煤矿顺槽大采高超前液压支架设计与应用技术研究.pdf

论文题目论文题目 煤矿顺槽大采高超前液压支架煤矿顺槽大采高超前液压支架 设计与应用技术研究设计与应用技术研究 作者姓名作者姓名 朱志元朱志元入学时间入学时间2015 年年 9 月月 领域名称领域名称 机械工程机械工程研究方向研究方向机电液控制与自动化机电液控制与自动化 指导教师指导教师 曹连民曹连民职职称称副教授副教授 副副指指导导教教师师吴继鲁吴继鲁职职称称高级工程师高级工程师 论文提交日期论文提交日期2018 年年 4 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 5 月月 26 日日 授予学位日期授予学位日期2018 年年 6 月月 RESEARCH ON DESIGNANDAPPLICATION TECHNOLOGY OFADVANCED HYDRAULIC SUPPORT FOR HIGH GATE ROAD IN COALMINE ADissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF ENGINEERING from Shandong University of Science and Technology by Zhu Zhiyuan SupervisorAssociate Professor Cao Lianmin College of Mechanical and Electronic Engineering May 2018 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 I 摘摘要要 在现代化采煤工艺中，随着工作面自动化水平的不断提高，传统单体液压 支柱在移动速度和支护强度上已经不能满足其支护要求，超前支护严重阻碍了 工作面安全高效的生产。为了解决超前支护存在移动速度慢、支护强度不足的 问题，对顺槽大采高超前液压支架进行设计。 首先根据许厂煤矿煤层赋存条件，结合“砌体梁”围岩理论，对顶板初次 及周期来压步距、超前液压支架工作阻力进行计算，探讨煤柱宽度对顺槽稳定 性的影响，根据超前液压支架在顺槽中所需动作功能、结构特点，最终确定以 “一主两副”迈步式超前液压支架为顺槽支护支架；其次对超前液压支架零部 件进行设计，建立其虚拟样机模型，并采用有限元仿真软件 ANSYS Workbench 进行仿真分析，检验超前液压支架设计的合理性；然后根据超前液压支架的动 作功能，对超前液压支架的液压控制系统进行总体设计，采用液压仿真软件 AMESim 对超前液压支架双伸缩立柱控制回路、侧护控制回路和推移控制回路 进行仿真分析，确保液压控制系统的稳定性；最后对迈步式超前液压进行安装 与调试，介绍超前液压支架在皮带顺槽和轨道顺槽的支护方案，并且对超前液 压支架支撑能力进行观测，检验超前液压支架在实地工作中的运行效果。 通过试验分析，验证 ZCZ15000/24/45 型超前液压支架结构合理性，解决了 超前支架支护强度不足和自动化程度低等问题。“一主两副”迈步式结构优化 设计，满足了顺槽煤层赋存条件，保证超前液压支架与端头液压支架合理的配 合，对以后超前液压支架的设计具有一定的实际指导意义。 关键词关键词煤矿顺槽，超前支架，有限元分析，液压仿真 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 II ABSTRACT In the modern coal mining technology, with the continuous improvement of the working face automation level, the traditional single hydraulic prop can no longer meet its supporting requirements in the moving speed and supporting strength. The advanced support seriously hampers the safe and efficient production of the working face.In order to solve the shortcomings of slow moving speed and insufficient supporting strength in the advance support, the design of the advanced hydraulic support is designed. Firstly, according to Xuchang coal mine coal occurrence conditions, combining with the theory of “masonry beam” surrounding rock. Calculate the length of roof initial stage and cycle and the working resistance of the advanced hydraulic support. Discussing the effect of pillar width on the stability of gate road.According to the required action function and structural features of the advanced hydraulic support in the gate road, the forward hydraulic support of “one main and two pairs” is determined.Secondly, design components of advance hydraulic support components andbuildvirtualprototypemodel.Simulationanalysisiscarriedoutby ANSYSWorkbench with finite element software to verify the design of advanced hydraulic support.; Then according to the action function of the advanced hydraulic support, the overall design of the hydraulic control system is carried out. Used hydraulic simulation software AMESim to simulate and analyze the double telescopic column control loop, side protection control loop and transition control loop of the advanced hydraulic