關于煤礦巷道臨時支護結構頂梁的優化分析

閆國梁

（霍州煤電集團辛置煤礦，山西 霍州 031412）

引言

現階段在我國能源消耗中，煤炭的占比將近65%，煤礦對于社會經濟的發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]。

臨時支護系統具有較適應性好，具有結構簡單、可靠性強、操作方便等優點。臨時支護設備主要包括四根支撐立柱、頂梁和底座等結構。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。頂梁設計成網狀結構，便于對周圍圍巖進行錨固，確保了圍巖的穩定性。因此，研究臨時支護系統對提高企業的生產效率具有重要意義。

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構示意圖，主要包括支撐立柱、輔助網、底座、頂梁結構、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節，底座結構主要是對整體結構進行支撐，同時包括結構的走行機構。臨時支護系統可快速移動，方便部署和拆卸。以該臨時支護設備的頂梁為研究對象，分析計算頂梁的結構強度，可為其結構的優化設計提供參考[2]。

圖1 臨時支護結構示意圖

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。頂梁上的幫護結構、液壓系統、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，頂梁主體結構采用80 mm×100 mm 的矩管，矩管厚度為5 mm，頂梁上輔助網采用直徑為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，總質量為1 290 kg，結構輕便易于拆卸[3]。

圖2 頂梁結構三維模型

2.2 分析模型的創建

2.2.1 材料的設置

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

表2 頂梁材料參數

2.2.2 網格劃分

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

圖3 頂梁網格劃分示意圖

2.2.3 載荷與約束

根據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。輔助網與頂梁框架之間設置好連接耦合關系[4]。

3 分析結果

根據ANSYS Workbench 的計算結果，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。結構的最大變形量為5.059 mm，最大變形量出現在輔助網中間，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 頂梁應力分布結果

頂梁的最大應力值為220.9 MPa，最大應力值點出現于輔助網與框架結構的連接位置，已知輔助網材料為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，分析得到了結構的應力分布和總體變形情況，對結構性能進行分析可以為臨時支護系統頂梁的優化設計提供有力參考，以提高臨時支護系統對巷道的支撐與保護[5]。

4 頂梁結構的優化建議

該臨時支護系統結構相對簡單，考慮到實現需要以及使用的便利性，對頂梁采用了框架加輔助網的結構。網狀結構具有安裝簡便、重量小、具有可永久固定支護的操作空間等優點，但同時存在輔助網柔性較大，且與框架結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，從而對整體結構造成破壞。因此根據實際使用情況與仿真分析的結果對頂梁的結構設計提出兩點意見[6]：

1）設計框架結構時，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。框架結構的焊縫采用連續焊，焊后對焊縫進行打磨，以減小結構存在的殘余應力。

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

5 結論

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。臨時支護系統包括頂梁、底座、鋪網等結構，頂梁與底座作為主要承載部件，對支護系統可靠性具有重要影響，因此對臨時支護系統的頂梁結構性能計算和對其結構的優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構的應力與變形情況。結果為：頂梁的最大變形量為5.059 mm，大變形量出現在輔助網中間；頂梁的最大應力值為220.9 MPa，最大應力值點出現于輔助網與框架結構的連接位置。