大采高液压支架掩护梁失效模型建立及对策研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 赵 峰亓玉浩徐忠磊等.大采高液压支架掩护梁失效模型建立及对策研究.煤炭科学技术 . / . / 大采高液压支架掩护梁失效模型建立及对策研究 赵 峰亓玉浩徐忠磊豆景乐 .兖矿东华重工有限公司山东 邹城 .兖州煤业股份有限公司山东 邹城 摘 要为提高液压支架使用可靠性分析了 /./ 型液压支架在煤矿井下的实际使用 情况对液压支架掩护梁常规模型进行了模拟仿真分析论证垮落的顶板压在顶梁后端与掩护梁铰接 位置且顶梁前端未接顶液压支架达到顶梁与掩护梁机械限位位置此时顶梁和掩护梁几乎处于一条 直线呈高射炮状态时在顶板周期来压作用下会对掩护梁结构造成损坏 据此提出了造成掩护梁失 效的杠杆效应模型并对该模型进行仿真模拟分析得出了掩护梁在该杠杆效应模型下极易失效的结 论 煤矿生产作业应避免液压支架尤其是大采高支架在该杠杆效应模型姿态下使用最后提出了避 免液压支架掩护梁发生失效的防范措施 关键词液压支架掩护梁失效刚性铰接杠杆效应 中图分类号 文献标志码 文章编号 . .. . .. /./ . . . . . . . . . . 收稿日期责任编辑赵 瑞 基金项目国家自然科学基金资助项目 作者简介赵 峰 男山东邹城人研究员现任兖矿东华重工有限公司技术研究中心主任硕士 . 引 言 大采高液压支架是综采机械化采煤作业使用的 主导架型设备 在液压支架应用中发现大采高 液压支架尤其是超大采高液压支架在井下特定工况 作业条件下会出现掩护梁破坏受损的现象 当采煤 高度与支架最大高度相差较大时大采高支架会在 低位进行工作也就是高架低用 对于掩护梁较长 的大采高支架高架低用会使掩护梁承受部分本来 应由顶梁承担的顶板压力致使其受力状况恶化 长时间处于高架低用状态会大幅增加掩护梁发生破 坏的概率严重影响液压支架的可靠性 文献 根据大采高液压支架掩护梁和平衡千斤顶受力 确定支架合理的采高高度并对掩护梁进行顶梁扭 转工况下的强度分析提出掩护梁结构的有效改进 措施 文献利用数值模型仿真的方法分析了冲 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 赵 峰等大采高液压支架掩护梁失效模型建立及对策研究 年第 期 击载荷对液压支架掩护梁的损坏机理 文献根 据支架接顶情况的不同分析了两柱掩护式液压支架 的承载特性给出了顶梁承载能力区 并分析了影 响支架承载能力的主要因素 以上学者都围绕液压支架在常规工作姿态下受 力状况进行了深入的理论分析与探讨 在常规工作 姿态下液压支架掩护梁可以依据常规受力分析结 果进行加强补足从而避免掩护梁结构失效 考虑 到大采高液压支架实际使用情况在部分工作时域 大采高支架会不可避免地处于非常规工作姿态 为 进一步分析液压支架掩护梁损坏的原因提高液压 支架可靠性尽可能地避免出现掩护梁结构失效的 情况笔者依据掩护梁在井下实际工况结合力学分 析及数值模拟分析的方法提出了导致液压支架掩 护梁结构失效的杠杆效应模型并进行了分析论证 掩护梁使用情况 陕西榆林 矿工作面煤层结构简单煤层直接 顶岩性多为粉砂岩、细粒砂岩为主要特征 厚度一 般 平均 . 采高 .. 首采盘区 西翼主采 上煤层煤层厚度 . . 平均 . 工作面走向长度 随着工作面 巷道的掘进前期 余 长度采高平均为 . 煤层厚度逐渐变薄/./ 两柱掩 护式液压支架的参数如下 支架结构高度/ 支架宽度/ 支架中心距/ 工作阻力/ 初撑力/ 对 /./ 型液压支架升井检修进 行统计、分析得出掩护梁破坏主要为以下形式 掩护梁平衡耳座前后 个位置出现裂纹以及不同 程度开焊 平衡耳座位置处盖板不同程度裂纹 部分焊缝开焊 部分掩护梁中部主筋位置出现母 材开裂 部分平衡千斤顶缸底被拉断 掩护梁开裂位置及统计如图 、图 、图 所示 经笔者现场调研初步认为该型支架掩护梁较长且 长期处于低位工作状态掩护梁背部受力较大腹部 受弯矩较大 掩护梁背部与水平夹角为 左右 背部矸石不易滑落长期积压在掩护梁背部当基本 顶来压时掩护梁间接与工作面顶板接触且压力释 放空间较小致使顶板压力直接作用于掩护 梁上 图 开裂位置统计 . 