煤矿无轨胶轮车失速摩擦板设计仿真与试验研究

针对煤矿斜巷运输现状,在分析现有跑车防护技术和无轨运输事故统计资料的基础上,采用高性能纳米吸能材料,设计了一种适用于矿井斜巷长坡无轨胶轮车失速安全防护的纳米吸能摩擦板.利用LS-DYNA碰撞仿真技术,对其进行了有限元优化设计,并进行了实车碰撞试验.试验结果表明,该纳米吸能摩擦板具有无轨胶轮车失速时的阻挡、导向和缓冲功能...     

自移式吸能防冲巷道超前支架设计与研究

为提高支架抗冲击性能,有效防治巷道冲击地压,针对冲击地压矿井,从防冲角度创新设计了自移式吸能防冲巷道超前支架。支架可调节支护宽度,采用前推后拉实现自动移架,顶梁安装薄壁六边形吸能防冲构件,立柱安装扩径式吸能防冲构件,支架具有吸能让位防冲功能。采用吸能防冲支架支护巷道,将形成“围岩-吸能支护”系统,冲击地压发生时,一是吸能防冲构件通过塑性变形直接耗散围岩冲击能;二是吸能防冲构件让位空间给煤岩提供了一定的能量释放空间,间接耗散围岩冲击能;三是构件恒力变形阶段改善了支架受冲击载荷时的受力情况,也为液压阀开启提供了时间,有效提高了支架抗冲性能;四是支架吸能让位过程中,支架与围岩自调节后又形成新的“围岩-支护”系统,有利于巷道稳定。吸能防冲支架具有较高的支护强度和较强的抗冲击载荷能力,为防治巷道冲击地压提供一种新型支架。     

矿用缓冲吸能装置的优化与实验

为解决巷道液压支架让位吸能缓冲效果差的问题,通过结构分析以及相似计算的方法对缓冲装置进行了结构上的优化,将原有结构的卡销式改为卡箍式,降低了弹簧卡销部分占比空间,提高了液压立柱底座空间利用率。将单一刚体提供的支撑力改为内部填充泡沫材料作为吸能材料与刚体相结合来提供支撑力,分析了优化前后两装置的吸能效果,并且进行了3组实验来验证优化前后两装置载荷随位移变化的情况。理论分析表明:装置卡箍打开过程吸能量比原装置增加了3.9%;填充泡沫材料之后,吸能量增加了33.3%;总吸能量提高了22.6%,通过数据分析可见吸能效果与缓冲性能得到了明显地提高。研究分析表明:优化后装置初撑力明显增大,达到初撑力位移基本处于0.5 cm处,且波动稳定更加满足工程需要;卡箍打开过程吸能量增加了4.3%;泡沫材料吸能量增加了30.5%;总吸能量增加了21.2%;平稳阶段载荷波动系数下降9.3%;缓冲效果冲量提高21.6%;最大载荷波动值下降一半以上。优化之后缓冲装置所受冲击载荷大部分可作用于吸能材料,并且吸能材料可以方便地取出更换。相对于原装置提高了装置的使用寿命。吸能缓冲装置与填充材料组成的刚-柔耦合支护体系可有...     

新型矿用纳米吸能阻车器仿真研究

结合矿井斜巷运输实际情况,提出了一种新型纳米吸能矿用阻车器的设计方案。运用LS-DYNA软件建立了包括无轨胶轮车车身、车轮及阻车装置等部件的车辆失速碰撞仿真模型,进一步研究了阻车器材料摩擦因数、纳米吸能结构布置方式、车辆行驶速度等因素对阻车效果的影响。仿真结果表明,布置了纳米吸能结构的新型阻车器阻车效果良好,能大幅度降低制动距离;随着阻车器材料摩擦因数的增大,制动距离减小,但存在车辆翻滚的危险;随着车辆行驶速度的增大,制动距离增大。研究结果对阻车器的设计应用具有指导意义。     

巷道防冲支架吸能构件屈曲吸能可靠性研究

薄壁预折纹方筒是目前矿井下使用的吸能防冲液压支架的核心吸能构件,其屈曲让位吸能的可靠性对支架的防冲功能具有决定性作用.为探究预折纹方筒实际应用时的可靠性,提出4个指标作为其评价依据,即屈曲临界力、让位阻力降、比吸能和菱形折纹变形数量,并通过室内试验和现场监测研究1:1的预折纹方筒吸能构件的这4个指标.室内试验得到:预折...     

