（机械设计及理论专业论文）大采高液压支架适应性及结构强度有限元分析.pdf

摘要 大采高综采技术是回采3 5 m 一5 o r 中厚煤层实现高产高效的主要途径， 在我国许多矿区都得到推广应用。本文通过理论分析系统地研究大采高综采 顶板的运动规律，以及顶板的破坏情况，分析了顶板下沉量的影响因素。大 采高综采支架稳定性( 高架稳定性) 是该采矿方法能否顺利实施的另一关键 问题，运用所提出的。力平衡区”的概念判断支架稳定性，方法简单，便于 在现场推广应用。根据现场矿下实测数据，对z y l 0 8 0 0 2 8 6 3 两柱支撑掩护 式支架的适应性进行分析，得出了支架所采用的工作阻力是合理的。同时对 液压支架结构件几种加载试验进行了研究，总结了其应力分布特点，为支架 设计提供参考。 关键词：液压支架大采高综采支架稳定性适应性力平衡区应力分析 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo ft h eh i g hh e i g h ta n ds y n t h e t i c a lm i n i n gi st h ep r o d u c t i v e a n de f f i c i e n tm e t h o dm a i n l yu s e df o rm i n i n gt h eh e i g h to f3 5 mt o5 0 mc o a l c o a t i n g b e c a u s eo ft h i sc h a r a c t e r , t h i st e c h n o l o g yw a se x t e n d e da p p l i e di no u r c h i n e s em a n yd i g g i n g s b a s e do na c a d e m i ca n a l y s e ，t h em o v e m e n tr u l eo ft h e t h eh i g hh e i g h ta n ds y n t h e t i c a lm i n i n gc o p i n ga n dt h eb r o k e nc i r c so fc o p i n g w e r es y n t h e t i c a l l yr e s e a r c h e d ，a l s o ，t h ef a c t o r so fc o p i n gs i n k a g ew e r ea n a l y s e d w h e t h e rt h i sm i n i n gm e t h o dc o u l db ep u ti np r a c t i c ef a v o r a b l y , a n t h e ri m p o r t a n t f a c t o ri st h es t a b i l i t yo ft h eh i g hh e i g h ta n ds y n t h e t i c a lm i n i n g t h ec o n c e p t i o n “f o r c eb a l a n c ea r e a ”w a su s e df o re s t i m a t e dt h es t a b i l i t yo fb r a c k e te f f i c i e n t i n a d d i t i o n ，t h i sm e t h o dw a ss i m p l ea n dc o n v e n i e n t b a s e dt h et e s t e dp a r a m e t e r s d a t ao ft h em i n e ，t h e a d a p t a b i l i t y o fb r a c k e to fz y l0 8 0 0 2 8 6 3w a s a n a l y s e d 。f r o mt h ea n a l y z i n g t h ec o n c l u s i o nt h a tt h ew o r k i n gr e s i s t a n c ew a s s e n s i b l ew a sd r a w e d s o m el o a d i n ge x p e r i m e n t sf o rc o m p e n t so fh y d r a u l i c p r e s s u r eb r a c k e t sw e r ei n v e s t i g a t e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t r e s sd i s t r i b u t i n g w e r ec o n c l u d e d ，s ot h a ti tc o u l dp r o v i d es o m ec o n s u l t a t i o n sf o rb r a c k e t s d e s i g n i n g