固体充填液压支架工作阻力设计方法技术

本发明专利技术提供了一种固体充填液压支架工作阻力设计方法，属于充填采煤机械装备技术领域。本发明专利技术采用多跨超静定结构的“顶板—支架—充填体”相互作用的力学模型，联合数值模型，利用覆岩应力曲线作为顶板载荷，更真实地反映顶板载荷的分布，得到顶板载荷、支架和充填体支撑作用力的力学关系更精准，可针对不同充填体弹性地基系数和不同顶板限定变形量条件得到双顶梁结构液压支架前顶梁和后顶梁支护强度，与现有的支架设计方法相比更具科学性和合理性。

Design Method of Working Resistance of Solid Filling Hydraulic Support

【技术实现步骤摘要】
固体充填液压支架工作阻力设计方法
本专利技术属于充填采煤机械装备
，更具体地说，是涉及一种固体充填液压支架工作阻力设计方法。
技术介绍
充填开采是一种采用液压支架作为支撑，不断在液压支架和岩层顶板之间填充矸石等充填体，以防止岩层顶板变形垮塌的开采方式。充填开采上覆岩层应力场分布特征对液压支架工作状态和充填体力学行为有着较大的影响，而液压支架和充填体又反作用于顶板应力分布，液压支架承受的载荷不仅与原岩地质与开采条件有关，还与充填体力学性能密切相关。充填开采岩层应力场的重新分布过程是岩层顶板、液压支架和充填体三者相互作用、相互影响的结果，若单方面给定某一变量的数值则失去了各因素之间的互动性。但是现有技术中并没有能够在顶板载荷、支架支撑力和充填体压实稳定长度等诸多参数的未知条件下有效分析三者之间互相作用、互相影响量化关系的方法，因此岩层顶板、液压支架和充填体三者相互作用关系仍然难以确定，进而难以确定液压支架在施工使用过程中工作阻力的变化规律，不利于在施工使用前和使用中对液压支架和充填体进行安全有效的调试。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种固体充填液压支架工作阻力设计方法，以解决现有技术中存在的难以确定液压支架在施工使用过程中工作阻力的变化规律的技术问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：提供一种固体充填液压支架工作阻力设计方法，包括：A、根据充填开采条件下岩层顶板移动的实际变形量参数，建立岩层顶板、液压支架和填充体之间的力学模型；B、以岩层侧壁和充填体为主要承载体，液压支架对岩层顶板起限定变形作用，建立关于连续的岩层顶板的力学平衡方程和变形协调方程；C、将充填体的分布弹性地基支承离散为若干跨等效弹性支承，取单跨隔离体进行分析，建立截面切口形变分量方程，并推导得出跨间截面切口形变分量的矩阵表达式，并求解；D、根据上述求出的解，建立与力学模型中液压支架作用和充填体参数一致的数值模型，将数值计算得出的覆岩应力曲线作为顶板载荷，得出模型中岩层顶板载荷、液压支架受力和充填体支承作用力的相互作用关系函数h(x)；E、将所需的充填体弹性地基系数和顶板限定变形量代入上述作用关系函数h(x)，确定液压支架工作阻力。进一步地，前述的固体充填液压支架工作阻力设计方法中，所述步骤A包括：将岩层顶板作为作用荷载，将填充体作为支承梁，将液压支架作为支点，建立岩层顶板、填充体和液压支架之间相互作用的力学模型。