构造破断带放顶煤支架底座的有限元应力分析及设计应用

王俊峰

（山西兰花沁阳煤矿有限公司，山西 晋城 048000）

构造破断带放顶煤支架底座的有限元应力分析及设计应用

王俊峰

（山西兰花沁阳煤矿有限公司，山西 晋城 048000）

某矿3109工作面液压支架在回采中出现扎底、倾斜、底座箱体撕裂等现象，为此建立放顶煤工作面“支架-围岩”力学模型。经对支架底座的有限元应力计算，指出支架底座危险截面位于底座过桥处。从而采取提高底座箱体强度、减小底座底板比压、提高底板刚度等措施，保证了综采放顶煤工作面在围岩破碎带的安全高效开采。

力学模型；构造破碎带；有限元应力计算

1 概述

煤层底板受断层、陷落柱等地质构造影响，围岩破碎、强度降低。工作面过断层破碎带时，常发生支架底座扎底及倾斜等现象，导致支架底座受力不均，局部应力集中，使支架受扭而导致支柱与箱体连接处撕裂。放顶煤支架底座受放煤动载作用，加剧支架损坏[1]。

液压支架经立柱将顶板压力传递到底座，支架底座钢板除要满足强度和刚度外，还应有较强的适应能力和接触比压要小。支架的稳定性是工作面安全高效开采的首要条件。为保证支架通过构造破碎带时的稳定性，对支架底座进行有限元应力分析，找出支架底座危险截面，采取措施降低支架底座的集中应力，确保特殊地质条件下的安全高效开采[2-3]。

2 地质条件

某矿3109综放工作面，煤层平均厚度5.24 m，平均倾角5°，直接顶为强度较高的6.54 m中砂岩，直接底为1.50 m强度较低的砂质页岩，工作面采用ZF4400/17/28型放顶煤液压支架。工作面回采70 m时遇与工作面斜交的正断层，根据三维地震勘测报告，断层走向EW，倾向N，倾角约65°，落差15 m，延伸长度100m。工作面围岩破碎、强度较低，回采期间出现了支架插底、倾斜、支柱与箱体连接处撕裂现象，降低支架移架速度，影响了工作面的安全高效回采。断层三维地震剖面，见图1。

图1 断层剖面

3 “支架—围岩”力学分析

在煤壁和采空区冒落矸石条件一定时，支架的支撑性能将对支架受力及上覆岩层“大结构”的控制效果很重要。采场支架并不是孤立存在的，它是处在由“老顶－直接顶－支架－底板”组成的系统中。支架与围岩体系的刚度K，由直接顶、支架、底板的刚度共同决定。

（1）当底板为坚硬和中硬时，可视为刚体、其刚度较大，对支架围岩系统的影响较小。支架围岩系统中，底板影响有限，支架与围岩体系的刚度主要是直接顶和支架的相互作用。

图2 支架-围岩力学模型

（2）当底板为较破碎岩石时，可视为弹性体，底板对支架与围岩体系刚度的影响不可忽略。支架与围岩体系的刚度由直接顶、支架、底板的刚度共同决定。

（3）直接顶刚度和支架刚度的相对变化，决定着支架的工作状态。当支架处在“给定变形”状态时，支架应有足够的支护强度和可缩量。当支架处在“给定载荷”状态时，支架应有足够的稳定性[4]。

（4）在构造破碎带3109综放工作面液压支架处在底板强度较低的假弹性体中，底座可简化为局部应力集中，受偏心载荷作用的力学模型，见图2。由于支架位移较小，可近似简化为位移为零的几何边界条件。通过简化支架几何与力学边界条件，可有效减小放顶煤支架建模复杂性，缩短有限元力学分析时间。

4 支架底座有限元强度分析

（1）三维建模：根据ZF4400/17/28型支架图纸，采用三维有限元软件建立支架的三维实体模型，然后三维实体模型数据导入有限元软件ANSYS环境中，作为力学分析模型，见图3。

（2）单元选择与网格划分：根据ZF4400/17/28型支架结构特点，多为板筋结构及孔等复杂形状，选用适应性较强的四面体单元，并用网格智能化分析功能，复杂结构处网格细密，结构简单处网格稀疏，以保证计算结果的准确性。

