李永剛

（晉能控股煤業(yè)集團鄭莊煤礦，山西 晉城 048202）

引言

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

1 臨時支護設(shè)備的概述

1.1 臨時支護設(shè)備工作原理

圖1 拱形臨時支護設(shè)備側(cè)面結(jié)構(gòu)圖

本文所研究的臨時支護設(shè)備主要應(yīng)用于拱形巷道中，其主要任務(wù)是對已掘進巷道進行臨時支護，并且隨著工作面的推進，臨時支護設(shè)備也在交替推進[2]。本文所研究的拱形臨時支護設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示，拱形臨時支護設(shè)備主要由6個分部件組成。當掘進機對巷道掘進完成后向前推進后，拱形臨時支護設(shè)備對裸露的頂板進行臨時支護。具體支護操作如下：立柱根據(jù)巷道的高度升至設(shè)定位置后，鋪網(wǎng)裝置會在頂梁和頂板之間通過錨桿鉆機將金屬網(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，立柱下降至可移動的高度，在推移裝置的作用下對下一個掘進好的巷道進行支護[3]。拱形臨時支護設(shè)備立柱、推移裝置以及防倒裝置的動力源為工作面的乳化液泵站或掘進機的液壓系統(tǒng)。

1.2 臨時支護設(shè)備主要結(jié)構(gòu)研究及支護參數(shù)設(shè)計

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

頂梁作為臨時支護設(shè)備的直接承載部件，確?，F(xiàn)場人員及設(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)的永久支護提供場所，從而實現(xiàn)了臨時支護和永久支護的同步進行，極大地提升了掘進巷道的支護效率。

底座作為臨時支護設(shè)備與底板相接觸的部件，本文所研究拱形臨時支護設(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 臨時支護設(shè)備頂梁與底座結(jié)構(gòu)模型

結(jié)合鄭莊煤礦掘進巷道的地質(zhì)條件和實際情況，為保證臨時支護設(shè)備具有足夠的承載力，其對應(yīng)臨時支護設(shè)備所選型的立柱為單體液壓支柱，具體型號為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錨桿參數(shù)如下：錨桿直徑為16 mm，錨桿長度為1.8 m，錨桿間距為1 m，錨桿排間距為1 m。

2 臨時支護設(shè)備頂梁的數(shù)值模擬分析

臨時支護設(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)備的臨時支護效果和最終永久支護措施的實施。因此，本節(jié)對臨時支護設(shè)備頂梁進行有限元分析，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)計奠定基礎(chǔ)。結(jié)合鄭莊煤礦當前應(yīng)用于掘進工作面的拱形臨時支護設(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入ANSYS軟件中。該拱形臨時支護設(shè)備采用9號礦用工字鋼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軟件中對已搭建的模型參數(shù)進行設(shè)置。結(jié)合對巷道巖層頂板來壓測量結(jié)果，在ANSYS模型上方所施加對應(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，僅對仿真結(jié)果進行分析：

1）分析有限元仿真的應(yīng)變云圖可知，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，本文著重對支撐板與工字鋼連接位置進行優(yōu)化。

此外，基于ANSYS WrokBench軟件對頂梁進行預(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)可指導臨時支護設(shè)備頂梁的共振頻率避開掘進機的工作振動頻率，以避免支護設(shè)備和掘進機產(chǎn)生共振，影響工作面的安全性。

3 臨時支護設(shè)備的優(yōu)化

根據(jù)上述對臨時支護設(shè)備有限元和模態(tài)預(yù)應(yīng)力仿真結(jié)果對頂梁進行優(yōu)化設(shè)計。本次優(yōu)化目的是在保證頂梁足夠支護強度的基礎(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)量達到最小。對應(yīng)的優(yōu)化思路為：適當?shù)貙澢ぷ咒摰臄?shù)量和支撐板的寬度進行調(diào)整，以達到如上優(yōu)化目的[5]。

設(shè)定頂梁彎曲工字鋼的初始數(shù)量為6個，縱向工字鋼的數(shù)量為5個，彎曲和縱向工字鋼的間距均為400 mm。本著臨時支護設(shè)備頂梁在保證支護強度的基礎(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，當縱向工字鋼數(shù)量一定時，頂梁應(yīng)變隨著彎曲工字鋼的增加而減少；當彎曲工字鋼數(shù)量一定時，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，可以滿足對巖巷的臨時支護要求，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)量對比

如表2所示，對頂梁結(jié)構(gòu)進行優(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。

4 結(jié)語

巷道掘進過程中有66%的時間消耗在對其支護操作；僅有33%用于正常掘進操作。為進一步提升巷道掘進速度和成型質(zhì)量，可從提升掘進巷道的支護速度和質(zhì)量著手改進。對拱形掘進巷道的臨時支護設(shè)備進行優(yōu)化設(shè)計，可在保證其基礎(chǔ)支護功能的基礎(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速度和支護質(zhì)量。