support to ensure the stability of the hydraulic control system; Finally, Installation and commissioning of stepping-type advance hydraulic support is carried out, introduction of support plan for advance hydraulic support in belt gate rade and track gate road Through experimental analysis, the rationality of ZCZ15000/24/45 advanced hydraulic support structure was verified, which solves the problem of insufficient 山东科技大学工程硕士学位论文摘要 III support strength and low degree of automation.The “one main and two pairs” stepping-typestructuraloptimizationdesignsatisfiestheconditionsforthe occurrence of gate road,ensure reasonable cooperation between the advanced hydraulic support and the face-end hydraulic support, and has certain practical significance for the design of the advanced hydraulic support. Keywords coal mine gate road, advanced support, finite element analysis, hydraulic simulation 山东科技大学工程硕士学位论文目录 I 目目录录 1绪绪论论.................................................................................................. 1 1.1课题的研究背景..................................................................................................1 1.2国内外研究现状及趋势......................................................................................1 1.3课题研究的目的及意义......................................................................................4 1.4课题的主要研究内容..........................................................................................5 2煤矿顺槽超前液压支架总体方案设计研究煤矿顺槽超前液压支架总体方案设计研究.....................................7 2.1煤矿顺槽围岩控制机理技术研究......................................................................7 2.2超前液压支架设计方案....................................................................................12 2.3本章小结............................................................................................................14 3顺槽大采高超前液压支架结构设计与有限元分析顺槽大采高超前液压支架结构设计与有限元分析.......................15 3.1超前液压支架主要结构参数设计....................................................................15 3.2大采高超前液压支架有限元分析....................................................................25 3.3本章小结............................................................................................................35 4顺槽大采高超前液压支架液压控制系统设计与仿真分析顺槽大采高超前液压支架液压控制系统设计与仿真分析...........37 4.1超前支护液压控制系统设计............................................................................37 4.2超前液压支架主要控制回路模型建立及仿真................................................38 4.3本章小结............................................................................................................59 5大采高超前液压支架在顺槽支护中应用技术研究大采高超前液压支架在顺槽支护中应用技术研究.......................60 5.1超前液压支架安装与调试................................................................................60 5.2超前液压支架在顺槽中布置研究....................................................................60 5.3超前液压支架支撑能力观测及数据分析........................................................60 5.4小结....................................................................................................................67 6结论与展望结论与展望........................................................................................69 