礦井巷道快速掘進(jìn)臨時(shí)支護(hù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)改進(jìn)

王懷偉

（同煤集團(tuán)同家梁礦， 山西 大同 037025）

引言

煤炭的開(kāi)采過(guò)程主要分為圍巖掘進(jìn)和圍巖支護(hù)，兩者的工作過(guò)程占據(jù)了整個(gè)開(kāi)采作業(yè)大部分的工作時(shí)間，不僅要重視掘進(jìn)過(guò)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(shí)支護(hù)的工作過(guò)程?，F(xiàn)有的臨時(shí)支護(hù)自動(dòng)化程度較低，工作效率也偏低。提高臨時(shí)支護(hù)設(shè)備與掘進(jìn)設(shè)備相互配合的默契度是實(shí)現(xiàn)工作效率與安全生產(chǎn)密切協(xié)同的關(guān)鍵[1]。

1 礦井巷道快速掘進(jìn)塑性區(qū)分布規(guī)律

為了有針對(duì)性地設(shè)計(jì)出對(duì)于礦井圍巖的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，應(yīng)對(duì)礦井巷道在快速掘進(jìn)開(kāi)采作業(yè)過(guò)程中所受到的塑性變形區(qū)域進(jìn)行分析。巷道內(nèi)圍巖在受到鉆頭沖擊時(shí)會(huì)發(fā)生彈塑性變形，由于塑性變形是不可逆的過(guò)程，會(huì)形成安全隱患，根據(jù)巷道巖內(nèi)塑性變形區(qū)域的有效支護(hù)能夠降低發(fā)生安全事故的概率[2]。根據(jù)實(shí)際工況條件，建立起巷道受力模型，按照實(shí)際情況施加載荷作用力，通過(guò)ANSYS 仿真軟件提取相應(yīng)的圖片分析及數(shù)據(jù)分析資料，如圖1 所示。

由圖1 可知，其中沒(méi)有顏色的區(qū)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(fù)的狀態(tài)。有顏色部分淺色區(qū)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(xiǎn)的程度，深色區(qū)域代表圍巖在塑性變形的基礎(chǔ)上發(fā)生了松動(dòng)現(xiàn)象，是很危險(xiǎn)的區(qū)域，隨時(shí)有可能發(fā)生圍巖的坍塌并發(fā)生安全事故。此外還可以得出以下結(jié)論：

圖1 快速掘進(jìn)圍巖塑性區(qū)分布圖

1）塑性變形區(qū)域主要集中于圍巖的頂板，圍巖的兩幫和底板同樣也會(huì)發(fā)生塑性變形，但是受到影響的范圍更小。深色區(qū)域的塑性變形是被迫變形，有別于淺色區(qū)域的塑性變形，此處的圍巖是松動(dòng)狀態(tài)，繼續(xù)掘進(jìn)開(kāi)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?chē)苄詤^(qū)不斷擴(kuò)大。空頂距為0.8 m 時(shí)，巷道頂板和兩幫出現(xiàn)小范圍塑性區(qū)，此時(shí)圍巖處于塑性承載狀態(tài)。隨著空頂距離的不斷增大，巷道周?chē)苄詤^(qū)不斷擴(kuò)大，但圍巖都處于塑性承載狀態(tài)?？枕斁噙_(dá)到3.2 m 時(shí)，巷道頂板出現(xiàn)深色區(qū)域，即巷道頂板出現(xiàn)塑性松動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)空頂距離達(dá)到4 m 時(shí)，巷道兩幫也開(kāi)始出現(xiàn)深色區(qū)域，巷道頂板和兩幫圍巖都出現(xiàn)圍巖塑性松動(dòng)。隨著空頂距離的繼續(xù)變長(zhǎng)，巷道周?chē)鷩鷰r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(huì)出現(xiàn)塑性松動(dòng)狀態(tài)，塑性松動(dòng)區(qū)域不斷增加，最后趨于一定范圍。

2 臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)圖1 所示的變形結(jié)果，有針對(duì)性地根據(jù)快速掘進(jìn)巷道變形區(qū)域設(shè)計(jì)臨時(shí)支護(hù)的結(jié)構(gòu)形態(tài)，考慮懸臂式掘進(jìn)機(jī)在開(kāi)采煤炭物料時(shí)的中軸線運(yùn)動(dòng)方向，平行于懸臂式掘進(jìn)機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行布置臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)，并在圍巖的頂層進(jìn)行掛網(wǎng)，能夠保證懸臂式掘進(jìn)機(jī)在向后移動(dòng)過(guò)程中使錨桿鉆機(jī)同時(shí)在支護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行錨桿鉆孔作業(yè)。分擔(dān)懸臂式掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)采任務(wù)，保證掘進(jìn)機(jī)只需在中軸線方向進(jìn)行前進(jìn)或者是后退，切割煤炭和在頂層掛網(wǎng)是同時(shí)進(jìn)行的步驟，可以減小臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)作業(yè)時(shí)間[3]。此外，錨桿鉆機(jī)可以放置于臨時(shí)支架上面，減輕人工勞動(dòng)力。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，可將掘進(jìn)的鏟板設(shè)計(jì)成可以伸縮式的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，防止煤炭在運(yùn)輸過(guò)程中遺煤、漏煤，提高煤炭生產(chǎn)產(chǎn)量[4]。

