時間：2024-01-04 15:10:14
導(dǎo)語：在固體力學(xué)研究方向的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
千百年來，流體力學(xué)以其廣泛的適用性形成了獨有的科技魅力，隨著時代的不斷發(fā)展，科技的不斷進步，在一代又一代流體力學(xué)研究者的努力下，流體力學(xué)的世界也越發(fā)精彩。
執(zhí)著之樹必結(jié)黃金之果
邵傳平，中國計量學(xué)院流體檢測與仿真研究所研究員，多年來，由他負責的課題組主要從事鈍體旋渦脫落流動控制研究。
所謂鈍體旋渦脫落流動是指：當流體以一定速度流過固定的鈍物體，如風掠過橋梁、電視塔、電廠冷卻塔、高樓等等固體時，會在物體兩側(cè)交替地產(chǎn)生旋渦脫落，旋渦的交替脫落使物體表面的流體壓力發(fā)生周期性變化，從而產(chǎn)生作用于物體的交變力。當流體動力的變化頻率與物體結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時，會發(fā)生共振現(xiàn)象，使結(jié)構(gòu)遭到破壞，除此之外，旋渦脫落還會增大流體阻力，產(chǎn)生噪音。
那么，該如何消減旋渦脫落造成的負面影響呢？這既是海洋、土木、水利、電力、航空等領(lǐng)域關(guān)注的問題，也是邵傳平及其課題組一直致力于研究的對象。
自1998年以來，邵傳平課題組先后主持國家自然科學(xué)基金項目“法拉第波與鈍體尾流穩(wěn)定性研究”，“渦激振動控制與減阻減振”、“尾流控制機理與方法研究”，“流向振蕩柱體尾流不穩(wěn)定性的控制”等的研究，取得了一連串的科研成果。
在靜止鈍體旋渦脫落抑制方面，自1930年代以來，人們針對不同的工程問題，提出了不少控制方法，但是這些方法都有局限性，應(yīng)用范圍小。在1990年，Strykowski-Sreenivasan提出在二維鈍體下游一定位置放置一個很小的圓柱，可以抑制鈍體后面的旋渦脫落，有很好的減阻和減振效果。雖然在當時，這個四兩撥千斤的方法在業(yè)界掀起了波瀾，但是很快，就有研究表明這種方法只有在很低雷諾數(shù)（低于一百）流動情況下有效，在工程中缺少應(yīng)用價值。
邵傳平課題組的研究有望彌補這一不足，他們經(jīng)過反復(fù)研究，選擇用小窄條作為控制件，取代小圓柱，對圓柱及方柱、板（各種攻角）等鈍體的旋渦脫落進行抑制實驗，證明在雷諾數(shù)高至十萬時對所有這些鈍體都有很好的抑制效果，并對每種鈍體流動情況找出了有效抑制的控制件位置區(qū)域，以便于工程應(yīng)用。
在強迫振蕩柱體繞流的旋渦脫落抑制方面，邵傳平課題組在國內(nèi)外尚無研究先例的情況下，另辟蹊徑，分別采用窄條方法、尾部噴射方法和隔離板方法對高雷諾數(shù)流向振動柱體尾流進行抑制研究，取得重要進展。研究表明，尾部噴射對非鎖頻和每種鎖頻旋渦都有抑制效果，找出了每種旋渦的有效噴射速度范圍;窄條對非鎖頻和兩種鎖頻旋渦具有抑制效果，最高可減阻30%，減小脈動升力60%以上，找出了各種旋渦脫落下窄條的有效位置區(qū);而隔離板方法對非鎖頻和一種鎖頻旋渦有效果，找出了隔離板的有效位置區(qū)。
旋渦抑制機理與旋渦脫落生成理論密切相關(guān)。國際上關(guān)于靜止鈍體旋渦脫落的生成，經(jīng)歷了背壓吸引論，到剪切層相互作用論，再到絕對不穩(wěn)定性和尾流整體失穩(wěn)論，正從猜測到理論逐步深化;而關(guān)于振動柱體旋渦脫落的產(chǎn)生機制，目前還處于探索階段。
對此，邵傳平認為，振蕩柱體繞流存在兩種旋渦脫落產(chǎn)生機制，除了上述的絕對不穩(wěn)定性機制外，還存在信號放大機制。他們研究了高雷諾數(shù)湍流尾流中渦粘性對擾動波信號的影響，定義了擾動波的渦粘系數(shù)，并用實驗數(shù)據(jù)分別求出了未加控制和施加控制以后的渦粘系數(shù)在振動柱體湍流尾流中的分布情況。將渦粘系數(shù)代入擾動波發(fā)展方程（穩(wěn)定性方程）并求解，得到的結(jié)果是：未加控制時擾動放大的頻率區(qū)域很寬，產(chǎn)生旋渦脫落的機會很大;而控制以后擾動放大的頻率區(qū)域很窄，產(chǎn)生旋渦脫落的機會很小，從而明確了振動柱體旋渦脫落的產(chǎn)生和抑制機理。
上述成果發(fā)表在AIAA Journal，Journal of Fluids and Structures， Journal of Fluids Engineering， Journal of Visualization， Acta Mechanica Sinica， 及《中國科學(xué)》，《力學(xué)學(xué)報》，《力學(xué)進展》等雜志上，得到國內(nèi)外同行的認可。
百尺竿頭須進步
十方世界是全身
以往取得的成績非但沒有使邵傳平就此功成身退，這些成果反倒使他對自己的專業(yè)產(chǎn)生了更加濃厚的興趣，甚至為了研究工作不受影響，2008年，他離開了中科院力學(xué)所，進入了具有新建低速風洞、低速水洞和較好配套實驗儀器的的中國計量學(xué)院工作，主要從事流動控制與植物流體力學(xué)研究。最近，邵傳平開展了植物空氣動力學(xué)仿生方面的研究，主持國家自然科學(xué)基金項目“樹葉氣動特性研究”。
近年來，人們越來越意識到風災(zāi)是對樹木危害最大的非人為因素，遠大于森林火災(zāi)造成的損失，因此樹木風災(zāi)以及樹木空氣動力學(xué)方面的研究在國際上越來越受到重視。為此，邵傳平把握時代脈搏，申請了國家自然科學(xué)基金面上項目“樹葉氣動特性研究”，希望通過研究可以更加的深入的了解多種常見樹葉氣動特性（包括形狀重構(gòu)）及影響參數(shù)，尋找樹葉氣動失穩(wěn)（突然變形、振動）的臨界條件及產(chǎn)生原因。另一方面，也希望可以了解人造樹葉的氣動特性，探討樹葉氣動仿生的條件。
拿到這一課題，邵傳平靠的不是運氣。翻開他的履歷，碩士期間，他的研究方向為水動力學(xué)，從事具有自由表面的粘性繞流研究;博士期間的研究方向為風工程，在導(dǎo)師孫天風教授指導(dǎo)下，從事多鈍體壓力分布，尾流場測量以及流動顯示研究;博士后期間他從事海洋工程與流動穩(wěn)定性實驗研究;在中科院力學(xué)所任副研究員期間，他從事生物流體力學(xué)、微重力流體力學(xué)，以及流動控制等方面的研究工作，先后完成3個國家自然科學(xué)基金面上項目：“法拉第波及鈍體尾流不穩(wěn)定性的實驗與數(shù)值模擬”，“渦致振動控制方法研究”，“尾流控制機理與減阻減振”;2008年，進入中國計量學(xué)院后，他主要從事流動控制與植物流體力學(xué)研究，主持在研國家自然科學(xué)基金項目“流向振蕩柱體尾流不穩(wěn)定性的控制”。
這些經(jīng)歷，使他對這一項目研究所需要的風洞實驗設(shè)備非常熟悉，積累了豐富的流體實驗研究經(jīng)驗。項目組自2009年以來，已先期開展了樹葉氣動特性的風洞實驗研究，取得一些新的發(fā)現(xiàn)，為本項目的順利進行打下了良好基礎(chǔ)，同時為本項目研究目標指定了方向。
在硬件設(shè)施方面，邵傳平所在的中國計量學(xué)院全力支持，除標配的風洞實驗設(shè)備如熱線風速儀、PIV、激光多普勒測速儀，電子壓力掃描閥之外，學(xué)院在今年還購買了數(shù)字圖像相關(guān)位移測量儀，定做了一臺測量樹枝和樹葉瞬時升阻力的六分力動態(tài)天平，為流動控制實驗和樹葉氣動特性測試提供設(shè)備。同時，課題組還與一家公司合作研制了煙線發(fā)生器、氫氣炮發(fā)生器，分別用于風洞和水洞的流動顯示實驗。
在數(shù)值模擬方面，中國計量學(xué)院流體研究所已訂購最新型的曙光工作站，能夠滿足流固耦合計算需要。
一切準備就緒，科研活動也得以順利展開。
自世紀年代以后, 我國筑壩水平有突飛猛進的提高, 很多水工建筑物的規(guī)模已躍居世界第一位, 一些被世界壩工權(quán)威、專家定為“ 難以克服”的技術(shù)難題也已被相繼征服, 我國已成為世界壩工建設(shè)的中心。隨著西部大開發(fā)的發(fā)展, 許多世界級高難度的大型和超大型水利樞紐工程已開始或著手興建, 為學(xué)科提出了一系列迫切需要解決的問題。50多年來, 已建的水工建筑物正經(jīng)歷著老化過程, 部分工程已處于病險期。水工結(jié)構(gòu)與材料學(xué)科面臨著嶄新的機遇和嚴峻的挑戰(zhàn)。
二、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和主要成果
一國外混凝土壩研究主要進展:由于綜合國力和整體科技水平上的差距, 從國際上看, 歐美、日本各國的水利水電開發(fā)程度在世紀已經(jīng)達到很高的水平, 在高壩設(shè)計與施工方面曾取得很大的進展。當前, 在發(fā)達國家, 高壩大庫的興建已不多見, 混凝土壩已不再是他們的重點研究方向。然而, 拱壩、重力壩、碾壓混凝土壩這幾種高混凝土壩常用壩型, 以及膠凝礫石壩都是我國從國外引進的。涉及固體力學(xué)、混凝土力學(xué)、巖石力學(xué)、土力學(xué)的動靜力本構(gòu)關(guān)系和數(shù)值計算方法的原創(chuàng)性成果大多源于歐美國家。美國、瑞士和日本等國家近年來開展了對大壩抗震安全評價的研究。目前, 發(fā)展中國家的壩工建設(shè)正方興未艾, 這些國家所取得的成就和經(jīng)驗教訓(xùn)值得我國重視, 國際上已提出了碾壓混凝土壩可以建到任何高度的設(shè)想, 巴基斯坦待建的Basha壩向300m級特高碾壓混凝土壩提出的挑戰(zhàn)也值得我國關(guān)注。
三、近年來國內(nèi)研究主要成果述評
（2）在PostProcessor窗口空白處點擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Load Animation，進入動畫模塊.
