崔永亮 衛(wèi)金川
摘 要:通過(guò)對(duì)固體充填液壓支架與圍巖作用關(guān)系和支架與直接頂?shù)亩S力學(xué)分析,找出支架頂梁各支撐點(diǎn)的受力情況:①由于前、后頂梁的鉸接點(diǎn)靠近中間一排立柱,鉸接點(diǎn)對(duì)前頂梁的作用力方向?yàn)橄蛏?;②前排立柱受力FA是中間一排立柱受力FB的4.1倍,后排立柱受力FD是中間一排立柱受力FB的4.6倍。
關(guān)鍵詞:充填支架;充填體;直接頂
中圖分類號(hào):TD355.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-5168(2018)02-0087-03
The 2-D Mechanics Analysis of Back-filling Roof Support
and Immediate Roof
CUI Yongliang WEI Jinchuan
(Zhengzhou Siwei Mechanical & Electrical Equipment Manufacturing Co.,Ltd.,Zhengzhou Henan 450001)
Abstract: By both the relationship between the solid back-filling roof support and surrounding rock and the 2-D mechanics analysis of roof support and immediate roof , find out the support force of the top beam each strong point: because the hinge point before and after the beam near the middle of a row of columns on the front top beam hinge point force in the direction of the upward; the front column force FA is 4.1 times the middle row column force FB, rear column force FD is 4.6 times the middle row column force FB.
Keywords: back-filling roof support;filling body;immediate roof
隨著煤炭資源的枯竭,充填開采越來(lái)越多地運(yùn)用到煤礦采煤中。充填開采新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)采煤設(shè)備的需求有了一個(gè)全面的革新,充填支架應(yīng)運(yùn)而生。與普通支架相比,充填支架增加了后部起支撐作用的后頂梁,因而支架與圍巖的作用關(guān)系發(fā)生了變化,從而影響了支架各支撐受力點(diǎn)的受力情況,所以對(duì)其的研究為支架設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。
1 固體充填液壓支架與圍巖之間的作用關(guān)系
固體充填綜采是在固體充填液壓支架的掩護(hù)下,在支架前端用采煤機(jī)割煤、刮板輸送機(jī)運(yùn)煤;在支架后端進(jìn)行采空區(qū)密實(shí)充填,使整個(gè)工作面一直以開切眼的形式向前推進(jìn)。根據(jù)充填開采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),充填開采后,老頂基本處于彎曲下沉狀態(tài),沒(méi)有明顯的周期破斷,后部充填體在上覆巖層載荷作用下逐漸被壓實(shí),支撐工作面頂板及采場(chǎng)上覆巖層的載荷[1]。支架與圍巖之間的作用模型如圖1所示。
[上覆巖層][基本頂][直接頂][煤壁][充填體]
圖1 支架與圍巖之間的作用模型
在固體充填開采模式下,整個(gè)工作面上覆巖層中形成的支撐結(jié)構(gòu),是“煤壁—支架—充填體”支撐體系,充填體充滿了煤開采后的空間,使上覆巖層無(wú)法下沉,有效控制了老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)及破斷,減弱了老頂回轉(zhuǎn)破斷對(duì)充填支架造成的沖擊載荷,避免了明顯的初次來(lái)壓和周期來(lái)壓[2]。與傳統(tǒng)垮落法管理頂板開采不同,充填支架除需要平衡上覆巖層壓力外,還要盡可能地控制直接頂?shù)南鲁磷冃?,以保證實(shí)現(xiàn)開采后的充填物料的密實(shí)充填,達(dá)到控制上覆巖層下沉變形的目的。
2 固體充填液壓支架與直接頂?shù)牧W(xué)模型分析
充填開采形成的煤壁—支架—充填體,共同支撐上覆巖層載荷。支架的作用是支撐頂板,給頂板一個(gè)主動(dòng)支撐,防止直接頂離層下沉。充填體在直接頂?shù)淖饔孟侣粔簩?shí),其對(duì)頂板的支撐力隨著被壓實(shí)的過(guò)程而逐漸增加。根據(jù)支撐式液壓支架的支撐力特點(diǎn),以及六柱式支架的結(jié)構(gòu)特征,建立如圖2所示的充填支架及充填體與頂板作用的力學(xué)模型[3]。