k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp o w e rs u p p o r t ：h i g hc u ti nf u l l ym e c h a n i z e dc o a lm i n i n g ： s t a b i l i t yo fs u p p o r t ；a d a p t a b i l i t yo fs u p p o r t ；t h ea r e ao ff o r c e e q u i l i b r i u m ； s t r e s sa n a l y s e 创新点声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行 的研究工作及取得的研究成果： 本论文利用“力平衡区”概念对z y l 0 8 0 0 2 8 6 3 型两柱 支撑掩护式支架进行稳定性分析，得出支架稳定工作的条件。 项板压力的合力作用点是否在附加力平衡区和平衡区范围 内。如果在该范围内，则支架能稳定工作。否则，支架将会 失去平衡状态。 尽我所知，到目前国内外文献未见报道。 饴喜1 钐前 作者：= ! 竺= 日期：塑2 ：f ：尘 辽宁工程技术大学硕士学位论文 l 丽青 1 1 课题的提出 中国煤炭储量丰富，厚煤层储量占总储量的4 3 ，缓倾斜厚煤层煤炭产 量占总产量的4 5 左右“”我国很多矿区赋存有3 5 5 o m 厚的煤层，这类 煤层在邢台、开滦、徐州、龙口、兖州、淮j 、阜新、双鸭山、义马、西山、 铜川、阳泉等矿区均为主采煤层。甚至更厚的煤层达到6 m 以上，如山西晋 城，神东等矿区n 1 。国内外研究和生产实践表明，煤炭生产的高产高效和现 代化是当今国际煤炭工业的发展方向，也是我国煤炭行业的必然选择，这就 要求大力发展厚煤层综合机城化采煤。对于煤层倾角小于3 0 0 的厚煤层开采， 国内外的开采方法有沿倾斜方向分层开采( 包括分层下行长壁垮落采煤法和 分层上行长壁充填采煤法) 、一次采全高整层开采( 即大采高综采) 、放顶煤 开采方法等。在以上各种采煤方法中，大采高综采是指对3 5 5 m 厚的煤层一 次采全高的综合机械化开采大采高综采是在中厚煤层综采的基础上，研制 适应采高增大的成套设备和工艺技术后逐步发展形成的n ”。 对于煤层倾角小于3 0 0 的厚煤层开采，大采高综采与放顶煤采煤法相比 具有下列优点； ( 1 ) 煤炭资源回收率高： ( 2 ) 煤炭含矸率低； ( 3 ) 采煤工作面煤尘少、自然发火和瓦斯涌出安全性好等优点； ( 4 ) 对于3 4 m 不适宜放顶煤开采的厚煤层，大采高具有工效高、成本 低等优点。 大采高综采与分层开采相比，具有下列优点口”： ( 1 ) 工作面产量和效率有大幅度提高； ( 2 ) 回采巷道的掘进量比分层减少了一半，并减少了铺设金属网假顶 的工序； ( 3 ) 减少综采设备搬家次数，节省搬家费用，增加了生产时间。 大采高综采与一般采高( 采高小于3 m ) 综采相比具有下列优点： ( 1 ) 工作面生产能力大、有利于合理集中生产； 辽宁工程技术大学硕士学位论文2 ( 2 ) 回采工效和煤炭资源回收率高、巷道掘进率和维护量低； ( 3 ) 设备搬家倒面次数少、简化回采工艺和巷道布置； ( 4 ) 节约材料( 如节约人工铺设的假顶材料) 和回采成本低等。 大采高综采所具有的优势使得在国内井被广泛地采用，现已成为国内外 厚煤层综采的主要发展方向之一。 但是，经过许多专家、学者多年理论研究及现场观察发现，这种采煤新 工艺工作面内支架一围岩系统稳定性差、事故率高，尤其严重的是高架稳定 性事故率高达1 9 以上，远高于一般采高( 2 3 m ) 综采面。大量的高架稳定性 事故大大加剧了采面设备的磨损和老化，高架的咬架、倒架事故直接引发顶 板事故。另外，在产品的开发过程中，设计对产品的成本起着决定性的影响。 传统的产品开发的方法是首先根据给定的功能绘图、试制样机，然后对样机 进行实验和评价如果对样机的实验结果不满意，再变更设计，重新试制样 机，直到对实验和评价的结果满意为止。这样对于支架在设计上的难度、材 料、工时消耗很大，严重制约了大采高综采效能的发挥。 z y l 0 8 0 0 2 8 6 3 两柱支撑掩护式支架是郑州煤矿机械设备有限责任公司 为神东集团研制的大采高支架。由于神东公司各矿的情况不同，根据矿下实 铡来压数据对支架的适应性进行分析：针对大采高支架稳定性差的特点，利 用力平衡区原理，画出力平衡区图，得出支架稳定工作的条件。论文以大采 高支架建立三维模型，在有限元软件中对大采高支架进行加载试验。加载依 据实际工况条件支架易出现的闯题，进行偏载、扭转等试验，得出各主要受 力点和绞接点的应力图，为支架单位提供一定的设计依据。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 大采高液压支架国外研究现状 国外自7 0 年代中期开始发展大采高液压支架，1 9 8 0 年前西德赫姆夏特 公司开发g 5 5 0 一2 2 6 0 掩护式支架，最大高度6 m ，采用三伸缩立柱，工作 阻力2 x 22 5 0 = 45 0 0 k n ，支护强度0 7 0 8 m p a ，伸缩梁长6 5 0 m m ，前端支撵 力5 1 7 k n ，可翻转护帮板长达1 5 m ，端部支撑力可达2 0 k n 。