固体充填采煤液压支架合理夯实离顶距研究.pdf

第 38 卷第 8 期煤 炭 学 报Vol. 38 No. 8 2013 年8 月JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETYAug. 2013 文章编号0253-9993201308-1325-06 固体充填采煤液压支架合理夯实离顶距研究 张 强1,张吉雄1,2,吴晓刚1,黄艳利1,2,周 楠1 1. 中国矿业大学 矿业工程学院,江苏 徐州 221116;2. 中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室,江苏 徐州 221116 摘 要固体充填采煤过程中充填采煤液压支架的夯实离顶距对充实率及充填作业效率的控制具 有显著影响,揭示了支架本身结构干涉产生理论夯实离顶距以及现场充填工艺产生实际作业夯实 离顶距的机理,分析了基于机构优化和基于不同充实率两种影响因素影响夯实离顶距设计的理论, 提出了支架设计优劣的检验标准,即由夯实离顶距严格控制的充填作业累积量不小于充实率要求 的需求量Vzjρ1≥Vzρ2。 借助机械自动化仿真模拟软件 Pro/ E 5． 0,仿真分析了特定充填采煤液压 支架采高-夯实离顶距变化规律,最终通过充填作业累积量-充实率及充实率需求量-充实率曲线 对该支架充实率保障区域进行划分,判断了机构优化的优劣程度及整体设计的合理性,最终形成一 种以夯实离顶距为检验指标的支架设计合理性判断方法。 关键词夯实离顶距;充填采煤液压支架;充实率;机构优化;设计方法;检验标准 中图分类号TD353 文献标志码A 收稿日期2013-05-16 责任编辑常 琛 基金项目国家重点基础研究发展计划973资助项目2013CB227905;教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目NCET-11-0728 作者简介张 强1986,男,湖北宣恩人,博士研究生。 E-mailleafkky163. com Roof gap rationality research of backfilling-coal mining hydraulic support ZHANG Qiang1,ZHANG Ji-xiong1,2,WU Xiao-gang1,HUANG Yan-li1,2,ZHOU Nan1 1. School of Mines,China University of Mining 2. Key Laboratory of Deep Coal Resource Mining,Ministry of Educa- tion,China University of Mining backfilling-coal mining hydraulic support;compression ratio;structure optimization;design theo- ry;inspection standard 基于处理地面矸石等固体废弃物、解放“三下” 压煤的采空区固体直接充填采煤技术[1-9]研发以来, 已在兖矿集团、济宁矿业集团、开滦集团、皖北煤电等 矿区 20 多个固体充填采煤工作面进行工业性应用。 在充填采煤实践过程中,由实际地质条件决定的 “仰采俯充”与“俯采仰充”回采方式是充填质量好坏 网络出版时间2013-10-23 0900 网络出版地址 煤 炭 学 报 2013 年第 38 卷 的关键因素,现场充填工艺的良好控制是充填效果的 基本保障,而充填采煤液压支架作为实施充填采煤工 艺的关键设备,其设计的优劣程度直接影响充实率的 保障效果,夯实离顶距作为其充填性能的关键参数, 其大小直接决定固体充填物料能否充分接顶,是影响 充实率[10-11]的关键指标。 夯实离顶距过大,充实率 保障率低,导致实际夯实充填的次数增加,降低效率; 夯实离顶距过小,导致支架设计难度增大。 笔者通过分析理论夯实离顶距与实际作业夯实 离顶距的产生原因,揭示夯实离顶距产生的机理,提 出夯实离顶距设计方法,并借助仿真模拟研究特定型 号的充填采煤液压支架的夯实离顶距随采高支护 高度变化规律,基于夯实离顶距指标,建立一种充 填采煤液压支架设计合理性的检验方法,提出明确的 检验标准,为充填液压支架夯实机构设计、充填采煤 充实率控制提供理论依据。 1 夯实离顶距定义及产生原因 1． 