煤矿膏体充填支架结构与液压系统建模仿真研究

摘要

充填开采是解决“三下压煤”的根本途径，现阶段充填开采技术依然无法满足高效环保的绿色理念。究其重要原因在于充填开采的工艺设备无法达到工作面所需要的开采及充填要求。本文通过理论分析和模拟研究的手段，以汾西集团新阳煤矿10203工作面地质条件为背景，针对该矿的支架围岩力学关系、支架三维模型及压架模拟实验设计、ANSYS支架结构有限元分析、支架液压系统模型构建与仿真四个方面展开研究。
　　首先，以矿压基本理论为中心，分析了支架、围岩所受载荷的情况，建立了充填系统的等效弹簧支护模型。重点以充填支架与围岩相互的作用关系基础上分析论证，参考前人研究的充填体强度形成规律，进一步建立了充填支架初撑力计算公式，并得出初撑力的大小随着充填体压缩率的增大而增大。随着工作面推进距离的增加，充填支架初撑力大致以对数形式增加，并逐渐趋于稳定。
　　其次，基于充填支架与围岩关系的理论分析、在新阳矿原有的支架结构参数和液压支架的基本设计原则的基础上，对膏体充填工作面的充填液压支架进行了辅助机构分析优化和主体承载结构的三维建模。基于充填开采特殊工况，通过ANSYS有限元分析对支架底座扭转、集中加载、顶梁偏载、中部及两端集中加载方式进行压架实验。得出充填支架在充填初期的顶梁偏载、底座扭转加载的工况下受到的应力最大，其最大应力为139.91MPa，支架的后立柱部分受到的应力普遍较大，为充填支架的优化提供了一定的数据支持。
　　最后，针对该矿的实际情况，建立了充填液压支架的液压系统仿真模型，对支架立柱系统、控制系统的各部件工作状态进行模拟仿真，得到充填开采初期的立柱升柱特性：在立柱初撑阶段，随着时间不断增加立柱升高，当达到12.3s时完成升柱并上升至2.1m。同时分析了在膏体充填初期，支架液压系统安全阀的启闭特性、阀芯的受力、位移、速度特性。得出了随着顶板对支架的来压，先导阀芯产生周期性受力的结论。通过本文的研究，丰富了膏体充填开采、膏体充填支架结构、膏体充填支架液压系统等研究领域的内容，同时也为支架整体的优化设计提供了多角度的参考和借鉴。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3本文研究内容与方法

第二章 煤矿膏体充填支架与围岩作用关系

2.1 膏体充填工作面上覆岩层运动规律

2.2膏体充填液压支架与围岩作用关系

2.3工程实际算例

2.4本章小结

第三章 煤矿膏体充填支架结构设计及其三维建模

3.1 充填开采工作面支架的基本布置方式

3.2充填开采工作面支架结构的确定

3.3充填支架辅助充填配套设施优化分析

3.4充填液压支架结构分析方案的确定

3.5充填工作面充填支架的三维建模

3.6本章小结

第四章 煤矿膏体充填液压支架有限元分析

4.1 ANSYS（14.5版）有限元分析软件简介

4.2膏体充填液压支架有限元分析前处理

4.3膏体充填液压支架有限元分析

4.4 本章小结

第五章 基于AMEsim的充填支架液压系统仿真

5.1 AMEsim 10软件介绍

5.2充填支架立柱液压系统模型的建立

5.3充填支架立柱液压系统模型仿真分析

5.4充填支架液压系统压力损失计算分析

5.5本章小结

第六章 结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间的学术成果与参加科研项目情况