进一步地，前述的固体充填液压支架工作阻力设计方法中，所述步骤B包括：B1、将两端约束以未知力和弯矩表示，液压支架支承以反力Ri代替，计算岩体侧壁和充填体等效弹性刚度为：式中Kmi和Kci分别为岩体侧壁和充填体的等效弹性刚度；kmi和kci分别为岩体侧壁和充填体的弹性地基系数；lmi和lci分别为岩体侧壁和充填体的等效弹性支承间距；b为力学模型的单位厚度；B2、选取某一跨度为li作为隔离体，根据液压支架i两侧剪力和弯矩平衡条件，可得3个平衡方程：Fsi+Ri＝q(x)+Fsi-Ri+1(2)Fi-Fi+1＝0(3)Mi+Ri+1li＝∫q(x)lixdx-Mi+1(4)B3、推导岩体侧壁和充填体等效弹性支承反力Ri与其压缩量Di的关系：式中当i＝3,4时，Ri为液压支架在限定变形状态Di下的恒定支撑作用力，D4为给出值。进一步地，前述的固体充填液压支架工作阻力设计方法中，在所述步骤C中，截面切口形变分量方程求解过程包括：根据截面切口形变分量的矩阵表达式和n+2个变形协调方程，联合3个平衡方程，构成n+5个求解方程，对应n+5个未知约束，求解全部未知量。进一步地，前述的固体充填液压支架工作阻力设计方法中，所述步骤C包括，第i个截面切口处的形变分量为式(6)中，X1(i)＝Fi，X2(i)＝Fsi，X3(i)＝Mi；δrs(i)为单位力作用时在截面切口i处产生的位移，为荷载Ri单独作用时产生的三个未知力方向的位移；式(6)中所有单位力产生的位移系数和自由项均可由变形位能公式求出：式(7)中，和分别代表由Xr(i)、Xs(i)、Ri单独作用时产生的弯矩和轴向力；为保证截面两侧是连续的而不发生任何相对位移，要求基本结构在多余未知力X1、X2、X3及外载荷共同作用下的位移形态应与原结构的完全相同，具体的位移条件为Δr(i)＝0；将式(6)展开得到第i个截面切口形变分量的矩阵形式：式(8)写成矩阵形式：得到第1～n个截面切口形变分量的矩阵表达式：式(9)和式(3)～(5)构成n+5个求解方程。进一步地，前述的固体充填液压支架工作阻力设计方法中，在所述步骤D中，所述数值模型为有限元平面应变数值模型，采用计算机软件模拟建立所述数值模型，并生成模拟计算模型图。进一步地，前述的固体充填液压支架工作阻力设计方法中，在所述步骤E中，采用特定充填体弹性地基系数和特定岩层顶板限定变形量条件，确定双顶梁结构液压支架前顶梁和后顶梁支护强度，进而确定确定液压支架工作阻力。进一步地，前述的固体充填液压支架工作阻力设计方法中，所述步骤A中，所述充填开采条件下的实际变形量参数包括充填优先条件、地表沉降量和矿压显现压力限制。本专利技术提供的固体充填液压支架工作阻力设计方法的有益效果在于：与现有技术相比，本专利技术采用多跨超静定结构的“顶板—支架—充填体”相互作用的力学模型，联合数值模型，利用覆岩应力曲线作为顶板载荷，更真实地反映顶板载荷的分布，得到顶板载荷、支架和充填体支撑作用力的力学关系更精准，可针对不同充填体弹性地基系数和不同顶板限定变形量条件得到双顶梁结构液压支架前顶梁和后顶梁支护强度，与现有的支架设计方法相比更具科学性和合理性。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的固体充填液压支架工作阻力设计方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的固体充填液压支架工作阻力设计方法的力学模型示意图；图3为本专利技术实施例提供的固体充填液压支架工作阻力设计方法的力学模型计算简图；图4为本专利技术实施例提供的固体充填液压支架工作阻力设计方法的力学模型计算简图的隔离单跨受力图；图5为本专利技术实施例提供的固体充填液压支架工作阻力设计方法的数值模拟计算模型图。具体实施方式为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。“连续曲形梁”结构模型阐述了连续曲形梁的形成过程及其几何与力学特征，由于结构的连续而保持了力的传递，从而减轻了对原岩应力场的扰动，从本质上揭示了充填开采岩层运动形式。