專利名稱：液壓支架圍巖耦合三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液壓支架的設(shè)計(jì)方法，具體的說就是考慮采煤工作面圍巖動(dòng)態(tài)影 響的液壓支架三維設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
在闡述具體技術(shù)問題之前，首先說明下面三個(gè)詞匯的含義工作面圍巖采煤工作面受開挖影響范圍內(nèi)的巖層，分為頂板、煤層和底板三部 分。液壓支架采煤工作面支護(hù)設(shè)備，用來支撐和控制頂板，隔離采空區(qū)；與采煤機(jī)配 套使用，實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化。耦合即依賴性、相互影響。支架的邊界條件即為圍巖，而支架的特性又影響圍巖 的垮落特性和應(yīng)力、應(yīng)變場的分布。目前液壓支架設(shè)計(jì)沒有考慮工作面圍巖的動(dòng)態(tài)特性，主要以靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為主。 在采煤工藝、支護(hù)強(qiáng)度確定的情況下，綜合確定的支架高度、工作阻力和架型后，對連桿機(jī) 構(gòu)、頂梁、掩護(hù)梁等關(guān)鍵部件的幾何尺寸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)優(yōu)化，保證支架擁有最佳的梁端距曲 線；對支架進(jìn)行平面受力分析，得出支架各個(gè)主要部件在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中所承受的力和力 矩的最大值，據(jù)此進(jìn)行頂梁、掩護(hù)梁、底座的等主要部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。液壓支架靜態(tài)設(shè)計(jì)及其力學(xué)計(jì)算是建立在采高不變、支架結(jié)構(gòu)對稱、受力均勻、沒 有沖擊的基礎(chǔ)上的，在正常地址條件和受力環(huán)境下，誤差不大，且計(jì)算簡單、設(shè)計(jì)速度快，適 當(dāng)加大安全系數(shù)后可適應(yīng)工作面推進(jìn)全過程的應(yīng)用。但隨著工作面長度增加，采高增大， 圍巖的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律也越來越復(fù)雜，支架承受的來自圍巖和相鄰支架的作用力越來越不均 衡；且在整個(gè)工作面走向長度上，采高的變化范圍在增大，因而要求支架在不同工作高度時(shí) 都要有良好的支護(hù)性能。目前，采用靜態(tài)力學(xué)分析設(shè)計(jì)的支架在大采高復(fù)雜圍巖條件下的適應(yīng)性差，倒架、 壓架、結(jié)構(gòu)件損壞的情況越來越多。從設(shè)計(jì)角度分析，主要有以下原因(1)設(shè)計(jì)時(shí)只將支架作為一個(gè)受力體單獨(dú)考慮，而沒有將其放入工作面采煤環(huán)境 中與圍巖作為一個(gè)整體力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析。簡化的因素過多，不能適應(yīng)整個(gè)工作面地質(zhì)條 件的變化；(2)設(shè)計(jì)時(shí)未考慮在工作面不同位置支架所受壓力、彎矩、扭矩等的差別，以及礦 壓顯現(xiàn)時(shí)支架的受力狀態(tài)，無法準(zhǔn)確得出支架承受的最大外部載荷；(3)對于煤層賦存高度變化較大的工作面采用一次采全高采煤方法，要求支架能 夠在多個(gè)工作高度都能夠保持穩(wěn)定的支護(hù)性能。采用靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的支架顯然無 法滿足這一要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對目前支架靜態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不足及大采高長壁工作面的特點(diǎn)，提出了一種綜合考慮工作面整個(gè)采煤過程中圍巖運(yùn)移及采高變化對于支架動(dòng)態(tài)影響的 支架三維設(shè)計(jì)方法。本發(fā)明方法可有效解決目前支架設(shè)計(jì)針對性、適應(yīng)性差的問題。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明方法采用如下技術(shù)方案首先從圍巖的運(yùn)移規(guī)律出發(fā)，采用離散元軟件模擬工作面推進(jìn)過程中頂板、煤層、 底板的破壞、離層、斷裂、回轉(zhuǎn)、垮落等運(yùn)動(dòng)過程，并通過應(yīng)變場、應(yīng)力場、破壞區(qū)域等可量化 形式進(jìn)行記錄和直觀反映；隨后建立支架-圍巖耦合模型，將工作面圍巖與支架作為一個(gè) 整體力學(xué)系統(tǒng)，通過圍巖運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)提出對支架主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)性能的要求。