吸能耦合支护模型在冲击地压巷道中应用研究

对冲击地压巷道围岩破坏原因和机理进行分析,建立了冲击吸能耦合支护模型(围岩-吸能材料-钢支架),分析了吸能耦合支护结构冲击能耗散机理,提出了冲击地压巷道吸能耦合支护方式,并提出建立安全巷道或部分安全区供避难场所.利用有限元计算方法,对直墙半圆拱形巷道吸能耦合支护前后应力和变形进行了数值分析.计算结果表明,无支护条件下,巷道顶、底部均形成应力集中区,顶角处应力最大,极易造成巷道两肩破坏;采用吸能耦合支护后,应力发生转移和扩散,围岩应力场和位移场趋于均匀化,应力集中区向两帮扩大,同时巷道整体变形明显降低,从而提高了冲击地压巷道安全程度,为巷道围岩安全支护提供了一种新方法.     

斜巷防跑车装置吸能器设计研究

设计了可进行二级制动的吸能器装置。该吸能器装置由摩擦式吸能器与弹簧式吸能器组成,矿车发生跑车后,首先是摩擦式吸能器实施制动,当摩擦式制动一定距离后,弹簧式吸能器实施制动,确保矿车在规定的制动距离能被阻止。该吸能器装置具有可靠性高、成本低等优点。     

冲击地压薄壁圆管吸能构件仿真与试验研究

针对新型螺旋式抗冲击装置中的吸能构件,建立薄壁圆管镂空结构的有限元模型,利用试验对薄壁圆管镂空结构的吸能特性仿真结果进行验证。根据试验验证的模型参数,研究了薄壁圆管竖条结构的竖条数量及长度对其轴向静态压溃屈曲变形、初始峰值力、弹性阶段位移、平均支反力、吸能量、支反力均方差的影响。根据研究规律及防冲立柱实际工况设计薄壁竖条构件并试验,为后续现场冲击地压试验提供依据。研究表明：诱导结构在不改变薄壁圆管材料、厚度及截面形状前提下,使构件的变形更加稳定,压溃屈曲变形形态可控|对于薄壁圆管竖条结构,随着竖条数量增加和竖条长度增加,其初始峰值力、弹性阶段位移减小、吸能量与平均支反力降低,支反力均方差减小。     

防冲支架的核心吸能构件设计与吸能性能研究

为了解决巷道液压支架在冲击地压发生时结构失效以及立柱折损的问题,设计了一种能够快速变形让位、吸收冲击能的构件,用于门式吸能防冲液压支架中,从而保护液压立柱不损坏并且支架结构不失效。对吸能构件的构型进行设计并且研究了其吸能性能。首先,基于门式吸能液压支架的防冲功能提出吸能构件在承载力、反力变化、吸能方式、吸能量以及稳定性5个方面的性能要求。然后对吸能构件的构型设计及其吸能原理进行了详细论述,并结合数值模拟对构件的屈曲吸能机理进行了分析。最后通过室内实验,研究了1∶1吸能构件的力学性能,实验结果表明:吸能构件承载力均值为2 428 kN;后屈曲反力变化相对比较平稳;压缩量达50%时吸能量均值为357 kJ;吸收能量都转化为构件不可恢复的变形能;屈曲过程稳定且与数值模拟结果非常接近。     

