[发明专利]固体充填液压支架工作阻力设计方法

权利要求书

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、液压支架和充填体之间的力学模型；

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；

步骤A包括：

将岩层顶板作为作用荷载，将充填体作为支承梁，将液压支架作为支点，建立岩层顶板、充填体和液压支架之间相互作用的力学模型；

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：

  (1)

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：

  (2)

  (3)

  (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：

  (5)

式中当i=3,4时，Ri为液压支架在限定变形状态下的恒定支撑作用力，为给出值；

步骤C包括：

第i个截面切口处的形变分量为：

  (6)

式（6）中，，，；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：

  (7)

式(7)中，、、和、、分别代表由、、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；

将式(6)展开得到第i个截面切口形变分量的矩阵形式：

  (8)

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：

  (9)

式（9）和式（3）~（5）构成n+5个求解方程；

在步骤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。

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：在步骤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。

3.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：在步骤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，进而确定液压支架工作阻力。

4.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：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。