（3）選擇DurabilityNodal Plots進入Compute Nodal Plot菜單，在Analysis中選擇計算結(jié)果、在Flexible Body中選擇對象柔體，右擊Node to Add to ListPick Flexbody Node，在屏幕上選擇需要追蹤的節(jié)點并點擊右鍵確定；繼續(xù)在菜單中選擇需要輸出的應(yīng)力或應(yīng)變結(jié)果，按OK按鈕確定.
（4）在窗口空白處點擊右鍵，在彈出的菜單中選擇Load Plot進入Plot模塊，在下方Simulation中選擇計算結(jié)果，在Result Set中選擇FLEX_BODY_1_STRESS（假設(shè)柔體名字為FLEX_BODY_1并且輸出應(yīng)力結(jié)果），在Component中選擇需要輸出的節(jié)點，在Independent Axis中選擇Time，按Add Curves即可得到節(jié)點應(yīng)力隨時間變化的曲線.
2如何生成Adams的MNF柔體文件？
ANSYS，Patran/MSC Nastran和Abaqus等均可生成MNF文件，本文以Patran/MSC Nastran為例.
（1）在Patran中選擇FileImport，在彈出的菜單中設(shè)定Object為Model，設(shè)定Source為導(dǎo)入的幾何類型，以Parasolid為例，在Parasolid Xmt OptionsModel Units中選擇幾何文件的單位，選擇需要導(dǎo)入的幾何文件并點擊Apply按鈕確定.
（2）對導(dǎo)入的幾何體劃分網(wǎng)格并賦予材料和屬性，材料和屬性應(yīng)與Adams中的單位一致.
（3）選擇AnalysisSolution TypeNormal ModesSolution ParametersAdams PreparationAdams OutputMNF Only，在Units中選擇單位（單位應(yīng)與Adams中一致），在Output Requests中選擇GpStrain與GpStress.
（4）選擇AnalysisSubcasesOutput Requests，在對話框中選擇需要輸出的結(jié)果.
（5）選擇AnalysisApply輸出bdf文件，打開MSC Nastran并提交生成的bdf文件即可得到MNF文件.
3為何Adams進行動力學(xué)仿真前需要進行靜平衡處理？為使虛擬樣機在自重作用下達到平衡位置，需要進行靜平衡處理.在動力學(xué)仿真前進行靜平衡的目的是使機構(gòu)在平衡位置開始仿真，否則在仿真結(jié)果的初始階段機構(gòu)有一個趨于平衡的過程，該階段的結(jié)果不精準，而達到靜平衡后可直接在穩(wěn)定階段仿真.
4如何在Adams中刪除傳感器？
在模型空白處單擊左鍵，保證沒有任何對象被選中，選擇EditDelete，在Database Navigator中選擇需要刪除的傳感器.
5Adams與其他軟件的聯(lián)合仿真所需的文件有哪些？Adams可以與MATLAB，Patran/MSC Nastran或MSC Fatigue等聯(lián)合仿真，所需文件如下：
（1）MATLAB.在Adams中打開Control插件，選擇Plant Export即可輸出MATLAB所需的m，cmd和adm文件等.
（2）Patran/MSC Nastran.通過Patran/MSC Nastran仿真可生成Adams所需的MNF柔體文件.
（3）MSC Fatigue.在AdamsPostProcessor中打開Durability插件，選擇DurabilityMSC FatigueExport即可輸出MSC Fatigue所需的DAC模態(tài)坐標文件；選擇DurabilityMSC FatigueImport可導(dǎo)入MSC Fatigue計算生成的FEF疲勞結(jié)果文件.
6如何在Adams中通過函數(shù)定義方波？可以通過Adams中的STEP與sin函數(shù)嵌套實現(xiàn)，具體函數(shù)為
STEP（SIN（（1/T）*PI*TIME），t，A，t，A）
其中：T為方波的半周期；A為方波的幅值；t為方波從正、負幅值變到0的時間，t的取值應(yīng)盡量小.
7如何使用Adams對離散點求導(dǎo)？Adams后處理模塊PostProcessor可以實現(xiàn)對離散點求導(dǎo).
（1）在PostProcessor中選擇FileImportNumeric Data進入File Import菜單，右擊File NameBrowse選擇需要導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，在Create中選擇Measures，在Time Column Index中輸入導(dǎo)入數(shù)據(jù)橫坐標所在的列數(shù)，點擊OK按鈕確定；
（2）在Source中選擇Measures，在Measure中選擇剛才導(dǎo)入的數(shù)據(jù)，點擊Add Curves按鈕添加曲線；
關(guān)鍵詞：連續(xù)體結(jié)構(gòu)； 拓撲優(yōu)化； 徑向點插值方法； 簡諧激勵； 帶懲罰的各向同性固體微結(jié)構(gòu)模型； 優(yōu)化準則方法
中圖分類號：TB115.2 文獻標志碼：A
Topology optimization of continuum structures subject to harmonic excitation based on
meshless radial point interpolation method
ZHENG Juan, LONG Shuyao, LI Guangyao, DING Canhui
（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China）
Abstract： While using finite element method to perform topology optimization of continuum structures, there exists the continuous mesh reconstruction problem in dealing with mesh distortion and moving, and the numerical computation is not stable. The meshless Radial Point Interpolation Method (RPIM) is used to carry out the topology optimization of continuum structures subjected to a harmonic excitation. Taking the relative density of nodes as design variables and the dynamic compliance minimization of structures as objective function, the topology optimization model is established using Solid Isotropic Microstructures with Penalization (SIMP) model. The sensitivity analysis of the objective function is derived by the adjoint method. The optimization model is solved by the optimization criteria method. The classical 2D continuum structure topology optimization examples show that the method is feasible and efficient.
Key words： continuum structure; topology optimization; radial point interpolation method; harmonic excitation; solid isotropic microstructures with penalization model; optimality criteria method
0 引 言
連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計是繼結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化之后，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域出現(xiàn)的一個富有挑戰(zhàn)性的研究方向［1］，其優(yōu)點是能在未知結(jié)構(gòu)拓撲形狀的前提下根據(jù)已知邊界條件和載荷條件確定比較合理的結(jié)構(gòu)形式，從而提出最佳形狀設(shè)計方案.連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化本質(zhì)上是一種0-1離散變量的組合優(yōu)化問題.代表性的拓撲優(yōu)化方法主要有均勻化方法［2］、變密度方法［3］和漸進結(jié)構(gòu)優(yōu)化（Evolutionary Structural Optimization，ESO）方法［4］等.
目前，連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題的相關(guān)研究主要針對靜力問題，動態(tài)拓撲優(yōu)化的研究進展較慢，大部分研究集中在結(jié)構(gòu)基頻最大化或以頻率為約束的問題中.XIE等［5］基于ESO方法實現(xiàn)頻率約束下的拓撲優(yōu)化；彭細榮等［6］基于獨立連續(xù)映射（Independent Continuous Mapping，ICM）方法建立在靜位移及頻率約束下，以重量最小為目標的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型.對于結(jié)構(gòu)動響應(yīng)的研究涉及較少，石連栓等［7］采用擬靜力法將結(jié)構(gòu)慣性力極值作為靜載荷施加在結(jié)構(gòu)上，實現(xiàn)動、靜載荷同時作用下桁架結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化；MA等［8］基于均勻化方法研究動態(tài)結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化問題；徐斌等［9］在ESO方法的基礎(chǔ)上研究諧和激勵下的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題；JOG［10］研究周期載荷作用下的結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題，從減振降噪角度定義新的動柔度全局指標；顧松年等［11］全面闡述結(jié)構(gòu)動力學(xué)設(shè)計優(yōu)化的研究背景和意義，對動力優(yōu)化問題的性質(zhì)、解的存在性等問題進行展望；彭細榮等［12］基于ICM方法，對強迫諧振動下結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題建立以重量最小化為目標、位移幅值為約束的拓撲優(yōu)化模型.
目前，連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題基本上都基于有限元法，在處理網(wǎng)格畸變及網(wǎng)格移動等問題時需不斷重構(gòu)網(wǎng)格，以解決與原始網(wǎng)格線不一致的不連續(xù)和大變形問題.同時，由于有限元法中單元網(wǎng)格的存在，常使結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中出現(xiàn)一些數(shù)值計算不穩(wěn)定現(xiàn)象［1,13］，如中間密度材料現(xiàn)象、單元鉸接現(xiàn)象、網(wǎng)格依賴性現(xiàn)象和棋盤格現(xiàn)象等.
無網(wǎng)格方法是近年來迅速發(fā)展起來的一種新型數(shù)值方法，采用基于點的近似，可徹底或部分消除網(wǎng)格，不需要網(wǎng)格的初始劃分和重構(gòu)，不僅可以保證計算精度，而且可以減小計算的難度.目前，已提出多種無網(wǎng)格法主要有無單元Galerkin方法 ［14］、光滑質(zhì)點流體動力學(xué)方法 ［15］、再生核粒子法［16］以及無網(wǎng)格局部Galerkin法［17］等，但利用無網(wǎng)格方法對連續(xù)體結(jié)構(gòu)進行拓撲設(shè)計優(yōu)化的研究較少，且均為靜力問題的研究.ZHOU等［18］基于再生核粒子法研究線彈性結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化問題，選擇高斯點的密度為設(shè)計變量，但需引入數(shù)值穩(wěn)定性方法消除棋盤格現(xiàn)象；鄭娟等［19］將無網(wǎng)格徑向點插值方法(Radial Point Interpolation Method，RPIM)引入到連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中，選擇節(jié)點的相對密度為設(shè)計變量，有效克服棋盤格現(xiàn)象；CHO等 ［20］基于再生核粒子法研究非線性幾何結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化問題；杜義賢等［21］利用無單元Galerkin法對柔性機構(gòu)進行拓撲優(yōu)化研究.與有限元法不同，無網(wǎng)格法中使用的近似函數(shù)大多不具有插值特性，因此在基于Galerkin法的無網(wǎng)格中對邊界條件的處理比較棘手，LIU等［22］提出的無網(wǎng)格點插值方法則較好地解決了這個問題.點插值方法的插值函數(shù)具有Delta函數(shù)性質(zhì)，可很方便地施加本質(zhì)邊界條件，不足之處在于計算插值函數(shù)時矩陣易奇異.實際上，帶有多項式的徑向點插值法可有效解決點插值法中遇到的奇異性問題.