巷道防冲吸能钢管混凝土拱架支护性能研究

针对目前巷道支护中钢管混凝土拱架缺乏可缩让压性能的问题,从吸能让位角度设计了一种防冲吸能钢管混凝土拱架结构。通过Abaqus建立新型钢管混凝土拱架与围岩组合模型,在静载与动载两种荷载状态下,对比分析新型拱架对巷道的支护效果与抗冲击能力。结论如下：(1)根据合理的让位阻力特性设计吸能构件壁厚与尺寸,在拱架上部连接处和底弧段中部设置吸能构件,可避免弯曲过大发生失稳。套管形状依据U型钢拱架卡揽结构设置为折纹型,与拱架摩擦实现缩动让压;(2)在竖向与侧向冲击下,优化后拱架支护巷道各点位移量呈减少趋势,降低了拱架顶弧段下沉与底弧段上拱,支护效果更强;(3)静载作用下,优化后拱架与吸能构件接触后,拱架各点处塑性应变不再增加,吸能构件代替拱架发生形变。在受到动载后,吸能构件能快速响应,同时拱架两帮拐角发生弯曲变形,其余部分仍未发生明显变形。吸能构件压溃后,拱架整体塑性应变开始增加,最终优化后拱架各点等效塑性应变竖向与侧向冲击下分别降低了10%～50%和13%～78%。     

冲击地压危险区域巷道三级吸能支护探索与应用

以峻德煤矿为研究对象,借鉴国内冲击地压矿井三级吸能支护体系的成功经验,分析了三级吸能支护体系防冲机理和实施条件,结合峻德矿区93172综放工作面冲击地压的实际情况,研发出一级支护围岩喷射混凝土、二级支护U型棚和三级微拱形液压单体框架吸能结构的支护技术,并在该矿冲击地压危险区域巷道支护中进行了实践应用,取得了良好效果。     

煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法

针对冲击危险巷道防冲吸能支护缺乏量化设计方法这一难题,从冲击地压巷道围岩的静-动力学环境与结构特征两方面,开展防冲吸能支护强度计算方法研究。结果表明:由于支护与卸压双重作用,巷道周围形成了以巷内支护层、锚固层、卸压层以及原岩层为主的多层圆环结构,各层圆环内的围岩材料性能在巷道围岩径向方向形成典型的梯度结构特征。基于拟静态法,将远场冲击动载荷与围岩静载荷叠加,通过简化锚固层内锚杆(索)支护作用,弱化卸压层内煤岩力学参数,建立了冲击地压巷道围岩梯度结构力学模型。利用梯度结构内多层圆环接触面上的应力计算方法,进行了梯度结构围岩内多层圆环接触面间的受力分析,验证了弱化卸压层内的煤岩力学性能、增加卸压层的结构尺寸、提高锚固层的支护强度,可减小冲击载荷对巷内支护层的作用,提高巷内支护层的抗冲击能力。引入冲击破坏等级系数,建立了吸能防冲支护强度与冲击地压等级间的关系,给出了冲击危险巷道三级吸能防冲支护的强度计算方法,实现了冲击危险巷道吸能防冲支护参数的量化设计。结合某矿具体工程实践,核算了该矿所采用的"锚杆(索)+可缩性36U棚支架+液压抬棚和吸能液压支架"三级吸能防冲支参数最大能够抵抗等级为2级(...     

深部回采巷道锚杆(索)防冲吸能机理与实践

为解决深部冲击地压巷道大变形、支护体失效破断难题,以义马常村煤矿21220下巷典型冲击地压巷道为试验现场,采用井下调查、室内试验及理论分析等相结合的方法,分析了冲击载荷下巷道围岩变形破坏机制、高冲击韧性锚杆(索)防冲吸能机理及其应用效果。结果表明:深部回采巷道易冲击大变形的主要原因在于高叠加集中应力,使厚层坚硬岩层释放高积聚弹性能,而现有支护结构强度低、吸能特性差及无法协同防冲,导致支护结构各个被击破而失效;与传统支护材料相比,高冲击韧性锚杆(索)强度高、吸能能力强,合理布置锚杆(索)支护参数可提高其协同防冲的工作区间,通过支护系统吸收冲击地压释放的能量,降低剩余能量对巷道围岩的破坏效应。研究成果在井下进行了工业性试验,试验结果表明:新开发的高冲击韧性锚杆破断载荷342 kN,冲击吸收功166 J,高强锚索破断强度1 770 MPa,伸长率8%,高强金属网静载荷承载能力15.7 kN,单位面积吸收能量达到2.2 kJ/m²。冲击载荷作用下,锚杆和锚索分别在各自安全可靠工作区间内承载,锚杆和锚索轴力呈锯齿状波动,但高冲击韧性支护材料均未出现脆性断裂失效。巷道两帮移近...     

