矿井气压超前支护设备的研究[毕业论文+CAD图纸]

煤矿机械毕业设计论文：矿井气压超前支护设备的研究含论文，CAD图纸

矿井气压超前支护设备的研究[毕业论文+CAD图纸]

矿井气压超前支护设备的研究[毕业论文+CAD图纸]

摘 要

矿井支护影响到矿井生产安全和采掘生产效益等诸多问题。当前煤矿生产中使用较多的锚网支护存在着支护速度慢、劳动强度大、临时支护搭建困难等一系列问题，同时在锚网支护过程中还存在一定的安全隐患。

针对以上情况，我们设计研制了井下气压超前支护设备。拟研制的新型超前支架以锚网支护为基础，主要用于煤矿井下锚网支护巷道的掘进工作面，能够实现掘进面前端2-3米空顶区临时支护搭建的自动化，高效化，搭建质量高，适应范围广，可大大提高支护搭建的安全性，提高支护搭建效率和矿藏开采效率。本新型超前支架安装在与顶板锚杆连接的圆形梁上，以圆形梁为轨道，由气压力驱动各工作臂移动，实现悬挂式前后迈步行走。

本新型超前支架设有可进行高度调节的机爪组，以适应巷道顶板的凹凸不平，前端装有变自由度平行四边形支护机构，可实现临时支护搭建的自动化和快速化。该临时支护的搭建过程同时也是锚网支护防护网的搭建过程，可大大提高锚网支护的搭建效率。

关键词：支护； 悬挂式迈步移动； 高度调节

ABSTRACT

Mine support to the affected mine production safety and the beneficial result of mining production, and many other issues. At present , there are many issues in the anchor net support , which is the main method used in the coal mine support . Such as the slow speed of the supporting, the labour-intensive, and the difficulty of temporary support .At the same time, we can’t neglect the certain security risks in the anchor net support. For the above, we designed a mine atmospheric pressure ahead of supporting equipment . The new type of supporting equipment is basic on the anchor net support, which is main used in the network supporting of the the heading face in coal mine tunnel. And it can achieve automation and high efficiency of the top provisional air support structures before the end 2-3 meters. The high-quality structures, adapt to a wide range of support, can greatly improve the safety and the efficiency of support structures and improve the mineral exploitation efficiency. This new type of supporting equipment is installed on the circular shape roof beam, which is joined with the anchor. The equipment’s track is the circular shape roof beam. The motion of every working arm and the hoisting of walk-around move are driven by the atmospheric pressure. This new type of supporting equipment with a high degree of regulation can be carried out for the group of claws group, to adapt to the rugged roadway roof. The front-end with Parallelogram-support mechanism whose degrees of freedom can be changed, to achieve the automation and rapid of the temporary support structures. And the process of building the temporary support structures is also the process of building the anchor net-protective network of structures, that can greatly improve the efficiency of building the support network anchor the structures.
Keywords: support; the hoisting of walk-around move; high degree of regulation

目 录

1 绪论…………………………………………………………………………1
2 锚杆支护的现状及设计思路的提出…………………………………………3
2.1 现代矿井支护设备的分析………………………………………………3
2.1.1 国内外矿井支护设备现状与发展趋势…………………………………………3
2.1.2 锚杆支护的特点机理与现状分析……………………………………5
2.1.3 临时采掘支护的现状分析……………………………………………8
2.2国内外超前联合支护发展现状…………………………………………10
3 矿井气压超前支护设备支护模式的建立…………………………………13
3.1支护模式的提出………………………………………………………13
3.1.1 井下锚网支护工况特点与分析………………………………………13
3.1.2 移动机构模式的提出与分析…………………………………………15
3.1.3 工作机构模式的提出与分析…………………………………………16
3.2 机构承载强度的可行性分析…………………………………………19
3.3 岩层与锚杆受力强度分析实验………………………………………22
4 新型支架的结构设计及仿真………………………………………………26
4.1 新型支架虚拟样机设计………………………………………………27
4.1.1 基于Solidworks的虚拟设计及装配………………………………27
4.1.2 基于Solidworks的运动仿真模拟…………………………………29
4.2 各工作臂强度有限元分析……………………………………………32
4.3 机爪的结构设计及强度分析…………………………………………36
4.3.1 机爪的结构特点分析…………………………………………………36
4.3.2 机爪强度的有限元分析………………………………………………37
4.4 气压控制回路的设计与仿真…………………………………………39
4.4.1 各气压缸的计算及选型………………………………………………39
4.4.2 气压控制回路的设计…………………………………………………58
4.4.3 气压控制回路的仿真模拟……………………………………………60
5 新型支架工作特点及效益安全分析………………………………………62
5.1 新型支架的工作特性…………………………………………………62
5.2 新型超前支架的效益分析……………………………………………63
5.2.1 现代煤矿采掘效益分析………………………………………………63
5.2.2 采用新型支架后效益分析……………………………………………64
5.3 新型支架的安全性分析………………………………………………65
6 总结…………………………………………………………………………67
7 设计心得体会………………………………………………………………70
参考文献………………………………………………………………………71
翻译部分………………………………………………………………………73
英文原文……………………………………………………………………73
中文译文……………………………………………………………………83
致谢……………………………………………………………………………91

