岩层由比较坚硬的岩石组成时，岩层内含水多少对其物理力学性质无明显影响；但当为软弱岩层及松散岩层时，层内含水多少对其物理力学性质有明显影响，如泥质页岩遇水后塑性增大，在移动过程中不易产生裂隙或断裂。（2）采矿因素1）采煤方法及顶板管理模式采煤方法及顶板管理模式是决定覆岩破坏及地表移动特征的主要因素。矿层的开采方式分为巷道式开采、条带式开采和柱式开采三大类。条带式连续采煤法是使覆岩破坏最严重的一种方法，它能使上覆岩层的垮落断裂隙带高度得到充分发展。顶板管理模式常见的有全部垮落法、充填法和煤柱支撑三种。各种模式上覆岩层的破坏情况及地表移动特征有所不同。如留下煤柱尺寸较大，可以保证支持住顶板岩层使其不发生垮落。表2-1 各种开采沉陷控制技术地表的下沉系数23采空区处理方法下沉系数q备注全部垮落法0.6-0.8水沙充填法0.06-0.2加压水沙充填法0.05-0.08风力充填法0.4-0.5矸石自溜充填法0.45-0.55矿体倾角大于35带状充填法0.55-0.7冒落后充填0.6-0.7离层带注浆充填0.4-0.7条带式开采（冒采）0.06-0.16条带式开采（水沙充填）0.01-0.052）矿层开采厚度和深度15开采厚度对于上覆岩层及地表移动过程的性质重要的影响作用。采厚愈大，则垮落断裂隙带高度愈大，移动过程表现愈剧烈，地表移动变形值也愈大。随着开采厚度的增加，地表移动范围增大。而最大下沉值随开采厚度增加变化不大。因此，随着开采深度的增加，地表移动盆地变得平缓，各项变形值减小。所以，在其他条件相同情况下，地表移动及变形值是与采深成反比的。其中下沉量与开采深度、厚度的关系如下： （2-1）式中：充分采动时的最大下沉值，mm； m采厚，m； 煤层倾角； q下沉系数，与岩性等有关。通过对我国30多个地表移动观测站的研究，可得到： （2-2）式中：h表土厚度，m。3）矿层开采尺寸采空区尺寸大小主要决定岩层与地表移动过程发展的充分程度、地表移动之形状，地表移动变形分布特征都与采空区尺寸大小有关。4）开采速度加快开采速度能够有效地减小地表移动变形破坏程度，实现建筑物整体下沉，达到保护建筑物的目的。后来的开采实践证明，加大开采速度虽能减小地表的位移和变形量，但同时也增大了建筑物的变形破坏速度，特别在开采速度变化大，开采工作面较长时间停采的情况下(如周日及节假日休息停采)，对保护建筑物更为不利。开采时间与地表应变应力之间的关系如下： （2-3）式中：c为时间参数；v 为开采速度；为地表最大下沉量。其中，。 （2-4）式中：F 为残余应力系数；为无量纲参数；、为对应不同模型的弹性模量；T为滞后时间；为应变及应力。2.2采空区稳定性评价2.2.1地表变形预测计算10 概率积分方法是基于随机介质理论的一种预计方法。因其算法简单、结果可靠，目前已成为我国较为成熟的、运用最为广泛的预计方法之一。地表移动盆地内任意点、任意方向的移动与变形预计如下：设i为回采工作面中的任意一单元，坐标为（x，y，z），单元开采引起空间任意点A（X，Y，Z）下沉。（1）若煤层水平 （2-5）式中：主要影响半径；煤层顶板至计算平面的高度；开采深度；系数，一般取0.50.9。若煤层倾斜，倾斜角为，开采范围为L,宽为B，则有：充分采动时 （2-6） 非充分采动时 （2-7）式中：充分采动时的最大下沉值，mm； m采厚，m； 煤层倾角； q下沉系数，与岩性等有关。、分别为采空区沿倾斜方向和走向方向的采动系数，均小于0，如果大于0，则采动充分。 (2-8)地表A（X，Y，Z）沿方向的倾斜i（X,Y,）为下沉在方向上单位距离的变化率，即： (2-9)图2-5 方向的确定地表A（X，Y，Z）沿方向的曲率k（X,Y,）为下沉曲面的倾斜i（X,Y,）在方向上单位距离的变化率，即： (2-10)地表的水平移动与倾斜成正比的关系，则： (2-11) (2-12)式中 ：水平移动系数，一般取为0.3。3桥梁结构的分析3.1地表移动与桥梁基础的关系采空区地表变形将引起桥梁基础产生不均匀沉降、水平位移等，使桥梁结构产生附加应力，若产生的附加应力超过桥梁结构的允许附加应力就会使桥梁结构发生破坏。对于桥梁上部结构，简支梁桥的弯矩和剪力在无论桥梁有无下沉，其弯曲和剪力几乎没有任何变化25。本文研究的是简支梁桥结构，不均匀沉降对桥梁轴线方向没有太大的影响，因此，本文只分析不均匀沉降对桥梁横向上桥墩柱和盖梁的影响。3.1.1桥梁与地表移动变形关系的分析 谭志祥等在采动铁路桥移动变形规律实测研究中，提出了桥梁与地表变形的关系，主要总结如下：1）桥梁下沉与地表下沉总体一致，但比地表的下沉量要偏大一些，原因在于：桥梁位于开采工作面前方时，地表在受拉伸变形影响下，使桥梁地基土层变得稀松，在桥梁自重和过往车辆载荷的作用下，桥墩进一步切人土层地基，从而使桥梁下沉大于地表。2）一般情况下，桥梁倾斜略大于地表倾斜，分析其原因是：铁路桥本身随地表倾斜而倾斜，但由于桥梁本身结构的特殊性，其桥墩也随地表倾斜而倾斜，使得桥梁的倾斜大于地表倾斜。其中桥梁自重越大，桥梁本身的倾斜会越不明显，在地基比较软的地方，桥梁倾斜可能会小于地表倾斜。3）随着工作面的推进，桥梁和地表首先受拉，当工作面一定距离时，水平变形开始由正值变为负值，即由受拉改变为受压。由于桥梁先受拉、后受压，故当地表刚由拉伸变形转为压缩变形时，桥梁还处于拉伸变形阶段、有一滞后过程。在受拉状态下，桥梁的拉伸变形要比地表的拉伸变形略小，这是因为桥梁各跨桥梁与桥墩之间的摩擦力比土体大，故桥面拉伸变形较地表要小；在受压状态下，桥梁的压缩变形要比地表压缩变形大许多，这是由于工作面推过桥梁段后，整个河流段相当于一个吸收压缩变形的大变形沟，从而使桥梁承受了较大的压缩变形，故桥梁压缩变形要大于地表。桥梁基础变形与地表变形之间存在一定的关系，因情况而异，两者相差也不会很大，在没有具体资料的情况下，下面采用地表倾斜变形和桥梁基础倾斜变形相等进行研究。3.2桥梁抗不均匀沉降的分析3.2.1计算模型简支梁桥跨径为20m，盖梁宽1.2m高1.3m，桥墩直径1m，模型具体平面尺寸如图3-1。图3-1 模型平面尺寸图（单位cm）桥梁博士计算模型如图3-2。图3-2 计算模型3.2.2计算方法及工况数值分析采用桥梁博士进行桥梁下部结构抗不均匀沉降的研究。桥梁达到最大配筋率，抗力达到最大值，模型计算时，附加内力最大抗力采用最大配筋率下的最大抗力减去已有配筋率下桥梁结构的最大抗力。 