煤礦巷道開拓臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)

李永剛

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鄭莊煤礦，山西 晉城 048202）

引言

經(jīng)統(tǒng)計(jì)可知，煤礦巷道掘進(jìn)工作面的三班工作中，其中一班主要任務(wù)是對(duì)巷道進(jìn)行掘進(jìn)，另外兩班的主要任務(wù)是對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)。因此，巷道的支護(hù)占據(jù)了2/3的工時(shí)，故可通過提高巷道的支護(hù)效率提升其掘進(jìn)效率。巷道的支護(hù)分為臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)，臨時(shí)支護(hù)作為巷道永久支護(hù)之前的暫時(shí)支護(hù)，其是保證工作面后續(xù)安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)[1]。本文將以臨時(shí)支護(hù)為例為提升其支護(hù)效果、效率對(duì)當(dāng)前應(yīng)用的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的概述

1.1 臨時(shí)支護(hù)設(shè)備工作原理

圖1 拱形臨時(shí)支護(hù)設(shè)備側(cè)面結(jié)構(gòu)圖

本文所研究的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備主要應(yīng)用于拱形巷道中，其主要任務(wù)是對(duì)已掘進(jìn)巷道進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)，并且隨著工作面的推進(jìn)，臨時(shí)支護(hù)設(shè)備也在交替推進(jìn)[2]。本文所研究的拱形臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示，拱形臨時(shí)支護(hù)設(shè)備主要由6個(gè)分部件組成。當(dāng)掘進(jìn)機(jī)對(duì)巷道掘進(jìn)完成后向前推進(jìn)后，拱形臨時(shí)支護(hù)設(shè)備對(duì)裸露的頂板進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)。具體支護(hù)操作如下：立柱根據(jù)巷道的高度升至設(shè)定位置后，鋪網(wǎng)裝置會(huì)在頂梁和頂板之間通過錨桿鉆機(jī)將金屬網(wǎng)固定于頂板上，以起到其承載的作用；金屬網(wǎng)鋪設(shè)完成后，立柱下降至可移動(dòng)的高度，在推移裝置的作用下對(duì)下一個(gè)掘進(jìn)好的巷道進(jìn)行支護(hù)[3]。拱形臨時(shí)支護(hù)設(shè)備立柱、推移裝置以及防倒裝置的動(dòng)力源為工作面的乳化液泵站或掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)。

1.2 臨時(shí)支護(hù)設(shè)備主要結(jié)構(gòu)研究及支護(hù)參數(shù)設(shè)計(jì)

臨時(shí)支護(hù)設(shè)備主要用于對(duì)掘進(jìn)的迎頭支護(hù)，為后續(xù)頂板和頂梁之間鋪設(shè)金屬網(wǎng)提供一個(gè)安全的工作場(chǎng)所。因此，臨時(shí)支護(hù)設(shè)備在設(shè)計(jì)初期需充分保證其初撐力、配套性、支護(hù)能力等基礎(chǔ)性能；此外，臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的寬度需結(jié)合巷道實(shí)際寬度，并在兩段為作業(yè)人員預(yù)留足夠的空間通行。

頂梁作為臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的直接承載部件，確?，F(xiàn)場(chǎng)人員及設(shè)備安全的關(guān)鍵，基于頂梁為向頂板中打入錨桿和錨網(wǎng)以形成后續(xù)的永久支護(hù)提供場(chǎng)所，從而實(shí)現(xiàn)了臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)的同步進(jìn)行，極大地提升了掘進(jìn)巷道的支護(hù)效率。

底座作為臨時(shí)支護(hù)設(shè)備與底板相接觸的部件，本文所研究拱形臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的底座是采用厚度為20 mm的鋼板焊接而成的，其與立柱通過球面柱窩式連接，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定的基礎(chǔ)。頂梁和底座的三維結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 臨時(shí)支護(hù)設(shè)備頂梁與底座結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合鄭莊煤礦掘進(jìn)巷道的地質(zhì)條件和實(shí)際情況，為保證臨時(shí)支護(hù)設(shè)備具有足夠的承載力，其對(duì)應(yīng)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備所選型的立柱為單體液壓支柱，具體型號(hào)為DW18-300/100X[4]。在結(jié)合巷道巖層斷面形狀及地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上為其配置永久支護(hù)錨桿參數(shù)如下：錨桿直徑為16 mm，錨桿長(zhǎng)度為1.8 m，錨桿間距為1 m，錨桿排間距為1 m。

2 臨時(shí)支護(hù)設(shè)備頂梁的數(shù)值模擬分析

臨時(shí)支護(hù)設(shè)備頂梁為其直接承載部件，其應(yīng)力及應(yīng)變狀態(tài)將直接影響設(shè)備的臨時(shí)支護(hù)效果和最終永久支護(hù)措施的實(shí)施。因此，本節(jié)對(duì)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備頂梁進(jìn)行有限元分析，研究其結(jié)構(gòu)中是否存在應(yīng)力集中或變形過大的情況，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。結(jié)合鄭莊煤礦當(dāng)前應(yīng)用于掘進(jìn)工作面的拱形臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的參數(shù)在WorkBench軟件中建立三維模型，并將所搭建的模型導(dǎo)入ANSYS軟件中。該拱形臨時(shí)支護(hù)設(shè)備采用9號(hào)礦用工字鋼16Mn加工而成，其材料屬性如表1所示。