1 绪论

矿井支护对于煤矿安全生产来说是一个至关重要的因素，据调查，在2006、2007年我国统计在内的煤炭企业死亡事故中，顶板事故造的死亡人数均接近40%，且我国矿井支护设备每年的直接费用高达20亿元人民币以上，所占地下采掘生产成本比例较大。基于煤矿生产中存在的这些问题，我们设计了矿井气压超前支护设备。这是一种全新的支护模式，在利用锚网支护施工简单方便、效率高、成本低、速度快、支护效果好等特点的同时还能够科学合理的解决锚网支护中存在的一系列问题并且能够避免采用锚网支护所带来的一些安全隐患，使矿井巷道支护更加安全并且能够在很大程度上减轻工人的劳动强度，增加作业效率。

适用场合

本支架以锚网支护为基础，在刚采掘好的巷道前端2米左右的采空区进行的临时支护，以便人在下面搭建永久支架和作业。在刚采掘好的巷道，顶板不稳定，不时有岩石下落，而且很容易发生顶板事故，对作业的工人来讲有很大的安全隐患。本支架可以解决这一问题，保障作业工人的安全。本支架采用变自由度的四杆、六杆、五杆机构实现对巷道顶板的临时支护，从而可以适应顶板的凹凸不平。另外，本支架还采用顶板悬挂式迈步自移式机构，实现支架的顶板行走，能节省很大的空间，还能适应巷道地面的高低不平。

支架结构

新型超前支架主体由主臂，伸缩臂，滑臂，支撑臂，机爪组等几大部分组成，由三个气压缸为其提供驱动力，其中两个用于行走，一个实现支护，三个气缸共同实现工作机构的前后迈步移动和超前临时支护的搭建。

创新点

本超前支架有两大创新点：一是大胆采用全新的悬挂式迈步行走模式，充分利用了原来锚网支护的优点，同时充分利用巷道顶部空间来进行临时支架的前后行走，和传统的支护模式有很大的区别；二是在悬挂式迈步行走机构的基础上我们设计了一套变自由度平行四边形支护机构，可用来代替原来人工临时支护所搭建的外延支撑梁，这样不仅临时支护强度大，而且搭建方便，可大大减轻工人的劳动强度，提高支护效率。同时该临时支护的搭建过程也是锚网支护防护网的搭建过程，这样又可辅助锚网支护的搭建，提高了工作效率。
在论证这套新型支架可行性的问题时，我们在对岩层锚杆受力强度分析实验的基础上，利用先进的三维模拟软件，进行了虚拟样机的设计及装配，并对其进行了运动仿真及有限元分析，同时对其气压控制回路我们也采用计算机进行了仿真。以上这些工作充分保证了新型支架的可行性。
新型支架无论在矿井安全生产方面还是在提高煤矿效益方面都有很大优势。新型超前支架对提高工作面推进速度非常有利，也大大减轻了工人的劳动强度，提高了作业效率。同时又可以防止工人顶空作业，大大提高了煤矿支护的安全系数。
我们希望这种新型的临时支护模式可以为矿井生产提供更多更好的便利因素，希望通过对矿井支护设备的分析与探讨，来对现有的矿井支护设备进行改进，促进祖国矿业生产力的提升和发展。