6.1结论....................................................................................................................69 山东科技大学工程硕士学位论文目录 II 6.2展望....................................................................................................................70 参考文献参考文献..................................................................................................71 致谢致谢.......................................................................................................... 76 攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况攻读学位期间取得的学术成果和获奖情况.........................................77 山东科技大学工程硕士学位论文目录 III Contents 1Introduction...........................................................................................................1 1.1Research Background...............................................................................................................1 1.2The Research Status and Trend at Home andAbroad..............................................................1 1.3The Purpose and Significance of the Research........................................................................4 1.4The Main Research Contents....................................................................................................5 2Research on Overall Design ofAdvance Hydraulic Support in Gate Road....7 2.1Research on Control Mechanism of Surrounding Rock in Gate Road....................................7 2.2Advanced Hydraulic Support Design.....................................................................................12 2.3Summary.................................................................................................................................14 3Design and Finite Element Analysis of Advanced Hydraulic Support Structure for High Gate Road................................................................................. 15 3.1Design of Main Structural Parameters ofAdvanced Hydraulic Supports.............................15 3.2Finite ElementAnalysis ofAdvanced Hydraulic Support for Large Mining Height............25 3.3Summary.................................................................................................................................35 4Design and Simulation Analysis of the Hydraulic Control System of Advanced Hydraulic Support for High Gate Road Support................................37 4.1Design ofAdvance Support Hydraulic Control System........................................................ 37 4.2Construction and Simulation of Control Loop Model forAdvanced Hydraulic Support..... 