快速掘進(jìn)自移式臨時(shí)支架的支護(hù)性能與液壓特性分析

劉文強(qiáng)

（內(nèi)蒙古利民煤焦有限責(zé)任公司，鄂爾多斯 017000）

巷道是采煤工作面通風(fēng)、煤炭運(yùn)輸?shù)鹊闹饕ǖ?，巷道掘進(jìn)效率直接影響采礦效率[1-4]。針對(duì)巷道掘進(jìn)過(guò)程中迎頭頂板冒落風(fēng)險(xiǎn)較大、圍巖體破碎等問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備進(jìn)行改造。目前，我國(guó)綜掘巷道支護(hù)方式主要采用前探梁、帶帽點(diǎn)柱臨時(shí)支護(hù)、機(jī)載臨時(shí)支架支護(hù)以及自移式邁步支架支護(hù)[5-7]?，F(xiàn)有的臨時(shí)支護(hù)裝備在工作時(shí)均采用硬頂?shù)闹畏绞?，存在容易造成頂板破碎，?duì)巷道斷面適應(yīng)性不強(qiáng)的缺點(diǎn)，一定程度上影響了掘進(jìn)速度[8-11]。剛?cè)狁詈现ёo(hù)方式可以很好地適應(yīng)頂板，使支架支護(hù)的面積達(dá)到最大，保證最佳的支護(hù)效果[12]。徐亞軍等人根據(jù)超前支架自適應(yīng)支護(hù)理論和液壓傳動(dòng)與控制原理，構(gòu)建采場(chǎng)圍巖與液壓立柱的力學(xué)模型，大幅提升了臨時(shí)支架的適應(yīng)能力[13]。杜啟軍等人運(yùn)用FLAC 3D 模擬軟件，研究不同掘進(jìn)進(jìn)尺時(shí)巷道圍巖應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)分布特征以及大斷面煤巷快速掘進(jìn)的影響因素[14]。盧進(jìn)南等人利用MATLAB 軟件建立模擬動(dòng)力擾動(dòng)下超前支架系統(tǒng)的仿真模型，仿真振動(dòng)系統(tǒng)得出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)[15]?；谝陨蠈＜覍W(xué)者的研究，筆者設(shè)計(jì)了強(qiáng)度高、緩沖吸能性能好的新型剛?cè)狁詈吓R時(shí)支護(hù)支架。以內(nèi)蒙古烏海某煤礦掘進(jìn)巷道為應(yīng)用背景，研究自移式臨時(shí)支架在巷道載荷作用下的位移和應(yīng)力，以及液壓支架工作時(shí)立柱的位移和流量變化。結(jié)果顯示，提出的自移式臨時(shí)支架能夠?qū)崿F(xiàn)臨時(shí)支護(hù)過(guò)程的快速、平衡、穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)煤巷掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)頂板的快速有效支護(hù)。

1 臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)

臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括頂梁、支撐座、防倒擋板以及推移液壓缸。頂梁由4 條橫梁和10條縱梁交互連接而成，是對(duì)頂板進(jìn)行支撐、承受頂板壓力以及確保頂板不會(huì)下沉的主要結(jié)構(gòu)，也是液壓支架進(jìn)行承載的主要部件。橫梁與支架支撐腿組成一個(gè)矩形結(jié)構(gòu)，在左右支架上安裝支撐油缸，通過(guò)伸縮支撐油缸適應(yīng)頂?shù)装宓淖兓?。防倒擋板安裝于支架底部，提升支架的穩(wěn)定性。

2 自移式液壓支架支護(hù)特性分析

2.1 巷道仿真分析

以內(nèi)蒙古烏海某煤礦工作面為例，設(shè)置無(wú)支護(hù)條件下掘進(jìn)巷道地質(zhì)條件的模型參數(shù)。將煤田地質(zhì)模型建立為20 m×60 m×60 m（長(zhǎng)×寬×高），矩形巷道的寬為5.5 m、高為4.0 m，如圖2 所示。根據(jù)模型的幾何尺寸劃分計(jì)算網(wǎng)格，模型主要考察掘進(jìn)工作面配合臨時(shí)支架的圍巖變形位移和應(yīng)力分布狀況。模型的網(wǎng)格單元采用不等分劃分，其中重點(diǎn)研究區(qū)域（巷道周邊附近）的網(wǎng)格劃分較密。

圖2 掘進(jìn)巷道模型與邊界條件

保持模型主應(yīng)力方向與模型的3 個(gè)坐標(biāo)軸相同，模型初始速度和位移均為0。模擬各巖體的自重，分析開(kāi)挖后巷道圍巖的支護(hù)效果。位移邊界為模型的四邊，固定垂直位移，將底部設(shè)置為位移邊界，計(jì)算模型4 個(gè)面所受到的應(yīng)力。模型上部施加載荷為27.3 MPa，按照水平向側(cè)壓力系數(shù)為1.5，水平側(cè)壓力載荷為40.5 MPa。研究礦區(qū)所在地區(qū)的地質(zhì)組成中以砂巖為主，其地質(zhì)條件參數(shù)彈性模量、密度、泊松比和抗壓強(qiáng)度分別為17.1 GPa、2 650 kg·m-3、0.38、72.4 MPa。

