王俊峰

（山西蘭花沁陽煤礦有限公司，山西 晉城 048000）

構(gòu)造破斷帶放頂煤支架底座的有限元應(yīng)力分析及設(shè)計(jì)應(yīng)用

王俊峰

（山西蘭花沁陽煤礦有限公司，山西 晉城 048000）

某礦3109工作面液壓支架在回采中出現(xiàn)扎底、傾斜、底座箱體撕裂等現(xiàn)象，為此建立放頂煤工作面“支架-圍巖”力學(xué)模型。經(jīng)對(duì)支架底座的有限元應(yīng)力計(jì)算，指出支架底座危險(xiǎn)截面位于底座過橋處。從而采取提高底座箱體強(qiáng)度、減小底座底板比壓、提高底板剛度等措施，保證了綜采放頂煤工作面在圍巖破碎帶的安全高效開采。

力學(xué)模型；構(gòu)造破碎帶；有限元應(yīng)力計(jì)算

1 概述

煤層底板受斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造影響，圍巖破碎、強(qiáng)度降低。工作面過斷層破碎帶時(shí)，常發(fā)生支架底座扎底及傾斜等現(xiàn)象，導(dǎo)致支架底座受力不均，局部應(yīng)力集中，使支架受扭而導(dǎo)致支柱與箱體連接處撕裂。放頂煤支架底座受放煤動(dòng)載作用，加劇支架損壞[1]。

液壓支架經(jīng)立柱將頂板壓力傳遞到底座，支架底座鋼板除要滿足強(qiáng)度和剛度外，還應(yīng)有較強(qiáng)的適應(yīng)能力和接觸比壓要小。支架的穩(wěn)定性是工作面安全高效開采的首要條件。為保證支架通過構(gòu)造破碎帶時(shí)的穩(wěn)定性，對(duì)支架底座進(jìn)行有限元應(yīng)力分析，找出支架底座危險(xiǎn)截面，采取措施降低支架底座的集中應(yīng)力，確保特殊地質(zhì)條件下的安全高效開采[2-3]。

2 地質(zhì)條件

某礦3109綜放工作面，煤層平均厚度5.24 m，平均傾角5°，直接頂為強(qiáng)度較高的6.54 m中砂巖，直接底為1.50 m強(qiáng)度較低的砂質(zhì)頁巖，工作面采用ZF4400/17/28型放頂煤液壓支架。工作面回采70 m時(shí)遇與工作面斜交的正斷層，根據(jù)三維地震勘測(cè)報(bào)告，斷層走向EW，傾向N，傾角約65°，落差15 m，延伸長度100m。工作面圍巖破碎、強(qiáng)度較低，回采期間出現(xiàn)了支架插底、傾斜、支柱與箱體連接處撕裂現(xiàn)象，降低支架移架速度，影響了工作面的安全高效回采。斷層三維地震剖面，見圖1。

圖1 斷層剖面

3 “支架—圍巖”力學(xué)分析

在煤壁和采空區(qū)冒落矸石條件一定時(shí)，支架的支撐性能將對(duì)支架受力及上覆巖層“大結(jié)構(gòu)”的控制效果很重要。采場(chǎng)支架并不是孤立存在的，它是處在由“老頂－直接頂－支架－底板”組成的系統(tǒng)中。支架與圍巖體系的剛度K，由直接頂、支架、底板的剛度共同決定。

（1）當(dāng)?shù)装鍨閳?jiān)硬和中硬時(shí)，可視為剛體、其剛度較大，對(duì)支架圍巖系統(tǒng)的影響較小。支架圍巖系統(tǒng)中，底板影響有限，支架與圍巖體系的剛度主要是直接頂和支架的相互作用。

圖2 支架-圍巖力學(xué)模型

（2）當(dāng)?shù)装鍨檩^破碎巖石時(shí)，可視為彈性體，底板對(duì)支架與圍巖體系剛度的影響不可忽略。支架與圍巖體系的剛度由直接頂、支架、底板的剛度共同決定。