支架装油初撑 力自保先导阀，四连杆机构的前连杆用两个液压短柱代替，可防止大采高支 辽宁工程技术大学硕士学位论文3 架在各种过载工况下损坏构件这种支架在威斯特伐伦矿s o n e n s c h e i n 煤层 使用，经历了煤层倾角扭转等地质条件变化的考验，证明能可靠的控制顶板， 保证工作面正常生产这种支架曾出口到南斯拉夫的v e l e n g 矿使用，取得了 良好效果 近年来，德国的大采高支架技术又有了较大发展，支架结构进一步完善， 采用了高可靠性设计和先进的电液控制技术1 9 9 5 年，我国神府矿区大柳塔 煤矿引进了德国威斯特伐利亚公司生产的w s l 7 6 7 5 0 ，2 1 4 5 两柱掩护式大 采高支架，最大高度4 5 m ，工作阻力67 5 0 k n ，中心距1 7 5 m ，采用电液控 制系统。 波兰有不少厚煤层储量，7 0 年代末波兰设计开发了p 1 0 m a 系列二柱掩 护式大采高液压支架，高度2 4 - 4 7 m ，工作阻力40 0 0k n 。近年来，波兰主 要液压支架生产厂f a z o s 开发了f a z o s 一2 2 4 5 一p o z 、f a z o s 一2 1 5 3 一 o z 、f a z o s 一2 8 6 0 一o z 型大采高液压支架，最大高度达6 m ，支护强度 1 6 m p a ，出口到捷克等国家。 美国3 m 以上厚煤层探明储量l1 3 0 亿t ，主要分布在西部各州，1 9 8 3 年开始在怀俄明州卡帮县( c a r b o nc o u n t y ) l 号矿用长壁综采开采h a n n a n o 8 0 特厚煤层，顶板为炭质页岩，抗压强度2 5 m p a ，煤层抗压强度9 5 m p a ， 煤层厚度7 6 m ，倾角变化较大，采高4 5 6 o m ，工作面长1 8 3 m ，走向长21 3 0 m ， 使用德国克吕克纳一贝考立特公司的二柱掩护式支架，高度2 3 4 7 m ，工作 阻力4 9 m n ，整体顶梁带侧护板和护帮板，顶梁前端支撑力可达5 0 0 k n 。采 煤机为美国乔伊公司生产的2 l s 型电牵引采煤机，装机功率4 2 0k w ，采高 2 2 - 4 5 m ，滚筒尺寸0 2 1 3 r e x 0 9 9 m ，实际截深o $ 6 m 。该工作面每班配套 1 0 个工人。单班生产日产量36 0 0 t ，两班生产日产量为50 0 0 t ，三班生产日 产量为62 0 0 t ，工作面工效达2 1 0 3 6 0 t i 。1 9 9 0 年1 0 月底，怀俄明州舒舒 尼( s h o s h o n e ) 矿开始使用英国安德森公司生产的e l e c t r a - - 10 0 0 电牵引采 煤机和k b 公司生产的二柱大采高掩护式支架，开采4 5 m 煤层，实现了高 产高效。 法国洛林矿区著名的高产高效矿井拉乌费( l a h o w v e ) 矿，1 9 8 6 年6 月开始在a l b e r t 厚煤层进行一次采全高综采，采高4 3 m ，工作面倾角5 - 1 5 ， 辽宁工程技术大学硕士学位论文 4 工作面长2 0 0 m ，使用m f i 公司生产的二柱掩护式大采高支架，工作阻力2 2 2 = 4 4 k n ，高度1 6 4 5 m ，采用双伸缩立柱，顶梁带伸缩梁和护帮板，配套 s a g e m 公司的熊猫牌采煤机，电机功率5 0 0 k n ，最大采高4 4 m ，摇臂长2 2 5 0 m m ，滚筒尺寸m 2 3 o 7 5 m ，液压无链牵引输送机为g e r l e c h 公司的 2 x 3 1 5 k w 工作面输送机，运输能力17 5 0 t h 。1 9 8 8 年该大采高工作面平均日 产61 6 5 t ，最高日产1 70 0 0 t 。1 9 8 0 年法国煤炭研究院已完成这种4 5 m 煤层 综采工作面日产2 00 0 0 t 的可行性研究，并投入实施。 除上述各国外，南非、澳大利亚等主要采煤国都进行了大采高综采试验， 取得成功。所有的大采高支架多数是引进德、英等国的产品。 目前，国强厚煤层大采高液压支架的最大支撑高度已达7 m ，采煤机最 大采高己达5 4 m 。各国的生产实践表明，在一些良好的地质和生产技术条件 下开采较硬的煤层，大采高综采实现了高产高效、高安全、高回收率和经济 效益好的目标，但大采高综采开采缓倾斜厚煤层的经济效益从总体上来看仍 需继续提高。国外一般认为：设备重型化和尺寸加大、煤体片帮与顶板冒落、 高架稳定性、大断面顺槽开掘与支护、采面运输等都是限制大采高综采取得 显著经济效益和推广应用的障碍。因此，世界主要产煤国至今仍在积极地改 进、完善大采高液压支架，并不断进行现场实践和扩大大采高综采的应用范 围。 1 2 2大采高液压支架国内研究现状 我国是世界上厚煤层储量最大的国家之一，在全国统配煤矿中，厚度在 3 5 m 以上的煤层约占总储量的4 3 。山西、山东、河北、河南、辽宁、内 蒙等矿区，平均厚度3 5 - 5 m 的煤层为主采煤层。