煤礦巷道開拓臨時支護設備的優化設計

李永剛

（晉能控股煤業集團鄭莊煤礦，山西 晉城 048202）

引言

經統計可知，煤礦巷道掘進工作面的三班工作中，其中一班主要任務是對巷道進行掘進，另外兩班的主要任務是對巷道進行支護。因此，巷道的支護占據了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安全生產的基礎[1]。本文將以臨時支護為例為提升其支護效果、效率對當前應用的臨時支護設備進行優化設計。

1 臨時支護設備的概述

1.1 臨時支護設備工作原理

圖1 拱形臨時支護設備側面結構圖

本文所研究的臨時支護設備主要應用于拱形巷道中，其主要任務是對已掘進巷道進行臨時支護，并且隨著工作面的推進，臨時支護設備也在交替推進[2]。本文所研究的拱形臨時支護設備的結構如圖1所示，拱形臨時支護設備主要由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：立柱根據巷道的高度升至設定位置后，鋪網裝置會在頂梁和頂板之間通過錨桿鉆機將金屬網固定于頂板上，以起到其承載的作用；金屬網鋪設完成后，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。

1.2 臨時支護設備主要結構研究及支護參數設計

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

頂梁作為臨時支護設備的直接承載部件，確保現場人員及設備安全的關鍵，基于頂梁為向頂板中打入錨桿和錨網以形成后續的永久支護提供場所，從而實現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備與底板相接觸的部件，本文所研究拱形臨時支護設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，保證設備安全、穩定的基礎。頂梁和底座的三維結構模型如圖2所示。

圖2 臨時支護設備頂梁與底座結構模型

結合鄭莊煤礦掘進巷道的地質條件和實際情況，為保證臨時支護設備具有足夠的承載力，其對應臨時支護設備所選型的立柱為單體液壓支柱，具體型號為DW18-300/100X[4]。在結合巷道巖層斷面形狀及地質條件的基礎上為其配置永久支護錨桿參數如下：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 臨時支護設備頂梁的數值模擬分析

臨時支護設備頂梁為其直接承載部件，其應力及應變狀態將直接影響設備的臨時支護效果和最終永久支護措施的實施。因此，本節對臨時支護設備頂梁進行有限元分析，研究其結構中是否存在應力集中或變形過大的情況，為后續的優化設計奠定基礎。結合鄭莊煤礦當前應用于掘進工作面的拱形臨時支護設備的參數在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材料關鍵屬性

根據表1，在ANSYS軟件中對已搭建的模型參數進行設置。結合對巷道巖層頂板來壓測量結果，在ANSYS模型上方所施加對應的載荷，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力和應變結果一一列出，僅對仿真結果進行分析：

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

綜合分析可得：在頂梁與支撐板相接觸的位置存在應力集中現象，存在一定的安全隱患；而且，頂梁弧頂的變形在合理范圍之內。因此，本文著重對支撐板與工字鋼連接位置進行優化。

此外，基于ANSYS WrokBench軟件對頂梁進行預應力模態分析，在上述仿真條件的基礎上得出頂梁的第一階頻率為26.292 Hz。根據模態仿真結構可指導臨時支護設備頂梁的共振頻率避開掘進機的工作振動頻率，以避免支護設備和掘進機產生共振，影響工作面的安全性。

3 臨時支護設備的優化

根據上述對臨時支護設備有限元和模態預應力仿真結果對頂梁進行優化設計。本次優化目的是在保證頂梁足夠支護強度的基礎上，解決工字鋼與支撐板連接位置處的應力集中現象，并使得頂梁的質量達到最小。對應的優化思路為：適當地對彎曲工字鋼的數量和支撐板的寬度進行調整，以達到如上優化目的[5]。

設定頂梁彎曲工字鋼的初始數量為6個，縱向工字鋼的數量為5個，彎曲和縱向工字鋼的間距均為400 mm。本著臨時支護設備頂梁在保證支護強度的基礎上將其質量控制在最小，即將頂梁的重量、最大應力值和最大變形量設為目標變量。其中，頂梁彎曲工字鋼數量的取值范圍為4～6，縱向工字鋼數量的取值范圍為5～6。

經仿真分析可知，當縱向工字鋼數量一定時，頂梁應變隨著彎曲工字鋼的增加而減少；當彎曲工字鋼數量一定時，頂梁應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量為5根，縱向工字鋼的數量為4根時，可以滿足對巖巷的臨時支護要求，且質量也最小，優化后前后頂梁的有限元仿真結果對比如表2所示。

表2 頂梁優化前后應力、應變及質量對比

如表2所示，對頂梁結構進行優化后，其最大應力值增大，但小于其材料的許用應力192 MPa，且在工字鋼與支撐板連接處的應力分布均勻；頂梁質量降低約為117 kg；但是，頂梁弧頂處的變形較優化前增加0.5 mm，可忽略不計。

4 結語

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量，可從提升掘進巷道的支護速度和質量著手改進。對拱形掘進巷道的臨時支護設備進行優化設計，可在保證其基礎支護功能的基礎上，消除其應力集中現象，降低其整體質量，從而直接提升其支護速度和支護質量。