（3）直接頂剛度和支架剛度的相對(duì)變化，決定著支架的工作狀態(tài)。當(dāng)支架處在“給定變形”狀態(tài)時(shí)，支架應(yīng)有足夠的支護(hù)強(qiáng)度和可縮量。當(dāng)支架處在“給定載荷”狀態(tài)時(shí)，支架應(yīng)有足夠的穩(wěn)定性[4]。

（4）在構(gòu)造破碎帶3109綜放工作面液壓支架處在底板強(qiáng)度較低的假彈性體中，底座可簡化為局部應(yīng)力集中，受偏心載荷作用的力學(xué)模型，見圖2。由于支架位移較小，可近似簡化為位移為零的幾何邊界條件。通過簡化支架幾何與力學(xué)邊界條件，可有效減小放頂煤支架建模復(fù)雜性，縮短有限元力學(xué)分析時(shí)間。

4 支架底座有限元強(qiáng)度分析

（1）三維建模：根據(jù)ZF4400/17/28型支架圖紙，采用三維有限元軟件建立支架的三維實(shí)體模型，然后三維實(shí)體模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元軟件ANSYS環(huán)境中，作為力學(xué)分析模型，見圖3。

（2）單元選擇與網(wǎng)格劃分：根據(jù)ZF4400/17/28型支架結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，多為板筋結(jié)構(gòu)及孔等復(fù)雜形狀，選用適應(yīng)性較強(qiáng)的四面體單元，并用網(wǎng)格智能化分析功能，復(fù)雜結(jié)構(gòu)處網(wǎng)格細(xì)密，結(jié)構(gòu)簡單處網(wǎng)格稀疏，以保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

（3）邊界條件：支架頂梁和底座為剛性構(gòu)件，構(gòu)造區(qū)直接頂和底板圍巖破碎、強(qiáng)度較低，為非剛性?！爸Ъ?圍巖”相互作用的邊界條件相當(dāng)復(fù)雜。參考《液壓支架通用技術(shù)條件》及煤炭行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT312-2000規(guī)定的加載方式，在支架頂梁上表面和支架底座下表面放長墊塊處施加位移為零的約束。在支架底座及頂梁施加非對(duì)稱偏載力學(xué)邊界條件，分析支架承受非對(duì)稱偏載而導(dǎo)致梁體受扭的支架底座應(yīng)力分布特征。

（4）材料特性：液壓支架為整體焊接結(jié)構(gòu)，主要采用Q690、Q550、Q460級(jí)高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼板材組焊。材料參數(shù)，見表1。

圖3 ZF4400/17/28型放頂煤液壓支架

表1 支架材料參數(shù)

（5）應(yīng)力計(jì)算分析：采用有限元軟件對(duì)支架底座三維模型進(jìn)行應(yīng)力分析，得出支架底座應(yīng)力云圖，見圖4。由圖可知：應(yīng)力集中于前后連桿與底座主筋板鉸接點(diǎn)處及其所在的主筋板和前柱窩處，主筋板變形量較大，使與其相連接的連桿連接部位發(fā)生較大變形。最大應(yīng)力463MPa位于底座過橋處，改變支架底座扭轉(zhuǎn)角度時(shí)，過橋的集中應(yīng)力呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。故應(yīng)采取措施減小此處集中應(yīng)力，保證支架的穩(wěn)定性。

圖4 支架底座應(yīng)力云圖

5 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)

3109綜放工作面正?；夭蓵r(shí)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，支架前柱的工作阻力普遍大于后柱。非放煤狀態(tài)下前后立柱支撐力相差不大，見圖3-a。受放煤的影響，放煤后液壓支架前后立柱支撐力變化較大，后排立柱支撐力減小、甚至為零，前排立柱支撐力呈增大趨勢(shì)，見圖3-b。造成支架頂梁前后受力不均，出現(xiàn)底座前段扎底現(xiàn)象，穩(wěn)定性和可靠性降低。支架立柱不同高度，前后排立柱工作阻力，見圖5。