采用依据桥梁下部结构工作条件，选择10个计算工况：工况一：无不均匀沉降工况二：地表倾斜变形值i=2mm/m，相应的不均匀沉降值为0.012m；工况三：地表倾斜变形值i=3mm/m，相应的不均匀沉降值为0.018m；工况四：地表倾斜变形值i=4mm/m，相应的不均匀沉降值为0.024m；3.2.3基本参数C30混凝土：，。HRB335钢筋：，=0.56。拟采用焊接钢筋骨架配筋，混凝土保护层厚度取25mm，盖梁的有效高度为h0为1.2m，柱的有效直径d0为0.9m。3.2.4计算结果分析图3-3图3-5为桥墩和盖梁的附加内力示意图。具体数值见表3-1。图3-3 弯矩图图3-4 剪力图图3-5 轴力图表3-1 模型变位附加内力汇总表倾斜i(mm/m)不均匀沉降量(m)弯矩Mmax（KNm）剪力Q(KN)轴力（KN）备注00000不破坏20.012630210210不破坏30.018945315315柱破坏40.0241260420420柱破坏计算结果表明：（1）桥梁下部结构在正常工作条件下结构完好；（2）煤层开采后，地表倾斜变形对桥墩和盖梁都有一定的影响，但桥墩影响更大；（3） 在一定范围内，煤层开采引起的地表倾斜对盖梁的影响可以通过适当调节配筋来满足要求；（3）煤层开采引起的地表倾斜变形条件下桥梁下部结构拉应力增大幅度大于压应力增大幅度；（4）由线性差值可知，柱可以抵抗的不均匀沉降量为1.56mm，即地表倾斜率i=2.8mm/m；（5）煤层开采作用下，地表倾斜变形对桥梁结构有影响，当影响到一定程度时，桥梁结构发生破坏，这就必须对桥梁结构采取加固措施，才能保持地面桥梁结构的正常运营。3.3井下开采对桥梁安全的保护措施在地质条件无法改变的情况下，井下采取的安全采矿措施主要有：（1） 合理布置工作面，是桥梁尽量位于地表下沉盆地中央，减少桥墩间的不均匀沉降，最好不要使桥梁位于危险区内。（2） 分层间隙开采，开采一层后，等到地表沉陷基本稳定，桥梁已经采取了相应的加固措施以后，再进行下一层的开采，避免一次性地表沉陷过大，桥梁在没有及时加固的情况下，产生破坏。（3） 采用科学合理的开采方法，不残留煤柱，使地表沉陷连续。（4） 采用充填法开采，减少地表沉陷。（5） 开采过程中，尽量保持开采速度不变，尽量避开地面构筑物的开采速度危险区域。4小结本文主要介绍了煤层开采引起的地表沉降规律和地表沉降的预计方法，在通过对某采动区桥梁受煤层开采的影响，来说明煤层的开采，会对地表构筑物的产生一定的影响，甚至是地面结构发生破坏，为此，本文提出了井下安全开采的一些措施。（1）合理布置工作面，是桥梁结构尽量位于地表下沉盆地中央，减少桥墩间的不均匀沉降，最好不要使桥梁位于危险区内。（2）分层间隙开采，开采一层后，等到地表沉陷基本稳定，桥梁已经采取了相应的加固措施以后，再进行下一层的开采，避免一次性地表沉陷过大，桥梁在没有及时加固的情况下，产生破坏。（3）采用科学合理的开采方法，不残留煤柱，使地表沉陷连续。开采过程中，尽量保持开采速度不变，尽量避开地面构筑物的开采速度危险区域。（4）采用充填法开采，可以减少地表沉陷，从而减少对地地面结构的破坏。5参考文献1 郭广礼，邓喀中，常江采空区上方建大型建筑物的地基沉降研究J.XXX大学学报，1996,25(2): 54-57.2 郭广礼老采空区上方建筑物地基稳定性及处理措施研究D.徐州：XXX大学环境与测绘学院，1999,55-61.3 邓喀中，郭广礼，谭志祥采动区建筑物地基、基础协同作用特性研究J.煤炭学报，2001,26（6）:601-605.4 邓喀中,郭广礼,谭志祥采动区建筑物移动变形特性分析J.XXX大学学报,2001，30(4):345-350.5 张俊英，王金庄采空区地表折建建筑地基稳定性评价技术研究J.矿山测量，2003,3.6 郭广礼，邓喀中等.深部老采区残余沉降预计方法及其应用J.辽宁工程枝术大学学报自然科学版)，2002,21(1):1-3.7 国家煤炭工业局制定.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程S.北京:煤炭工业出版社,2000.10-11.8 乔志春，夏军武，郭广礼等老采空区上方大型工业建筑抗变形措施研究J. XXX大学学报，1999,28（6）：593-596.9 李满囤太古公路采空区路桥稳定性分析及其治理方案J重庆交通学院学报2000，19（3）.10 童立元，刘松玉，邱钰等高速公路下伏采空区危害性评价与处治技术M南京：东南大学出版社出版2006，8：12-13，30-31.11 张胜，赵博强夯法处理浅层小煤窑采空区J交通标准化2006，9.12 浑铁链，张莲娜采空区铁路桥地基加固及强化设计J中国高新科技企业2009，19：19-21.13 徐水太，饶运章，潘建平地下开采引起地表移动和不均匀沉降的机理分析J有色金属2004,56（2）:19-20,35.14 田书群寺沟下覆煤层采动作用下公路桥基变形失稳机理数值模拟分析J公路工程2007,32（6）：118-121.15 何国清，杨伦，凌庚娣，等矿山开采沉陷学M徐州：XXX大学出版社，199116 孙忠第高等级公路下伏空洞勘探、危害程度评价及处治研究报告集R北京：科学出版社，200017 张跃，谭志祥，邓喀中许疃矿地表移动变形规律实测研究J矿山测量2007，4.18 郭广礼， 邓喀中，汪汉玉等采空区上方地基失稳机理和处理措施研究J矿山压力与顶板管理2000，3：40-41.19 刘光庆，谭志祥，岳尊彩等超长综方面开采地表移动变形规律的测量研究J矿业安全与环保2007，34（2）：7-9.20 谭志祥，卫建清，邓喀中等房式开采地表沉陷规律试验研究J焦作工程学报2003，22（4）.21 谭志祥，王宗胜，李运江等高强度综放开采地表沉陷规律实测研究J采矿与安全工程学报2008，25（1）.22 谭志祥，郭广礼，周鸣等放顶煤开采地表及基岩面移动规律模拟研究J辽宁工程技术大学学报2000，19（1）.23 王金庄，邢安仕，吴立新等矿山开采沉陷及其损害防治M 北京：煤炭工业出版社1995，12.24 山西省交通厅中交通力公路勘察设计工程有限公司高速公路采空区（空洞）勘察设计与施工治理手册北京：人民交通出版社200525 杨奎清，赵志军，张向东基于ADINA的塌陷区立交桥设计J辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2008,27：68-70.26 郭广礼, 汪云甲概率积分法参数的稳健估计模型及其应用研究J测绘学报2000,29（2）：162-165.27 郭广礼，邓喀中，谭志祥等深部老采区残余沉降预计方法及其应用J辽宁工程技术大学学报（自然科学版）2002,21（1）：1-3.28 王树仁，张海清，慎乃齐等下伏采空区桥隧工程变形及受力响应特征分析J岩石力学与工程学报2009，28（6）.29 谭志祥,杨怀勇,邓喀中采动铁路桥移动变形规律实测研究J采矿与安全学报2007，24（2）.30 浑铁链，张莲娜采空区铁路桥地基加固及强化设计J中国高新科技企业2009，19：19-21.31 夏军武，贾福萍，龙帮云等结构设计原理M徐州：XXX大学出版社2009.32 刘夏平，于天来，王岚等桥梁工程M北京：科学出版社2005,270-277.