郭家湾煤矿30101工作面液压支架位移分析.pdf

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煤矿 现代化 2 0 1 3 年第4 期 总第1 1 5 期 郭家湾煤矿 3 0 1 0 1 工作面液压支架位移分析 宫晋娜 , 熊崇山 ,曲增杰 。 , 熊 图 。 1 . 内蒙古科技大学矿业工程学院,包头 0 1 4 0 1 0 ; 2 . 中国国电集团, 北京 1 0 0 0 8 0 ; 3 . 国电龙源电力技术工程有限责任公司, 北京 1 0 0 0 3 9 摘要利用 s o l i d w o r k s 建立 了液压 支架三维模型 ,并将模 型导入 A N S Y S有限元分析软件, 对液压 支架在矿山压力下的变形进行有限元分析 , 对支架不同部件的变形的大小分析 比对。 简介形变对液压 支架正常工作的影响, 为液压支架设计提供科学的参考依据。 关键词 液压支架; 矿山压力;变形分析 ; 数值模拟 中图分类号 T D 3 5 5 . 4 1 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 9 0 7 9 7 2 0 1 3 0 4 0 0 1 3 0 3 在煤矿开采过程 中, 顶板管理一直煤矿安全生产 工作的重点和难点 , 调查统计显示 , 在所有 的煤矿事 故中, 有大约一半的事故是顶板事故引起的。 因此, 为 了加强安全生产丁作 ,保证人们 的生命财产安全 , 做 好顶板管理工作显得十分必要 。 _ 1 l 液压支架是煤矿顶 板管理的主要设备 , 其投资约 占工作面成套设备总投 资的 6 0 %以上 ,其适应性和可靠性是决定工作 面能 否安全高效生产的关键因素之一[2 】。支架的型式试验 和井下使用表明, 偏载和扭转工况下支架结构件损坏 的概率更大 13 ] 。形变是支架破坏的前提和先决条件。 研究支架在破坏前的形变对研究支架破坏机理有深 刻的意义。 液压支架变形的研究将为液压支架可靠性 方面的设计提供模拟实验方面的依据。 1 工作面及液压支架情况 郭家湾煤矿 3 0 1 0 1 工作 面距地表 1 0 0 ~ 1 2 0 m, 煤 层厚度 1 . 6 0~2 . 2 7 m, 平均 2 m左右 , 属结构简单的稳 定可采煤层 。3 号煤层顶板以粉砂岩及砂岩为主 , 局 部 为泥岩 ,厚度 1 ~6 m。粉砂岩之上一般均有一层 5~1 O厚的细砂岩 。通常有 0 . 1 0~0 . 3 5 m炭质泥岩或 2 该 区煤层 瓦斯 赋存 的基本格 局 , 即 自西 向 东 、 由浅至深煤层瓦斯含量逐渐增高 , 至该区深部 因 受 F 。 断层 的影响 , 煤层瓦斯又趋降低 。此外 , 受 F 。 断层 的影响 , 其附近的煤层瓦斯含量亦略有降低。 参考文献 [ 1 ]王志荣, 郎东升 , 刘士军, 等. 豫西芦店滑动构造区瓦斯地 质 灾害的构 造控 制作 用I J 1 . 煤 炭 学报 , 2 0 0 6 , 3 l 5 5 5 3~ 55 7. [ 2 ] 王志 荣, 陈玲 霞, 孙 文标 . 豫 西芦店滑动构 造 区瓦斯 突出成 因及预测研究[J 】 . 工程地质学报, 2 0 0 9 , 1 7 6 8 4 7 8 5 1 . 『 3 1林晓英, 苏现波, 颜 少权. 荥巩煤田谷 山井田构造演化与煤 层 气含量的关 系 f J ] .河南理工大学学报 , 2 0 0 8 , 2 7 2 1 6 8~ l 72. 1 4 J王淑雅, 黄丙银, 于松掌. 金龙煤矿二 , 煤层瓦斯赋存规律 及突出区域预测f J 1 . 中州煤炭, 2 0 1 0 , 8 1 0 1 ~1 0 3 [ 5 ] 曹代功. 荥巩煤田二 。 煤层煤层气赋存规律及影响因素研 究『 J 1 . 中国煤田地质, 2 0 0 9 , 2 1 6 3 4~ 3 9 . [ 6 】 于不凡. 煤矿 瓦斯 灾害防治及利用技术手册[ M ] . 北京 煤炭 工 业 出版 社 . 2 0 0 5 . [ 7 ]张子敏 ,张王贵. 三级瓦斯地质图与瓦斯治理 I J I. 煤炭学 报 , 2 0 0 5 0 4 4 5 5 4 5 8 . [ 8 】张子敏等. 瓦斯地质基础【 M] . 北京 煤炭工业出版社, 2 0 0 8 . [ 9 ]河南理工大学. 