表1 頂梁16Mn材料關(guān)鍵屬性

根據(jù)表1，在ANSYS軟件中對(duì)已搭建的模型參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。結(jié)合對(duì)巷道巖層頂板來壓測(cè)量結(jié)果，在ANSYS模型上方所施加對(duì)應(yīng)的載荷，載荷具體值為413 kN，要求載荷均勻施加于頂梁上方。鑒于篇幅原因，此處不將頂梁有限元仿真的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果一一列出，僅對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析：

1）分析有限元仿真的應(yīng)變?cè)茍D可知，頂梁的最大應(yīng)變位置位于其弧頂位置，其具體變形量為1.8 mm；

2）分析有限元仿真的應(yīng)力云圖可知，頂梁最大應(yīng)力位于支撐板與工字鋼相接觸的位置，且最大應(yīng)力為108 MPa，16Mn材料的最大應(yīng)力為192 MPa。

綜合分析可得：在頂梁與支撐板相接觸的位置存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，存在一定的安全隱患；而且，頂梁弧頂?shù)淖冃卧诤侠矸秶畠?nèi)。因此，本文著重對(duì)支撐板與工字鋼連接位置進(jìn)行優(yōu)化。

此外，基于ANSYS WrokBench軟件對(duì)頂梁進(jìn)行預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析，在上述仿真條件的基礎(chǔ)上得出頂梁的第一階頻率為26.292 Hz。根據(jù)模態(tài)仿真結(jié)構(gòu)可指導(dǎo)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備頂梁的共振頻率避開掘進(jìn)機(jī)的工作振動(dòng)頻率，以避免支護(hù)設(shè)備和掘進(jìn)機(jī)產(chǎn)生共振，影響工作面的安全性。

3 臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的優(yōu)化

根據(jù)上述對(duì)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備有限元和模態(tài)預(yù)應(yīng)力仿真結(jié)果對(duì)頂梁進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。本次優(yōu)化目的是在保證頂梁足夠支護(hù)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上，解決工字鋼與支撐板連接位置處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并使得頂梁的質(zhì)量達(dá)到最小。對(duì)應(yīng)的優(yōu)化思路為：適當(dāng)?shù)貙?duì)彎曲工字鋼的數(shù)量和支撐板的寬度進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到如上優(yōu)化目的[5]。

設(shè)定頂梁彎曲工字鋼的初始數(shù)量為6個(gè)，縱向工字鋼的數(shù)量為5個(gè)，彎曲和縱向工字鋼的間距均為400 mm。本著臨時(shí)支護(hù)設(shè)備頂梁在保證支護(hù)強(qiáng)度的基礎(chǔ)上將其質(zhì)量控制在最小，即將頂梁的重量、最大應(yīng)力值和最大變形量設(shè)為目標(biāo)變量。其中，頂梁彎曲工字鋼數(shù)量的取值范圍為4～6，縱向工字鋼數(shù)量的取值范圍為5～6。

經(jīng)仿真分析可知，當(dāng)縱向工字鋼數(shù)量一定時(shí)，頂梁應(yīng)變隨著彎曲工字鋼的增加而減少；當(dāng)彎曲工字鋼數(shù)量一定時(shí)，頂梁應(yīng)力值隨著縱向工字鋼的增加而降低。因此，綜合分析當(dāng)彎曲工字鋼的數(shù)量為5根，縱向工字鋼的數(shù)量為4根時(shí)，可以滿足對(duì)巖巷的臨時(shí)支護(hù)要求，且質(zhì)量也最小，優(yōu)化后前后頂梁的有限元仿真結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 頂梁優(yōu)化前后應(yīng)力、應(yīng)變及質(zhì)量對(duì)比

如表2所示，對(duì)頂梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后，其最大應(yīng)力值增大，但小于其材料的許用應(yīng)力192 MPa，且在工字鋼與支撐板連接處的應(yīng)力分布均勻；頂梁質(zhì)量降低約為117 kg；但是，頂梁弧頂處的變形較優(yōu)化前增加0.5 mm，可忽略不計(jì)。

4 結(jié)語

巷道掘進(jìn)過程中有66%的時(shí)間消耗在對(duì)其支護(hù)操作；僅有33%用于正常掘進(jìn)操作。為進(jìn)一步提升巷道掘進(jìn)速度和成型質(zhì)量，可從提升掘進(jìn)巷道的支護(hù)速度和質(zhì)量著手改進(jìn)。對(duì)拱形掘進(jìn)巷道的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可在保證其基礎(chǔ)支護(hù)功能的基礎(chǔ)上，消除其應(yīng)力集中現(xiàn)象，降低其整體質(zhì)量，從而直接提升其支護(hù)速度和支護(hù)質(zhì)量。