2 锚杆支护的现状及设计思路的提出

2.1现代矿井支护设备的分析

矿井支护设备主要是指地下采掘过程中为维护工作面顶板安全而设计的支护用具。它的作用在于为井下开采各道工序如：凿岩爆破、通风、运输、充填等提供安全的作业环境。在地下矿山生产中，采(掘)、支、运是体现地下矿山开采技术水平高低的重要指标。矿井支护直接涉及到采矿作业的安全、效率、消耗量(特别是木材、钢材的大宗消耗)、环境保护与工业卫生、采掘成本与机械化水平。

矿井支护设备所占地下采掘生产成本比例较大，就我国煤炭工业而言，直接用于支护方面的木材每年达400万m3左右，钢材近50万吨，水泥300余万吨，加上各种制成品、专用工具、设备等等，每年的直接费用达20亿元人民币以上；其它地下矿山生产的矿井支护成本费用虽然没有煤炭工业的突出。但矿井支护的投入及其对安全生产的影响从来都是关系到矿山企业正常生产经营的头等大事。

据初步统计，我国目前95％以上的一次性能源、80％以上的工业原材料、70％以上的农业生产原料和30％以上的饮用水来自矿产资源。而国内矿业每年几十个亿的矿井支护投资市场是政府和商家都不得不重视的问题。

而且矿井支护对于安全生产来说也是至关重要的一个因素，国内外有许多案例就是由于矿井支护的不当造成了重大的人员伤亡事故，直接影响到我们煤矿工人的人身安全问题。

2.1.1国内外矿井支护设备现状与发展趋势

随着社会生产力的不断进步，人们继续沿用古老的支护方式如木支柱、干式充填垛的同时．发明了用水泥预制件砌筑的人工矿柱，机械化程度较高的注浆点柱、喷浆支护、以锚杆为主体的系列支护、摩擦式金属支柱、铰接顶架、可缩性支架、梯形矿用工字钢支架、柔性掩护支架、提腿式液压支柱、单体液压支柱等。

目前，回采工作面使用的支护设备有木支柱、单体金属摩擦支柱、单体液压支柱及液压支架等。

回采巷道及顶板支护，主要有棚式和锚杆两种支护形式。棚式支护是依靠支架自身的强度和刚度对顶板岩层提供支护抗力起到支护作用，而锚杆支护则主要是利用锚杆将巷道周边岩体加固，使锚杆与所锚固范围内的岩体共同组成一个支护体系来支护巷道顶板。

长期以来，木支柱是我国煤炭开采的主要支护手段其架设比较简单易用，对支撑空区地压变化也有一定程度的预报性能。但木支柱的回收比较困难，大部分为一次性消耗，对森林保护极为不利。

注浆点柱支护最大的特点是不需人工搬运沉重的支柱(架)、操作简单省力。但注浆点柱在支护时有一个干凝期．不能立即发挥支护作用。此外，注浆点柱需一套机械设备系统，材料的运输难以连续且工序复杂。

单体液压支柱是回采工作面支护产品，是高档普采工作面的配套支护设备。我国的单体液压支柱是2O世纪70年代从德国引进的技术，经过近30年的应用与研究，技术已日臻成熟，到目前为止，已成为我国煤炭工业地下开采最主要的采场临时支护设备之一，年使用量达千万根以上。

锚杆类支护是近几十年来迅速发展起来的一类有效支护方法。在我国的矿山、铁道及水利等地下工程中推广应用的就有几十种，其中之一的喷锚支护应用尤为广泛，一批矿山和隧道工程采用紧跟工作面的喷锚支护实现了全部支护喷锚化，做到了“无坑木掘进”等先进的工艺水平。

现代矿井支护的种类很多，各有各的优点，各有各的适用范围，其应用现状和发展趋势也各有不同，现将几种常用的矿井支护设备的应用现状及发展趋势总结于表2.1。

表2.1 几种常见矿井支柱设备的应用

支护设备 应用现状及发展趋势

木支柱 古老的支柱手段之一，目前主要用于小型煤矿采场和其他地下矿山的巷道支护，随着生态保护意识增强，使用量正在迅速缩小。使用极少。

注浆点柱 国外极少数地下金属矿山开采有使用，国内已经进行多次科研立项推广应用，没有成功。该设备支护原理及工艺技术条件有一定缺陷，发展前景不容乐观。

梯形矿用工字钢 主要应用于地下矿山运输巷道支护，煤矿综采工作面也有一定的使用量；随着矿井支护设备技术的进步，该支护手段已逐渐减少。