金龙煤矿二 煤层瓦斯地质编图说 明书 【 R ] . 河南焦作, 2 0 0 8 . 作者简 介 刘宏江, 1 9 7 8年 出生 , 男, 汉族 , 工程师, 2 0 0 3年毕业于 焦作工 学院采矿工程 专业 , 2 0 1 2年取得 河南理 工大 学工程硕 士学位 , 河南华安煤业有限公司安监部部长, 从事工程技术及 安 全管理工作。 收稿 日期 2 0 1 3 1 2 8 St udy i ng t h e g a s di s t r i bu t i o n r ul e o f Xi ng g o ng c o a l fie l d we s t - mi dd l e s e c t i o n I I 1 s e a m I i u H o n g j i a n g H e n a n h u a a n c o a l mi n e C o . , L t d . A n y a n g , h e n a n 4 5 5 1 3 3 Ab s t r a c t S t u d y i n g t h e g a s d i s t r i b u t i o n r u l e for t h e c o a l a n d g a s o u t b u r s t r e g i o n a l p r e d i c t i o n a n d p r e v e n t i o n h a s i mp o r t a n t i n s t ruc t i o n s i g n i fi c a n o e . Ba s e d o n g a s g e o l o g i c a l t h e o r y .a l a r g e n u mb e r o f t e s t t h e s e a m g a s c o n t e n t we r e d o n e .Xi n g g o n g c o a lf i e l d w e s t mi d d l e s e c t i o n Ⅱ1 s e a m g a s d i s t r i b u t i o n r u l e w a s a n a l y z e d , t h e c o n t r o l f a c t o r s f o r g a s d i s t r i b u t i o n wa s f o u n d . T h e r e s e a r c h r e s u h s s h o w t h a t d e p t h o f c o a l s e a m, g e o l o g i c a l s t ruc t u r e s , c o a l t h i c k n e s s a r e t h e i mp o rt a n t f a c t o r s f o r g a s d i s t r i b u t i o n for Xi n g g o n g c o a l fi e l d w e s t - mi d d l e s e c t i o n l I l s e a m. Ke y wo r ds Ga s g e o l o g y r ul e ;Ga s d i s t r i b ut i o n ;Co n t r o l f a c t o r s ;Co a l a nd g a s o u t b ur s t 】 3 煤矿 现代化 2 0 1 3 -r 第4 期 总第1 1 5 期 泥岩伪顶 , 容易垮落 。底板在井 田北部为粉砂岩 , 南 部为泥岩, 且煤层埋藏浅, 未见底鼓现象。该煤矿的 顶底板条件为中等稳定 ,是我国西北地区比较常见 的顶底板类 型。 郭家湾煤矿 3 0 1 0 1 工作面配备 Z Y 3 0 0 0 / 1 5 / 2 4 D 型液压支架, 其主要参数如下 底座长度 2 1 7 9 m m, 后 连 杆 长 6 8 7 mm, 前 连 杆 长 7 9 0 m m, 掩 护 梁 长 1 1 8 8 ram, 顶 梁 长 度 2 5 0 0 mm, 大 缸 外 /内 径 3 0 0 / 2 4 0 m m, 支架最大工作阻力 3 0 0 0 k N, 支架最大高 度 2 4 0 0 mm,支 架 最 低 高 度 1 5 0 0 mm。 