2.2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過(guò)CAXA3D 設(shè)計(jì)軟件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化模塊，將結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于圍巖需要支撐加固的部位進(jìn)行標(biāo)注，根據(jù)圍巖的斷面形態(tài)進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，考慮錨桿打孔機(jī)器的錨桿之間的相互間距，設(shè)計(jì)如圖2 所示的臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)。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(gòu)件等組成。

圖2 臨時(shí)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

3 支架重要受力構(gòu)件有限元計(jì)算分析

根據(jù)臨時(shí)支架在圍巖內(nèi)受力結(jié)果分析可知，支架結(jié)構(gòu)關(guān)鍵的受力部件為橫梁、縱梁和立柱支撐，三個(gè)關(guān)鍵部件在各個(gè)方位抵御來(lái)自圍巖地層承載作用力，確保圍巖的穩(wěn)定性以及開(kāi)采過(guò)程的安全性。通過(guò)CAXA3D 設(shè)計(jì)軟件的數(shù)值分析模塊，對(duì)橫梁、縱梁和立柱支撐的應(yīng)力、應(yīng)變情況進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

3.1 橫梁受力分析

橫梁是搭在縱梁上的關(guān)鍵頂部承重部件。如圖3 所示，橫梁的最大應(yīng)力位于橫梁的兩端，最大應(yīng)力數(shù)值為258.1 MPa，應(yīng)力由端部向中間逐漸減小，并且應(yīng)力在整個(gè)橫梁的分布是不連續(xù)的，充分說(shuō)明了橫梁對(duì)于圍巖塑性變形區(qū)域?qū)?yīng)支撐性。此外，橫梁的應(yīng)變與應(yīng)力分布狀態(tài)保持一致，最大應(yīng)變發(fā)生的位置為橫梁的兩端，數(shù)值為0.001 6，應(yīng)變數(shù)據(jù)較小，說(shuō)明橫梁沒(méi)有發(fā)生塑性變形和斷裂的危險(xiǎn)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。縱梁與橫梁所受力的位置相反，縱梁的最大應(yīng)力及應(yīng)變分布區(qū)域位于縱梁的中部。如圖4 所示，最大應(yīng)力數(shù)值為108.59 MPa，最大應(yīng)變數(shù)值為0.000 7。通過(guò)與材料屬性進(jìn)行對(duì)比分析，其仿真計(jì)算結(jié)果滿足材料性能屬性的要求，不會(huì)發(fā)生彎曲和折斷?？v梁的中間部位與圍巖塑性變形最大區(qū)域進(jìn)行對(duì)應(yīng)，通過(guò)兩端支撐、中間受力的方式，直接對(duì)圍巖容易出現(xiàn)坍塌的部位進(jìn)行作用，保證圍巖的安全穩(wěn)定性。

圖3 臨時(shí)支架橫梁受力圖

圖4 臨時(shí)支架縱梁受力圖

3.3 支撐立柱受力分析

圖5 臨時(shí)支架支撐立柱受力圖

支撐立柱分布于臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)的四周，直接承載著上部傳遞下來(lái)的載荷作用力。如圖5 所示，越接近作用點(diǎn)的地方應(yīng)力及應(yīng)變的數(shù)值越大，在靠近圍巖底板的附近應(yīng)力與應(yīng)變數(shù)據(jù)逐漸變小，通過(guò)調(diào)取數(shù)據(jù)可知，最大應(yīng)力數(shù)值為126.32 MPa，最大應(yīng)變數(shù)0.000 8。最大受力狀態(tài)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(jié)語(yǔ)

目前在礦井快速掘井開(kāi)采過(guò)程中的臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)不能較好地與懸臂式掘進(jìn)機(jī)的開(kāi)采工藝相匹配，根據(jù)實(shí)際調(diào)研分析，建立起開(kāi)采模型圖并進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，得出開(kāi)采過(guò)程中圍巖塑性變形區(qū)域的分布規(guī)律。根據(jù)快速掘進(jìn)過(guò)程中圍巖塑性變形分布規(guī)律設(shè)計(jì)出新型的臨時(shí)支護(hù)設(shè)備結(jié)構(gòu)，使其有針對(duì)性地解決塑性變形所產(chǎn)生的安全隱患問(wèn)題。通過(guò)有限元分析技術(shù)對(duì)臨時(shí)支護(hù)支架結(jié)構(gòu)的縱梁、橫梁、支撐立柱的應(yīng)力應(yīng)變分布情況與數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果顯示與快速掘進(jìn)相匹配的臨時(shí)支護(hù)支架結(jié)構(gòu)能夠滿足懸臂式掘進(jìn)開(kāi)采機(jī)的工藝要求，為煤礦行業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)滿足快速掘進(jìn)開(kāi)采工藝相匹配的臨時(shí)支護(hù)支架結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。