在初步確定支 架主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式后，計(jì)算和模擬支架對圍巖運(yùn)動(dòng)的反向支護(hù)效果和控制作用。循環(huán) 優(yōu)化支架參數(shù)，直至得出一組數(shù)據(jù)能夠使支架對圍巖具有最佳的支護(hù)效果。具有最佳總體結(jié)構(gòu)參數(shù)的支架，其在工作面推進(jìn)過程中的不同時(shí)刻、工作面的不 同位置及不同地質(zhì)工況下的受力狀態(tài)是千差萬別的。綜合考慮各種工況，以如下三類惡劣 工況為主要研究對象(1)整個(gè)工作面推進(jìn)過程中不同采高情況下的支架受力；(2)由工作面壓力分布不均勻?qū)е碌囊簤褐Ъ芷d、扭轉(zhuǎn)工況；(3)頂板來壓時(shí)，跨落巖石對支架掩護(hù)梁的沖擊；上述三種工況全面考慮了頂板最大來壓、工作面最易片幫、支架所受偏載最大、支 架頂梁受力合力作用點(diǎn)最靠前或靠后等多種特殊情況，保證支架具有足夠廣泛的適應(yīng)性。通過動(dòng)力學(xué)分析軟件實(shí)施上述三種工礦下的支架受力分析，總能夠得出支架零部 件上拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)內(nèi)力的分布規(guī)律。因而，可以進(jìn)一步結(jié)合結(jié)構(gòu)布置需求，采用有限元 分析的方法優(yōu)化支架截面的結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸。上述的液壓支架圍巖耦合三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，其特征在于模擬和研究工作面推進(jìn) 過程中支架在不同的工作高度、工作面的不同位置以及礦壓顯現(xiàn)時(shí)的受力狀況，從時(shí)間和 空間兩個(gè)方面對原有支架靜態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行擴(kuò)展。上述的液壓支架圍巖耦合三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，其特征在于建立支架圍巖耦合整體 力學(xué)系統(tǒng)，據(jù)此設(shè)計(jì)和優(yōu)化支架的總體參數(shù)和結(jié)構(gòu)尺寸，提高其對工作面圍巖的適應(yīng)性。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和效益(1)本方法考慮了整個(gè)工作面開采全過程，能夠有效提高液壓支架對于不穩(wěn)定煤 層的適應(yīng)能力，從而降低工作面采煤設(shè)備的故障率，提高工作面推進(jìn)速度；(2)本方法在液壓支架設(shè)計(jì)之初即將圍巖對支架的偏載、扭轉(zhuǎn)、水平載荷等考慮到 設(shè)計(jì)過程中，同步解決了支架的穩(wěn)定和強(qiáng)度問題。(3)本方法考慮到頂板來壓對于掩護(hù)梁的沖擊，有效提高了支架的可靠性。液壓支架圍巖耦合三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法從頂板運(yùn)動(dòng)規(guī)律出發(fā)，運(yùn)用一系列的條件動(dòng) 態(tài)規(guī)劃支架的結(jié)構(gòu)型式和尺寸大小，使之能夠滿足和適應(yīng)頂板運(yùn)移規(guī)律的要求，安全有效 的支撐頂板和維護(hù)其穩(wěn)定性。下面以大采高放頂煤液壓支架的設(shè)計(jì)過程為例對本發(fā)明所闡述的設(shè)計(jì)方法和技 術(shù)做進(jìn)一步的說明，以使公眾對發(fā)明內(nèi)容有更為詳細(xì)和充分的了解，而并非對本發(fā)明保護(hù) 范圍的限定。前述部分依據(jù)充分公開了本發(fā)明可以實(shí)施的保護(hù)范圍。因此，凡依照本發(fā)明 公開內(nèi)容進(jìn)行的任何本領(lǐng)域公知的等同替換，均屬對本發(fā)明的侵犯。