本文基于RPIM對簡諧激勵下的連續(xù)體結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化設(shè)計.選取節(jié)點的相對密度作為設(shè)計變量，以動柔度最小化為目標函數(shù)，基于帶懲罰的各向同性固體微結(jié)構(gòu)（Solid Isotropic Microstructure with Penalization，SIMP）模型［23］建立簡諧激勵下的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化模型，采用伴隨法求解得到目標函數(shù)的敏度分析公式，引入靈敏度過濾技術(shù)得到清晰的拓撲優(yōu)化結(jié)果，利用優(yōu)化準則法對優(yōu)化模型進行求解，通過經(jīng)典的二維連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化算例證明該方法的可行性和有效性.
1 RPIM的動力學(xué)基本理論
1.1 RPIM的形函數(shù)
在徑向點插值法中，計算域用一系列點離散，每個點都有一定的影響域，某給定點處的位移通過對該點的影響域中其他點處的位移進行插值得到.設(shè)二維域僦械娜我緩數(shù)ux，可用徑向基和多項式基的線性組合表示為
ux=ni=1Rixai+mj=1Pjxbj=
RTxa+PT(x)b(1)
式中：Rix為徑向基函數(shù)（Radial Basis Function,RBF）；ai為Rix的系數(shù)；Pjx為坐標xT=x y的單項式;bj為Pjx的系數(shù);n為RBF的項數(shù);m為多項式基函數(shù)的項數(shù).為保證能取得較好的穩(wěn)定性，通常取mn.在二維問題中，一般采用線性基PTx=1 x y.
5 結(jié) 論
將RPIM成功引入到簡諧激勵下的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲設(shè)計優(yōu)化中，并對二維線彈性結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化設(shè)計.在優(yōu)化過程中，以節(jié)點相對密度為設(shè)計變量，以結(jié)構(gòu)動柔度最小化為目標函數(shù)，基于SIMP模型建立結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，利用無網(wǎng)格方法和優(yōu)化準則法求解優(yōu)化模型.通過算例討論不同激勵圓頻率下的拓撲優(yōu)化結(jié)果.結(jié)果表明，利用RPIM對簡諧激勵下的連續(xù)體結(jié)構(gòu)進行拓撲設(shè)計優(yōu)化可行、有效.
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關(guān)鍵詞：地表塌陷；沖擊地壓；充填采礦法；地壓管理.
1 概述
礦山采礦和選礦的生產(chǎn)過程中，所排放的“三廢”對周圍的土壤、地下水文和地表水域造成了嚴重污染。因地下開采的采空區(qū)引起的地面沉降、塌陷、滑坡、地裂縫及泥石流等災(zāi)害也日益增加。
充填法是隨著工作面的推進用充填料充填采空區(qū)進行地壓管理的采礦方法，充填體起到支撐圍巖、減少或延遲回采后的空區(qū)及地表的變形或位移。充填材料使用選廠排放的尾砂作充填骨料，降低充填成本的同時減少選廠排尾對周邊環(huán)境造成的污染和危害。
2 充填法特點及使用條件
由于充填采礦法的不斷改革和發(fā)展，單從技術(shù)可能性來看，幾乎所有賦存條件的礦床都能夠用充填采礦法開采，但是，不同的充填方法特點和使用條件不同，現(xiàn)對目前所應(yīng)用比較先進的充填法做一總結(jié)。
2.1階段空場嗣后充填采礦法
階段空場嗣后充填采礦是以礦巖自身穩(wěn)固性和嗣后一次性充填礦房的充填體的有機組合來控制采場地壓。將階段劃分為一步礦房和二步礦房，先回采一步礦房，回采結(jié)束后用強度較高的充填料充填，再回采二步礦房，回采結(jié)束后用強度較低的充填料充填。階段空場嗣后充填采礦具有回采工藝簡單、效率高、成本低等空場采礦法的優(yōu)點，同時又具有與嗣后一次充填礦房相結(jié)合的靈活性，能大幅度提高充填效率，降低充填成本，消除回采和充填工藝相互制約的關(guān)系，將空場法回采和礦房充填有機的結(jié)合，可顯著地提高礦石回采率和綜合回收率。階段空場嗣后充填采礦適用于礦石和巖石穩(wěn)固及中等穩(wěn)固以上的厚大連續(xù)規(guī)整礦體，這種采礦法由于無殘留采空區(qū)，當?shù)乇砘驀鷰r需要保護時，該法應(yīng)為首選。
本鋼歪頭山鐵礦的后備礦山花嶺溝地下礦初步設(shè)計采用了分段鑿巖階段空場嗣后充填采礦法，充填材料采用選廠尾砂作為骨料、普通硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料?；◣X溝鐵礦的年產(chǎn)量為150萬t/a，每年綜合利用選礦廠尾砂約80萬t，將很大程度改善選廠排尾問題和對周圍環(huán)境的污染。
2.2窄分段分采空場法
窄分段分采空場法的特點：沿礦脈走向劃成窄分段，并以此分別開掘鑿巖天井，然后從鑿巖天井向兩側(cè)的極薄礦脈內(nèi)穿鑿炮孔，以分采薄礦脈，剔除圍巖。在該類型礦體的開采中，采用窄分段分采空場采礦法與傳統(tǒng)的采礦法相比有以下優(yōu)點：比現(xiàn)行一般留礦法的礦石貧化率低，可進一步降低采、選費用，提高金屬回收率，改變目前礦山計算和確定礦脈最低可采品位、可采厚度的界限，以擴大可采礦量范圍，充分利用地下有限的資源。這種采礦充填法適用于大量的急傾斜、礦巖不穩(wěn)固、厚度薄的回采難度大的礦脈。
2.3進路充填采礦法
該采礦方法采用巷道式掘進方法，用礦山先進的采礦設(shè)備進行鑿巖出礦，技術(shù)成熟、可靠、采用隔一采一的回采方式，各工作面回采技術(shù)參數(shù)與安全性不受礦體厚度的影響，采場數(shù)量多，盤區(qū)生產(chǎn)能力大，單位面積內(nèi)的回采強度大。進路充填采礦法適用于深度較大，礦體的地質(zhì)成因與開采技術(shù)條件都會發(fā)生較大改變，無論是礦床的成因、礦巖的穩(wěn)固性，還是品位、厚度等都與上部礦體不同，開采技術(shù)條件比較復(fù)雜的礦山。
3 充填體的綜合作用機理
3.1充填體力學(xué)作用機理
充填體充入采場后改變了采場幫壁的應(yīng)力狀態(tài)，使其單軸或雙軸應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p軸或三軸應(yīng)力狀態(tài)，圍巖的強度得到很大提高，從而增強了圍巖的自支撐能力。因此，充填體不僅起到支撐作用，更重要的是提高了圍巖的強度和承載能力。
3.2充填體結(jié)構(gòu)作用機理
通常巖體中的斷層、節(jié)理裂隙將巖體切割成一些力結(jié)構(gòu)體。這些結(jié)構(gòu)體的組成方式?jīng)Q定了結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定狀況。當?shù)叵麻_采破壞了巖體原始的結(jié)構(gòu)體系，使其本來能夠維持平衡的承受載荷發(fā)生變化。因此，導(dǎo)致圍巖的連鎖破壞。當充填體充入到采場中，盡管充填體的強度低、承載時變形大，但是它可以起到維護原巖體的結(jié)構(gòu)作用，使圍巖能夠維持穩(wěn)定和承受載荷。這就是說，充填體在一定的條件下，具有維持圍巖的結(jié)構(gòu)作用，可以避免圍巖結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的突變失穩(wěn)。
3.3充填體讓壓作用機理
由于充填體變形遠比原巖體大，因此，充填體能夠在維護圍巖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系的情況下，緩慢讓壓，使其圍巖地壓能夠得到一定的釋放，對圍巖起到一種柔性支護的作用。
充填體的支護作用，主要在于對圍巖的限制作用和與圍巖的共同作用。即一方面充填體以對松脫巖塊的滑移施加側(cè)壓、支撐破碎圍巖、限制空區(qū)圍巖移動等多種方式來組織和限制圍巖發(fā)生變形和位移，達到對圍巖的限制作用；另一方面充填體與圍巖按變形協(xié)調(diào)理論共同承擔載荷，改善采場周圍巖體的應(yīng)力分布和狀態(tài)，提高圍巖自身的承載能力，共同維護采場的穩(wěn)定性。
4 充填采礦法的發(fā)展趨勢
充填采礦法在地下采礦中一直發(fā)揮著重要的作用。不斷完善充填工藝技術(shù)及開發(fā)經(jīng)濟可靠、來源廣泛新型充填材料是采礦技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，今后充填工藝技術(shù)的研究方向可在以下幾個方面開展進行。
4.1開發(fā)研制新型充填材料，降低充填材料成本并且方便采購或制造。研發(fā)能夠替代充填膠結(jié)材料中的普通硅酸鹽水泥，降低充填成本；利用城市垃圾作為充填料來充填采空區(qū)，不僅有助于城市固體垃圾的消除，而且有助于礦山采空區(qū)隱患的治理，是一種有效的環(huán)境綜合治理方法。
4.2繼續(xù)研制與現(xiàn)有工藝配套的高效充填設(shè)備，在提高充填作業(yè)機械化、自動化程度的同時，促進充填工藝進一步改造，全面實現(xiàn)充填參數(shù)自動連續(xù)檢測、分析與控制，確保充填料配比和攪拌質(zhì)量達到設(shè)計標準；加強在數(shù)字化、智能化充填方面的科學(xué)研究，實現(xiàn)信息化、智能化的充填信息管理系統(tǒng)。
