煤礦開采掘進(jìn)支護(hù)平臺的設(shè)計及性能分析

張少府

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

在進(jìn)行煤炭開采的過程中，巷道的支護(hù)是影響采掘效率的重要環(huán)節(jié)[1]。常用的臨時支護(hù)方式工藝復(fù)雜，現(xiàn)場施工環(huán)節(jié)較多，使得支護(hù)的時間較長，影響了采煤掘進(jìn)的效率，同時由于空頂?shù)臅r間長，容易造成頂板的變形及脫落，不利于煤礦的安全生產(chǎn)[2]。快速有效的巷道支護(hù)設(shè)備對于提高采掘效率具有重要的作用，針對煤礦綜采中單軌吊承載的形式，設(shè)計快速掘進(jìn)支護(hù)平臺，對提高掘進(jìn)的綜合機(jī)械化效率具有重要的意義。

1 快速支護(hù)平臺的設(shè)計

單軌吊裝支護(hù)平臺的主要結(jié)構(gòu)包括行進(jìn)臂梁、行駛系統(tǒng)、工作平臺、超前支護(hù)臂、及工作臺提升臂等[3]。支護(hù)作業(yè)平臺和單軌吊相互結(jié)合，單軌吊提供支護(hù)平臺的懸掛和軌道運行，隨著掘進(jìn)工作面的延伸，實現(xiàn)綜掘工作面的配套運輸及支護(hù)裝備的一體化。支護(hù)平臺能夠?qū)⒐ぷ魅藛T快速送到指定的位置，完成對頂梁的安裝，具有一定的支撐強度，能夠進(jìn)行一定的承載，可以沿支護(hù)臂上下運動，在巷道內(nèi)完成前進(jìn)行駛，平臺寬度可以滿足不同的工作環(huán)境要求，可以安裝橫向防護(hù)，保證作業(yè)人員的安全[4]。

支護(hù)作業(yè)平臺主要由工作面、導(dǎo)軌、液壓缸等組成，可以進(jìn)行平臺的伸縮，依據(jù)作業(yè)環(huán)境要求完成操作。依據(jù)巷道的工作面參數(shù)，選定作業(yè)平臺的寬度為2.7 m，可進(jìn)行伸展至4.5 m，長度為3 m，最大承載1 000 kg，由此進(jìn)行支護(hù)平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

支護(hù)平臺的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，將吊柜、支腿等置于工作平臺上，通過預(yù)先鋪設(shè)的吊柜穿過掘進(jìn)機(jī)，通過搖臂將作業(yè)平臺起升至相應(yīng)高度，作業(yè)人員將吊柜放置在支撐梁上，支撐梁上升實現(xiàn)與吊軌的對接。相應(yīng)地將掘進(jìn)支護(hù)平臺前移，繼續(xù)鋪設(shè)至工作面，作業(yè)人員將U型梁置于指定位置，提升至頂板固定，并安裝支腿，完成支護(hù)作業(yè)。支護(hù)平臺中設(shè)置有平衡梁，防止設(shè)備的搖擺，并設(shè)有工作臺防護(hù)，防止巷道的巖層脫落[5]。

圖1 支護(hù)作業(yè)平臺的結(jié)構(gòu)組成

2 快速支護(hù)平臺的性能分析

采用ANSYS有限元分析的方式對支護(hù)作業(yè)平臺進(jìn)行靜態(tài)分析，確定其強度及剛度能否滿足載荷需求。對支護(hù)作業(yè)平臺進(jìn)行分析，主要分為前處理、分析計算和后處理三個步驟[6]。前處理是對平臺的實體模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)定及約束設(shè)置等，首先對建立的平臺模型進(jìn)行一定的簡化處理，包括簡化一些細(xì)小的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對局部的結(jié)構(gòu)特征忽略，保留反映其力學(xué)特征的主要結(jié)構(gòu)，對非承載件進(jìn)行簡化處理。對得到的簡化模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用自由網(wǎng)格的形式對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)定網(wǎng)格的尺寸為30 mm，得到平臺的模型如圖2所示。依據(jù)平臺的作用狀態(tài)，施加相應(yīng)的豎直方向的載荷，設(shè)定平臺的材質(zhì)為Q550，施加三個方向的固定約束，由此進(jìn)行平臺的靜態(tài)分析。

圖2 支護(hù)平臺的網(wǎng)格劃分模型

在平臺的不同工作狀態(tài)下，施加的載荷作用位置不同，平臺產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變不同，選取典型的工況一為載荷均布在平臺的表面，工況二為施加平臺的前1/3表面，對不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行分析。

圖3中所示為在工況一時支護(hù)平臺產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變云圖，從圖中可以看出，在工況一時支護(hù)平臺的最大位移量為11.3 mm，最大應(yīng)力值為350.8 MPa，最大應(yīng)力的位置出現(xiàn)在平臺與固定件的連接位置處，最大位移出現(xiàn)在平臺的末端位置處。由此說明，在工況一時，平臺的整體變化呈現(xiàn)一定的彎曲變形，但平臺的最大應(yīng)力及應(yīng)變均處于材料的許用范圍內(nèi)，滿足系統(tǒng)的使用要求。

圖3 工況一時平臺變化分析

圖4 中所示為在工況二時支護(hù)平臺產(chǎn)生的應(yīng)力及應(yīng)變云圖，從圖中可以看出，在工況二時支護(hù)平臺的最大位移量為20.9 mm，最大應(yīng)力值為633 MPa，此時平臺下端與固定件的連接位置處的應(yīng)力超出了材料的屈服極限，存在一定的屈服危險。因此應(yīng)針對連接處的結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，提高連接的強度，保證平臺在不同工況下的使用安全。

圖4 工況二時平臺變化分析

在工況二時，支護(hù)平臺的受力情況較為惡劣，在兩種工況下，平臺與下端固定件之間的連接位置均是承載最大的部位，并且在工況二時突破了材料的屈服極限，對于平臺的連接結(jié)構(gòu)要進(jìn)行一定的優(yōu)化，提高連接處的結(jié)構(gòu)強度，從而保證連接的安全性。

3 結(jié)論

采用單軌吊裝承載結(jié)合快速支護(hù)平臺，可以實現(xiàn)對巷道掘進(jìn)過程中的快速支護(hù)，減輕作業(yè)的強度，提高巷道支護(hù)的安全性。依據(jù)巷道的形式，結(jié)合單軌吊，設(shè)計了相應(yīng)的開采掘進(jìn)支護(hù)平臺，通過支護(hù)平臺實現(xiàn)頂板的支撐。采用ANSYS有限元分析軟件，對不同工況下的掘進(jìn)支護(hù)平臺的靜態(tài)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明，在不同的工況下，支護(hù)平臺的結(jié)構(gòu)承受的最大應(yīng)力位置均出現(xiàn)在平臺與下端結(jié)構(gòu)件的連接處，在工況二時的最大應(yīng)力超出了材料的屈服極限。在實際使用過程中，針對連接處的結(jié)構(gòu)需要進(jìn)行一定的優(yōu)化，提高連接結(jié)構(gòu)的強度，保證連接的安全性，使支護(hù)平臺能夠正常工作，提高巷道支護(hù)的效率。