圖1為本發(fā)明方法所闡述的設(shè)計(jì)流程；圖2為采用本發(fā)明方法建立的支架圍巖耦合模型視具體實(shí)施例方式依據(jù)圖1所示的液壓支架圍巖耦合設(shè)計(jì)流程，在離散元分析軟件中，建立大采高 綜放開采支架圍巖關(guān)系耦合模型。模擬隨工作面推進(jìn)，圍巖逐漸呈現(xiàn)的出頂煤離層、頂煤初 次垮落、頂煤二次垮落、頂煤三次垮落、直接頂離層、直接頂一次垮落、直接頂二次垮落等頂 板(煤)的運(yùn)移狀態(tài)，并且隨工作面的推進(jìn)，其各個(gè)過程循環(huán)往復(fù)，互相重疊，共同對工作面 支架作用。其中，頂板和頂煤的地質(zhì)特性和垮落特征可以通過輸入特定礦區(qū)的煤層地質(zhì)條 件，并結(jié)合已有的觀測資料和礦壓理論進(jìn)行修正和調(diào)整。在離散元軟件分析時(shí)，首先采用大采高放頂煤組合懸臂梁模型(如圖2所示)初 步確定支架合理的支護(hù)強(qiáng)度。然后，以支架工作阻力、立柱數(shù)量、頂梁長度、支架中心距、最 大最小高 度等結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量，以頂板應(yīng)力分布及支架前端底板比壓等圍巖力學(xué)狀態(tài)為目 標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，其表達(dá)式為
目標(biāo)函數(shù)
權(quán)利要求
液壓支架圍巖耦合三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，其特征在于從圍巖的運(yùn)移規(guī)律出發(fā)，模擬工作面推進(jìn)過程中頂板、煤層、底板的運(yùn)動(dòng)過程；建立支架 圍巖三維耦合模型，將工作面圍巖與支架作為一個(gè)整體力學(xué)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行分析計(jì)算，得出支架對圍巖具有最佳支護(hù)效果所應(yīng)具備的參數(shù)；具有最佳總體結(jié)構(gòu)參數(shù)的支架在工作面推進(jìn)過程中的不同時(shí)刻、工作面的不同位置及不同地質(zhì)工況下承受三類惡劣工況(1)整個(gè)工作面推進(jìn)過程中不同采高情況下的支架受力；(2)由工作面壓力分布不均勻?qū)е碌囊簤褐Ъ芷d、扭轉(zhuǎn)工況；(3)頂板來壓時(shí)，跨落巖石對支架掩護(hù)梁的沖擊；模擬支架在上述工況下的受力，得出支架零部件上拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)內(nèi)力的分布規(guī)律；結(jié)合結(jié)構(gòu)布置需求設(shè)計(jì)支架截面的結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓支架圍巖耦合三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，其特征在于建立支架 圍巖耦合整體力學(xué)系統(tǒng)，直接觀察和記錄支架結(jié)構(gòu)形式及其主要參數(shù)對圍巖運(yùn)移的影響。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓支架圍巖耦合三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，其特征在于模擬和研 究工作面推進(jìn)過程中支架在不同的工作高度、工作面的不同位置以及礦壓顯現(xiàn)時(shí)的受力狀 況，從支架工作的時(shí)間和空間兩個(gè)范圍內(nèi)考慮其設(shè)計(jì)計(jì)算。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液壓支架圍巖耦合三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法，其特征在于將頂板垮 落巖石對支架掩護(hù)梁的沖擊計(jì)算作為支架設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種考慮采煤工作面圍巖動(dòng)態(tài)影響的液壓支架三維設(shè)計(jì)方法，其采用離散元軟件模擬工作面推進(jìn)過程中頂板、煤層、底板的運(yùn)動(dòng)；建立支架-圍巖三維耦合模型，計(jì)算支架對圍巖運(yùn)動(dòng)的反向支護(hù)效果和控制作用。循環(huán)優(yōu)化支架參數(shù)，得出對圍巖具有最佳支護(hù)效果的結(jié)構(gòu)。液壓支架在工作面推進(jìn)的不同時(shí)刻、不同位置及不同地質(zhì)條件下存在偏載、扭轉(zhuǎn)及垮落巖石對支架掩護(hù)梁的沖擊等受力情況，采用動(dòng)力學(xué)軟件模擬得出支架零部件上拉壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)內(nèi)力的分布規(guī)律。結(jié)合結(jié)構(gòu)布置需求，采用有限元方法設(shè)計(jì)和優(yōu)化支架結(jié)構(gòu)形式。本發(fā)明提出的設(shè)計(jì)方法能夠有效提高液壓支架對于圍巖變化的適應(yīng)能力，增強(qiáng)其穩(wěn)定性和可靠性，保證采煤工作安全、高效的進(jìn)行。
文檔編號E21D15/44GK101936171SQ201010231729
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者任懷偉, 劉俊峰, 王國法 申請人:天地科技股份有限公司