4.3研究完善深井充填工藝。由于地表或近地表礦產(chǎn)資源的不斷開發(fā)和日益枯竭，礦山的開采方向必然是向深部礦體發(fā)展，這將給充填工藝提出更嚴格的要求，如充填體的強度，充填管路的設(shè)計，充填工藝，充填體流體力學(xué)，管道磨損嚴重等技術(shù)難題。因此很有必要對這些技術(shù)問題進行綜合研究，以滿足深井開采的需要。
5 結(jié)語
隨著科學(xué)技術(shù)的進步，充填法已成為高效采礦方法之一，并且具有安全、回采率高、對地表生態(tài)環(huán)境破壞較小等一系列不可替代的優(yōu)點。雖然充填技術(shù)存在一些弊端和不足，但是它正朝著機械化、自動化、智能化的方向發(fā)展，其前景是非常值得期待的。
參 考 文 獻：
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【關(guān)鍵詞】有限元；塔式起重機；疲勞
中圖分類號：TH21文獻標識碼： A
一、前言
隨著我國塔式起重機行業(yè)的不斷壯大，2塔式起重機的疲勞問題引起了人們的重視。我國在此方面取得成績的同時，也存在一些問題需要改進。在科技不斷發(fā)展的新時期，需要我們加強對基于有限元的塔式起重機疲勞的研究。
二、塔式起重機概述
塔式起重機是一種廣泛應(yīng)用于建筑、礦山、工業(yè)等領(lǐng)域的施工機械。塔機工作時各機構(gòu)頻繁地起動或制動，這將引起結(jié)構(gòu)強烈的振動和沖擊，并產(chǎn)生持續(xù)的衰減振動，其振動嚴重影響塔機的工作性能，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞。
塔式起重機是一種風險性大、事故率高的機械設(shè)備。金屬結(jié)構(gòu)是塔機的主要組成部分，決定著塔機的工作安全性和可靠性。在塔機事故原因中，近一半的事故是由于金屬結(jié)構(gòu)損傷破壞引起的。因此，如何避免和及時發(fā)現(xiàn)并排除塔機的故障或隱患，使塔機具有感知和信息處理能力，對故障和安全隱患進行自動報警，從而提高其運行的可靠性，一這已成為業(yè)內(nèi)非常關(guān)注的焦點問題。
三、有限元法的形成
在工程技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，經(jīng)常會遇到兩類典型的問題。其中的第一類問題可以歸
結(jié)為有限個已知單元體的組合。我們把這類問題，稱為離散系統(tǒng)。第二類問題通
?？梢越⑺鼈儜?yīng)遵循的基本方程，即微分方程和相應(yīng)的邊界條件。例如彈性力
學(xué)問題，熱傳導(dǎo)問題，電磁場問題等。由于建立基本方程所研究的對象通常是無
限小的單元，這類問題稱為連續(xù)系統(tǒng)。盡管已經(jīng)建立了連續(xù)系統(tǒng)的基本方程，由
于邊界條件的限制，通常只能得到少數(shù)簡單問題的精確解答。對于許多實際的工
程問題，還無法給出精確的解答。為了解決這個困難，工程師們和數(shù)學(xué)家們提出
了許多近似方法。在尋找連續(xù)系統(tǒng)求解方法的過程中，工程師和數(shù)學(xué)家從兩個不
同的路線得到了相同的結(jié)果，即有限元法。有限元法的形成可以回顧到二十世紀
50年代，來源于固體力學(xué)中矩陣結(jié)構(gòu)法的發(fā)展和工程師對結(jié)構(gòu)相似性的直覺判斷。從固體力學(xué)的角度來看，桁架結(jié)構(gòu)等標準離散系統(tǒng)與人為地分割成有限個分區(qū)后的連續(xù)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上存在相似性。
四、疲勞的分類
1、疲勞可以從不同的方向進行研究，根據(jù)不同方向可以對疲勞進行以下分類：
2、疲勞分析流程
國內(nèi)外大型企業(yè)在過去強度設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，都在努力降低產(chǎn)品重復(fù)工作的概率以及設(shè)計成本、周期；保證產(chǎn)品初始階段設(shè)計應(yīng)力分布均勻以及應(yīng)力集中點合理規(guī)劃；增加產(chǎn)品抗疲勞能力、可靠性以及市場競爭力；尤其是近年來，疲勞破壞發(fā)生的幾率不斷增加，給工作人員的安全與施工單位的經(jīng)濟預(yù)算造成了隱患，使得疲勞設(shè)計概念深入人心，成為目前國際上最重要的先進設(shè)計方法之一，國際上的知名企業(yè)已經(jīng)在這個研究方向邁出了很大一步，對疲勞分析流程的把握與研究不斷加深，其產(chǎn)品可以在計算符合要求的情況下，不斷減輕重量，提高使用率，增加了其國際競爭力，其產(chǎn)品在中國市場上占有很大的份額，對國內(nèi)公司造成了很大沖擊，在這種背景下，國家投入資金，使得科研人員，尤其是大學(xué)老師在這方面開展了很多的工作，通過疲勞理論、軟件以及國外參考文獻的學(xué)習(xí)，對疲勞的研究工作不斷進步，在產(chǎn)品的初始設(shè)計階段，已經(jīng)開始運用這一理論，但是基礎(chǔ)知識，如材料試驗性能的更新緩慢，這就對疲勞使用要素S-N曲線公式的使用造成了障礙，使得研究工作難以進行下去或不準確。
另外一項重要計算要素一載荷譜的獲取，在物理樣機試驗數(shù)據(jù)缺乏的情況下，則需要采用虛擬樣機設(shè)計方法，可以不用生產(chǎn)實際的產(chǎn)品，研究人員可以在ADAMS中進行典型工況下剛?cè)狁詈夏Ｐ偷慕ⅲM而仿真整機工作流程，得到載荷一時間歷程曲線。要用到的S―N曲線等等材料信息可以直接從FATIGUE標準庫中獲得，或者從試驗數(shù)據(jù)中獲得S-N曲線，再修正S-N曲線，最終可以進行疲勞分析。
工程設(shè)計師常用的有限元軟件為ANSYS，三維建模軟件為Pro／E，ADAMS剛?cè)狁詈险麢C模型中的柔性體模型所需的結(jié)果文件可以通過有限元分析及三維結(jié)果文件導(dǎo)入，所以本文進行動力學(xué)仿真分析獲得疲勞計算所需的結(jié)構(gòu)危險部位及載荷譜。
疲勞分析流程要求三方面的信息：幾何信息、載荷信息和材料特性。材料參數(shù)(如S-N曲線等等)可根據(jù)國內(nèi)外標準從試驗中直接獲得，也可以從材料手冊或FATIGUE軟件材料數(shù)據(jù)庫中獲得。具體的分析流程見下圖：
3、疲勞分析流程的具體步驟如下：
（1）首先根據(jù)整機各部件工程圖紙，在軟件ANSYS中建立研究對象的有限元模型，盡量符合實際，同時提取應(yīng)力一時問歷程曲線及數(shù)據(jù)的位置用殼單元建模，添加載荷及約束條件，進行分析求解，得到應(yīng)力云圖，觀察應(yīng)力集中區(qū)域及應(yīng)力分布情況，這樣就可以找出有限元模型的危險位置，也可以動力學(xué)仿真以后觀察危險區(qū)域內(nèi)所有點的應(yīng)力一時間歷程曲線及數(shù)據(jù)，通過ANSYS輸出模塊導(dǎo)出模態(tài)中性文件mnf，注意動力學(xué)仿真的加載點要在模態(tài)中性文件mnf中選中，再導(dǎo)出，在三維軟件Pro／E中建立整機剛性較大的部件模型，再導(dǎo)出中性文件Xt。
（2）通過ADAMS的導(dǎo)入模塊，在ADAMS的整機動力仿真模型中讀入剛度小、整體變形較大以及需要觀察應(yīng)力一時間變化的柔性部件的模態(tài)中性文件mnf，生成相應(yīng)的柔性體，并讀入剛性大、整體變形小以及不需要觀察應(yīng)力一時間變化的剛性體部件Xt，在ADAMS中建立剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并通過ADAMS建模功能模擬一些特殊功能的部件，如彈簧等等，通過各種約束副連接各部件，模擬實際的連接功能，最后在ADAMS分析模塊中進行動力仿真，提取危險點生成的應(yīng)力一時間歷程文件a，sc。
（3）在FATIGUE中讀入應(yīng)力一時間歷程文件asc，通過FATIGUE載荷譜模塊生成dac載荷譜，載荷譜中包括了多個應(yīng)力級，每個應(yīng)力級又包含應(yīng)力幅及該應(yīng)力級的循環(huán)次數(shù)，最后還要結(jié)合各種工況的概率進行載荷譜合成；這時要考慮S．N曲線公式，S-N曲線公式的初步確定要參考材料設(shè)計手冊，同時還要考慮其他因素，如載荷加載的影響，表面處理系數(shù)，部件焊接位置的尺寸系數(shù)，最后得到修正的S-N曲線公式；最后疲勞損傷累積理論的選擇也是重點，目前有四種疲勞損傷累積理論，比較符合實際且工程實踐應(yīng)用最多的是線性疲勞損傷累積理論，最后通過合成的載荷譜、修正的S-N曲線公式以及理論計算壽命。
五、建議
由于實際工作載荷與設(shè)計時所承受載荷的不同，塔機的設(shè)計壽命與實際的工作壽命也會不同，甚至?xí)a(chǎn)生很大偏差。如果把還能繼續(xù)安全使用的塔機強制報廢，不僅會給企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟損失，而且會給國家造成嚴重的資源浪費，但是讓不能繼續(xù)安全服役的塔機繼續(xù)工作，就會給企業(yè)職工人身安全帶來嚴重的隱患，甚至造成機毀人亡的慘劇。為了判斷在役塔機還能工作多久，我們要加強基于有限元分析軟件ANSYS及疲勞分析軟件的方法來估算它的剩余壽，為合理安全地使用塔機以及制定塔機檢測相關(guān)規(guī)則提供參考，為起重機設(shè)備管理人員的安全檢測與維護提供參考。