任务书学院 矿业工程学院 专业年级 学生姓名 任务下达日期： 20XX年 1 月 14 日毕业设计日期： 20XX年 3 月 14 日至 20XX 年 6 月9 日毕业设计题目：陈四楼煤矿1.5 Mt/a新井设计毕业设计专题题目：浅析煤层开采对地面桥梁的影响毕业设计主要内容和要求： 院长签字： 指导教师签字：翻译部分英文原文The Structure Statics Analysis and Transient Dynamics Analysis of Hydraulic SupportHongyu LiuSchool of Mechanical Engineering and AutomationUniversity of Science and Technology LiaoningAnshan, Liaoning, Chinalhy_04126.comAbstractHydraulic support is a key equipment of synthesis mechanization caving coal and safe production in modernization coal mine. This paper took ZT6500/19.5/34 hydraulic support as an example. According to national standard, structure statics analysis and transient dynamics analysis of the type hydraulic support strength test were preceded under base torsion working condition by ANSYS software. The relevant total displacement distribution rule and equivalent stress distribution rule of the type hydraulic support prototype were found. The relevant change rules of equivalent stress, equivalent strain, remain stress and remains strain along with time were analyzed. This provides an effective research way on enhancing strength and load bearing capability of hydraulic support.Keywords-hydraulic support; structure statics analysis; transient dynamics analysis; residue stress; residue strainI.INTRODUCTIONHydraulic support is a key equipment of synthesis mechanization caving coal. Now, lots of countries in the world are increasing investment on hydraulic support design, manufacture and research. A new type of hydraulic support must pass hydraulic support prototype type test in special institution appointed by nation and acquire technology authentication eligibility report before it use in China 1. The structure statics analysis and transient dynamics analysis of hydraulic support were proceeded by ANSYS finite element analysis software. This method can find out the total displacement and the equivalent stress distribution rule of hydraulic support. The characteristic of equivalent stress, equivalent strain, residual stress and residual strain changed with time can also be analyzed.II.THE STRUCTURE STATICS ANALYSIS OF HYDRAULIC SUPPORTA. Three Dimensions Solid Model ConstructionThree dimensions design software SolidWorks has good three dimensions construction model function. So, this paper constructs the three dimensions solid model of ZT6500/19.5/34 hydraulic support. Relevant hydraulic support prototype is shown in