我国于1 9 7 8 年引进德国赫 姆夏特公司g 3 2 0 2 3 4 5 型掩护式大采高液压支架及相应的采煤、运输设备， 在开滦范各庄矿l4 7 7 综采工作面开采7 撑煤层，开采效果良好。 研制适应这种厚煤层一次采全高的大采高液压支架及配套设备，研究大 采高工作面支护技术、生产工艺以实现安全高产高效生产成为一项极其重要 的课题。七五”以来，我国投入较大的人力和物力，组织了较大规模的技 术攻关，取得了重要成果。 1 9 8 5 年在西山矿务局宫地矿首次进行国产b c 5 2 0 2 5 4 7 型支撑掩护式大 辽宁工程技术大学硕士学位论文5 采高液压支架试验，开采的8 # 煤层平均厚度4 5 m ，倾角小于54 ，在采高 4 0 m 及i i 级3 类顶板条件下，支架经历了仰斜、俯斜和斜推使用，综采工 作面3 个月产煤1 1 2 万t 。1 9 8 6 年我国研制的b y 32 0 0 2 3 4 5 型掩护式支 架在邢台矿务局东庞矿试验成功，配套西安煤机厂制造的m x a - - 3 0 0 型双滚 筒采煤机和西北煤机厂制造的s g z 一7 3 0 3 2 0 s 刮板输送机等设备在2 2 1 4 工 作面进行了工业性试验。该工作面煤层厚度4 4 5 2 m ，倾角9 1 2 。，顶板为 粉砂岩，底板为砂岩，试验期间平均月产达8 04 8 5 t ，最高月产1 3 51 4 6 t ，平 均工效2 4 t t 。1 9 8 7 - 1 9 8 8 年东庞矿又与北京煤机厂合作研制了改进型 b y 3 2 0 0 - 2 3 4 5 型和b y 3 6 0 0 - 2 5 5 0 型掩护式大采高液压支架，并成功地应用 于东庞矿2 # 煤开采。3 个月平均月产1 0 43 5 5 t ，最高月产1 4 22 l l t ，最高日 产9 49 9 7 t ，t 作面工效1 9 7 t 工，达到当时我国综采的最好水平。 开滦矿务局林南仓矿采用b y 3 2 0 0 - - 2 3 4 5 型掩护式支架在1 1 8 2 综采工 作面开采8 一l 煤层，支架在煤层倾角6 3 8 。( 平均倾角2 2 。) 及i i 级2 类 顶板条件下，经历了过老巷、断层和无煤柱等恶劣条件的考验，工作面平均 月产煤炭4 万余吨。西山矿务局官地矿、西铭矿及双鸭山局新安矿使用b c 4 8 0 2 2 4 2 型支架，总体效果良好。义马矿务局耿村矿选用q y 3 5 0 2 5 4 7 型二 柱掩护式支架，并于1 9 8 7 年l o 月在1 2 0 6 1 工作面安装投产，总体来看义马 煤田厚煤层的工程技术条件能适应4 - 5 m 厚煤层综采一次采全高的技术要 求。此外，徐州矿务局权台矿在。三软”( 顶软，底软、煤层软) 煤层，大 同矿务局在。三硬”煤层条件下，分别研制了端面支撑力大、底座比压小豹 z y r 3 4 0 0 2 5 4 7 型短顶梁插腿掩护式液压式支架及支撑能力大、切顶性能强、 整体稳定性好的t z l 0 0 0 0 2 9 4 7 型支架i 。 经过1 0 余年来的发展。我国研制和生产的大采高液压支架已有1 0 余种 架型，支架结构高度最高为5 m ，支架工作阻力最高达1 0 m n 架，架型有二 柱掩护式和四柱支撑掩护式，前梁有挑梁式和伸缩梁式两种，底座有插腿和 非插腿两种，推移机构有长、短框架和带移步横梁的多种，护帮板长度从o 8 m 增加到2 2 m 。近几年来，我国先后在开滦、西山、邢台、阳泉、铜川、徐州、 充州、义马、阜新、龙口、双鸭山等矿务局使用大采高综采采煤法，使用效 果大致可分为三类： 辽宁工程技术大学硕士学位论文6 ( 1 ) 架型与煤层赋存条件相适应，现场生产技术管理水平较高，使用 效果良好； ( 2 ) 架型参数与煤层赋存条件不适应，现场生产技术管理不当，使用 效果不佳； ( 3 ) 实际采高低于4 o m 或3 5 m ( 视不同架型而定) ，未显示出大采高 综采特点 铁全国使用情况看，邢台矿务局东庞矿综采二队和义马矿务局耿村矿综 采二队采用大采高综采( 采高分别为4 4 m 和4 3 m ) ，在1 9 8 8 年首次突破煤 炭年产量百万吨i 处于当时综采技术的较高水平。1 9 8 1 年至1 9 9 4 年，全国 累计已有3 5 9 个年产超百万吨的综采队，其中大采高综采队有1 9 个，占5 。3 。 目前，年产逾百万吨的大采高综采队中，最高年产己达1 7 0 万t ，回采工效 达8 7 9 t i 。北京开采研究所为铁法矿务局设计了z z 56 0 0 1 2 5 4 7 型支撑掩护 式支架，在大兴煤矿使用，取得了良好效果，平均月产1 5 2 0 万t 以上。根 据使用实践证明工作阻力偏低，后又设计了z z 64 0 0 2 4 1 4 7 支架。样机通过 2 00 0 0 次耐用试验，在铁法矿务局晓南煤矿使用，月产达到2 0 万t 以上，实 现了高产高效北京开采研究所为神华集团东胜矿区祁连塔煤矿设计了z y 6 0 0 0 1 2 5 1 5 0 型掩护式大采高支架，配套世界最先迸的采煤机和运输能力最大的 工作面刮板输送机等先进设备，生产能力日产1 5 万t 。