1 夯实离顶距定义 夯实离顶距是指充填采煤液压支架夯实机构完 全伸出后,夯实机构前端夯实头与顶板在垂直方向上 的间距图 1 中的 H0。 根据其产生的机理不同,可 分为由支架设计产生的理论夯实离顶距、由现场充填 工艺产生的实际作业夯实离顶距。 由于充填采煤液 压支架的特殊构造,以及其所决定的充填工艺,夯实 离顶距必然存在。 图 1 支架主要结构相互干涉原理示意 Fig． 1 Mutual interference principle of support’s main structure 1． 2 产生原因分类 1． 2． 1 理论夯实离顶距 由夯实离顶距的定义可知,支架机构相互干涉产 生的夯实离顶距,实际为理论夯实离顶距,即夯实机 构以最大夯实角完全伸出后,夯实机构前端夯实头与 顶板在垂直方向上的间距。 由于夯实机构铰接于底 座之上,底卸式输送机悬挂于后顶梁之下,两者均布 设于后顶梁下部,在空间上会相互干涉影响,而夯实 机构的长度影响其自身在支架上的铰接位置以及底 卸式输送机的悬挂位置,相互空间关系及具体尺寸直 接影响理论夯实离顶距的大小。 1． 2． 2 作业夯实离顶距 由充填作业的基本原理[12-16],充填物料由支架 后顶梁下部悬挂的底卸式输送机运输并卸载至采空 区,然后由夯实机构进行循环推压夯实。 落料与循环 夯实交替进行,具体工作时夯实机构首先以一定的夯 实角推压固体物料,随着后部堆料高度及致密性增 加,夯实机构夯实角逐渐增大,依次不断循环地对固 体物料进行推压夯实。 每对应一个夯实角,将产生一 个实际作业夯实离顶距,即在夯实过程中会产生一系 列的实际作业夯实离顶距,当夯实机构以最大的夯实 角进行夯实时产生的实际作业夯实离顶距即为理论 夯实离顶距。 下文的研究均指理论夯实离顶距。 2 夯实离顶距理论分析 2． 1 基于机构优化的夯实离顶距设计 基于机构优化的夯实离顶距设计原理是底卸式 输送机悬挂位置卸料中心位置、夯实机构铰接位 置以及夯实机构的长度等关键结构件尺寸的优化组 合决定最优的夯实离顶距值。 支架主要结构相互干 涉原理如图 1 所示。 为了保证底卸式输送机落料正常,夯实机构最大 伸出长度 L0和夯实机构铰接点到落料中心的距离 a 应满足 a ≥ ηL01 式中,η 为夯实机构伸缩比,由具体架型决定。 夯实机构最大夯实角 αmax满足如下关系 atan αmax M - c - b/ cos αmax - g 2 式中,M 为采高/ 支护高度,mm;b 为夯实板宽度的一 半,mm;c 为铰接位置垂直高度,mm;g 为底卸式输送 机悬挂高度,mm。 夯实离顶距 H0与最大夯实角 αmax的关系为 H0 g atan αmax- L0- btan αmaxsin αmax3 由式1 3可知 1在夯实机构长度 L0不变的情况下,夯实机 构铰接位置越靠近采空区,夯实离顶距 H0将越小,对 充填效果越有利,但是其受到卸料中心的限制; 2在夯实机构铰接位置不变的情况下,夯实机 构长度 L0越大,夯实离顶距 H0也将越小,对充填效 果越有利,但其增加导致卸料中心后移,从而又制约 夯实离顶距 H0减小。 夯实离顶距的优化在于底卸式输送机悬挂位置、 夯实机构铰接位置以及夯实机构的长度等关键结构 件尺寸的优化,具体优化方法通过四连杆优化软件以 6231 第 8 期张 强等固体充填采煤液压支架合理夯实离顶距研究 及专业的三维仿真模拟软件实现。 2． 2 基于充填采煤工艺的夯实离顶距设计 由固体充填采煤方法的实际充填流程[17],采空 区致密充填体由夯实机构循环推压夯实固体充填物 料形成。 采煤工作面后部每台支架一个步距所对应 的采空空间是一定的,这个空间内能容纳的固体充填 材料的质量由其不同的致密性决定,致密程度越高, 能储存的固体充填材料越多,同时能达到的充实率越 大,而夯实离顶距直接影响充填的流程,即夯实离顶 距间接影响充实率和致密性的大小。 基于密实充填 充实率的夯实离顶距设计的原理是夯实机构循环推 压累积的充填材料量质量不小于一定充实率致 密性条件下对应采空空间所需容纳的充填体的量 质量。 其设计流程如下 Vz表示一个步距内一定充实率 φ 条件下密实充 填体的体积,该体积由推移步距 L、采高 M 及支架宽 度 B 决定 Vz LMB4 Vzj表示夯实机构一个步距内循环推压固体充填 物料作用体积的累积,即 Vzj∑ n i 1 Vi5 式中,Vi表示循环过程中第 i 次夯实机构夯实充填物 料的有效作用体积;n 表示工艺决定的作用次数。 