为损坏位置 图 损坏位置标注 . 图 损坏最为严重的掩护梁 . 掩护梁常规受力模型模拟分析 对掩护梁建立常规受力模型图 进行模拟分 析 依据 . 煤矿用液压支架 第 部分通用技术条件试验要求其中顶梁扭转、顶 梁偏载这 种加载条件下掩护梁处于最为恶劣的工 况针对这 种工况分别进行模拟加载 图 掩护梁模型 . . 掩护梁常规模拟分析 依据 .煤矿用液压支架 第 部分通用技术条件中顶梁扭转加载、顶梁偏心加 载 个工况对支架掩护梁建立力学模型进行受力分 析偏载试验模型高度按照最低高度加 扭 转试验高度按照最高高度减去支架行程 /网格 划分采用四面体网格划分局部进行网格细化顶梁 与掩护梁设置 接头连接类型为 旋 转副铰接在柱窝和柱帽中心分别施加 . 倍的工 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 作阻力方向沿立柱方向施加约束条件固定在底座 垫块及顶梁垫块上模拟支架整体试验工况如 图 所示 分析结果如图 、图 所示 图 掩护梁加载模型 . 图 支架顶梁扭转掩护梁等效应力分布云图 . 图 支架顶梁偏心加载掩护梁等效应力分布云图 . 支架顶梁扭转工况下根据分析结果显示支架 掩护梁最大力为 . 支架顶梁偏心加载 掩护梁承受转矩较大根据分析显示最大力为 . 受力集中点主要受力区域位于掩护 梁前端腹板 . 掩护梁背部受力模拟分析 考虑掩护梁背压假设垮落顶板的质量作用在 掩护梁上 建立支架掩护梁受力状态及力学简 化模型如图 、图 所示 其中 为冒落矸石施加 图 支架受力状态 . 在掩护梁上的力为断裂的顶板岩层右侧受到采 空区冒落矸石的支撑力 为顶板冒落矸石与掩护 梁间的摩擦因数 为水平方向摩擦力 为左 侧受到支架上方顶板岩层的垂向挤压力 为支 架受到来自顶板方向的摩擦力 图 支架受力简图 . 掩护梁通过冒落矸石施加给顶板岩层的平衡力 为 其水平分力 垂直分力 并对顶板岩层 左侧支撑点建立力矩 平衡方程如下 其中顶板岩层长度 根据数值模拟结果取 机采高度为 . 顶板岩层与水平面的夹角 为 .掩护梁与顶梁夹角 . 建立支架掩 护梁受力状态及力学简化模型如图 、图 所示 图 支架受力角度 . 图 支架受力角度简图 . 顶板岩层施加于液压支架掩护梁的垂直载荷 为 . 掩护梁宽度为 . 则液压支架掩护梁承受 的垂直作用力约为 . 考虑 . 的动载系 数掩护梁承受的极限垂直动载荷约为 . 弯矩 . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 赵 峰等大采高液压支架掩护梁失效模型建立及对策研究 年第 期 基于上述力学分析分别进行了支架高度为 .、.、.、.、. 的计算分析计算结果见 表 表 掩护梁安全系数 支架高度/ 应力/ 安全系数 ... ... ... ... ... 采用 有限元分析计算加载后的应力分 布状况采用四面体网格划分局部进行网格细化顶 梁与掩护梁设置 接头连接类型为 旋转副铰接在柱窝和柱帽中心分别施加 . 倍 的工作阻力方向沿立柱方向在掩护梁背部垫块施 加顶板岩层的力顶梁与掩护梁铰接孔施加沿千斤 顶方向的工作压力施加约束条件固定在底座垫块 及顶梁垫块上 如图 、图 所示 图 掩护梁背部受力模型 . 图 掩护梁背部受力应力云图 . 考虑工作面顶板支护恶劣条件支架顶梁承受 偏心力同时掩护梁承受垮落顶板对其产生的垂直 力影响基于 进行分析显示掩护梁主要受力 位置在掩护梁腹板位置最大为 . 根据以上分析结果虽然支架在以上 种工况 下掩护梁应力较大但应力分布规律与实际破坏位 置不符且其应力大小不足以对采用以 高强 板为主要材质掩护梁结构造成实质性破坏 这就需 要建立一个与实际工况相符且分析结果与实际情 况一致的分析模型 杠杆效应模型建立 经统计发生掩护梁损坏的支架普遍采高相对较 低姿态存在高射炮现象即顶梁与掩护梁夹角接近 水平掩护梁与顶梁达到机械限位位置形成一个刚 性体 顶板已经垮落采空区矸石压在掩护梁上 大采高液压支架掩护梁长处于最低使用高度 时掩护梁背角较小掩护梁水平投影长度较大掩护 梁背部会承受更大的来自冒落顶板的压力且更可 能受到顶板岩块冲击载荷的作用 根据实际失 效的掩护梁分析在焊缝焊接熔合较好的情况下载 荷分布能够对掩护梁整体结构产生破坏并且损坏 位置处于掩护梁中部截面这就需要考虑以下状态 即液压支架在低位使用时顶梁与掩护梁已经到达 极限限位位置且两者几乎处于一条直线状态 此 时支架的支护效果及平衡千斤顶调节能力超出传 统设计要求此时液压支架受力状况尤为恶劣 综上分析当支架顶梁与掩护梁处于机械限位状态 时支架整体呈现高射炮状态且平衡千斤顶的调姿 作用失效由此建立分析模型如图 所示 图 掩护梁杠杆模型 . 