六、結(jié)束語
綜上所述，在科技不斷發(fā)展的時期下，我們要加強基于有限元的塔式起重機疲勞研究，確保塔式起重機正常使用。
參考文獻
【關(guān)鍵詞】激光多普勒測速；頻移；外差檢測
1.引言
多普勒效應(yīng)是19世紀奧地利物理科學(xué)家多普勒.克里斯琴.約翰（Doppler，Christian Johann）發(fā)現(xiàn)的聲學(xué)效應(yīng)。在聲源和接收器之間發(fā)生相對運動時，接收器收到的聲音頻率不會等于聲源發(fā)出的原頻率，于是稱這一頻率差為多普勒頻差或頻移。1905年，愛因斯坦在狹義相對論中指出，光波也具有類似的多普勒效應(yīng)。只要物體產(chǎn)生散射光，就可利用多普勒效應(yīng)測量其運動速度。所謂光學(xué)多普勒效應(yīng)就是：當光源與光接收器之間發(fā)生相對運動時，發(fā)射光波與接收光波之間會產(chǎn)生頻率偏移，其大小與光源和光接收器之間的相對速度有關(guān)。二十世紀六十年代，激光器得以發(fā)明。激光的出現(xiàn)大力地促進了各個學(xué)科的發(fā)展。由于激光具有優(yōu)異的相干性、良好的方向性等特點，因此在精密計量，遠距離測量等方面獲得了廣泛的應(yīng)用。伴隨著激光在光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，一門嶄新的技術(shù)誕生了，這就是多普勒頻移測量技術(shù)。
1964年，楊（Yeh）和古明斯（Cummins）[1]首次證實了可利用激光多普勒頻移技術(shù)來測量確定流體的速度，激光多普勒測速儀（LDV）以其測速精度高、測速范圍廣、空間分辨率高、動態(tài)響應(yīng)快、非接觸測量等優(yōu)點在航空、航天、機械、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、燃燒學(xué)以及工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用和快速發(fā)展[2-3]。激光多普勒測速儀是利用運動微粒散射光的多普勒頻移來獲得速度信息的。
2.激光多普勒效應(yīng)
3.光外差
在激光測速儀中有三種常見的外差檢測光路基本模式，它們是參考光模式、單光束-雙散射模式和雙光束-雙散射模式。
4.光路模式
4.1 參考光模式
圖2所示是參考光模式，激光經(jīng)分光鏡分成兩束光，其中一束是弱光用作參考光，另一束是強光用作照射光束，它們聚焦到測量區(qū)。光電檢測器接受參考光，同時接受另一束照射光束經(jīng)過粒子散射在同一方向上的散射光，它們在光電檢測器件中進行光外差，從而得到多普勒頻移。為了使參考光和散射光強度基本相近，必須使參考光減弱。通常參考光束和照射光束的光強比為1：99左右，這里可以用中性濾光片來減弱參考光，或者選擇合適的分光鏡的分光比來實現(xiàn)。參考光模式的光學(xué)單元具有結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)節(jié)方便和使用靈活的優(yōu)點。
4.2 單光束-雙散射模式
單光束-雙散射模式一般用得較少，它沒有明顯的優(yōu)點，但是可以用它來接收兩個互相垂直平面的兩對散射光，同時測量兩個速度分量，而旋轉(zhuǎn)雙孔光闌到任意角度，可接收測量平面上任意方向的兩個速度分量。
4.3 雙光束-雙散射模式
5.多普勒信號處理
如圖5所示是激光多普勒測速系統(tǒng)圖，光學(xué)系統(tǒng)測量運動物體，產(chǎn)生多普勒頻移信號，光電檢測器完成信號的收集及光電轉(zhuǎn)換。但是，實際上接收到的多普勒信號很小且存在噪聲，所以信號要進行放大和濾波等處理。根據(jù)多普勒信號的特點，已研制出多種信號處理系統(tǒng)，如：頻譜分析儀、頻率跟蹤器、計數(shù)型處理機、F-P掃描干涉儀、濾波器組、光子計數(shù)相關(guān)法、快速傅里葉變換[5]。
其中，頻率跟蹤是目前性能較優(yōu)，在國內(nèi)外使用最廣泛的信號處理機，其最大優(yōu)點是可用于信噪比較低的場合，同時可以得到實時速度信息。頻率跟蹤法是應(yīng)用一個閉環(huán)負反饋信號跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)信號的連續(xù)實時測量，其原理如圖6所示。多普勒信號首先經(jīng)過濾波、放大電路后，濾掉低頻信號，獲得信噪比較高的純凈的多普勒信號，然后輸入到頻率跟蹤電路，由其中的壓控振蕩器輸出瑞引出方波頻率信號，由高線性F/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為線性模擬電壓，再由A/D轉(zhuǎn)換。
6.激光多普勒測速技術(shù)的應(yīng)用
激光多普勒測速具有許多優(yōu)點，它廣泛地應(yīng)用于空氣動力學(xué)和流體力學(xué)，用來測量風洞、水筒、水工模型、射流元件等各場合中流體的流場分布和有關(guān)的物理參量，它也適用于邊界層流體的測量和二相流的測量。近來，已能測量亞音速、超音速噴氣流的速度，所以被用來研究噴氣過程、燃燒過程，為燃氣輪機、氣缸、鍋爐、原子能反應(yīng)堆等方面的設(shè)計研究提供了實驗數(shù)據(jù)和測試結(jié)果[6]。激光多普勒速度計已從科研的實驗室進人工廠現(xiàn)場，如測鋁板、鋼板的軋制速度，固體粉末輸送速度，天然氣輸送以及控制棉紗、紙、人造纖維的運動速度以提高產(chǎn)品質(zhì)量。結(jié)合其他技術(shù)，還可以擴大測速儀的用途，同時測量濃度，或者振動等其他物理參量?，F(xiàn)在，激光多普勒測速技術(shù)已逐漸在國民經(jīng)濟各部門得到實際應(yīng)用，并取到了良好的效果。這一技術(shù)本身也正在不斷地深入發(fā)展，以適應(yīng)迅猛發(fā)展的科學(xué)研究與生產(chǎn)的需要。
7.結(jié)論
闡述了激光多普勒測速技術(shù)的基本原理，介紹了三種光路模式和多普勒信號處理方法，最后總結(jié)了該測量技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。激光多普勒測速技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到能夠成功地進行大部分速度測量的水平。光學(xué)、電子學(xué)以及其它有關(guān)技術(shù)方面的改進促進了激光多普勒測速技術(shù)的進展。以后，激光多普勒測速技術(shù)應(yīng)該朝著提高信號質(zhì)量和從噪聲信號中更加準確地提取信息的方向努力，并且使之變得更簡便、更易于操作。
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關(guān)鍵詞:調(diào)節(jié)閥;流線;流速;粘性底層;紊流核心
中圖分類號:TU992文獻標識碼:A文章編號:1009-2374(2009)21-0030-04
一、存在的問題
安陽鋼廠用帶式壓濾機對高爐煤氣循環(huán)洗滌水所產(chǎn)污泥進行脫水。由于機寬只有兩米,且此循環(huán)水濃縮倍數(shù)較高,雖pH值在一范圍內(nèi)變化,但仍時而呈酸性,時而呈堿性,因此閥門開大污水溢濺到設(shè)備主支架和軸承內(nèi),都對這些部位造成嚴重腐蝕,即使水體有時呈中性,但因濃縮倍數(shù)高,析出的鹽分以結(jié)垢方式貼附于其上,造成嚴重的垢下腐蝕,且軸承磨損加大; 還由于絮凝劑濃度和污泥品質(zhì)不穩(wěn)定, 導(dǎo)致處理效果有時不理想, 部分污物透過濾網(wǎng)落入集水斗中, 造成排水不暢和污泥外溢泄漏, 所以,其進料管上安裝過的旋塞閥、蝶閥、閘閥這三種手動閥門,均在小開度下工作。使用期間,頻繁發(fā)生閥門堵塞現(xiàn)象,造成藥劑等浪費和設(shè)備的無功磨損,閥門需經(jīng)常操作調(diào)節(jié),其壽命大大縮減,因此常被更換。
二、問題分析
(一)此污泥介質(zhì)概況
高爐煤氣循環(huán)洗滌水污物成分復(fù)雜,不溶解固形物含量高,濁度、色度高,經(jīng)絮凝沉淀濃縮后,此種污泥粘度大、流動阻力大,常為粘塑性非牛頓流體。由于此種污泥的成分、含量和絮凝劑濃度均在變化,使得其粘性及相關(guān)參數(shù)也在改變,所以此種流體流動狀態(tài)應(yīng)屬于非均勻且非恒定流。為了有助于理論分析,先將其視為均勻恒定流。
(二)圓管內(nèi)牛頓、粘塑性流體的流動及實際流速分布、流動特性
牛頓流體流動狀態(tài)有層、紊流兩種。此性質(zhì)對高含水率污泥也適用,實際中,流體在管或渠道內(nèi)流動,層、紊流均可能發(fā)生。其速度分布如圖1所示:
從圖中可看出,層流狀態(tài)下流體中心處即軸心流線上速度最大,越接近邊壁速度越低;紊流狀態(tài)下流體中心處即紊流核心區(qū)軸心流線上速度最大,且兩種狀態(tài)下邊壁處速度均為零。粘性底層的速度分布由邊壁向紊流核心區(qū)逐漸增大,在紊流核心區(qū)的邊界處達到最大。
粘塑性流體在管內(nèi)流動時有一固體核心,在此核心內(nèi)無相對運動,靠近邊壁則有速度梯度,可視為粘塑性流體流動時的粘性底層。如圖2所示:
(三)對三種閥門堵塞原因的初步分析