（3）边界条件：支架顶梁和底座为刚性构件，构造区直接顶和底板围岩破碎、强度较低，为非刚性。“支架-围岩”相互作用的边界条件相当复杂。参考《液压支架通用技术条件》及煤炭行业标准MT312-2000规定的加载方式，在支架顶梁上表面和支架底座下表面放长垫块处施加位移为零的约束。在支架底座及顶梁施加非对称偏载力学边界条件，分析支架承受非对称偏载而导致梁体受扭的支架底座应力分布特征。

（4）材料特性：液压支架为整体焊接结构，主要采用Q690、Q550、Q460级高强度合金结构钢板材组焊。材料参数，见表1。

图3 ZF4400/17/28型放顶煤液压支架

表1 支架材料参数

（5）应力计算分析：采用有限元软件对支架底座三维模型进行应力分析，得出支架底座应力云图，见图4。由图可知：应力集中于前后连杆与底座主筋板铰接点处及其所在的主筋板和前柱窝处，主筋板变形量较大，使与其相连接的连杆连接部位发生较大变形。最大应力463MPa位于底座过桥处，改变支架底座扭转角度时，过桥的集中应力呈现增大趋势。故应采取措施减小此处集中应力，保证支架的稳定性。

图4 支架底座应力云图

5 现场观测

3109综放工作面正常回采时现场观测发现，支架前柱的工作阻力普遍大于后柱。非放煤状态下前后立柱支撑力相差不大，见图3-a。受放煤的影响，放煤后液压支架前后立柱支撑力变化较大，后排立柱支撑力减小、甚至为零，前排立柱支撑力呈增大趋势，见图3-b。造成支架顶梁前后受力不均，出现底座前段扎底现象，稳定性和可靠性降低。支架立柱不同高度，前后排立柱工作阻力，见图5。

图5 不同支撑高度立柱工作阻力

造成这一现象的主要原因是：支架掩护梁放煤窗口放煤后，在支架尾梁以上形成“半拱”式小结构，拱顶为支架或煤壁上方的顶煤或岩层，后拱脚为己垮落的矸石。支架顶梁后部上方形成中空离层区、顶煤较少，因而后排立柱支撑力大幅度减小。上述分析可知，支架放煤时，顶梁前部载荷较集中，掩护梁载荷较小。断层破碎带煤层底板岩石强度较低，围岩破碎，支架与底板接触不实，在偏向载荷的作用下，底座前端插入底板，并与底板形成铰接点，支架受到扭转应力作用，加大了底座的拉应力及弯曲应力，降低了支架底座强度安全系数，底座强度不能满足受力要求而拉开甚至断裂。现场观察与理论数值分析结果基本一致。

6 提高底座稳定性的技术措施

为确保支架底座的稳定性采取以下措施：（1）为了防止支架底座箱体支护中被撕裂，应对底座主筋板的前端加设加强筋板。（2）底座的危险部位主要是过桥，底座扭转时过桥的应力集中最明显，因此底座过桥应用高强度钢或加厚钢板，并适当增大过桥的过渡圆角尺寸，以减小应力集中。（3）为避免支架底座插入底板产生偏心载荷，应在底座安装调平衡装置，保证支架始终处于平衡状态。（4）在地质构造带，应向破碎底板锚注高水速凝材料，改善底板围岩完整度，提高底板刚度，减少支架发生扎底现象。（5）底座与前、后连杆通过销轴连接，以承受从掩护梁传来的力，减小底座的作用力。（6）工作面切眼形成后，在切眼底板预先铺设厚钢板，将相邻支架底座连接在一起，增大支架与底板接触面积大，减小支架对底板的比压。（7）支架底座箱体焊缝的抗冲击韧性要高，应满足底座强度设计要求，防止支架底座局部应力集中的撕裂现象。

[1] 唐玫.液压支架底座强度有限元分析[J].计算机辅助工程,2006,9(15)：426-427.

[2] 张艳红,刘壮,李新平.放顶煤支架底座开裂原因分析[J].煤矿机械，2000(3)：40-41.

[3] 李海宁,张怡馨.液压支架底座的有限元分析[J].煤矿机械,2011,(01)：89-91.

[4] 钱鸣高，石平五，许家林.矿山压力与岩层控制［M］.徐州：中国矿业大学出版社.

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

编辑：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，本科学历，助理工程师，从事矿山机电工作。