無(wú)支護(hù)條件垂直方向位移與應(yīng)力分布云圖和無(wú)支護(hù)巷道開(kāi)挖后主應(yīng)力分布云圖，如圖3 所示。通過(guò)圖3（a）可以發(fā)現(xiàn)，巷道頂板與底板在開(kāi)挖時(shí)中部位移量較大，其他位置的位移量逐漸減小。圖3（b）為巷道垂直方向的應(yīng)力云圖，巷道頂板與底板存在較大應(yīng)力區(qū)域，巷道角區(qū)也存在應(yīng)力集中區(qū)域，而應(yīng)力集中容易造成巷道失穩(wěn)。由圖3（b）和圖3（c）可知，在巷道開(kāi)挖后，矩形巷道的左右兩側(cè)及矩形角位置出現(xiàn)了強(qiáng)應(yīng)力集中區(qū)，而巷道側(cè)幫部位很大范圍內(nèi)則出現(xiàn)了卸荷松弛現(xiàn)象。

圖3 巷道垂直方向應(yīng)力云圖和無(wú)支護(hù)巷道開(kāi)挖后主應(yīng)力分布云圖

2.2 臨時(shí)支架受力分析

將從模擬分析中獲得的穩(wěn)定頂板的載荷導(dǎo)入ANSYS，并應(yīng)用于臨時(shí)支架模型進(jìn)行靜態(tài)支架應(yīng)力分析。將模型導(dǎo)入ANSYS 軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，因?yàn)槠湫螤钶^為規(guī)整，所以直接采用默認(rèn)形式劃分網(wǎng)格，將液壓腿底部設(shè)置為固定約束。支架模型采用Q890 材料，密度為7 850 kg·m-3，仿真時(shí)間為1 s，泊松比為0.3，在支架模型縱梁上表面施加垂直載荷。臨時(shí)支架受巷道位移和壓力應(yīng)力云圖，如圖4 和圖5 所示。在垂直載荷作用下，臨時(shí)支架在豎直方向的最大位移為6.6 mm，最大應(yīng)力為96.9 MPa。最大應(yīng)力點(diǎn)位于液壓支架頂梁區(qū)域，且最大應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力值。數(shù)值模擬證明，臨時(shí)支架強(qiáng)度符合可靠性要求，能夠承受巷道壓力并保障巷道的穩(wěn)定。

圖4 臨時(shí)支架受巷道位移

圖5 臨時(shí)支架受巷道壓力應(yīng)力云圖

3 臨時(shí)支架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用機(jī)械庫(kù)、液壓元件設(shè)計(jì)（Hydraulic Component Design，HCD）庫(kù)和信號(hào)與元件庫(kù)等，仿照支撐機(jī)構(gòu)液壓原理圖，建立臨時(shí)支架左右兩個(gè)液壓立柱仿真模型，如圖6 和圖7 所示。仿真模型主要由負(fù)載敏感泵、可調(diào)節(jié)流閥以及雙液壓鎖等部分組成，并根據(jù)FLAC 3D 和ANSYS 軟件分析的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖8所示。

圖6 支護(hù)架液壓原理圖

圖7 支護(hù)架液壓立柱仿真模型

圖8 支撐階段液壓立柱仿真曲線

分析圖8 結(jié)果可知，液壓立柱在模擬負(fù)載變化下，左右兩側(cè)的位移和流量變化趨于一致，說(shuō)明左右兩側(cè)的液壓立柱同步性較好。左右兩側(cè)液壓立柱位移隨時(shí)間不斷增加，直到達(dá)到液壓缸的最大行程，期間出現(xiàn)了微小偏差，但在誤差允許范圍內(nèi)。流量在開(kāi)始階段發(fā)生短暫波動(dòng)，然后穩(wěn)定增加，并在2.7 s 達(dá)到最大值37 L·min-1，結(jié)果與液壓立柱預(yù)計(jì)一致，滿足液壓立柱同步支撐的要求。

4 結(jié)論

（1）利用FLAC 3D 和ANSYS 軟件對(duì)自移式臨時(shí)支架的強(qiáng)度和變形進(jìn)行分析，結(jié)果表明：臨時(shí)支架在載荷的作用下豎直方向的最大位移為6.6 mm，最大應(yīng)力為96.9 MPa，小于材料的許用應(yīng)力值，符合礦山安全規(guī)范值，保障了煤礦挖掘的安全。

（2）結(jié)合FLAC 3D 和ANSYS 分析的數(shù)據(jù)，利用AMESim 軟件對(duì)自移式臨時(shí)支架兩側(cè)的液壓立柱位移和流量進(jìn)行分析，結(jié)果表明：左右兩側(cè)液壓立柱的位移隨時(shí)間同時(shí)增加直到最大行程；流量在初始階段有短暫波動(dòng)，2.7 s 后兩側(cè)幾乎同時(shí)達(dá)到設(shè)定的最大值37 L·min-1?？梢?jiàn)，左右兩側(cè)的液壓立柱同步性較好，滿足同步支撐的要求。