由于各自的結(jié)構(gòu)和流量特性不同,所以旋塞、蝶、閘閥在操作性、對流體的控制和過流性能等方面都各有所長。全開啟度下,除蝶閥阻擾相對速度較大的主流區(qū)程度深,且過流斷面被閥板分為形狀均非圓形的兩部分外,旋塞閥和閘閥理論認為都能使流體順暢通過,流譜均勻平直無變化。但在小開度下,如圖3所示,這三種閥的節(jié)流口結(jié)構(gòu)形式雖不同,但均偏離原管路中心較遠且其形狀較原上游管路均勻流處過流斷面形狀改變過大,使得此段流譜彎曲波動、疏密程度改變劇烈又嚴重,流動均勻性遭到破壞,流速大小、方向及分布發(fā)生很大變化,這其中包括上游管路內(nèi)均勻流的軸心流線也受很大程度干擾;加上節(jié)流口都對流體產(chǎn)生節(jié)流作用,致使流量減少,上游管路內(nèi)均勻流的流速下降, 且流體在通過節(jié)流口之前的急變流處壓力先稍有上升,這使其流速稍有下降,但緊接著壓力很快下降,流速很快上升,對于旋塞閥、閘閥(圖3 a、b)而言,此處有死水區(qū)和大團旋渦產(chǎn)生,死水區(qū)污物沉積,而旋渦封閉曲線的不規(guī)則,使得旋渦內(nèi)微團線速度差異較大,速度小之處污物易發(fā)生沉積,當死水區(qū)和旋渦區(qū)沉積物足夠大時,受實際流體較大波動的干擾和沖刷等因素的影響,會有大小不等、相對較密實的部分污泥塊被沖掉并帶到形狀不很理想的節(jié)流口,易使其堵塞;對于蝶閥(圖3 c)此時有部分繞流的特征,在閥板上游流線出現(xiàn)分岔點(即駐點),此點流速為零,污物在此處與閥板之間易于沉積,當沉積物體積足夠大時,受實際流體較大波動的干擾和沖刷等因素的影響,可能會出現(xiàn)較大塊或整塊污泥團沿閥板斜面滑向相對靠下游且形狀不很理想的一節(jié)流口,若這時此節(jié)流口被堵塞,流體只能從另一側(cè)節(jié)流口通過,之后的堵塞過程基本類似于前兩者。另外,即便是牛頓流體通過節(jié)流口時,由于節(jié)流口形狀改變過大、不很理想,面積急劇變化、流通面積縮小,流速相對升高,壓力相對下降,易產(chǎn)生阻塞流。所以實際情況便是這三種閥門頻繁堵塞。
三、類似泄空(或稱放空)模擬試驗
(一)試驗前提及概述
由于我所在工作地點通過實際生產(chǎn)已確認旋塞閥和蝶閥用于污泥調(diào)節(jié)不合適,目前只用閘閥,所以此試驗只是通過類似的方法定性模擬閘閥和污泥閥泄空時的過流情況。因我的經(jīng)濟、居住條件及其它因素有限,所以此試驗在家中進行。
(二)試驗器具、理論依據(jù)概述、測試方法過程及結(jié)果
實際生產(chǎn)中,污泥經(jīng)樓頂濃縮罐從底端出口排出,其排泥管與壓濾機進料管均為DN120無縫鋼管,調(diào)節(jié)閥安在立管上,與濃縮罐底端出口高差約4.2m。本類似試驗采用三截兩端平齊,無毛刺,長度為492±1mm,?準50×2mm白色PVC管,實測外徑51mm,壁厚2mm;一端粘接一透明內(nèi)壁光滑平直無褶皺內(nèi)徑52mm,外徑53mm塑料管;將底端用透明塑料板粘牢,并在其上不同位置開不同形狀的小過流口,這是為了模擬閥門在小開度下工作時過流情況。所得試驗用平直管總長為572±1mm。污泥介質(zhì)以當?shù)厮赝辆醋匀欢逊e狀態(tài)下以不同土水體積比例混合制成;其中,以土: 水約為1.5～1.8∶1所混合的很稠的具有明顯粘塑性流體待征的污泥介質(zhì)為模擬高爐全開污泥量很大的情況,以土∶水約為1∶5～4所混合的較稀的仍保有牛頓流體特性的污泥介質(zhì)為模擬高爐全檢修污泥量極少的情況?；旌蠒r撿出其中粒徑相對較大的石塊,只留一部分小砂粒,以此來模擬實際中由于結(jié)垢或較硬積泥塊對過流的影響。
試驗所依理論由流體力學(xué)可知,相同材質(zhì)、內(nèi)壁粗糙度、內(nèi)徑、長度且豎直放置的管子,其內(nèi)裝滿相同流體介質(zhì),雖放空過程中壓力水頭逐漸減小,但初始壓力水頭相等,填裝流體介質(zhì)體積相等,泄空時沿程阻力也相等,所以當?shù)锥诵箍者^流口形狀和位置不同時,即便是相同的過流面積,也會因局部阻力,過流方式等不同,造成流量不等,從而泄空時間各不相等。所以此試驗是以一手按堵住出流口并將管豎直托放平穩(wěn),一手向管內(nèi)裝滿所配污流體介質(zhì),準備就緒,突然放開泄空過流口,另一人同時快速按下秒表,當堵塞或流完時再快速按下秒表,以這種計時的方法測定各自的泄空時間。測試結(jié)果見表1:
從表中可看出:當介質(zhì)為粘塑性流體,模擬污泥閥以中間開圓小孔的泄空方式,所用時間最短,且穩(wěn)定均勻,說明以此方式過流,水力條件好,污介質(zhì)過流速度快且過流能力穩(wěn)定;當圓孔開在貼近管壁一側(cè),泄空時間也穩(wěn)定均勻,但時間加長較明顯,說明其水力條件不是太好;模擬閘閥的單側(cè)彎月形泄空過流口,其時間已明顯加長且極易堵塞很不穩(wěn)定。當流體中雖有污雜物,但仍為牛頓流體時,以中間開圓孔的泄空方式,所用時間依然較短且穩(wěn)定均勻;單側(cè)貼近管壁開圓孔,所用時間較穩(wěn)定均勻但有所加長;單側(cè)彎月形泄空過流口,所用時間變化幅度大,極不穩(wěn)定,當過流面積為第一個的兩倍時,其最短時間也未達到第一個所用時間的一半,況且有時所用時間已超出第一個的最長時間。試驗結(jié)束后通過下端透明管觀察節(jié)流口上游積泥情況:中間開圓孔時,其節(jié)流口上游四周有一圈連續(xù)的積泥且高度基本一致,內(nèi)側(cè)曲面雖不平整完美但基本為沙漏狀;單側(cè)出流的圓孔或彎月形孔,積泥集中在一側(cè)且有一個最高點,此處基本與過流口正對,其余以最高點對稱向兩邊降低。
(三)對此類似模擬試驗的個人見結(jié)
此試驗所配污流體介質(zhì)雖只是實際中連續(xù)變化不定的所有情況中的兩種,但我認為有一定的代表性;對試驗用管的加工和制作雖力求精確,但由于我制作能力、技術(shù)水平有限,仍存在一定誤差,且受其它各種條件限制,所以本試驗有局限性,只是一次定性的有助于分析問題的輔試驗,僅供各位讀者、前輩和同行參考。
四、相關(guān)理論依據(jù)、解決方法及設(shè)計方案
(一)理論依據(jù)
根據(jù)牛頓慣性定律可知,物體動靜狀態(tài)下皆有此性質(zhì),流體介質(zhì)也一樣,所以當流體經(jīng)過一段足夠長直的圓管后,已具有一定慣性,理論上可認為其流動狀態(tài)、速度分布等已確立,屬于流體在圓管內(nèi)的流動情況。這之后,當流體通過一調(diào)節(jié)閥,若此閥開度較小,這時會由于節(jié)流口形狀改變過大,流通面積急劇縮小,過流位置偏離原管路中心較遠,且由于慣性的存在,本要以流譜平直、流速分布均勻又對稱的方式順暢通過,卻受很大程度阻礙和干擾,流譜急劇彎曲、疏密程度改變很大,原上游管路均勻流的軸心流線偏離中心較遠、彎曲猛烈,均勻又對稱的流速分布被破壞、發(fā)生劇烈的重新分布,易產(chǎn)生阻塞流。加上流體流經(jīng)不論尺寸為幾形狀為何的物體時,在邊壁處總有無法完全消除的低流速區(qū)或粘性底層,當為牛頓流體,發(fā)生層流或紊流處在水力光滑區(qū)時,邊壁的粗糙度被低流速區(qū)或粘性底層所淹沒,所以較高流速區(qū)或紊流核心基本不受粗糙度阻力影響,但低流速會使污物較易沉積,這會讓過流通道變窄以致過流能力下降,當有部分沉積物受主流擾動或沖刷等影響而脫落時,可能會使下游節(jié)流口發(fā)生堵塞而喪失過流能力;當紊流處于水力粗糙區(qū),邊壁受到?jīng)_刷,粘性底層變薄,污物不易沉積,但粗糙度伸入紊流核心,使其脈動加劇、受阻增大,這也可使過流能力下降;當為粘塑性流體,因其固有的流動特性,使得粘性底層對固體核心的影響基本類似于牛頓流體紊流狀態(tài)下的情況,因此有上、下臨界設(shè)計流速在閥門全開時的相關(guān)文獻參考數(shù)值,但當閥門開度不同時,常難滿足要求。且流體經(jīng)過節(jié)流口前后會發(fā)生旋渦、空化、水錘、死水區(qū)和二次流等水力現(xiàn)象,其中死水區(qū)和旋渦有利于流體中較重雜質(zhì)或污物的沉積,且沉積污物有一定的密實度和穩(wěn)固性,便會在與主流接觸一側(cè)形成一個較為穩(wěn)定的曲面,其形狀依節(jié)流口形狀和偏離管中心位置的不同而不同,這一現(xiàn)象對于污介質(zhì)流體而言不會被完全消除,但可被利用。所以,解決這一問題的方法是:使閥門在調(diào)節(jié)過程中盡量使原管路內(nèi)的軸心流線不偏離中心,讓流體流經(jīng)閥門時,不論閥門開啟度大小,總令最大流速所在流線及其鄰域能從閥門的中間通過;還要盡可能的保證流體流經(jīng)閥門時,節(jié)流口形狀接近圓形這一水力最優(yōu)斷面;并盡量減小主流與閥芯或由閥芯所構(gòu)成過流通道的接觸面積,以便減少與閥芯有關(guān)且會出現(xiàn)的低流速區(qū)或粘性底層對過流能力的影響;并且利用污泥這一實際流體在死水區(qū)和旋渦處沉積有一定密實度和穩(wěn)固性的污物能形成較穩(wěn)定過流接觸曲面這一現(xiàn)象,使得實際流體在通過小開度的此污泥閥節(jié)流口時能在其上游形成自然的同心漸縮流。
(二)過流情況示意圖及相關(guān)初步分析說明