38 4.3Summary.................................................................................................................................59 5Research on Application Technology of Advanced Hydraulic Support in High Gate Road.........................................................................................................60 5.1Leading Hydraulic Bracket Installation and Debugging........................................................60 5.2Research onArrangement ofAdvance Hydraulic Supports in the Gate Road......................60 5.3Observing and Data Analysis of Supporting Ability ofAdvanced Hydraulic Support.........60 5.4Summary.................................................................................................................................67 6Conclusion and Prospect....................................................................................69 山东科技大学工程硕士学位论文目录 IV 6.1Main Conclusion.....................................................................................................................69 6.2Prospect...................................................................................................................................70 References..................................................................................................................71 Thanks........................................................................................................................76 AcademicAchievements andAwards During the Degree of Study......................77 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 1 1绪绪论论 1.1课题的课题的研究背景研究背景 国家的发展和社会的进步的每个阶段都离不开能源的支持，我国正处于经 济高速发展时期，对能源需求逐渐增加。煤炭长期以来作为我国的主要能源， 占 2/3 的比重。为保证经济健康快速的发展，必须确保煤炭安全高效的进行生 产。而顺槽受前沿岩层应力和侧帮岩层应力叠加影响，矿板来压强烈[1-3]，并且 顺槽中有大量的生产设备，支护空间小，给顺槽支护带来难题。对煤矿顺槽进 行合理的支护，是煤炭安全、高效生产的保证。 两顺槽复杂的矿压、密集的设备和狭小的空间给超前支护提出难题[4-6]。但 随煤矿开采不断的进行，优质煤层储量日益枯竭，煤矿顺槽赋存条件更加恶劣， 煤矿安全规程中“不得小于 20m”的规定越显局限性。目前顺槽支护主要 采用单体液压支柱配合铰接顶梁，支护需要熟练的操作工人对顺槽进行支护， 自动化程度低已经不能满足工作面的推进速度的要求[7-8]。虽然顺槽支护中出现 许多类型的超前液压支架，但都存在各自的缺点[9-11]。并且很难与端头液压支架 及其它设备进行配合[12-14]。垛式超前液压支架，虽然能够保证顺槽的支护强度， 但只能在轨道顺槽进行支护，皮带顺槽由于设备密集、空间狭小，垛式支架无 法对皮带顺槽进行支护；四柱式超前液压支架在移架过程中很难适应复杂条件 的顺槽；履带式超前液压支架，在大倾角顺槽中进行支护时，易出现支架滑落 现象。对超前液压支架存在的缺点进行总结，主要存在支护强度不足和自动化 程度低的缺点[15-16]。根据超前支护中存在的缺点，对迈步式超前液压支架进行 合理的设计，为超前液压支架标准化设计提供新思路。 1.2国内外研究现状国内外研究现状及趋势及趋势 1.2.1超前液压支架发展现状超前液压支架发展现状 单体液压支柱配合铰接顶梁是目前顺槽最常用的支护方式[17-19]。单体液压 支柱分为内注式单体液压支柱和外注式单体液压支柱[20-21]。内注式单体液压支 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 2 柱需要靠人力提升活柱，来获得初撑力；外注式单体液压支柱使用的工作液为 乳化液，需要顺槽里的乳化泵站为其提供高压乳化液来提升活柱，来获得初撑 力。内注式单体液压支柱的支撑需要大量劳动力，而外注式的动力源为乳化泵 站，能够大量减少劳动力，铰接顶梁主要选择能够适用于缓倾斜煤层长度为 1.12.5m 的 HDJA 型铰接顶梁。 单体液压支护虽然具有灵活性高、适应性强，能够适应复杂矿井条件，多 样的开采方式[23-24]。但单体液压支柱配合铰接顶梁对顶板进行支护存在很多缺 点单体液压支柱配合铰接顶梁在支护时，易对顶板造成破坏；受工作人员操 作经验的影响大，需要大量的劳动力和支付高昂人工费用，支护效率低等缺点 严重影响整个工作面生产效率和安全。单体液压支柱配合铰接顶梁已经不能满 足工作面推进的需要。因此，需要一种新的支护方式对顺槽进行支护，超前液 压支架成为超前支护发展的趋势。 为了能够适用顺槽超前的支护工作，各煤矿、煤机公司、高校的专家和人 员经过长期的理论推导和现场的试验， 不断的对超前液压支架进行设计和优化。 目前主要存在以下几种具有代表性的超前液压支架。 垛式超前液压支架是支撑式液压支架[25]，液压支架设有顶梁、底座和四连 杆机构组成的主体部分，四根立柱对顶梁进行支护，移架机构采用长推杆倒装 千斤顶结构；使用时推杆通过圆环链与前架底座连接实现移架，而且可以实现 支架自移。垛式超前液压支架虽然能够满足顺槽支护强度，但垛式超前液压支 架存在很多缺点，支架占地面积大，不利于人员的行走和设备的移动；同时阻 碍空气的流通，不利于井下瓦斯量的排放，顶板是整体顶板，不便于对顶板不 平整的顺槽进行支护，并且垛式超前液压支架只能对轨道顺槽进行支护，皮带 顺槽还需要其它支护方式对其进行支护。 大倾角超前液压支架支架采用整体顶梁结构，无侧护板，两根立柱对称支 撑顶梁[26]。底座两端分别设计有可旋转的调架千斤顶固定盘，能够在调架过程 中调整角度。大倾角超前液压支架具有结构简单、整体质量较轻，便于运输、 安装，能够对大倾角顺槽进行支护等优点。但大倾角超前支护液压支架存在控 顶面积小，易出现漏矸现象，对人员和设备造成破坏，支护强度不足等缺点。 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 3 支撑式超前液压支架四根立柱位于支架的四个角，立柱支撑力输出均匀， 伸缩比大，采用整体顶梁结构，顶梁两端分别设计有侧护板，增大有效支撑面 积，支架前后两端设计两个推移千斤顶。