为沈阳、双鸭山设计 制造的z z 60 0 0 2 5 5 0 型支撵掩护式支架均实现高产高效目标。郑州煤机厂 为大同设计的z z 99 0 0 2 9 5 5 0 型支撑掩护式支架，山西的晋兴z y 7 6 0 0 1 2 3 4 7 型掩护式支架都取得了很好的效果。 经检索和了解，在过去的几年内，人们对大采高支架的研究甚少，尤其 是超过6 m 的大采高支架的稳定性、支架结构强度的有限元分析上。 1 3 课题研究的内容及方法 本文主要从三个方面着手进行研究： 大采高综采顶板运动规律。采用理论分析的方法研究大采高综采顶板 运动规律及支架一围岩系统稳定性。通过采场围岩整体力学的模型，以砌体 粱理论为基础，分析了大采高综采顶板的破坏规律，并得出了理论上的大采 高支架的最大工作载荷q o 。根据直接项力学模型，利用公式推倒并进一步 辽宁工程技术大学硕士学位论文 7 探讨顶板下沉量、支架工作阻力、直接顶高度、直接顶弹性模量、老顶回转 角等相互关系。 大采高适应性和稳定性分析。根据实测矿下数据和支架参数来分析大 采高支架的适应性，确定支架合理的工作阻力利用了支架。力平衡区”的 概念，依据平衡千斤顶和立柱处于工作阻力时的关系式，并且加入了实际工 矿下所产生的附加载荷来确定支架稳定工作的条件 支架结构件有限元分析。利用s o l i d e d g e 软件建立各构件模型，并进 行装配。将模型导入到c o s m o s 有限元软件进行分析，根据实际工况进行顶 梁偏载、顶梁扭转和底座扭转加载试验，最后得出各试验情况的结构件的应 力。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 8 2大采高综采工作面顶板运动破坏规律 2 1 大采高综采岩层运动的基本特点 层状岩体结构是煤系地层的重要特征，随着煤层的采出，上覆岩层自下 而上依次运动，下位岩层呈现明显的剥离特征，由于岩层强度、分层厚度以 及层、节理发育情况不同，各岩层的运动和垮落步距也有所不同，并且呈现 出明显的成组运动特征，某些强度较大而又相对较厚的岩层可形成结构层， 又叫做关键层，它在岩层的运动过程中起着决定性的作用，而那些强度较低 或厚度较小的岩层作为关键层的载荷，通常将在同一组岩层中最下位岩层作 为关键层【，】。 单一煤层及厚煤层顶分层开采时，支架直接支撑的是完整性较好的直接 顶岩石，与煤体具有明显的分界面，两者的强度也具有较大的差异。由于一 次采出煤体的空间小，直接顶垮落后即可对采空区进行比较充分的充填，因 此，工作面上覆岩层垮落带及断裂带发展高度较小，即直接顶厚度较小。老 顶断裂时，其回转运动首先通过直接顶作用支架顶梁，即首先表现为支架增 阻。 对于大采高开采而言，由于采高加大，采空区空间有了较大幅度的增加， 只有更高的垮落带才能维系整个采场岩体的平衡。由于岩层顶板的分层垮落 特性，原直接顶岩层垮落后不能充满采空区时，一定厚度的下位老项岩层将 作为规则垮落带来弥补采空区充填的不足，这样，直接顶的厚度增加。实测 大采高采场直接顶的垮落高度通常为煤层采出厚度的2 o 一2 5 嘲倍。采高增 大使直接顶的垮落度增加，但直接与支架作用的仍是完整的直接顶岩石，具 有较好的传力效果，因而矿压显现明显增大。 2 2大采高开采上位岩层的平衡结构 虽然厚煤层综放工作面和大采高( 特别是采高超过5m ) 工作面一次采 出煤层高度和围岩受采动影响的范围基本相同，但是它们的矿压显现却完全 不一样吲i ”。和单一综采工作面相比，综放工作面的矿压显现常表现为支架 载荷偏低，支架前、后柱工作阻力分布不均衡，工作面“周期来压”不明显， 周期来压步距缩短，来压强度降低。但开采高度基本相同的同煤层的大采 辽宁工程技术大学硕士学位论文 9 高工作面矿压显现会明显增加，经常表现为支架载荷偏高，工作面“周期来 压”明显，来压强度增加我国7 个采高大于3 5m 的缓倾斜一次采全高综 采工作面的矿压观测结果【1 9 1 表明：与采高小于3 5 m 的综采工作面相比，采 高大于3 5m 的工作面的老顶来压强度提高了约5 2 ，周期来压步距增大了 约4 6 ，可见，随着采高的加大，工作面矿压显现的强度增加。 大采高开采工作面矿压显现的特征与直接顶( 放顶煤开采工作面包括顶 煤) 豹残余强度、厚度及损伤特性有关，而直接顶的损伤特性将影响上覆岩 层平衡结构的层位及结构形式。 随着开采活动的进行，采空区内直接顶板不规则垮落，体积膨胀，充填 采空区h 胴。上部较稳定的基本顶板将随着直接顶的垮落而弯曲、旋转，有 规则的( 岩块之间互相咬合) 下沉，直至接触、压实不规则垮落的岩石，形 成一个处于暂时平衡的岩梁( 板) ，从而形成基本顶的平衡结构。与单一或 分层开采长壁工作面不同之处忡1 ：大采高开采综采一次采出的煤层厚度成倍 地增加，煤层上覆的某些较稳定的岩层，由于需要充填空间范围的增大，岩 梁不易触矸，因而失去形成平衡的条件而只能作为直接顶板不规则垮落，虽 然大采高综采的上位岩层将会在一定的层位形成平衡结构，但与分层开采不 同的是，这种结构将出现在更高的层位( 如图2 1 ( a ) ) 。作为采动后重新平 衡地压并形成支承压力所需要的平衡岩梁必然向上位发展，煤层以上的直接 顶厚度将随之增加。