煤礦開采掘進支護平臺的設計及性能分析

張少府

（晉能控股煤業集團晉華宮礦，山西 大同 037016）

引言

在進行煤炭開采的過程中，巷道的支護是影響采掘效率的重要環節[1]。常用的臨時支護方式工藝復雜，現場施工環節較多，使得支護的時間較長，影響了采煤掘進的效率，同時由于空頂的時間長，容易造成頂板的變形及脫落，不利于煤礦的安全生產[2]。快速有效的巷道支護設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，設計快速掘進支護平臺，對提高掘進的綜合機械化效率具有重要的意義。

1 快速支護平臺的設計

單軌吊裝支護平臺的主要結構包括行進臂梁、行駛系統、工作平臺、超前支護臂、及工作臺提升臂等[3]。支護作業平臺和單軌吊相互結合，單軌吊提供支護平臺的懸掛和軌道運行，隨著掘進工作面的延伸，實現綜掘工作面的配套運輸及支護裝備的一體化。支護平臺能夠將工作人員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，能夠進行一定的承載，可以沿支護臂上下運動，在巷道內完成前進行駛，平臺寬度可以滿足不同的工作環境要求，可以安裝橫向防護，保證作業人員的安全[4]。

支護作業平臺主要由工作面、導軌、液壓缸等組成，可以進行平臺的伸縮，依據作業環境要求完成操作。依據巷道的工作面參數，選定作業平臺的寬度為2.7 m，可進行伸展至4.5 m，長度為3 m，最大承載1 000 kg，由此進行支護平臺的結構設計。

支護平臺的主要結構如圖1所示，將吊柜、支腿等置于工作平臺上，通過預先鋪設的吊柜穿過掘進機，通過搖臂將作業平臺起升至相應高度，作業人員將吊柜放置在支撐梁上，支撐梁上升實現與吊軌的對接。相應地將掘進支護平臺前移，繼續鋪設至工作面，作業人員將U型梁置于指定位置，提升至頂板固定，并安裝支腿，完成支護作業。支護平臺中設置有平衡梁，防止設備的搖擺，并設有工作臺防護，防止巷道的巖層脫落[5]。

圖1 支護作業平臺的結構組成

2 快速支護平臺的性能分析

采用ANSYS有限元分析的方式對支護作業平臺進行靜態分析，確定其強度及剛度能否滿足載荷需求。對支護作業平臺進行分析，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行參數設定及約束設置等，首先對建立的平臺模型進行一定的簡化處理，包括簡化一些細小的內部結構，對局部的結構特征忽略，保留反映其力學特征的主要結構，對非承載件進行簡化處理。對得到的簡化模型進行網格劃分，采用自由網格的形式對平臺結構進行網格劃分，設定網格的尺寸為30 mm，得到平臺的模型如圖2所示。依據平臺的作用狀態，施加相應的豎直方向的載荷，設定平臺的材質為Q550，施加三個方向的固定約束，由此進行平臺的靜態分析。

圖2 支護平臺的網格劃分模型

在平臺的不同工作狀態下，施加的載荷作用位置不同，平臺產生的應力應變不同，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，對不同工況下的應力應變進行分析。

圖3中所示為在工況一時支護平臺產生的應力及應變云圖，從圖中可以看出，在工況一時支護平臺的最大位移量為11.3 mm，最大應力值為350.8 MPa，最大應力的位置出現在平臺與固定件的連接位置處，最大位移出現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一定的彎曲變形，但平臺的最大應力及應變均處于材料的許用范圍內，滿足系統的使用要求。

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平臺產生的應力及應變云圖，從圖中可以看出，在工況二時支護平臺的最大位移量為20.9 mm，最大應力值為633 MPa，此時平臺下端與固定件的連接位置處的應力超出了材料的屈服極限，存在一定的屈服危險。因此應針對連接處的結構進行一定的優化，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，對于平臺的連接結構要進行一定的優化，提高連接處的結構強度，從而保證連接的安全性。

3 結論

采用單軌吊裝承載結合快速支護平臺，可以實現對巷道掘進過程中的快速支護，減輕作業的強度，提高巷道支護的安全性。依據巷道的形式，結合單軌吊，設計了相應的開采掘進支護平臺，通過支護平臺實現頂板的支撐。采用ANSYS有限元分析軟件，對不同工況下的掘進支護平臺的靜態性能進行分析，結果表明，在不同的工況下，支護平臺的結構承受的最大應力位置均出現在平臺與下端結構件的連接處，在工況二時的最大應力超出了材料的屈服極限。在實際使用過程中，針對連接處的結構需要進行一定的優化，提高連接結構的強度，保證連接的安全性，使支護平臺能夠正常工作，提高巷道支護的效率。