支架处于低位使用掩护梁与顶梁达到机械限 位位置形成一个刚性体 以立柱铰接点为中心顶 梁上仰摆动造成顶梁、掩护梁铰点和整个四连杆机 构的下移掩护梁背角变小不利于后部冒落顶板的 滑落 一个截割循环支架降、移、升的过程中采高 阶梯式增加容易造成顶梁接顶不良后部冒落顶板 限制四连杆机构的运动出现顶梁和掩护梁极限位 置时的刚性铰接状态 在这种状态下当操作立柱 上升时立柱初撑力将在掩护梁上产生杠杆效应如 图 所示 图中 为初撑力为立柱到前后连 杆铰接点的力臂 为掩护梁载荷为掩护梁载 荷到前后连杆交接点的力臂 支架高度为 时 根据式求得 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 图 掩护梁受力简化模型 . 截面弯矩 .腹板处的弯曲正 应力 此时由于大采高液压支架掩护梁较长在掩 护梁上铰接点和前后连杆铰接点之间将承受很大 的弯矩在立柱初撑力以顶梁、掩护梁铰接点为支 点在掩护梁上形成的杠杆效应作用下造成掩护 梁的损坏 力学分析模型及结果 根据以上分析建立力学分析模型在顶梁柱窝 位置沿立柱方向施加初撑力 大小的载荷顶梁与 掩护梁在机械限位位置刚性直接接触在掩护梁背 部顶板中间位置施加固定约束创建顶梁与掩护梁 在铰接孔处铰接接触建立力学分析模型网格划分 采用四面体网格划分局部进行网格细化顶梁与掩 护梁设置 接头连接类型为 旋转副 铰接掩护梁与连杆铰接孔简化采用固定约束在 柱帽中心分别施加 . 倍的工作阻力方向沿立柱 方向如图 所示 计算加载后的应力分布状 况如图 所示 图 顶梁掩护梁铰接杠杆效应模型 . 图 掩护梁应力云图 . 由图 可以看出在该分析模型状态下在 立柱初撑力作用下掩护梁在外侧主筋、平衡耳座 前后部以及掩护梁限位位置均有超过 应力分布与计算结果相吻合 在该杠杆效应作 用下足以对掩护梁薄弱结构发生实质性破坏 如图 所示在顶梁与掩护梁铰接限位处掩护 梁顶板发生塑性变形侧面印证了损坏的支架处 于上述状态 图 掩护梁限位处压痕 . 根据杠杆效应模型对 /./ 薄煤层 支架及 // 掩护式放顶煤液压支架在 同等条件下进行模拟加载分析结果如图 图 所示 图 /./ 薄煤层支架掩护梁分析结果 . /./ 图 // 掩护式放顶煤支架掩护梁分析结果 . // 依据以上分析得出常规受力模型与杠杆效应模 型状态下应力大小比较得出应力变化曲线如图 所示 按照杠杆效应模型对支架最低位置加 高度进行分析不论是中厚煤层掩护式液压支架还 是薄煤层掩护式液压支架其受力状况都是非常恶 劣的对支架结构都会有很大的破坏性在煤矿生产 中要避免液压支架在此状态下工作 液压支架掩护梁保护措施 为尽量避免液压支架掩护梁以上破坏形式可 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 赵 峰等大采高液压支架掩护梁失效模型建立及对策研究 年第 期 图 掩护梁常规受力模型与失效模型应力大小 . 采取以下措施 提高液压支架结构件制造质量尤其加强焊 接质量控制 建立健全掩护梁试验标准及试验规范增加 以掩护梁结构强度为试验目标的掩护梁加载试验方 案 掩护梁试验标准模拟井下支架掩护梁在井下的 受力状况用于检测支架掩护梁强度及耐久寿命 严格规范大采高支架最低采高使用性能论 证严格控制大采高支架在工作高度下限区域的使 用严格执行支架最低采高的限制 更加科学地确 定液压支架的最低适用采高不仅从设备配套几何 尺寸上还要从避免支架容易达到机械限位时的高 度综合确定支架最低适用采高 加强液压支架在支架自动化调整方面的研 究从电液控制方面建立液压支架多维度姿态感 