由该力学模型可得： ( 1 ) 老顶岩层断裂后形成“砌体梁”结构的力学特性与形态主要取决 于采高、老顶岩层的力学特性及煤壁与采空区充填体( 含垮落的直接顶岩块) 的刚度。由于直接顶断裂角( 或煤壁支承影响角) 的影响，如果煤壁支承影 响角较大，则支架对老顶岩块( 指丑岩块) 最终回转角很难形成影响。 ( 2 ) 岩层断裂始于煤壁以内，基本顶岩块曰要达到稳定必须回转，但 由于刚断裂的岩块受到煤壁支承的影响，开始时回转角较小，其最终的回转 变形角鼠主要决定于下述关系1 2 i 】，即 b = 赫华( 2 - 1 ) 式中，m 一采高( 对放顶煤来说m 为全厚度) ； 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 0 h 一直接顶厚； 岛一直接顶垮落后未经压实的松散系数； ，一老顶破断岩块( b 岩块) 的长度。 这就是说，对于同一厚煤层，无论是大采高开采还是采用放顶煤开采， 只要一次开采出的煤层厚度相同，其上位岩层的平衡结构所处的层位就是近 似的 c a ) 考虑基本顶超前断裂影响 ( b ) 不考虑基本顶超前断裂影响 图2 i 采场甩岩整体力学模塑 老顶断裂岩块回转时对工作面可能形成影响的变形量为： s l = l 如b = 吉瞳一眠一1 ) 】。( 2 2 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 式中：l - - i 作面控顶距 又由于煤壁对“砌体梁”支撑存在影响角口，随着回采工作面的推进， 支架所形成的对老顶断裂岩块口回转的反力矩最终要变为零。因而支架无法 改变岩块曰最终的变形量墨。因此，只要在具有老顶的工作面，老顶断裂岩 块的最终变形量墨与支架阻力的大小无关嗍。 ( 3 ) 由于煤壁支撑的作用，岩块剧烈回转滞后于工作面煤壁，岩块b 完成回转的时间为该岩块断裂后到其下的直接顶全部垮落为止。在此期闻岩 块口回转的多少主要与直接顶的岩性、工作面煤壁的稳定性及支架阻力有关。 ( 4 ) 对工作面的支护来说，最为有利的情况是：尽管岩块占断裂，但 在工作面推进过程中不发生回转或只发生很小的回转，全部回转或绝大部分 回转发生在工作面推过之后，如图2 1 ( b ) 所示。 ( 5 ) 对工作面的支护最为不利的情况是：岩块口一旦断裂后，即实现 了最大的回转，使图2 1 ( a ) 中的回转角岛达到了q 。 ( 6 ) 根据支架与围岩变形的耦合关系，支架受力来源于直接顶岩柱的 重量和基本顶( b 岩块) 转动对直接顶岩块造成的挤压变形压力。基于将直 接顶视为不可自身平衡的岩体，它的重量将全部由支架支撑，其表达式为： 矿= e h l ，b p ( 2 3 ) 其中：罗 一直接顶高度； z 。一直接顶岩块的长度； b 一直接顶岩块的宽度，即与支架同宽； p 一直接顶岩柱的密度。 从安全生产的角度出发，按照最不利情况来研究支架和围岩的关系及支 架所需的支护阻力问题。 2 3直接顶为损伤状态下的给定变形压力 支架所受载荷来源于两部分，其一为顶板松脱体压力，即直接顶松散体 载荷，在基本顶形成滑落失稳时还应包括部分老顶及其负载的压力；其二为 由于基本顶断裂岩块回转时迫使直接顶变形而形成的回转变形压力，它主要 决定于基本顶的回转角及直接顶本身的损伤程度。直接顶在与上覆岩层的相 互作用中是多次损伤过程，这种损伤过程就决定着支架围岩关系l 捌。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 2 直接顶是传递因基本顶弯曲、下沉而旌加给支架压力( 给定变形压力) 的最重要的中间介质直接顶能否传递载荷则取决于直接顶的承载极限( 极 限强度) 嗍。如果直接顶己完全破坏( 如软煤) 或受压后将完全破坏而处于 滑移状态，则直接顶不能传递任何载荷，支架不受基本顶运动的影响( 无周 期来压显现) ，基本顶岩粱则处于自由平衡状态。如直接顶尚具有一定的传 递载荷的能力，则支架所受的“给定变形压力”取决于损伤后的直接顶强度 u i 4 9 1 5 0 ! 。 无论从宏观和微观，无论是受采动影响前还是采动影响后，采动围岩都 是带有损伤特性的围岩，所以采用损伤的力学方法来研究围岩是最优的方 式。特别是控项距内的直接顶，由于支架的反复支撑作用，其损伤里动态特 征，是一个动态损伤过程。 损伤力学认为，损伤只能通过有效应力影响应变的行为 3 7 j 。由此损伤材 料的本构方程的应力张量盯可由无损伤状态下的本构方程有效应力张量以 代替，设损伤材料的弹性模量为e ，无损伤材料的弹性模量为e ，则损伤变 量为： d ：毕( 2 4 ) 廿 损伤岩体的应力一应变关系也可表示为： 吒= e 乞= 0 - d ) e e 。( 2 5 ) 同济大学孙钧院士等认为，岩石细观裂纹密度q 可以较好地反映岩石细 观损伤特征，通过几种脆性岩石的应力一应变全过程曲线的分析，结合含裂 纹岩石的统计结果，提出l 捌： d ；莩丝q ( 2 6 ) l 一声 式中，以一损伤材料的即时泊松比； 一无损伤材料的泊松比。 根据细观裂纹的几何特征及体积比的概念，得q = 耐，其中为材科 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 3 系数；为单位体积内的裂纹条数，= 聪；b ，刀为材料常数：a 为细观裂 纹特征长度，口= 磊a r ( 割k ；彳为与裂纹形状和泊松比有关的系数；k 为平 面应变断裂韧度。 