從圖中可看出:當閥門全開(圖4 a),從理論上講流體能順暢通過,流譜均勻平直無變化。小開度下(圖4 b),由于多個閥瓣所圍成的節(jié)流口形狀在任何開度下均接近圓形這一水力最優(yōu)斷面,且其中心與管路中心重合,這可確保節(jié)流口上游管路均勻流處的軸心流線不發(fā)生偏離和彎曲的順暢流過,也可確保其鄰域內(nèi)流譜發(fā)生很小彎曲較順暢的流過;還可使節(jié)流口上下游急變流流場中除軸心流線的其它流線對稱地向中心收縮或以中心放散,形成以軸心流線為對稱軸,分布對稱的急變流流譜,這樣能使主流的波動很小,流動的均勻性雖受一定程度干擾,但并未遭完全破壞,流速的分布仍然保持對稱;其效果應(yīng)是:雖然流通面積急劇縮小,流速升高,壓力下降,但節(jié)流口形狀接近圓形,水力條件較為理想,且過流位置較原管路中心無偏離,所以構(gòu)成阻塞流的條件不完整。再由于閥瓣的阻擋節(jié)流作用,使得節(jié)流口前后的急變流周圍形成難以避免的死水區(qū)和旋渦,此處易沉積污物,但其具有一定的密實度和穩(wěn)固性,尤其在節(jié)流口上游產(chǎn)生沉積物的堆積,形成較穩(wěn)定的過流接觸曲面;當在某一較小開度下,流量穩(wěn)定,主流的波動很小且沖刷也不致將堆積沉積物破壞,此時就會以圖4 c中所示虛線為邊壁,形成自然的同心漸縮流,大大降低了由旋渦產(chǎn)生的不利影響。還由于閥瓣的結(jié)構(gòu)形狀和運動方式,使得主流經(jīng)過節(jié)流口時,與其所接觸的面積很小,從而大大減少了與閥芯有關(guān)且會出現(xiàn)的低流速區(qū)或粘性底層對主流的影響。最終要達到的目的是:此污泥閥在不同開度,不同流量下,均能令實際污介質(zhì)流體順利通過,不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。
(三)設(shè)計方案示意圖及動作原理
設(shè)計方案示意圖如圖5所示:
動作原理:蝸桿1受力矩作用,繞軸轉(zhuǎn)動,帶動齒輪塊2,在圖5所示時,做順或逆時針轉(zhuǎn)動,2的轉(zhuǎn)動帶動直齒輪3及在其下端固定的閥瓣4在同一位置,做繞直齒輪3所在柱體軸線的轉(zhuǎn)動;在開啟狀態(tài)下閥瓣4的曲線邊一側(cè)朝向流體,曲線是為了使閥門在動作調(diào)節(jié)時,閥瓣所構(gòu)成的節(jié)流口邊界接近圓形,并且在全開狀態(tài)下,曲邊所構(gòu)成的圓與內(nèi)管5的外徑所在圓,在如圖5所示時,其兩者垂直紙面的投影完全重合,也就是全開狀態(tài)下過流斷面為圓形。另外每一個閥瓣的上、下表面均為光滑的斜面,這是為了讓閥門在動作調(diào)節(jié)時,使閥瓣之間不會出現(xiàn)理論上所講的貫穿現(xiàn)象,即不互相碰撞;并且還可使其與主流的接觸面積大大減小。
此污泥閥已構(gòu)想完畢, 但尚未造出實際物體,對于易堵塞介質(zhì)流體, 目前所采用的辦法是選擇可調(diào)性最佳、最理想的孔形,是在所有開度時,能成為方形或等邊三角形。所以此閥門設(shè)計的過流孔形不僅所有開度時,均接近圓形且位置始終在管路中央,保持不變,因此,此污泥閥的設(shè)計核心思想及初衷應(yīng)是較為合理和正確的,應(yīng)能解決污介質(zhì)流體易在閥門處堵塞這一實際問題;并且此解決方法和設(shè)計方案的合理性和可行性已得到理論上的證明,并注冊了專利,已獲證書。
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（黑龍江科技大學(xué)研究生學(xué)院，哈爾濱 150022）
（Postgraduate School，Heilongjiang University of science and Technology，Harbin 150022，China）
摘要：地下巖體在開采之前，由于自重和構(gòu)造所引起的應(yīng)力是處于平衡狀態(tài)的，當掘巷道或者進行回采工作時，就破壞了原來應(yīng)力的平衡狀態(tài)，使巖體內(nèi)部應(yīng)力重新分布，具體表現(xiàn)在巷體周圍的煤、巖體產(chǎn)生移動、變形，直到煤和巖體內(nèi)部形成新的應(yīng)力平衡狀態(tài)為止。在煤的開掘過程中，由于采掘活動引起巷道圍巖應(yīng)力集中和重新分配，為了防止圍巖變形遭到破壞，需要對圍巖進行支護和加固。本文就大斷面煤層沿空巷內(nèi)支護加固技術(shù)進行研究，以便為煤礦在開采過程中積累一些技術(shù)和經(jīng)驗。
Abstract： Before underground rock mining， because the stress caused by the weight and structure are in equilibrium， when excavating the roadway or carrying out mining， the balance of the original stress will be destroyed and the internal stress of rock will be redistributed， whose specific performance is that the movement and deformation of the coal and rock around the roadway happens until the new stress equilibrium of coal and rock shaped. In the process of digging coal， due to the concentration and redistribution of roadway surrounding rock caused by extractive activities， in order to prevent the destruction and deformation of surrounding rock， the support and reinforcement of surrounding rock is necessary. In this paper， the large coal section gob gateway support reinforcement technique is studied to accumulate the technology and experience in the coal mining process.
關(guān)鍵詞 ：大斷面煤層；巷內(nèi)支護；支護加固
Key words： large coal section；support in mine gateway；support reinforcement
中圖分類號：TD353 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）18-0155-03
作者簡介：曹劍鋒（1992-），男，山東臨沂人，黑龍江科技大學(xué)在讀研究生，研究方向為采礦工程。
0 引言
在大斷面原煤開采過程中，由于各種應(yīng)力在不斷的發(fā)生變化，給原煤的掘進工作帶來很大的難度，因此在原煤開采過程，首先要對開采過程中各個階段出現(xiàn)的應(yīng)力進行認真分析，及時發(fā)現(xiàn)那種用力在起著關(guān)鍵的作用，之后針對各種應(yīng)力的性質(zhì)，及時采取支架進行加固，使原煤在掘進工作順利、安全地進行。本文就大斷面煤層沿空巷內(nèi)的各種應(yīng)力進行分析，針對各種應(yīng)力及時的采用支架進行科學(xué)加固，保證采礦生產(chǎn)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。
1 巷道巖應(yīng)力的狀態(tài)
地下原巖體處于復(fù)雜的受力狀態(tài)，它不僅受到上部巖層引起的自重應(yīng)力，還可能受到地殼中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力、膨脹應(yīng)力以及溫度應(yīng)力的多種應(yīng)力作用，但主要受到上覆巖層的自重力和結(jié)構(gòu)運動作用力。
1.1 自重力 巖石體內(nèi)的原始應(yīng)力是巖石的自重引起的，從巖石某一點的應(yīng)力狀態(tài)，先把巖體看成是一個半無限體，即：上部以地面為界（如圖1）。如果假定在地表以下的深度為z，任意取一小立方體巖塊，從圖中我們進行分析，這一小塊立方體受到三向受力狀態(tài)，它在上覆巖層重力作用下，作用在這個單位立方體上所受到的應(yīng)力有垂直應(yīng)力δz和水平應(yīng)力δx、δy。通過計算得出地殼巖體的自重應(yīng)力，一般其垂直應(yīng)力總是大于水平應(yīng)力，即：原巖體中任何地方的水平應(yīng)力均等于垂直應(yīng)力的25-43%。
1.2 結(jié)構(gòu)應(yīng)力 煤礦井下的巖煤中經(jīng)常會出現(xiàn)斷層、向斜和背斜等地質(zhì)結(jié)構(gòu)，這些地方的巖體均有裂縫，采動時易造成其破碎。這都是由于巖體內(nèi)部地質(zhì)作用的結(jié)果。顯然這些地質(zhì)構(gòu)造區(qū)都曾經(jīng)有過壓縮和拉伸的劇烈的應(yīng)力變化。例如：巖體受到地質(zhì)作用，而形成的應(yīng)力超過該處巖層的強度，則巖層可能產(chǎn)生錯動。僅有斷裂而不會發(fā)生錯動，則巖體中形成結(jié)構(gòu)裂縫。
構(gòu)造應(yīng)力的特點：①地殼運動以水平為主，因此結(jié)構(gòu)應(yīng)力也以水平應(yīng)力為主，總的來講，地殼運動以擠壓運動為主，所以水平應(yīng)力以壓應(yīng)力占絕對優(yōu)勢。②構(gòu)造應(yīng)力分布很不均勻，在地質(zhì)構(gòu)造變化比較劇烈的礦區(qū)，最大主應(yīng)力的大小方向往往有很大的變化。③巖體中的結(jié)構(gòu)應(yīng)力具有明顯的方向性，通常兩個方向的水平應(yīng)力值是不相等的。④水平構(gòu)造應(yīng)力可能比自重造成的水平應(yīng)力大幾倍或者幾十倍，而且往往淺部的倍數(shù)比深部大，因此在淺部開采時，構(gòu)造應(yīng)力比自重應(yīng)力更加重要。⑤構(gòu)造應(yīng)力在堅硬的巖層中出現(xiàn)一般比較普遍，在軟巖層中儲存構(gòu)造應(yīng)力很少。
