關于煤礦巷道臨時支護結(jié)構頂梁的優(yōu)化分析

閆國梁

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

引言

現(xiàn)階段在我國能源消耗中，煤炭的占比將近65%，煤礦對于社會經(jīng)濟的發(fā)展起到了非常重要的作用。而我國大部分煤礦需要使用掘進機進行開采，掘進機的工作效率受到諸多因素的影響，特別是在掘進過程中，對巷道及時支護可以有效保障掘進機的工作效率。臨時支護設備可以解決在開采掘進過程中支護不到位的問題[1]。

臨時支護系統(tǒng)具有較適應性好，具有結(jié)構簡單、可靠性強、操作方便等優(yōu)點。臨時支護設備主要包括四根支撐立柱、頂梁和底座等結(jié)構。由于在煤礦開采過程中，順槽與切眼都是矩形，因此特別設計的支護設備也是矩形，方便在開采過程中移動。頂梁設計成網(wǎng)狀結(jié)構，便于對周圍圍巖進行錨固，確保了圍巖的穩(wěn)定性。因此，研究臨時支護系統(tǒng)對提高企業(yè)的生產(chǎn)效率具有重要意義。

1 臨時支護設備

在煤礦開采過程中，若沒有進行永久支護前，新掘進巷道具有較大的塌陷風險，因此需要臨時、可移動的支護設備有效保護開采面人員安全，同時提高煤礦開采掘進的效率。臨時支護設備結(jié)構簡單、可靠，可為永久性支護提供有利條件。圖1 所示為臨時支護設備的結(jié)構示意圖，主要包括支撐立柱、輔助網(wǎng)、底座、頂梁結(jié)構、連桿運動機構、防護裝置等，其中主要承載部位為頂梁和底座平臺。

立柱起支撐頂梁的作用，頂梁則直接對巷道頂板起到支撐作用，四連桿機構主要負責對頂梁高度進行調(diào)節(jié)，底座結(jié)構主要是對整體結(jié)構進行支撐，同時包括結(jié)構的走行機構。臨時支護系統(tǒng)可快速移動，方便部署和拆卸。以該臨時支護設備的頂梁為研究對象，分析計算頂梁的結(jié)構強度，可為其結(jié)構的優(yōu)化設計提供參考[2]。

圖1 臨時支護結(jié)構示意圖

2 模型建立

2.1 頂梁三維模型的建立

首先建立臨時支護系統(tǒng)頂梁的三維模型，頂梁作為主要的受力部件，需要滿足一定的剛度和強度的要求。在建模過程中為便于分析，對模型進行適當簡化。頂梁上的幫護結(jié)構、液壓系統(tǒng)、細小特征直接省略不計。液壓缸對頂梁的作用力，直接作用于頂梁與液壓缸連接位置。

圖2 所示為頂梁的三維模型，頂梁主體結(jié)構采用80 mm×100 mm 的矩管，矩管厚度為5 mm，頂梁上輔助網(wǎng)采用直徑為20 mm 的圓鋼，頂梁的長寬尺寸分別為3 000 mm、2 000 mm，采用16Mn 鋼制成，總質(zhì)量為1 290 kg，結(jié)構輕便易于拆卸[3]。

圖2 頂梁結(jié)構三維模型

2.2 分析模型的創(chuàng)建

2.2.1 材料的設置

對頂梁的相關模型的材料進行設置，已知主體結(jié)構的材料為16Mn 鋼，輔助鋼絲網(wǎng)的材料為HRB350，如表1 所示為兩種材料的參數(shù)。

表2 頂梁材料參數(shù)

2.2.2 網(wǎng)格劃分

對導入模型并設置好參數(shù)后，對其進行網(wǎng)格劃分，采用四面體自由網(wǎng)格劃分，設置單元類型為solid45，整體單元平均大小尺寸設置為30 mm，通過自動網(wǎng)格劃分，圖3 所示為頂梁的網(wǎng)格劃分示意圖。