对于垮落法开采的岩层运动，长期的实践观测和研究表明，随工作面的推进，采空区上方坚硬岩层断裂成排列整齐的岩块，岩块间受水平推力作用而形成铰接关系，“砌体梁”结构模型由此而提出，在“砌体梁”结构基础上，根据充填开采时坚硬岩层仅发生微小变形、结构依然连续而不再断裂这一现象，建立“顶板—支架—充填体”相互作用力学模型。常采用的两种顶板载荷估计方法为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种固体充填液压支架工作阻力设计方法，其特征在于，包括以下步骤：A、根据充填开采条件下岩层顶板移动的实际变形量参数，建立岩层顶板、液压支架和填充体之间的力学模型；B、以岩层侧壁和充填体为主要承载体，液压支架对岩层顶板起限定变形作用，建立关于连续的岩层顶板的力学平衡方程和变形协调方程；C、将充填体的分布弹性地基支承离散为若干跨等效弹性支承，取单跨隔离体进行分析，建立截面切口形变分量方程，并推导得出跨间截面切口形变分量的矩阵表达式，并求解；D、根据上述求出的解，建立与力学模型中液压支架作用和充填体参数一致的数值模型，将数值计算得出的覆岩应力曲线作为顶板载荷，得出模型中岩层顶板载荷、液压支架受力和充填体支承作用力的相互作用关系函数h(x)；E、将所需的充填体弹性地基系数和顶板限定变形量代入上述作用关系函数h(x)，分析双顶梁结构液压支架前顶梁和后顶梁支护强度的变化规律，确定液压支架工作阻力。

【技术特征摘要】
1.一种固体充填液压支架工作阻力设计方法，其特征在于，包括以下步骤：A、根据充填开采条件下岩层顶板移动的实际变形量参数，建立岩层顶板、液压支架和填充体之间的力学模型；B、以岩层侧壁和充填体为主要承载体，液压支架对岩层顶板起限定变形作用，建立关于连续的岩层顶板的力学平衡方程和变形协调方程；C、将充填体的分布弹性地基支承离散为若干跨等效弹性支承，取单跨隔离体进行分析，建立截面切口形变分量方程，并推导得出跨间截面切口形变分量的矩阵表达式，并求解；D、根据上述求出的解，建立与力学模型中液压支架作用和充填体参数一致的数值模型，将数值计算得出的覆岩应力曲线作为顶板载荷，得出模型中岩层顶板载荷、液压支架受力和充填体支承作用力的相互作用关系函数h(x)；E、将所需的充填体弹性地基系数和顶板限定变形量代入上述作用关系函数h(x)，分析双顶梁结构液压支架前顶梁和后顶梁支护强度的变化规律，确定液压支架工作阻力。2.如权利要求1所述的固体充填液压支架工作阻力设计方法，其特征在于，所述步骤A包括：将岩层顶板作为作用荷载，将填充体作为支承梁，将液压支架作为支点，建立岩层顶板、填充体和液压支架之间相互作用的力学模型。3.如权利要求2所述的固体充填液压支架工作阻力设计方法，其特征在于，所述步骤B包括：B1、将两端约束以未知力和弯矩表示，液压支架支承以反力Ri代替，计算岩体侧壁和充填体等效弹性刚度为：式中Kmi和Kci分别为岩体侧壁和充填体的等效弹性刚度；kmi和kci分别为岩体侧壁和充填体的弹性地基系数；lmi和lci分别为岩体侧壁和充填体的等效弹性支承间距；b为力学模型的单位厚度；B2、选取某一跨度为li作为隔离体，根据液压支架i两侧剪力和弯矩平衡条件，可得3个平衡方程：Fsi+Ri＝q(x)+Fsi-Ri+1(2)Fi-Fi+1＝0(3)Mi+Ri+1li＝∫q(x)lixdx-Mi+1(4)B3、推导岩体侧壁和充填体等效弹性支承反力Ri与其压缩量Di的关系：...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘建功，郭进喜，史艳楠，王毅颖，李新旺，赵家巍，刘宇轩，
申请(专利权)人：河北工程大学，
类型：发明
国别省市：河北,13