有時利用巷道在原巖應(yīng)力場作用下的變形特點，通過井下巷道進行大量的觀察和調(diào)查，也可以初步判斷巖體中原巖應(yīng)力的特點，以及有無構(gòu)造應(yīng)力的影響，簡單判斷如下：
①靜水應(yīng)力場與非靜水應(yīng)力場的判斷。對于單一水平巷道，在排除巖石中裂縫性影響后，如果頂板和兩幫的破壞程度相同，而且破壞的劇烈程度與平巷在平面中方位無關(guān)，則可認為巖體中的應(yīng)力基本接近于靜水應(yīng)力狀態(tài)。反之如果方位不同單一水平巷道的周邊上，巖石破壞程度不同，而且破壞主要發(fā)生巷道頂板或者巷道兩幫，這種情況說明巖體中的應(yīng)力呈非靜水應(yīng)力狀態(tài)分布。
②最大構(gòu)造應(yīng)力作用方向的判斷。如果已經(jīng)確定應(yīng)力呈非靜水狀態(tài)分布，則進一步確定應(yīng)力作用在接近垂直的方向。為此對未支護的巷道，如暗井、溜煤眼等進行調(diào)查和研究，如整個周邊巖石穩(wěn)定性相同，則最大主壓應(yīng)力方向可能是垂直的，否則最大主壓應(yīng)力是水平的。
2 大斷面煤層沿空巷內(nèi)支護加固設(shè)計原則
2.1 空巷道內(nèi)支護設(shè)計方法
在采礦工作中，支護的設(shè)計是一項最重要的環(huán)節(jié)，對充分發(fā)揮支護體的最大能力和巷道的安全具有很重要的意義，主要分成以下幾方面。
2.1.1 比擬法 此種方法就是在以前工程設(shè)計的基礎(chǔ)上，通過運行后對出現(xiàn)的問題進行技術(shù)完善，經(jīng)過積累的生產(chǎn)過程中的實際經(jīng)驗，設(shè)計者重新對工程進行設(shè)計。其優(yōu)點是比較實際、簡單，應(yīng)用的范圍比較廣。但是定性設(shè)計，不能把支護結(jié)構(gòu)、支護的一些參數(shù)和安全性很具體地體現(xiàn)出來。
2.1.2 理論計算法 通過各種應(yīng)力的特點，進行大量理論計算，以及模擬實驗，得到了大量的理論數(shù)據(jù)，根據(jù)這些理論數(shù)據(jù)進行設(shè)計。采用此種方法的缺點是由于影響參數(shù)的因素很多，很難計算準確，因此此種方法只能作為參考。
2.1.3 持續(xù)改進設(shè)計法 此方法是借鑒國外煤礦的一些先進的設(shè)計特點，結(jié)合我國煤礦設(shè)計的實際總結(jié)出的設(shè)計方法，此設(shè)計方法的意義在于對空巷道內(nèi)支護設(shè)計不是一次就結(jié)束的，而是一個不斷持續(xù)改進的設(shè)計過程，對已經(jīng)設(shè)計完成的工程要不斷對過程信息進行收集、分析、反饋，從而對原設(shè)計的合理性進行重新研究分析，對不合理的部分進行科學(xué)的變更，使設(shè)計不斷完善。
2.2 沿空巷道支護的原則
2.2.1 要充分掌握巷道巖應(yīng)力狀態(tài)，正確判斷各種應(yīng)力作用的方向，將圍巖的變形、移位和裂縫等控制在有效的范圍內(nèi)，保證巷道圍巖的完好性。
2.2.2 要對提高大斷面利用率有利。在設(shè)計過程中既要有效控制巷道圍巖的變形和裂縫，又能夠極少占用巷道空間使巷道斷面的利用率得到極大的提高。
2.2.3 要對安全生產(chǎn)有利。要按照巷道巖石力學(xué)進行科學(xué)設(shè)計，同時在開采過程中要對巷道圍巖的應(yīng)力情況時時進行觀察和分析，防止巷道圍巖產(chǎn)生早期破壞的現(xiàn)象，保障巷道圍巖的支護的安全，確保生產(chǎn)人員、設(shè)備的運輸通暢，有利于安全、穩(wěn)定的進行生產(chǎn)。
2.2.4 低成本、高效率。對于巷道圍巖支護設(shè)計，在實際應(yīng)用過程中需要的成本很高，因此設(shè)計人員在設(shè)計時，一方面要科學(xué)、安全、適用，又要減少不必要的浪費，盡量降低開采的固定資產(chǎn)的投入。
2.2.5 對巷道的快速掘進有利。巷道的快速掘進是當前各煤礦開采作業(yè)的一大特點，使得原煤開采作業(yè)的連續(xù)性更加強，因此巷道支護設(shè)計要盡量簡單、適用，盡量不在支護環(huán)節(jié)耽誤生產(chǎn)。
2.3 大斷面煤層沿空巷內(nèi)支護設(shè)計原則
對大斷面煤層沿空巷內(nèi)支護設(shè)計原則是兩個方面，一方面要及時加固錨桿預(yù)緊力，時時增加支護體間結(jié)合力，減少煤圍巖沿錨桿方向的移動和變形，要有超前意識；另一方面，要對支護面積適當加密，減少危險巷道圍巖的變形和移動，具體體現(xiàn)在以下幾方面。
2.3.1 在設(shè)計時，要對采礦的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進行詳細的調(diào)查和研究，要根據(jù)具體結(jié)果準確設(shè)計支護方案，做到一次性支護成功，否則巷道圍巖一旦出現(xiàn)變形和移動再做補充支護，支護效果就要受到一定的影響。
2.3.2 對大斷面煤層沿空巷內(nèi)的支護設(shè)計，在設(shè)計時就要進行高強度設(shè)計，以保證在生產(chǎn)期間安全使用，有效防止在期間發(fā)生變形和移動現(xiàn)象。
2.3.3 在巷道開挖時，要及時的進行支護，達到支護和圍巖間的應(yīng)力平衡，否則就會產(chǎn)生巷道失穩(wěn)的現(xiàn)象，造成支護失敗。
2.3.4 根據(jù)高預(yù)應(yīng)力和預(yù)應(yīng)力的擴散原理對大斷面煤層沿空巷進行支護設(shè)計。錨桿支護的重要指標是預(yù)應(yīng)力，是區(qū)別分主動支護和被動支護的關(guān)鍵參數(shù)，只有高預(yù)應(yīng)力的錨桿支護才是真正主動支護，才能真正發(fā)揮支護的作用，因此在設(shè)計時，要盡可能地加大錨桿支護的預(yù)應(yīng)力，以防止巷道圍巖的早期變形，同時還要通過其它構(gòu)件的作用如：托板、帶鋼、錨網(wǎng)等真正實現(xiàn)錨桿的預(yù)應(yīng)力擴散，擴大預(yù)應(yīng)力的控制面積，使錨桿支護整體鋼性更強，達到聯(lián)合支護的作用。
2.3.5 對已變形的巷道采用非對稱控制原理進行設(shè)計。在對變形的巷道采用非對稱支護或者支護結(jié)構(gòu)非對稱的力學(xué)理論進行有效的支護，將巷道的變形控制在可控的范圍內(nèi)。
2.3.6 大斷面煤層沿空巷支護要采用可縮性原理進行設(shè)計。由于大斷面煤層沿空巷的初始應(yīng)力較大，開采后產(chǎn)生的松動圈比較大，同時，圍巖的變形量也較大，所以支護時的設(shè)計結(jié)構(gòu)要有一定的可縮性，以適應(yīng)大斷面變形大的特點，防止設(shè)計的支護結(jié)構(gòu)在圍巖應(yīng)力平衡前遭到破壞，導(dǎo)致支護的失敗。
3 主要支護件的作用
最常用的支護件有以下幾種：錨桿、錨索、鋼帶及金屬網(wǎng)。
3.1 錨桿：大斷面煤層沿空巷道在掘進或者在掘進穩(wěn)定后，兩個幫的移動量一般控制在100-500毫米，受本工作層超前支撐壓力的影響，巷道圍巖變形劇烈，在這個掘進階段，圍巖變形主要以破裂煤巖體裂縫等弱面產(chǎn)生錯動變形為主。錨桿支護以其抗拉及抗剪作用阻止破裂煤巖體巖弱面錯動，提高錨固體力學(xué)的作用。
3.2 錨索：錨索支護的作用就是為頂板提供一個固定的支點，以減少巷道頂板跨度的作用。
3.3 鋼帶的作用。鋼帶是錨桿之間聯(lián)系的紐帶，對保證圍巖的完整性、提高巷道圍巖的整體支護效果起到最關(guān)鍵的作用。
3.4 金屬網(wǎng)：主要是防止巷道局部遭到破壞使整個巷道失穩(wěn)。
4 結(jié)論
①由于大斷面巷道的斷面比較大，因此不能只依賴支護結(jié)構(gòu)進行支護，要將巷道圍巖組合在一起，形成整體結(jié)構(gòu)，形成較穩(wěn)定的承載結(jié)構(gòu)，發(fā)揮圍巖的承載能力，使大斷面煤層沿空巷均勻受力變形。②大斷面煤層沿空巷與圍巖在變形過程中，最強烈的是兩幫，而維持兩幫的穩(wěn)定的是小煤柱。如果小煤柱的承載能力小，強度低，在掘進過程中一旦發(fā)生變形，所有的應(yīng)力都轉(zhuǎn)移到兩幫，使兩幫所受力急劇增加，變形增大，巷道圍巖支護難以維持，使巷道支護失敗，因此小煤柱的強度和承載力很關(guān)鍵。③在實際開采過程中，大斷面煤層沿空巷在各種應(yīng)力及回采時超前支撐力的共同作用下，會發(fā)生一定的變形，在正常的情況下巷道圍巖是允許發(fā)生一定限度的變形，大斷面煤層沿空巷道在采用高強度錨支護的同時，具有一定的變形能力，使巷道圍巖的應(yīng)力得到一定的釋放，能夠更好地防止支護結(jié)構(gòu)在高支承壓力作用下遭到破壞，使巷道圍巖失穩(wěn)。
5 結(jié)束語
大斷面煤層沿空巷內(nèi)支護加固工作是原煤掘進過程中最為重要的環(huán)節(jié)，因此在設(shè)計過程中要根據(jù)具體的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、應(yīng)力變化等進行科學(xué)設(shè)計，在施工過程中，要熟練作業(yè)，加強掘進連續(xù)性，做到高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)，同時在作業(yè)中，技術(shù)人員還要不斷的總結(jié)經(jīng)驗，深入基層認真分析巷道圍巖的各種應(yīng)力情況，及時對巷道圍巖進行科學(xué)支護，使原煤的掘進工作順利、安全的進行。
參考文獻：
[1]馮志祥.對煤礦開采沿空留巷支護技術(shù)的對策分析[J].中國市場，2011（19）.