支撑式超前液压支架具有中间空间大， 便于人员的行走和设备的运输、空气流通性好，便于瓦斯的排放等优点[27]。但 支架由于其结构特点，在复杂顺槽条件下进行支护时，支架移架困难。 履带式超前液压支架分为底座履带式超前液压支架、顶底履带式超前液压 支架两种类型[28]。底座履带式超前液压支架，通过底座履带实现液压支架的移 架，其它结构与超前液压支架类似，顶梁通过立柱的带动对顶板进行支护。顶 底履带式超前液压支架，顶板和底座都是履带结构，中间由立柱和四连杆相连。 在移架过程中履带顶梁一直对顶板进行支护，能够实现带压移架，更好的对顶 板进行支护。履带式超前液压支架在弯曲顺槽中很难进行移架，在大倾角顺槽 中失稳严重，不能够很好的保证支架的稳定性是履带式超前液压支架的致命缺 点。 复合刚柔吸能支架能够抵挡顺槽中出现巨大的冲击，复合刚柔性吸能支架 是根据顺槽形状研制复合刚柔吸能支架，有机械结构和液压立柱结构组成，能 够避免顶板冲击对顺槽的破坏，复合刚柔吸能支架在支护过程中，留有很大空 间便于人员的行走、设备的运输[29-30]]。 超前液压支架趋势是运用四连杆的分体式支架，例如 ZZC4200/21/40 型巷 超前支护液压支架通过连接梁与端头液压支架连接，能够很好的对顶板进行支 护 ； 根据 两顺槽 的不 同研 制 ZYDC3000/28/47 型皮带 顺槽 支护支 架 和 ZFDC3000/26.5/47型轨道顺槽支护支架； ZCH9030前后置式超前支护液压支架， 超前支护支架的型号为 ZCH9030/19/35 型，共有 2 架组成，前置支架型号 ZZ3430/19/35，后置支架型号 ZZ5600/19/35[31]。 国外主要采用可伸缩性 U 型钢支架对顺槽进行支护，根据顺槽的不同而采 取不同形状的 U 型钢支架对其进行支护，并且尽量减少顶板暴露的面积，用 U 型钢对顺槽进行支护需要消耗大量钢材，为了能够减轻支柱的自身重量，减少 钢材的浪费，国外还对支柱材料进行研究，取用高强度合金钢对顺槽进行支护。 国外在顺槽支护中认为，加强锚杆的数量和长度能够保证顺槽的稳定性。对工 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 4 作面采空区进行填充可以减少顺槽的变形。国外对顺槽支护的研究比较少，顺 槽支护的前沿技术一直掌握在国内。 1.2.2超前液压支架发展趋势超前液压支架发展趋势 随着工作面推移速度的不断加速，对顺槽支护的要求不断提高，如何提高 顺槽支护的支护强度和移架速度满足工作面的开采要求，成为超前支架研究的 重点。为了能够满足顺槽支护要求，超前液压支架发展趋势主要包括以下几方 面 1）在顺槽超前液压支架的设计过程中要提取工作面支架设计优点，选用四 连杆机构对顺槽超前液压支架进行设计，来提高超前液压支架的稳定性； 2）为了能够同时满足皮带顺槽和轨道顺槽的支护要求，超前液压支架结构 主要选择分体式结构对超前液压支架进行设计，超前液压支架能够满足皮带顺 槽内大型设备多、空间小的支护特点，所设计的支架能够同时满足两顺槽的支 护要求，便于支架的生产和操作。 3）为了能够提高超前液压支架支护速度和移架速度，液压阀体选用电控阀 体，超前液压支架通过电控能够控制支架全部动作功能，为无人化矿井奠定基 础。 1.3课题课题研究研究的的目的及意义目的及意义 超前液压支架作为煤矿顺槽支护的重要保证，其性能直接决定煤炭开采和 运输的生产效率，是保证工作面安全高效生产的关键。随着厚煤层大采高液压 支架广泛应用及推广，工作面采煤效率进一步提高，超前支护已经遇到瓶颈， 如何打破超前支护低效率，减少人力和物力的浪费，为了提高工作面的生产效 率，顺槽超前液压支架的设计迫在眉睫。针对超前支护存在的问题结合许厂煤 矿煤层赋存条件，对支架进行结构设计，保证迈步式超前液压支架能够达到顺 槽支护强度，能够满足顺槽中其它设备的运行，对支架液压控制系统进行设计， 保证支架能够实现自动移架的功能，提高支架的自动化水平，为工作面安全高 效的生产提供保障。 课题研究有效的解决单体液压支柱配合铰接顶梁和其它类型顺槽超前液压 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 5 支架支护强度低、移动速度慢、劳动强度大、成本高、安全稳定性差等缺点。 顺槽超前液压支架的成功研制与运用推广，解决工作面顺槽的支护难题，为工 作面快速高效的开采提供保证，产生良好的社会效益和经济效益。 1.4课题的主要课题的主要研究内容研究内容 针对单体液压支柱和其它类型的超前液压支架存在的不足，结合许厂煤矿 煤层赋存条件和矿井生产技术条件，严格执行煤炭行业标准MT312-2000和 煤矿安全规程有关规定。设计出结构简单、可靠稳定、技术性能先进的迈 步式超前液压支架，迈步式超前液压支架的技术方案如图 1-1 所示。 图 1-1超前液压支架技术方案 Fig.1-1Technical plan for advanced hydraulic support 论文主要内容如下 通过研究顺槽围岩控制机理技术研究， 得出许厂煤矿 4302 工作面矿山压力 显现规律，介绍煤柱宽度对顺槽稳定性的影响，根据支架在顺槽中所需功能目 标和结构特点，最终确定以“一主两副”迈步式超前液压支架为顺槽支护支架。 根据超前液压支架总体设计方案，对超前液压支架零部件进行参数设计， 运用三维软件 CREO 3.0 建立超前液压支架虚拟样机， 并对虚拟样机进行有限元 分析，根据其分析结果对支架进行合理优化。 根据支架在顺槽中动作要求，对迈步式超前液压支架液控系统进行设计， 山东科技大学工程硕士学位论文绪论 6 并运用液压仿真平台 AMESim 对双伸缩立柱控制回路、侧护控制回路和推移控 制回路进行仿真分析，检验控制回路设计的稳定性。 对超前液压支架安装与调试技术进行介绍，根据顺槽地质条件对两顺槽支 架进行合理的布置，对迈步式超前液压支架移架过程进行研究，对迈步式超前 液压支架和单体液压支柱配合铰接顶梁在顺槽中的支撑强度进行观测。 山东科技大学工程硕士学位论文煤矿顺槽超前液压支架总体方案设计研究 7 2煤矿煤矿顺槽顺槽超前液压支架总体方案设计研究超前液压支架总体方案设计研究 煤矿顺槽不仅用来行人、通风和运输，而且顺槽中还布置有电缆、液压管、 转载机等密集设备，复杂的矿压和狭小的支护空间给超前支护带来支护强度不 足和自动化程度低等难题[32-33]。为解决顺槽支护问题，对煤矿顺槽围岩控制机 理和支架动作功能进行研究，对超前液压支架的总体方案进行设计。通过对超 前液压支架进行合理的设计，为工作面高效开采奠定基础。 2.1煤矿煤矿顺槽顺槽围岩控制机理技术研究围岩控制机理技术研究 2.1.1煤矿煤矿顺槽顺槽煤层煤层赋赋存条件分析存条件分析 许厂煤矿地处济宁，地面有优良地面农田和建筑物密集，隶属于山东能源 淄矿集团[34-36]。 以 4302 工作面作为研究背景进行研究， 4302 工作面平行布置在 距 4306 面轨道顺槽 380m 远处，处于下二迭统山西组 3 下煤层中，基本是灰～ 灰绿色，沿层面分布的中砂