知系统使支架具有危险姿态的感知报警及自我控 制能力 加强对员工操作的培训提高作业人员设 备协同工作及安全操作意识避免出现液压支架高 射炮状态将支架出现机械限位作为操作红线去有 目的的避免 加强工作面顶板管理采取必要的措 施严格按作业规程规定及时移架、伸缩护帮板 工 作面严格执行探顶、底煤采煤机司机必须控制好工 作面顶底板保证工作面工程质量 采煤机割通煤 壁返机推移刮板输送机后及时移架控顶在顶板破 碎段须带压擦顶移架 采煤机割煤过程中当 煤机经过支架顶梁仰角超过临界限定值集中区域 时采用自动化系统结合当前支架顶梁高度主动提 示采煤机滚筒限制高度并根据采煤机滚筒高度数 据进行判断对超出限定高度情况进行报警避免发 生由于工作面采高增大造成后续顶梁仰角持续扩大 情况的出现 结 论 当液压支架顶梁俯仰角增大时不仅会降低 支架承载能力甚至会损坏支架本身结构件并会直 接关系到直接顶的稳定性 当大采高液压支架处于 上述杠杆效应模型下的工况时掩护梁整体受力状 况非常恶劣 在顶梁掩护梁设计机械限位目的是避 免平衡千斤顶被拉坏而如果不及时调整支架姿态 机械限位装置会成为立柱初撑力支点对掩护梁结构 造成破坏 当大采高液压支架在垮落的顶板大面积压 在顶梁后端与掩护梁铰接位置且顶梁前端未接顶 时一旦达到顶梁与掩护梁机械限位角度如果不及 时调节平衡千斤顶调整支架整体姿态让顶梁和掩 护梁几乎处于一条直线即高射炮状态时在顶板周 期来压作用下也会对掩护梁结构造成损坏 支架在低位状态使用时顶梁与掩护梁也会 到达机械限位位置顶梁与掩护梁夹角接近水平形 成一体靠接采空区的掩护梁承受顶板压力较大背 部矸石不易滑落积压在掩护梁背部 当周期来压 时掩护梁间接与工作面顶板接触压力释放空间较 小顶板压力直接作用于掩护梁上对掩护梁形成固 定约束导致掩护梁结构失效损坏 按照传统设计理论进行设计的液压支架采 高越高其掩护梁长度也会越长支架在高射炮状态 时因杠杆效应出现失效的可能性随之增加 通过提前采取防范措施可有效预防大采高 液压支架因杠杆效应造成的掩护梁破坏 参考文献 王国法.液压支架技术.北京煤炭工业出版社. 任怀伟杜毅博侯 刚.综采工作面液压支架围岩自适应支 护控制方法. 煤炭科学技术 . . . . 万丽荣刘 鹏孟昭胜等.冲击载荷作用于掩护梁对液压支 架的影响分析.煤炭学报. . . . 梁利闯任怀伟郑 辉.液压支架的机液耦合刚度特性分析 .煤炭科学技术 . . . . 中国煤炭行业知识服务平台 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 任怀伟王国法范迅.基于有限元分析的支架箱型截面几 何参数优化.煤炭学报. . . 徐亚军王国法刘业献.两柱掩护式液压支架承载特性及其 适应性研究.煤炭学报 . . . . 吴 震王 颖.基于 液压支架整架有限元 分析.煤矿机械. . . 王国法李希勇张传昌等. 大采高综采工作面成套装备 研发及应用.煤炭科学技术. . . . 高有进.. 液压支架设计与制造关键技术研究.煤炭科 学技术. . . . 黄庆享刘建浩.浅埋大采高工作面煤壁片帮的柱条模型分析 .采矿与安全工程学报 . . . . 张子飞杨俊哲代贵生等. 大采高综采工作面开采关键 技术研究.煤炭工程. . . . 卢国志汤建泉宋振骐.传递岩梁周期裂断步距与周期来压 步距差异分析.岩土工程学报. . . . 王国法庞义辉李明忠等.超大采高工作面液压支架与围岩 耦合作用关系.煤炭学报. . . . 徐亚军.两柱掩护式液压支架与围岩耦合关系研究与相关参 数优化.北京煤炭科学研究总院 . 杨培举刘长友韩纪志等.平衡千斤顶对放顶煤两柱掩护式 支架适应性的作用.采矿与安全工程学报 . . . . 钱鸣高 刘双跃.两柱支掩式支架适应性研究.中国矿业 学院学报. . . . 王国法 庞义辉 李明忠等. 超大采高工作面液压支架与围 岩耦合作用关系.煤炭学报. . . . 王国法庞义辉张传昌等.超大采高智能化综采成套技术与 装备研发及适应性研究.煤炭工程. . . . 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