Fig.1. During model construction, some unimportant parts were simplified, which can not affect strength analysis results. Thiskind of simplification does accord with engineering practice. Relevant simplified hydraulic support prototype with test height 2850 mm is shown in Fig.2Fig.1 ZT6500/19.5/34 hydraulic support prototypeFig.2 Simplified hydraulic support prototypeB.Structure Simplification, Solid Model Led in, GridDivision Restriction and LoadHydraulic support three dimensions solid model constructed by SolidWorks was saved as .sat file format. It can be led in ANSYS without any data loss. This method can decrease more time than direct construction model in ANSYS. Relevant solid model were divided with grid pattern by solid element solid92 and freedom division grid method 2. Hydraulic support prototype was divided into 56,884 elements and 109,445 nodes with test height 2850 mm. It is shown in fig.3. Fig.3 Hydraulic support prototype grid division figureIn hydraulic support strength test, the method of laying block on different hydraulic support place was adopted usually to simulate different load bearing working condition under well. The force produced by block to hydraulic support was treated as restriction condition commonly in finite element analysis 1. A rigidity long block and a square block were placed on two sides of base motherboard under base torsion working condition . So, the top beam top board contacts with test board. Simultaneity, the load was exerted on top beam and base by four pillars. According to the prescript of MT312-2000 General Specification for Powered Support, the load exertion pattern of hydraulic support strength test is inside load exertion pattern 3. So, the loads were exerted on top beam and base by four pillars, whose value were 1.2 times of working resistance of hydraulic support prototype, which was 7800 KN.Fig.4 The restriction and load status under base torsion working condition All kinds of load working conditions of hydraulic support strength test were listed in MT312-2000 General Specification for Powered Support. For the base torsion working condition was the worst among these working conditions, so, this paper mainly makes an entire finite element analysis on hydraulic support prototype under this load working condition. After grid division, relevant restriction and load status are shown in Fig.4. C. Computation Result and Analysis By the entire finite element analysis on hydraulic support prototype under the base torsion load working condition with ANSYS software, relevant total displacement and equivalent stress distribution rules can be found. Relevant total displacement distribution figures and equivalent stress distribution figures are shown in