支 架 宽 度 1 5 0 0 mm,支架采用箱式焊接结构 ,材质 Q 6 9 0碳素 钢。详见液压支架四连杆机构简 图 1 。 图 1 Z Y 3 0 0 0 / 1 5 / 2 4 D型液压支架四连杆结构 2 建立 三维模 型 三维模 型的建立过程对 比于二维工程 图纸相对 复杂, 但是能更好的表达真实的模型构造, 因此, 使用 C A D软件进行三维实体模型设计成为必然趋势l 4 l。 根 据液压支架的主要参数。通过 s o l i d w o r k s 三维 C A D 软 件建立 Z Y 3 0 0 0 / 1 5 / 2 4 D型液压支架 的三维模 型 , 模型中的装配关系有 2种 1 结构件的接触 。 液压支架主要部件多为大型 筋板 、 梁等组焊件, 可将其视为刚体, 元件这间的约 束, 采用 g l u e 粘接 命今。 将其组合在一起。 单元之间 仅在公共边界处相交 ,且公共边界的维数低于原始 单元一维 , 这些单元仍然相互独立 , 只是在边上相互 连接 , 液压支架 的顶梁 、 底座 、 前后连杆 以及插板等 部件均以此连接 。 2 销轴 的接触 。 液压支架的前后连杆与底座与 顶梁之间采用销轴联接 。这接触采用添加约束还处 理 , 即在两个接触面之间添加摩擦力 。 由于对液压的整合结构变形分析, 所以伸缩梁, 护帮板 、 各种阀类 、 管路等 , 均没有考虑 。 模型见图 2 。 3 有 限元模 型的转换 有关大采高综放 围压与支架 的相互作用关系 的 模 拟 研 究 还 主 要 采 用 F L A C和 A N S Y S等 软件 D 1 , A N S Y S有 限元软件是一个多用途 的有限元法计算机 1 4 设计程序 , 可以用来求解结构 、 流体 、 电力 、 电磁场及 碰撞等问题 。 将 s o l i d w o r k s 建好 的三维模 型导人 A N S Y A软 件。根据支架的主要参数定义模型的属性 , 详细情况 见模型属性表 1 表 1 模型属性表 属性名称 属性值 分析的类 型 单元的类型 材料弹性模量 泊松比 边界条件 载荷类型 划分网格类型 S t r u c t u r a l 结构分析 S o li d n o d e 9 5 2. O 0. 25 底板位移约束 U X 、 u y 、 u z 均为 0 均布载荷 四面体 自由网格 划分 4 添加载荷 郭家湾煤矿 3 0 1 0 1 工作面配备有 K J 6 9 3煤矿顶 板动态监测系统 ,该系统用于煤矿顶底及围岩进行 动态实时监测的系统。该系统通过压力传感器实时 监测液压支架立柱大缸内液体的压强。通过计算机 将液压信号转化电子信号,并将监测数据时时地显 示在设备终端 的显示屏上 。如郭家湾煤矿 3 0 1 0 1 T 作面 6 8月矿山压力监测图 2 。 图 2 郭家湾煤矿 3 0 1 0 1 工作面 6 8月矿 山压 力监测 图 郭家弯煤矿 3 0 1 0 1 工作面 6 8月份之间 ,矿 山 压力最大值为 2 3 M P a ,最小值为 1 0 M P a ,平均值为 1 6 . 5 MPa 。 支架所承受的载荷用如下公式计算 F n P S 式中 F 为支架所受 的载荷 ; P 为工作面 的矿 山压 力 ; S为立柱千斤顶内缸的面积; n为立柱的根数 。 由郭家湾煤矿 3 0 1 0 1 工作面 6 8月矿 山压力监 测图可知 ,郭家弯煤矿 3 0 1 0 1工作 面矿 山压力 P为 1 6 . 5 MP a 。郭家湾煤矿液压支架的立柱千斤顶内缸径 为 2 4 0 mm,外 缸 径 为 3 0 0 mm。 内缸 的 面 积 s为 0 . 0 4 5 m 。 工作面的矿 山压力 P为 3 1 . 5 MP a 。 两柱式掩 护液压支架 n取 2 。 F郭家湾 20 . 0 4 5 X 1 6. 5 1 0 3 k N/ m 1 48 5 k N 由于液压支架的立柱千斤顶在T作过程 中是可 伸缩的结构 。立柱千斤顶变型是机械变形 , 所以不对 立柱千斤顶的变形进行分析 ,在建模过程中将立柱 千斤顶的单元定义为死单元 。将立柱千斤顶对液压
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