構造破斷帶放頂煤支架底座的有限元應力分析及設計應用

王俊峰

（山西蘭花沁陽煤礦有限公司，山西 晉城 048000）

構造破斷帶放頂煤支架底座的有限元應力分析及設計應用

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扎底、傾斜、底座箱體撕裂等現象，為此建立放頂煤工作面“支架-圍巖”力學模型。經對支架底座的有限元應力計算，指出支架底座危險截面位于底座過橋處。從而采取提高底座箱體強度、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。

力學模型；構造破碎帶；有限元應力計算

1 概述

煤層底板受斷層、陷落柱等地質構造影響，圍巖破碎、強度降低。工作面過斷層破碎帶時，常發生支架底座扎底及傾斜等現象，導致支架底座受力不均，局部應力集中，使支架受扭而導致支柱與箱體連接處撕裂。放頂煤支架底座受放煤動載作用，加劇支架損壞[1]。

液壓支架經立柱將頂板壓力傳遞到底座，支架底座鋼板除要滿足強度和剛度外，還應有較強的適應能力和接觸比壓要小。支架的穩定性是工作面安全高效開采的首要條件。為保證支架通過構造破碎帶時的穩定性，對支架底座進行有限元應力分析，找出支架底座危險截面，采取措施降低支架底座的集中應力，確保特殊地質條件下的安全高效開采[2-3]。

2 地質條件

某礦3109綜放工作面，煤層平均厚度5.24 m，平均傾角5°，直接頂為強度較高的6.54 m中砂巖，直接底為1.50 m強度較低的砂質頁巖，工作面采用ZF4400/17/28型放頂煤液壓支架。工作面回采70 m時遇與工作面斜交的正斷層，根據三維地震勘測報告，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、強度較低，回采期間出現了支架插底、傾斜、支柱與箱體連接處撕裂現象，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”力學分析

在煤壁和采空區冒落矸石條件一定時，支架的支撐性能將對支架受力及上覆巖層“大結構”的控制效果很重要。采場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）當底板為堅硬和中硬時，可視為剛體、其剛度較大，對支架圍巖系統的影響較小。支架圍巖系統中，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-圍巖力學模型

（2）當底板為較破碎巖石時，可視為彈性體，底板對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變化，決定著支架的工作狀態。當支架處在“給定變形”狀態時，支架應有足夠的支護強度和可縮量。當支架處在“給定載荷”狀態時，支架應有足夠的穩定性[4]。

（4）在構造破碎帶3109綜放工作面液壓支架處在底板強度較低的假彈性體中，底座可簡化為局部應力集中，受偏心載荷作用的力學模型，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邊界條件，可有效減小放頂煤支架建模復雜性，縮短有限元力學分析時間。

4 支架底座有限元強度分析

（1）三維建模：根據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體模型，然后三維實體模型數據導入有限元軟件ANSYS環境中，作為力學分析模型，見圖3。

（2）單元選擇與網格劃分：根據ZF4400/17/28型支架結構特點，多為板筋結構及孔等復雜形狀，選用適應性較強的四面體單元，并用網格智能化分析功能，復雜結構處網格細密，結構簡單處網格稀疏，以保證計算結果的準確性。

（3）邊界條件：支架頂梁和底座為剛性構件，構造區直接頂和底板圍巖破碎、強度較低，為非剛性。“支架-圍巖”相互作用的邊界條件相當復雜。參考《液壓支架通用技術條件》及煤炭行業標準MT312-2000規定的加載方式，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稱偏載力學邊界條件，分析支架承受非對稱偏載而導致梁體受扭的支架底座應力分布特征。

（4）材料特性：液壓支架為整體焊接結構，主要采用Q690、Q550、Q460級高強度合金結構鋼板材組焊。材料參數，見表1。

圖3 ZF4400/17/28型放頂煤液壓支架

表1 支架材料參數

（5）應力計算分析：采用有限元軟件對支架底座三維模型進行應力分析，得出支架底座應力云圖，見圖4。由圖可知：應力集中于前后連桿與底座主筋板鉸接點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生較大變形。最大應力463MPa位于底座過橋處，改變支架底座扭轉角度時，過橋的集中應力呈現增大趨勢。故應采取措施減小此處集中應力，保證支架的穩定性。

圖4 支架底座應力云圖

5 現場觀測

3109綜放工作面正常回采時現場觀測發現，支架前柱的工作阻力普遍大于后柱。非放煤狀態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，見圖3-b。造成支架頂梁前后受力不均，出現底座前段扎底現象，穩定性和可靠性降低。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

造成這一現象的主要原因是：支架掩護梁放煤窗口放煤后，在支架尾梁以上形成“半拱”式小結構，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、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，頂梁前部載荷較集中，掩護梁載荷較小。斷層破碎帶煤層底板巖石強度較低，圍巖破碎，支架與底板接觸不實，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，支架受到扭轉應力作用，加大了底座的拉應力及彎曲應力，降低了支架底座強度安全系數，底座強度不能滿足受力要求而拉開甚至斷裂。現場觀察與理論數值分析結果基本一致。

6 提高底座穩定性的技術措施

為確保支架底座的穩定性采取以下措施：（1）為了防止支架底座箱體支護中被撕裂，應對底座主筋板的前端加設加強筋板。（2）底座的危險部位主要是過橋，底座扭轉時過橋的應力集中最明顯，因此底座過橋應用高強度鋼或加厚鋼板，并適當增大過橋的過渡圓角尺寸，以減小應力集中。（3）為避免支架底座插入底板產生偏心載荷，應在底座安裝調平衡裝置，保證支架始終處于平衡狀態。（4）在地質構造帶，應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，減少支架發生扎底現象。（5）底座與前、后連桿通過銷軸連接，以承受從掩護梁傳來的力，減小底座的作用力。（6）工作面切眼形成后，在切眼底板預先鋪設厚鋼板，將相鄰支架底座連接在一起，增大支架與底板接觸面積大，減小支架對底板的比壓。（7）支架底座箱體焊縫的抗沖擊韌性要高，應滿足底座強度設計要求，防止支架底座局部應力集中的撕裂現象。

[1] 唐玫.液壓支架底座強度有限元分析[J].計算機輔助工程,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：中國礦業大學出版社.

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，本科學歷，助理工程師，從事礦山機電工作。