fig.5 and fig.6 respectively. Relevant displacement unit was millimeter. Relevant equivalent stress unit was Pa. Relevant test height was 2850 mm. Fig.5 Total displacement distribution figure of hydraulic support prototypeThe total displacement distribution rule of hydraulic support prototype is shown in Fig.5. The displacement of hydraulic support prototype base, front link and back link are big. While, the displacement of bevel beam and top beam are small correspondingly. The maximum value lies on the front starboard of base, whose value is 2.607 mm. So, hydraulic support prototype material can satisfy the use demand.The equivalent stress distribution rule of hydraulic support prototype is shown in Fig.6. The stress value on the join pin between hydraulic support prototype base and back link is maximum, whose value is 480 MPa that less than the yield strength 785 MPa of join pin material. It means that join pin can satisfy the use demand. But relatively big stress concentration was produced on the transition round arc of hydraulic support prototype base Fig.6 Equivalent stress distribution figure of hydraulic support prototypeconnecter bridge inside. Relevant stress value on node 41540 is up to 328 MPa, which is between proportional limit stress 270 MPa and yield strength 340 MPa. So, hydraulic support prototype material can still satisfy the use demand.III. THE TRANSIENT DYNAMICS ANALYSIS OF HYDRAULIC SUPPORTTransient dynamics analysis is also named as time history analysis. This kind of method can confirm structure dynamics respond under discretional load changed with time. The transientdynamics analysis usually need use more computer resource and manpower computed from engineering time. So, the transient dynamics analysis is more complex than the structure staticsanalysis. Three methods can be adopted in transient dynamics analysis.They are full method ,reduce method and mode superposition method 2. After comparing the advantage and defect of above three methods, this paper adopted full method to proceed transient dynamics analysis on hydraulic support.Adopted full method to proceed transient dynamics analysis on hydraulic support help user to further find out the characteristic of equivalent stress and equivalent strain changed with time produced from hydraulic support strength test load course. This paper took the type hydraulic support under base torsion load working condition with test height. Hydraulic support strength test load course is shown in Fig.7. The equivalent stress curve changed with time of hydraulic support on node 41540 is shown in Fig.8. The equivalent strain curve changed with time of hydraulic support on node 41540 is shown in Fig.9. Relevant equivalent stress