矿井行车安全防护装置仿真与试验

为了进一步提高煤矿副斜井无轨运输行车安全,介绍了一种安装于矿井斜巷壁的行车安全防护装置,并利用HYPERMESH/LS-DYNA有限元仿真分析软件,建立了无轨胶轮车与安全防护装置的碰撞模型,研究了行车安全防护装置的防撞效果以及行车速度对矿用行车安全防护装置跑车事故的影响,针对矿井常用车辆进行了中型客车的实车碰撞试验。结果表明,矿井行车安全防护装置能将失速车辆导回正常行驶方向,无轨胶轮车辆碰撞后能保持正常的姿态,不翻车,行车安全防护装置构件及其脱离件未侵入车辆,且车头撞击力随着车辆碰撞速度的增加而增大,研究结果可以为井下行车安全防护设施的合理设计以及煤矿运输安全管理提供参考。     

应力波法测量冲击能吸能结构单元优化与试验

从应力波动理论分析出发,建立了多点摩擦系数的吸能结构单元数学模型,并对此数学模型进行了优化。优化结果表明:渐增摩擦系数的吸能结构单元数学模型反射能量系数最小。优化前后的吸能结构模型经过对比试验,结果基本相符。试验结果表明:采用渐增摩擦系数的吸能装置较等摩擦系数的吸能装置反射能系数减少21.38%,冲击能测量相对误差减少15%。     

巷道围岩破碎区吸能防冲性能研究

为了掌握冲击载荷在围岩破碎区传播衰减规律,揭示巷道围岩破碎区的吸能防冲机理,提高巷道支护系统的防冲支护性能。从理论上分析了围岩破碎区形成机理与吸能防冲机理,给出了破碎区半径解析解。为了深入研究破碎区煤岩的吸能防冲性能,采用落球冲击筒内煤岩块实验装置,研究煤岩散体块径及厚度对破碎煤岩散体的吸能缓冲性能影响,实验结果表明：破碎煤岩散体具有良好的吸能缓冲性能,随着煤岩散体块径的增大,煤岩散体的吸能缓冲性能有所提高;随着煤岩散体厚度的增加,煤岩散体的吸能缓冲性能增加,煤岩散体厚度增加到一定程度时,其厚度对吸能缓冲性能影响不再明显。研究破碎区煤岩在冲击载荷作用下的吸能缓冲性能,揭示围岩破碎区的吸能防冲机理,为研究围岩破碎区防治冲击地压以及研发新型吸能防冲支护技术提供依据。     

金属切削吸能过程的仿真研究

利用显式有限元软件LS-DYNA,对4340钢的切削吸能过程进行三维数值仿真,模拟了切屑的形成过程。模型以Cowper-Symonds本构模型模拟切削层材料,采用有效塑性应变作为切屑分离准则。研究结果表明,金属切削吸能过程的吸能能力较强,金属材料塑性大变形和变形之后材料破裂的过程是一种理想的吸能模式。     

光电监测缓冲吸能式斜井防跑车装置的设计

介绍了利用光电监测自动控制缓冲吸能式斜井防跑车装置。上车场设上方门式斜井防跑车装置 ,井底车场为光电控制的缓冲吸能式斜井防跑车装置     

智能柔性无轨胶轮车失速拦截装置仿真与试验分析

针对煤矿斜巷无轨胶轮车失速现象,提出了一种智能柔性无轨胶轮车失速拦截装置,可以实时监测车辆和失速拦截装置运行状态。当失速车辆碰撞在柔性阻拦装置上,缓冲吸能装置吸收车辆行驶过程中产生的动能,对失控车辆进行柔性制动,实现车辆的成功拦截。通过有限元仿真技术研究了智能无轨胶轮车失速拦截装置的阻车效果,以及拦车网材料对阻车效果的影响,并通过实车碰撞试验对该装置的智能柔性阻车效果进行了验证。结果表明,智能柔性无轨胶轮车失速拦截装置能将失速车辆拦截减速至平稳停车,车辆碰撞后能保持正常的行驶方向,不翻车,响应迅速,可实现智能柔性阻车。该成果对井下行车安全防护设施的合理设计及运输安全管理具有现实的参考意义。