将上述各式进行合并简化，得d = c - 6 ，吒= 啦一e c s f 5 ，其中c 为损伤 系数，反映细观裂纹对材料应变的影响关系。由岩石应力一应变全过程曲线 峰值点的和绵可得 o p = e 8 p e c s ；- ( 2 - - 1 、 c = 量怫一争( 2 - s ) 则 厅：_ 6 e - c e - 一5 0 5 , ( 2 9 ) 己p o p 可见，利用实验求得唧和绵，就可得到c 和刀这样就得到了岩石在外 载荷作用下的本构方程，即 盯= e ( 1 一“k 基本顶砌体梁结构前、后的两个主要支撑点是煤壁和采空区矸石，同时 基本顶不会因支架的支撑而造成反向运动，考虑到直接顶的破断角，因此老 顶下沉是绝对的，将以给定变形的形式作用于直接顶，故称这部分支架载荷 为给定变形压力。 以图2 1 ( a ) 的结构模型来推导给定变形压力的计算公式，直接顶的 受力状态如图2 2 所示。从支架顶梁上任取长度为亩的单元来考虑其对支架 所传递的载荷p 。文献己证明p = b r e o s a 2 1 2 3 1 。对整个支架来说，它所受载 荷就是载荷p 沿顶梁的积分，即 f = r 尸刃= 吾f j 汤c o s 口p c 奢。4 ) 诹( 2 1 0 ) 占2 击【s m b ( 厶+ 一s i n 岛( l o + 而恤口+ 瑚( 2 1 1 ) 积分得： 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 4 f 2 虫? 螂* + - 鲁0 2 ) 蝴- s i n o 吲2 e h 础t a n a ) 7 - s c e b c o s a t ( l o + 1 ) s i n ( e , h t a n a ，7 - s 叫+ 啦州， 图2 2给定变形压力计算模型 = 三裁：塑嚣。咖 + 沪c 勖瞄a l ( 厶一1 ) s i n 一岛) 一s i n 岛_ j l 切i i 口i r 7 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 5 c ，= 片口占d v ( 2 1 4 ) 肚嚣嘉孽黔丁+ p 三( 考+ 鲁) 2 + 三( 鲁+ 芸) 2 + 三( 雾+ 韵2 。 刃= j j ( x & + y & + z s w ) d r d y d z + f 胁+ 弧+ 飘泗( 2 1 6 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文1 6 u - - u o + e a i n u ( 2 1 7 ) v = v o + 巩( 2 一l8 ) w = + c - ( 2 1 9 ) 式中，口，1 ，d ，w 口为满足边界条件得设定函数；i , 。，。为在边界上等于 0 的函数；a 。、b 。，c 。为待定常数。代入式( 2 一1 6 ) 、( 2 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 缛位 移变分方程为： 薏= 扣。, a y a z + j 风一( 2 - - 2 0 ) 瓦o u = 瓜蜘话+ j 肛加”( 2 - - 2 1 ) 瓦o u = l j l 踟。蚴出+ l p 必( 2 - - 2 2 ) 如果选取的位移表达式同时满足位移边界条件和应力边界条件，则上 式可简化为： f f j 夏南畦万妄+ v 2 小斗。撕( 2 柏) 赤畦考一力卅坳圳一2 叫， f ，f ，f l 烈j e + 朋( 1 1 印夏+ v 2 w ) + 司k 鳓= o ”( 2 2 5 ) 式中，e 为体积应变，求出a 。，占。，c 即可求得弹性体位移场，继而得到 应力应变分析的解析表达式。 2 413 问题求解 根据直接顶的力学模型，如图2 3 所示，有 体力分量：x = o ，】，= 一p g ； 面力边界条件：工= 口；x = f = 0 ；y = o ；i = d ，f = ，； 位移边界条件：x = o ；“= 1 ，= 口；y = h ；v = - - x o 。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 7 取位移分量表达式为： 甜= a x ( 1 一警( 2 2 6 ) “ 疗 y = - x s y + b - ( 1 一为( 2 - 2 7 ) ，u仃 式中，口， 、0 如图2 3 所示：、b 为待定系数。 显j l l ；，上两甄硒足i 刈题得位移边界条件，n - j 用琦兹祛求群对于平皿应 变问题，直接顶的弹性势能为： u = 赤r r 寺罡+ 劫2 + ( 罢) 2 + 陪) 2 + 三唔+ 韵2 蚴= -ab-ao(i-4f)，+aa2(2t-1)-(1-#)282+4abo+2a202(228)2(1 4 + x 1 2 ) 6 h 。 + 堑幽匕吐坠挚噬型堕玛 o 口 利用瑞兹位移变分方法，可以建立待定常数a 口得联立方程组为： 去巡型+型蚴b-a0+4at0=0(2-292(12 p ) 3 a 3 h4 ) + 声x 1 一【 、7 ( 2 3 0 ) 辽宁工程技术大学硕士学位论文 1 8 令 = 厶= i = a ( 1 - 2 # ) 3 厅 h ( 1 - 2 ) 3 a a o 0 - 4 u ) 4 弋h ( 1 - - 2 p ) 一警口一g 单一p - ( 1 4 a2 一勃h6 口3 厅 7， ( 2 31 ) ，a ( 1 - 2 ) a o ( 1 - 4 芦) 3 h4 ( h ( 1 云a 2 0 一丝幽3 h 瑚一桦4 a 一詈( 1 一丢z ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 其中，g ；2 ( 1 + p ：x i 一- 2 p ) 由此可求得： 彳= 争，丑= 争啦一s 4 ， 求出a 、b 后即可得到直接顶位移分量的具体表达式，并可进而求出应 力、应变分量来探讨直接顶的受力、变形和破坏情况。 2 4 2结果探讨 为方便起见，在探讨顶板下沉量、支架工作阻力、直接项高度，直接顶 弹性模量、老顶回转角等相互关系时，将某些参量取定值。根据实际经验， 可取a = 4 m ，p g = 2 2 x 1 0 3 k n m 3 ，h = 3 8 m ，0 = 5 。1 5 。，= o 3 ，e = i o o o p a 。 另记直接顶下边中点的垂直位移为顶板的垂直位移为顶板下沉量 2 4 2 1 支架工作阻力p 、顶板下沉量a 的关系1 1 1 分别取h = 4 m 和h = s m ，可得： 4 = o 1 3 5 2 1 0 x 1 0 - 2 p ( 2 3 5 ) 三细 琊 1 9 耋蓄喜芸要毒主? 耋妥性箍囝内，a 与尹垦反比关系，丽且直凌顶越高， l f f p = o i m p 口，则有： a o 肛警 ( 2 3 7 ) 一一 量：2 3 顶板下沉量a 与老! 回转角口的关系 取知；4 拼，p o i m p 口碣。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 其关系如图2 6 所示。 量 嘲 娉 卜 蟮 爵 m m 沉 下 板 瑗 ：0 0 0 2 3 + 0 9 0 4 。i 3 1 4 0 ( 2 3 8 ) 1 8 0 ； 一，毒一 厂 f ) 图2 5 顶板下沉量与直接顶弹性模量e 的关系 ， 卢 老顶回转角0 。 图2 6 顶板下沉量与老顶回转角的关系 辽宁工程技术大学硕士学位论文 2 l 由图中可知，老顶回转角的大小对直接顶受力变形，即支架阻力对顶 板下沉量的影响最为强烈。老顶回转角的微小增加将引起顶板下沉量的急 剧增长和支护阻力的增大，因此能否较为精确地预测老顶的破断形态与位 移是能否较为精确地确定支架工作阻力与顶板下沉量的前提与关键n “。 2 5本章小结 大采高综采能否顺利进行的关键技术之一就是对采场顶板的控制，本文 以砌体梁理论为基础，较系统地研究了大采高采场上覆岩层的结构形态和活 动规律以及顶板下沉量的影响因素。其主要结论如下： ( 1 ) 大采高综采直接顶运动一般是自下而上逐层垮落直至充满采空区 直接顶跨落的厚度一般为采高的2 o 2 5 倍。 ( 2 ) 在通常情况下，基本顶是超前工作面断裂，由于煤壁支承的作用， 岩块剧烈回转滞后于工作面煤壁，岩块口完成回转的时间为该岩块断裂后到 其下的直接顶全部垮落为止。在此期间岩块口回转的多少主要与直接顶的宕 性、工作面煤壁的稳定性及支架的支护阻力有关。 ( 3 ) 与开采放顶煤相比，大采高综采工作面周期来压的强度有所增大， 支架载荷增大，动载系数增大。大采高工作面的矿压显现表明，直接顶岩层 受损伤后，由于其残余强度较煤层大得多，传压性能较好，使大采高综采工 作面的矿压显现更加显著。 ( 4 ) 直接顶项扳的下沉量与支架工作阻力、直接顶高度、直接顶弹性 模量、老顶回转角等密切相关。 辽宁工程技术大学硕士学位论文 3大采高综采支架适应性研究 3 1支撑掩护式支架适应性分析 3 1 1支架承载力确定删 图3 1 为两柱支撑掩护式支架工作原理和受力情况示意图。 图3 1 两柱支撑掩护式支架受力示意图 p 口、分别为支柱的支捧力、支柱与垂直线的夹角，支柱在顶粱上的作用点到顶粱与掩护粱铰结点的水 平距离；z ，为平衡千斤项的压力； q 为支架承载力；j 为合力作用点到顶粱与掩护粱铰结点的水平距离；酽 为掩护粱上的荷蓑：其余参数如图3 1 中所示。 图3 1 中，以顶梁和掩护梁为隔离体，鸩= o ，得 辽宁工程技术大学硕士学位论文 ( ，+ ) p s 口一z p s i n a j l 妒一( ，+ s ) q + i f q ，g 椤一c w = o ( 3 1 ) 再取顶梁为隔离体，m s = o ，得 p c o s a + h t - s q = 0 ( 3 2 ) 由( 3 2 ) 式得 赔加一pc 0 5 口+ 是丁) ( 3 3 ) 将( 3 3 ) 式代入到( 3 1 ) 式，得 q = i 巧1 俐卜ps f f - p - s i n 口t g o 了h 丁专寸“， 3 1 2 支架承载力分析与讨论 式( 3 4 ) 中各项分析如下1 5 q