圖3 頂梁網(wǎng)格劃分示意圖

2.2.3 載荷與約束

根據(jù)對頂梁的載荷工況分析，分析頂板冒頂時作用在頂梁上的載荷大小為380 kN，作用在頂梁的輔助網(wǎng)上，對頂梁的四個鉸接點施加固定約束，并設置模型的重力加速度。輔助網(wǎng)與頂梁框架之間設置好連接耦合關系[4]。

3 分析結(jié)果

根據(jù)ANSYS Workbench 的計算結(jié)果，在此提取了頂梁的最大變形云圖和等效頂梁應力云圖，如圖4、圖5 所示。結(jié)構的最大變形量為5.059 mm，最大變形量出現(xiàn)在輔助網(wǎng)中間，由于支撐完柔性相對框架更大，且作為直接受力部件，因此變形也就更大。

圖4 頂梁總變形示意圖

圖5 頂梁應力分布結(jié)果

頂梁的最大應力值為220.9 MPa，最大應力值點出現(xiàn)于輔助網(wǎng)與框架結(jié)構的連接位置，已知輔助網(wǎng)材料為HRB350，材料最大許用應力為540 MPa，可知最大應力值仍小于最大許用應力值，頂梁的結(jié)構是相對安全的，因此頂梁在煤礦開采工作過程中能夠起到良好的支護效果，滿足了設計的要求。

分析在冒頂工況時頂板對頂梁的作用，分析得到了結(jié)構的應力分布和總體變形情況，對結(jié)構性能進行分析可以為臨時支護系統(tǒng)頂梁的優(yōu)化設計提供有力參考，以提高臨時支護系統(tǒng)對巷道的支撐與保護[5]。

4 頂梁結(jié)構的優(yōu)化建議

該臨時支護系統(tǒng)結(jié)構相對簡單，考慮到實現(xiàn)需要以及使用的便利性，對頂梁采用了框架加輔助網(wǎng)的結(jié)構。網(wǎng)狀結(jié)構具有安裝簡便、重量小、具有可永久固定支護的操作空間等優(yōu)點，但同時存在輔助網(wǎng)柔性較大，且與框架結(jié)構的焊接連接位置較小，存在應力集中的情況。由于頂梁在支護過程中受載情況復雜，在焊縫處容易萌生裂紋，疲勞裂紋在動載荷的沖擊作用下，裂紋不斷擴展，從而對整體結(jié)構造成破壞。因此根據(jù)實際使用情況與仿真分析的結(jié)果對頂梁的結(jié)構設計提出兩點意見[6]：

1）設計框架結(jié)構時，應選擇性能較為可靠的材料，同時注意對關鍵鉸接位置的強度進行校核，保留足夠的安全余量?？蚣芙Y(jié)構的焊縫采用連續(xù)焊，焊后對焊縫進行打磨，以減小結(jié)構存在的殘余應力。

2）應避免焊縫導致的應力集中，結(jié)構的應力集中區(qū)域容易萌生裂紋，對結(jié)構整體性能具有重要影響，輔助網(wǎng)的材料強度以及輔助網(wǎng)與框架的焊接方式是重要改進方向，輔助網(wǎng)與框架結(jié)構之間應采用傳力效果更好的焊接方式。

5 結(jié)論

1）為了將井下煤礦開采中掘進動作與巷道的支護銜接起來，提高煤礦的開采效率而特別設計了巷道臨時支護系統(tǒng)。臨時支護系統(tǒng)包括頂梁、底座、鋪網(wǎng)等結(jié)構，頂梁與底座作為主要承載部件，對支護系統(tǒng)可靠性具有重要影響，因此對臨時支護系統(tǒng)的頂梁結(jié)構性能計算和對其結(jié)構的優(yōu)化分析具有重要意義。

2）基于ANSYS Workbench 分析頂梁在冒頂工況下結(jié)構的應力與變形情況。結(jié)果為：頂梁的最大變形量為5.059 mm，大變形量出現(xiàn)在輔助網(wǎng)中間；頂梁的最大應力值為220.9 MPa，最大應力值點出現(xiàn)于輔助網(wǎng)與框架結(jié)構的連接位置。