unit is 105 Pa. Relevantequivalent strain unit is 10-3 İ. Relevant time unit was second. In Fig.7, Pe is test pressure, whose value is 39.72 MPa that is 1.2 times normal working pressure 33.1 MPa. Pc is feed liquid pressure, whose value is 31.5 MPa. t1 is original load period. t2 is increase pressure period. t3 is steady pressure period. t4 is uninstall period. T is one load period. t1 , t2 and t4 are all ten seconds. t3 is five minutes.Fig.7 Load course curve of hydraulic support strength testFig.8 Equivalent stress curve of node 41540 changed with timeFig.9 Equivalent strain curve of node 41540 changed with timeFig.8 and fig.9 show that when the load press is up to maximum 7800 KN that is 1.2 times hydraulic support work resistance 6500 KN the stress produced on node 41540 is 328 MPa, which is between proportional limit stress 270 MPa and yield strength 340 MPa. Then, after first complete uninstall, a little residual stress 37.2 MPa and residual strain 186 İ was produced. After repeated load, hydraulic support material will not produce the accumulation on residual stress and residual strain, as long as repeated load press is not bigger than the maximum press value at uninstall. It extends the elasticity work area of hydraulic support material. The proportional limit stress was heightened to the maximum stress value produced by maximum uninstall press virtually. So, hydraulic support load capability and strength were enhanced greatly.IV. CONCLUSIONThe structure statics analysis of ZT6500/19.5/34 hydraulic support strength test under base torsion load working condition by ANSYS software was proceeded. User can know the total displacement distribution rule and equivalent stress distribution rule of hydraulic support. Transient dynamics analysis of ZT6500/19.5/34 hydraulic support strength test under base torsion load working condition was proceeded. User can know the rule of equivalent stress and equivalent strain changed withtime produced from hydraulic support strength test load course.Structure statics analysis and transient dynamics analysis provide effective ways on design and research hydraulic support.REFERENCES1 Guofa Wang, Hydraulic support technology, Coal Industry PublishingHouse, Beijing, 1999 (In Chinese).2 Jin Duan, Dong Ni and Guoye Wang, ANSYS 10.0 structure analysis fromaccidence to mastery, Weapon Industry Publishing House, Beijing 2006 (InChinese).3 Peoples republic of China coal industry standard MT312-2000 generalspecification for powered support, Coal Industry Publishing House, Beijing,2001 (In Chinese). 中文译文液压支架的静力分析和模态分析摘要：液压支架是综采设备和现代化安全生产的重要组成部分。本文以ZT6500/19.5/34液压支架为例。根据国标，采用ansys软件对之前底座扭转工作条件下液压支架强度试验的结构进行静力分析和瞬态分析。得到液压支架相关的位移分布云图和等效应力分布云图，对等效应力、等效应变、残余应力和残余应变