圖5 不同支撐高度立柱工作阻力

造成這一現(xiàn)象的主要原因是：支架掩護(hù)梁放煤窗口放煤后，在支架尾梁以上形成“半拱”式小結(jié)構(gòu)，拱頂為支架或煤壁上方的頂煤或巖層，后拱腳為己垮落的矸石。支架頂梁后部上方形成中空離層區(qū)、頂煤較少，因而后排立柱支撐力大幅度減小。上述分析可知，支架放煤時(shí)，頂梁前部載荷較集中，掩護(hù)梁載荷較小。斷層破碎帶煤層底板巖石強(qiáng)度較低，圍巖破碎，支架與底板接觸不實(shí)，在偏向載荷的作用下，底座前端插入底板，并與底板形成鉸接點(diǎn)，支架受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用，加大了底座的拉應(yīng)力及彎曲應(yīng)力，降低了支架底座強(qiáng)度安全系數(shù)，底座強(qiáng)度不能滿足受力要求而拉開甚至斷裂?，F(xiàn)場(chǎng)觀察與理論數(shù)值分析結(jié)果基本一致。

6 提高底座穩(wěn)定性的技術(shù)措施

為確保支架底座的穩(wěn)定性采取以下措施：（1）為了防止支架底座箱體支護(hù)中被撕裂，應(yīng)對(duì)底座主筋板的前端加設(shè)加強(qiáng)筋板。（2）底座的危險(xiǎn)部位主要是過橋，底座扭轉(zhuǎn)時(shí)過橋的應(yīng)力集中最明顯，因此底座過橋應(yīng)用高強(qiáng)度鋼或加厚鋼板，并適當(dāng)增大過橋的過渡圓角尺寸，以減小應(yīng)力集中。（3）為避免支架底座插入底板產(chǎn)生偏心載荷，應(yīng)在底座安裝調(diào)平衡裝置，保證支架始終處于平衡狀態(tài)。（4）在地質(zhì)構(gòu)造帶，應(yīng)向破碎底板錨注高水速凝材料，改善底板圍巖完整度，提高底板剛度，減少支架發(fā)生扎底現(xiàn)象。（5）底座與前、后連桿通過銷軸連接，以承受從掩護(hù)梁傳來的力，減小底座的作用力。（6）工作面切眼形成后，在切眼底板預(yù)先鋪設(shè)厚鋼板，將相鄰支架底座連接在一起，增大支架與底板接觸面積大，減小支架對(duì)底板的比壓。（7）支架底座箱體焊縫的抗沖擊韌性要高，應(yīng)滿足底座強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，防止支架底座局部應(yīng)力集中的撕裂現(xiàn)象。

[1] 唐玫.液壓支架底座強(qiáng)度有限元分析[J].計(jì)算機(jī)輔助工程,2006,9(15)：426-427.

[2] 張艷紅,劉壯,李新平.放頂煤支架底座開裂原因分析[J].煤礦機(jī)械，2000(3)：40-41.

[3] 李海寧,張怡馨.液壓支架底座的有限元分析[J].煤礦機(jī)械,2011,(01)：89-91.

[4] 錢鳴高，石平五，許家林.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社.

Abstract:Underframe sinking,tilting,and base cabinet tearing appeared in the hydraulic support during the caving on No.3109 working face.A support-surrounding rock mechanical model was established for top coal caving face to determine structural fracture zone and the mechanical and boundary geometrical condition of the support.The finite element stress calculation for the support base showed that the dangerous section of the base lies in the bridge part.Therefore,the countermeasures,like increasing cabinet strength,reducing base/floor pressure rate,increasing floor stiffness,etc.,could reduce the support's torque under eccentric loading and increase its stability,which guaranteed the safe and efficient mining on the top coal caving face in the fracture zone.

Key words:mechanical model;structural fracture zone;finite element stress calculation

編輯：樊 敏

Finite Element Stress Analysis and Application of Top-coal Support Base in Structural Fracture Zone

WANG Jun-feng

(Lanhua Qinyang Mine Co.,Jincheng Shanxi 048000)

TD355.4

A

1672-5050（2012）07-0046-03

2012-02-22

王俊峰（1971—），山西高平人，本科學(xué)歷，助理工程師，從事礦山機(jī)電工作。