Vi p iVzi 6 式中,pi为第 i 次夯实机构夯实充填物料的有效比。 pi 1 - ki/ n7 式中,k 为经验参数,由现场充填作业条件决定,通常 取 0． 2 0． 4;Vzi表示第 i 次夯实机构夯实充填物料 的实际作用体积,即夯实头以一定角度夯实角斜 截自然堆积的固体物料简化为圆锥体的截割体 积。 其计算原理如图 2 所示。 图 2 夯实机构夯实充填物料体积计算原理 Fig． 2 Compaction volume calculations schematic 应用三重积分计算截割体积,可得其表达式如 下 Vzi∫ b cos αi-chαitan β tan αitan β b cos αi-ch-αitan β tan αi-tan β dx∫ -ytan αi b cos αi-ch tan β 2-y-α i2 - -ytan αi b cos αi-ch tan β 2-y-α i2 dy∫ -tan βx2y-αi2h ytan αic- b cos αi dz - ∫ -b cos αi-chαitan β tan αitan β -b cos αi-ch-αitan β tan αi-tan β dx∫ -ytan αi- b cos αi-ch tan β 2-y-α i2 - -ytan αi- b cos αi-ch tan β 2-y-α i2 dy∫ -tan βx2y-αi2h ytan αic b cos αi dz8 式中,αi为夯实角,;β 为固体物料推压前堆积角, ;h 为物料堆积高度,由经验公式 0． 75M-750 获取,mm。 根据现场充填作业工艺,夯实角 αi由下式确定 αi α min i - 1αmax- αmin / n - 19 其中,αmin,αmax为最小、最大夯实角,。 αmin由支 架结构决定,αmax与夯实离顶距的关系见式3。 于是,基于密实充填充实率的夯实离顶距设计的 依据为由夯实离顶距严格控制的充填作业累积量不 小于充实率要求的需求量,即 Vzjρ1≥ Vzρ210 式中,ρ1为固体物料推压夯实前的密度kg/ m3,通 常为自然密度,可直接获取;ρ2为固体物料致密夯实 后的密度kg/ m3,由充填开采三维实验平台的致密 压实实验获取。 由固体物料的压实实验可知,固体物料的密度随 着充实率 φ 的增加而增大,对应的不同充实率 φ 条 件下,固体物料的密度 ρ2通过下式得到 ρ2 ρ 1/ 1 - φε0 11 式中,ε0为固体物料最大压实变形量mm,由充填 工作面的埋深决定,由压实实验外推拟合得到。 通过以上流程,完成基于密实充填充实率的夯实 离顶距设计。 3 充填采煤液压支架运动仿真 随着采高的变化,支架的夯实离顶距相应发生改 变,采高连续变化条件下-夯实离顶距曲线无法通 过数值计算的方法直接获取。 笔者借助美国 PCT 公 司旗下的 Pro/ E Wildfire 5． 0 机械自动化仿真分析软 件,对具体型号的支架进行运动学仿真,实现夯实离 7231 煤 炭 学 报 2013 年第 38 卷 顶距-采高变化规律的分析,对结构参数设计的合理 性进行判断,以判断设计的充填采煤液压支架是否满 足不同采高条件下不同充实率的要求。 3． 1 仿真模型的建立 运用 Pro/ E Wildfire 5． 0 建立充填采煤液压支架 型号 ZZC10000/20/40的零部件[18],包括支架前顶 梁、后顶梁、底座、夯实机构、立柱等,然后再按照实际 工作状态的装配关系定义各零部件的约束关系进行 装配设计。 将所有部件装配好并进行干涉检查,得到 完整的三维实体模型如图 3 所示。 图 3 充填采煤液压支架三维模型 Fig． 3 3D model of the backfilling hydraulic support 3． 2 实现方法与仿真参数设置 夯实机构及整架在垂直方向上的运动均以油缸 的伸缩为主,笔者研究的夯实离顶距是指理论夯实离 顶距,即要求夯实机构在不同的采高条件下均以最大 夯实角伸出。 在仿真模拟的过程中,需分别对夯实机 构及立柱分别定义伺服电机,以达到以下要求① 支 架顶梁保持水平向上运动;② 每对应一个采高,夯实 机构总是沿底卸式输送机的下边沿伸出。 由于立柱 的速度-时间函数与夯实机构的转动-时间函数之间 的关系不得而知,即无法通过定义双伺服电机实现仿 真模拟得到夯实离顶距-采高曲线。 