圖2中,a、b分別為六柱充填液壓支架的第二排立柱到前、后頂梁端的距離;q為支架作用直接頂支撐力最大集度;[q'0]為架后采空區(qū)直接頂作用給充填體的載荷;[q']為充填體支撐直接頂最大集度。支架后方直接頂上覆載荷等效作用,在C點(diǎn)一個(gè)集中力F和彎矩M0,以C點(diǎn)分別建立各分力的彎矩方程,并根據(jù)邊界條件,即按最理想充填效果,C點(diǎn)的繞度yc為零,利用莫爾積分計(jì)算其繞度[4]:
[yc=i=140a+bMxMixdxEI=0 ] (1)
計(jì)算支架對(duì)直接頂支撐力最大集度:
[q=53q0a3+8a2F+9q0ba2+12aM0+16aFb+9q0b2a+12M0b+ 8Fb2+3q0b3 /(11a3+24ba2+16b2a +4b3) ] (2)
在支架與直接頂相互作用的力學(xué)體系中,支架與直接頂之間是作用力與反作用力的關(guān)系。建立了支架頂梁力學(xué)模型,如圖3所示。
圖3中A、B、D分別為立柱對(duì)頂梁的約束,立柱支撐力的垂直分力,即為以上三處的支座反力FA、FB、FD;C為支架前后頂梁的鉸接點(diǎn)[5]。
在圖3中:l1為第一排立柱上鉸點(diǎn)到前頂梁前端之間的距離;l2為第一排立柱上鉸點(diǎn)到第二排立柱上鉸點(diǎn)之間的距離;l3為第二排立柱到前頂梁與后頂梁鉸接點(diǎn)之間的距離;l4為前頂梁與后頂梁鉸接點(diǎn)到第三排立柱上鉸點(diǎn)之間的距離;l5為第三排立柱上鉸點(diǎn)到后頂梁后端之間的距離。
該模型為多跨靜定梁,取圖3中的多跨靜定梁附屬部分(后頂梁),即從C點(diǎn)起計(jì)算。
由C點(diǎn)合力矩為零,有
[MC=l4+l53q6(l3+l4+l5)-FDl4=0 ] (3)
由y方向合力為零,有
[Fy=FC+FD-l4+l52q2l3+l4+l5=0 ] (4)
由 [(3)、(4) ]得:
[FC=q6l4(l3+l4+l5)-l35+2l34+3l24l5 ] (5)
[FD=q6l4(l3+l4+l5)×l34+3l24l5+3l4l25+l35 ] (6)
再以B點(diǎn)分析計(jì)算。
B點(diǎn)合力矩為零,有:
[MB=FAl2-(16ql1+l22-16q(1-l4+l5l3+l4+l5)l23)+ 12ql23l4+l5l3+l4+l5+FCl3=0 ] (7)
由y方向合力為零,有:
[Fy=FA+FB-FC-12ql1+l2-12q1-l4+l5l3+l4+l5l3 =0 ] (8)
由[(7)、(8)]得:
[FA=q6l2l345l4l212l345l4+l23l345l4-4l45l23l4+l3l345-3l245l3l4 ] (9)
[FB=-q6l2l345l4(l212l345l4+l23l345l4-4l45l23l4+l3l345-3l245l3l4 +l345l2-3l245l4l2-3l3l45l4l2-3l3l345l4l2-3l12l345l4l2 ] (10)
其中:[l12=l1+l2 ,l45=l4+l5 , l345=l3+l4+l5] 。對(duì)于所研究的充填液壓支架來(lái)說(shuō),[l1, l2,l3,l4,l5] 分別為2.23m,1.52m,0.4m,0.9m,2.35m。代入式[(6)式(9)式(10)]可以得出,F(xiàn)A、FB、FD分別為1.57q、0.38q和1.74q。
3 結(jié)論
由上分析結(jié)果可得出設(shè)計(jì)支架的受力特征為:①由于前、后頂梁的鉸接點(diǎn)靠近中間一排立柱,鉸接點(diǎn)對(duì)前頂梁的作用力方向?yàn)橄蛏?;②前排立柱受力FA是中間一排立柱受力FB的4.1倍,后排立柱受力FD是中間一排立柱受力FB的4.6倍,因此,在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮各排立柱和前后頂梁的受力特征,從而選擇合適的材料強(qiáng)度;③通過(guò)以上分析,建立了六柱充填液壓支架與直接頂?shù)牧W(xué)模型,找出了支架各支撐點(diǎn)的受力分配情況,為以后充填液壓支架的設(shè)計(jì)分析提供了依據(jù)。
參考文獻(xiàn):
[1]過(guò)秉坤.綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)在平煤十二礦的應(yīng)用[J].中州煤炭,2012(9):50-53.
[2]周躍進(jìn),張吉雄,聶守江,等.充填采煤液壓支架受力分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012(3):366-370.
[3]繆協(xié)興.綜合機(jī)械化固體充填采煤礦壓控制原理與支架受力分析[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010(6):795-801.
[4]丁紹南.采煤工作面液壓支架設(shè)計(jì)[M].北京:世界圖書出版公司,2002.
[5]翟榮濤.固體充填支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[J].河北煤炭,2013(2):39-41.