礦井巷道快速掘進臨時支護設備的結構改進

王懷偉

（同煤集團同家梁礦， 山西 大同 037025）

引言

煤炭的開采過程主要分為圍巖掘進和圍巖支護，兩者的工作過程占據了整個開采作業大部分的工作時間，不僅要重視掘進過程的安全，還要更加重視常被安全管理人員忽視的超前臨時支護的工作過程。現有的臨時支護自動化程度較低，工作效率也偏低。提高臨時支護設備與掘進設備相互配合的默契度是實現工作效率與安全生產密切協同的關鍵[1]。

1 礦井巷道快速掘進塑性區分布規律

為了有針對性地設計出對于礦井圍巖的臨時支護設備結構，應對礦井巷道在快速掘進開采作業過程中所受到的塑性變形區域進行分析。巷道內圍巖在受到鉆頭沖擊時會發生彈塑性變形，由于塑性變形是不可逆的過程，會形成安全隱患，根據巷道巖內塑性變形區域的有效支護能夠降低發生安全事故的概率[2]。根據實際工況條件，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 仿真軟件提取相應的圖片分析及數據分析資料，如圖1 所示。

由圖1 可知，其中沒有顏色的區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，屬于可恢復的狀態。有顏色部分淺色區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，深色區域代表圍巖在塑性變形的基礎上發生了松動現象，是很危險的區域，隨時有可能發生圍巖的坍塌并發生安全事故。此外還可以得出以下結論：

圖1 快速掘進圍巖塑性區分布圖

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

2）隨著空頂距離的不斷增大，巷道周圍塑性區不斷擴大?？枕斁酁?.8 m 時，巷道頂板和兩幫出現小范圍塑性區，此時圍巖處于塑性承載狀態。隨著空頂距離的不斷增大，巷道周圍塑性區不斷擴大，但圍巖都處于塑性承載狀態?？枕斁噙_到3.2 m 時，巷道頂板出現深色區域，即巷道頂板出現塑性松動狀態。當空頂距離達到4 m 時，巷道兩幫也開始出現深色區域，巷道頂板和兩幫圍巖都出現圍巖塑性松動。隨著空頂距離的繼續變長，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塑性松動狀態，塑性松動區域不斷增加，最后趨于一定范圍。

2 臨時支架結構設計

2.1 設計思路

根據圖1 所示的變形結果，有針對性地根據快速掘進巷道變形區域設計臨時支護的結構形態，考慮懸臂式掘進機在開采煤炭物料時的中軸線運動方向，平行于懸臂式掘進機的運動方向進行布置臨時支架結構，并在圍巖的頂層進行掛網，能夠保證懸臂式掘進機在向后移動過程中使錨桿鉆機同時在支護區內進行錨桿鉆孔作業。分擔懸臂式掘進機的開采任務，保證掘進機只需在中軸線方向進行前進或者是后退，切割煤炭和在頂層掛網是同時進行的步驟，可以減小臨時支護結構的支護作業時間[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。據現場調查，可將掘進的鏟板設計成可以伸縮式的運動結構，防止煤炭在運輸過程中遺煤、漏煤，提高煤炭生產產量[4]。

2.2 整體結構設計

通過CAXA3D 設計軟件的結構優化模塊，將結構優化目標值進行設計，對于圍巖需要支撐加固的部位進行標注，根據圍巖的斷面形態進行綜合設計，考慮錨桿打孔機器的錨桿之間的相互間距，設計如圖2 所示的臨時支護結構。支架主要由套筒伸縮箱形截面梁和液壓千斤頂、圓形立柱、若干鏈接構件等組成。

圖2 臨時支架結構設計示意圖

3 支架重要受力構件有限元計算分析

根據臨時支架在圍巖內受力結果分析可知，支架結構關鍵的受力部件為橫梁、縱梁和立柱支撐，三個關鍵部件在各個方位抵御來自圍巖地層承載作用力，確保圍巖的穩定性以及開采過程的安全性。通過CAXA3D 設計軟件的數值分析模塊，對橫梁、縱梁和立柱支撐的應力、應變情況進行數據分析。

3.1 橫梁受力分析

橫梁是搭在縱梁上的關鍵頂部承重部件。如圖3 所示，橫梁的最大應力位于橫梁的兩端，最大應力數值為258.1 MPa，應力由端部向中間逐漸減小，并且應力在整個橫梁的分布是不連續的，充分說明了橫梁對于圍巖塑性變形區域對應支撐性。此外，橫梁的應變與應力分布狀態保持一致，最大應變發生的位置為橫梁的兩端，數值為0.001 6，應變數據較小，說明橫梁沒有發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，縱梁的最大應力及應變分布區域位于縱梁的中部。如圖4 所示，最大應力數值為108.59 MPa，最大應變數值為0.000 7。通過與材料屬性進行對比分析，其仿真計算結果滿足材料性能屬性的要求，不會發生彎曲和折斷?？v梁的中間部位與圍巖塑性變形最大區域進行對應，通過兩端支撐、中間受力的方式，直接對圍巖容易出現坍塌的部位進行作用，保證圍巖的安全穩定性。

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結構的四周，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力及應變的數值越大，在靠近圍巖底板的附近應力與應變數據逐漸變小，通過調取數據可知，最大應力數值為126.32 MPa，最大應變數0.000 8。最大受力狀態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 結語

目前在礦井快速掘井開采過程中的臨時支護結構不能較好地與懸臂式掘進機的開采工藝相匹配，根據實際調研分析，建立起開采模型圖并進行數據模擬，得出開采過程中圍巖塑性變形區域的分布規律。根據快速掘進過程中圍巖塑性變形分布規律設計出新型的臨時支護設備結構，使其有針對性地解決塑性變形所產生的安全隱患問題。通過有限元分析技術對臨時支護支架結構的縱梁、橫梁、支撐立柱的應力應變分布情況與數據進行分析，結果顯示與快速掘進相匹配的臨時支護支架結構能夠滿足懸臂式掘進開采機的工藝要求，為煤礦行業設計開發滿足快速掘進開采工藝相匹配的臨時支護支架結構提供依據。