在研究过程中,笔者采取增加一个虚拟的曲柄滑 块机构相对支架实际结构而言的方法来实现夯实 机构在不同的采高条件下均以最大夯实角伸出的目 的。 主 要 仿 真 参 数 设 置 运 动 状 态2 000 4 000 mm;运动参数匀速运动,速度 20 mm/ s;测点 1夯实机构夯实头顶端,X,Y 分量;测点 2前顶梁顶 端,Y 分量。 3． 3 夯实离顶距与采高关系 通过以上仿真方法进行运动仿真,得到支架采高 -夯实离顶距-最大夯实角关系曲线,如图 4 所示。 由图 4 可知① 夯实离顶距随采高的增大非线 性增大,而是呈“U”形分布,先随着采高的增大而减 小,然后又随着采高的增大而增大;② 在一定采高范 围内,夯实离顶距值很小,说明支架在此夯实离顶距 分布的区间内的工作状态最优;③ 夯实离顶距值在 255 498 mm 之间变化,对于不同的采高,夯实离顶 图 4 采高-夯实离顶距-最大夯实角关系曲线 Fig． 4 Mining height-roof gap-αmaxcurves 距及最大夯实角是惟一的,该特性为支架设计合理性 判断提供了有力的依据。 4 设计合理性检验 4． 1 检验方法 对于具体地质条件,根据充填采煤工艺,基于机 构优化和密实充填充实率的要求,进行支架基本结构 的优化设计,然后采用 Pro/ E 软件建立支架实体模 型,并进行运动仿真,得出支架采高-夯实离顶距曲 线。 然后根据密实充填的要求进行机构优化程度的 检验。 基于夯实离顶距的支架设计合理性检验流程 设计如图 5 所示。 图 5 基于夯实离顶距的支架设计合理性检验流程 Fig． 5 Design rationality judgment process of hydraulic support based on roof gap 4． 2 检验标准 采取抽检的方法进行检验,在支架工作范围内随 机选取不同的采高-夯实离顶距指标,利用式10进 行检验,具体检验标准如下 假定由充填工艺决定的一个步距内的作用次数 n 是固定的前提下① 若 Vzjρ1Vzρ2,说明夯实离顶距 8231 第 8 期张 强等固体充填采煤液压支架合理夯实离顶距研究 设计优于理论值,在保证致密度的情况下可减少夯实 机构作用的次数,从而提高充填效率;或者在夯实次 数不变的情况下,可进一步提高致密度;② 若 Vzjρ1 Vzρ2,说明夯实离顶距设计合理,在该夯实机构作用 的次数的情况下正好可以保证需要的致密度;③ 若 Vzjρ10． 88 时,Vzjρ1Vzρ2,为充实率 欠保障区, 即该支架在该工艺条件下保障不了 88． 8以上的充实率;要求的充实率 φVzρ2,为充实率保障区,即该支架在该工艺条件 下可保障 88． 8的充实率。 从而得到该支架充实率 有效保障区域如图 8 所示。 图 8 充实率有效保障区域 Fig． 8 Compaction ratio assurance area 夯实离顶距大于理论值时,夯实机构不能在一定 夯实作用次数的条件下达到所要求的充实率,即在一 定的工艺条件下,不能保证充实率;如需要满足充实 率,则需要重新调整工艺,而调整工艺的实际操作难 度大,即此时不能保证要求的充实率,说明设计的支 架结构参数不尽合理,还有优化的空间。 6 结 论 1由设计机构相互干涉产生理论夯实离顶距、 9231 煤 炭 学 报 2013 年第 38 卷 由现场充填作业操作工艺产生实际作业夯实离顶距, 夯实离顶距的存在影响充填的密实效果。 2设计固体充填采煤液压支架的过程中,可以 通过优化底卸式输送机悬挂位置、夯实机构铰接位置 以及夯实机构的长度等关键参数来优化夯实离顶距。 3夯实离顶距可作为判别检验支架设计合理 性的关键指标,基于该指标检验支架设计合理性的标 准为由夯实离顶距严格控制的充填作业累积量质 量不小于充实率要求的需求量质量,执行检验时 需要的采高-夯实离顶距曲线可通过 Pro/ E 仿真模 拟软件获取。 4通过分析支架夯实离顶距的产生机理及其 对充实率的影响,本文的研究结果形成了一种基于夯 实离顶距为主要指标的支架设计合理性判断方法,为 充填液压支架夯实机构设计、充填采煤充实率控制与 效果保障提供了理论依据。 参考文献 [1] 张吉雄,缪协兴,郭广礼. 矸石固体废物直接充填采煤技术发 展现状[J]. 采矿与安全工程学报,2009,264395-401. 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