王懷偉

（同煤集團(tuán)同家梁礦， 山西 大同 037025）

引言

煤炭的開采過程主要分為圍巖掘進(jìn)和圍巖支護(hù)，兩者的工作過程占據(jù)了整個開采作業(yè)大部分的工作時間，不僅要重視掘進(jìn)過程的安全，還要更加重視常被安全管理人員忽視的超前臨時支護(hù)的工作過程?，F(xiàn)有的臨時支護(hù)自動化程度較低，工作效率也偏低。提高臨時支護(hù)設(shè)備與掘進(jìn)設(shè)備相互配合的默契度是實現(xiàn)工作效率與安全生產(chǎn)密切協(xié)同的關(guān)鍵[1]。

1 礦井巷道快速掘進(jìn)塑性區(qū)分布規(guī)律

為了有針對性地設(shè)計出對于礦井圍巖的臨時支護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，應(yīng)對礦井巷道在快速掘進(jìn)開采作業(yè)過程中所受到的塑性變形區(qū)域進(jìn)行分析。巷道內(nèi)圍巖在受到鉆頭沖擊時會發(fā)生彈塑性變形，由于塑性變形是不可逆的過程，會形成安全隱患，根據(jù)巷道巖內(nèi)塑性變形區(qū)域的有效支護(hù)能夠降低發(fā)生安全事故的概率[2]。根據(jù)實際工況條件，建立起巷道受力模型，按照實際情況施加載荷作用力，通過ANSYS 仿真軟件提取相應(yīng)的圖片分析及數(shù)據(jù)分析資料，如圖1 所示。

由圖1 可知，其中沒有顏色的區(qū)域部分表示圍巖受到的是彈性變形作用，該部分處于彈性階段，屬于可恢復(fù)的狀態(tài)。有顏色部分淺色區(qū)域代表的是圍巖處于塑性變形階段，該處的受力較大，處于比較危險的程度，深色區(qū)域代表圍巖在塑性變形的基礎(chǔ)上發(fā)生了松動現(xiàn)象，是很危險的區(qū)域，隨時有可能發(fā)生圍巖的坍塌并發(fā)生安全事故。此外還可以得出以下結(jié)論：

圖1 快速掘進(jìn)圍巖塑性區(qū)分布圖

1）塑性變形區(qū)域主要集中于圍巖的頂板，圍巖的兩幫和底板同樣也會發(fā)生塑性變形，但是受到影響的范圍更小。深色區(qū)域的塑性變形是被迫變形，有別于淺色區(qū)域的塑性變形，此處的圍巖是松動狀態(tài)，繼續(xù)掘進(jìn)開采容易造成冒落和片幫。

2）隨著空頂距離的不斷增大，巷道周圍塑性區(qū)不斷擴大?？枕斁酁?.8 m 時，巷道頂板和兩幫出現(xiàn)小范圍塑性區(qū)，此時圍巖處于塑性承載狀態(tài)。隨著空頂距離的不斷增大，巷道周圍塑性區(qū)不斷擴大，但圍巖都處于塑性承載狀態(tài)。空頂距達(dá)到3.2 m 時，巷道頂板出現(xiàn)深色區(qū)域，即巷道頂板出現(xiàn)塑性松動狀態(tài)。當(dāng)空頂距離達(dá)到4 m 時，巷道兩幫也開始出現(xiàn)深色區(qū)域，巷道頂板和兩幫圍巖都出現(xiàn)圍巖塑性松動。隨著空頂距離的繼續(xù)變長，巷道周圍圍巖的塑性承載范圍不再增大，趨于平緩。隨著空頂距離的增加，巷道頂板和幫部圍巖均會出現(xiàn)塑性松動狀態(tài)，塑性松動區(qū)域不斷增加，最后趨于一定范圍。

2 臨時支架結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

根據(jù)圖1 所示的變形結(jié)果，有針對性地根據(jù)快速掘進(jìn)巷道變形區(qū)域設(shè)計臨時支護(hù)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，考慮懸臂式掘進(jìn)機在開采煤炭物料時的中軸線運動方向，平行于懸臂式掘進(jìn)機的運動方向進(jìn)行布置臨時支架結(jié)構(gòu)，并在圍巖的頂層進(jìn)行掛網(wǎng)，能夠保證懸臂式掘進(jìn)機在向后移動過程中使錨桿鉆機同時在支護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行錨桿鉆孔作業(yè)。分擔(dān)懸臂式掘進(jìn)機的開采任務(wù)，保證掘進(jìn)機只需在中軸線方向進(jìn)行前進(jìn)或者是后退，切割煤炭和在頂層掛網(wǎng)是同時進(jìn)行的步驟，可以減小臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)作業(yè)時間[3]。此外，錨桿鉆機可以放置于臨時支架上面，減輕人工勞動力。據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，可將掘進(jìn)的鏟板設(shè)計成可以伸縮式的運動結(jié)構(gòu)，防止煤炭在運輸過程中遺煤、漏煤，提高煤炭生產(chǎn)產(chǎn)量[4]。

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過CAXA3D 設(shè)計軟件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)計，對于圍巖需要支撐加固的部位進(jìn)行標(biāo)注，根據(jù)圍巖的斷面形態(tài)進(jìn)行綜合設(shè)計，考慮錨桿打孔機器的錨桿之間的相互間距，設(shè)計如圖2 所示的臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)。支架主要由套筒伸縮箱形截面梁和液壓千斤頂、圓形立柱、若干鏈接構(gòu)件等組成。

圖2 臨時支架結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖

3 支架重要受力構(gòu)件有限元計算分析

根據(jù)臨時支架在圍巖內(nèi)受力結(jié)果分析可知，支架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵的受力部件為橫梁、縱梁和立柱支撐，三個關(guān)鍵部件在各個方位抵御來自圍巖地層承載作用力，確保圍巖的穩(wěn)定性以及開采過程的安全性。通過CAXA3D 設(shè)計軟件的數(shù)值分析模塊，對橫梁、縱梁和立柱支撐的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.1 橫梁受力分析

橫梁是搭在縱梁上的關(guān)鍵頂部承重部件。如圖3 所示，橫梁的最大應(yīng)力位于橫梁的兩端，最大應(yīng)力數(shù)值為258.1 MPa，應(yīng)力由端部向中間逐漸減小，并且應(yīng)力在整個橫梁的分布是不連續(xù)的，充分說明了橫梁對于圍巖塑性變形區(qū)域?qū)?yīng)支撐性。此外，橫梁的應(yīng)變與應(yīng)力分布狀態(tài)保持一致，最大應(yīng)變發(fā)生的位置為橫梁的兩端，數(shù)值為0.001 6，應(yīng)變數(shù)據(jù)較小，說明橫梁沒有發(fā)生塑性變形和斷裂的危險性，滿足工作性能的要求。

3.2 縱梁受力分析

縱梁與橫梁相互配合承載著頂部的載荷作用力?？v梁與橫梁所受力的位置相反，縱梁的最大應(yīng)力及應(yīng)變分布區(qū)域位于縱梁的中部。如圖4 所示，最大應(yīng)力數(shù)值為108.59 MPa，最大應(yīng)變數(shù)值為0.000 7。通過與材料屬性進(jìn)行對比分析，其仿真計算結(jié)果滿足材料性能屬性的要求，不會發(fā)生彎曲和折斷?？v梁的中間部位與圍巖塑性變形最大區(qū)域進(jìn)行對應(yīng)，通過兩端支撐、中間受力的方式，直接對圍巖容易出現(xiàn)坍塌的部位進(jìn)行作用，保證圍巖的安全穩(wěn)定性。

圖3 臨時支架橫梁受力圖

圖4 臨時支架縱梁受力圖

3.3 支撐立柱受力分析

圖5 臨時支架支撐立柱受力圖

支撐立柱分布于臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)的四周，直接承載著上部傳遞下來的載荷作用力。如圖5 所示，越接近作用點的地方應(yīng)力及應(yīng)變的數(shù)值越大，在靠近圍巖底板的附近應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)逐漸變小，通過調(diào)取數(shù)據(jù)可知，最大應(yīng)力數(shù)值為126.32 MPa，最大應(yīng)變數(shù)0.000 8。最大受力狀態(tài)能夠滿足材料所承受的載荷作用力，滿足安全性能的要求。

4 結(jié)語

目前在礦井快速掘井開采過程中的臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)不能較好地與懸臂式掘進(jìn)機的開采工藝相匹配，根據(jù)實際調(diào)研分析，建立起開采模型圖并進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，得出開采過程中圍巖塑性變形區(qū)域的分布規(guī)律。根據(jù)快速掘進(jìn)過程中圍巖塑性變形分布規(guī)律設(shè)計出新型的臨時支護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，使其有針對性地解決塑性變形所產(chǎn)生的安全隱患問題。通過有限元分析技術(shù)對臨時支護(hù)支架結(jié)構(gòu)的縱梁、橫梁、支撐立柱的應(yīng)力應(yīng)變分布情況與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示與快速掘進(jìn)相匹配的臨時支護(hù)支架結(jié)構(gòu)能夠滿足懸臂式掘進(jìn)開采機的工藝要求，為煤礦行業(yè)設(shè)計開發(fā)滿足快速掘進(jìn)開采工藝相匹配的臨時支護(hù)支架結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。