李永刚

（晋能控股煤业集团郑庄煤矿，山西 晋城 048202）

引言

经统计可知，煤矿巷道掘进工作面的三班工作中，其中一班主要任务是对巷道进行掘进，另外两班的主要任务是对巷道进行支护。因此，巷道的支护占据了2/3的工时，故可通过提高巷道的支护效率提升其掘进效率。巷道的支护分为临时支护和永久支护，临时支护作为巷道永久支护之前的暂时支护，其是保证工作面后续安全生产的基础[1]。本文将以临时支护为例为提升其支护效果、效率对当前应用的临时支护设备进行优化设计。

1 临时支护设备的概述

1.1 临时支护设备工作原理

图1 拱形临时支护设备侧面结构图

本文所研究的临时支护设备主要应用于拱形巷道中，其主要任务是对已掘进巷道进行临时支护，并且随着工作面的推进，临时支护设备也在交替推进[2]。本文所研究的拱形临时支护设备的结构如图1所示，拱形临时支护设备主要由6个分部件组成。当掘进机对巷道掘进完成后向前推进后，拱形临时支护设备对裸露的顶板进行临时支护。具体支护操作如下：立柱根据巷道的高度升至设定位置后，铺网装置会在顶梁和顶板之间通过锚杆钻机将金属网固定于顶板上，以起到其承载的作用；金属网铺设完成后，立柱下降至可移动的高度，在推移装置的作用下对下一个掘进好的巷道进行支护[3]。拱形临时支护设备立柱、推移装置以及防倒装置的动力源为工作面的乳化液泵站或掘进机的液压系统。

1.2 临时支护设备主要结构研究及支护参数设计

临时支护设备主要用于对掘进的迎头支护，为后续顶板和顶梁之间铺设金属网提供一个安全的工作场所。因此，临时支护设备在设计初期需充分保证其初撑力、配套性、支护能力等基础性能；此外，临时支护设备的宽度需结合巷道实际宽度，并在两段为作业人员预留足够的空间通行。

顶梁作为临时支护设备的直接承载部件，确保现场人员及设备安全的关键，基于顶梁为向顶板中打入锚杆和锚网以形成后续的永久支护提供场所，从而实现了临时支护和永久支护的同步进行，极大地提升了掘进巷道的支护效率。

底座作为临时支护设备与底板相接触的部件，本文所研究拱形临时支护设备的底座是采用厚度为20 mm的钢板焊接而成的，其与立柱通过球面柱窝式连接，保证设备安全、稳定的基础。顶梁和底座的三维结构模型如图2所示。

图2 临时支护设备顶梁与底座结构模型

结合郑庄煤矿掘进巷道的地质条件和实际情况，为保证临时支护设备具有足够的承载力，其对应临时支护设备所选型的立柱为单体液压支柱，具体型号为DW18-300/100X[4]。在结合巷道岩层断面形状及地质条件的基础上为其配置永久支护锚杆参数如下：锚杆直径为16 mm，锚杆长度为1.8 m，锚杆间距为1 m，锚杆排间距为1 m。

2 临时支护设备顶梁的数值模拟分析

临时支护设备顶梁为其直接承载部件，其应力及应变状态将直接影响设备的临时支护效果和最终永久支护措施的实施。因此，本节对临时支护设备顶梁进行有限元分析，研究其结构中是否存在应力集中或变形过大的情况，为后续的优化设计奠定基础。结合郑庄煤矿当前应用于掘进工作面的拱形临时支护设备的参数在WorkBench软件中建立三维模型，并将所搭建的模型导入ANSYS软件中。该拱形临时支护设备采用9号矿用工字钢16Mn加工而成，其材料属性如表1所示。

表1 顶梁16Mn材料关键属性

根据表1，在ANSYS软件中对已搭建的模型参数进行设置。结合对巷道岩层顶板来压测量结果，在ANSYS模型上方所施加对应的载荷，载荷具体值为413 kN，要求载荷均匀施加于顶梁上方。鉴于篇幅原因，此处不将顶梁有限元仿真的应力和应变结果一一列出，仅对仿真结果进行分析：

1）分析有限元仿真的应变云图可知，顶梁的最大应变位置位于其弧顶位置，其具体变形量为1.8 mm；

2）分析有限元仿真的应力云图可知，顶梁最大应力位于支撑板与工字钢相接触的位置，且最大应力为108 MPa，16Mn材料的最大应力为192 MPa。

综合分析可得：在顶梁与支撑板相接触的位置存在应力集中现象，存在一定的安全隐患；而且，顶梁弧顶的变形在合理范围之内。因此，本文着重对支撑板与工字钢连接位置进行优化。

此外，基于ANSYS WrokBench软件对顶梁进行预应力模态分析，在上述仿真条件的基础上得出顶梁的第一阶频率为26.292 Hz。根据模态仿真结构可指导临时支护设备顶梁的共振频率避开掘进机的工作振动频率，以避免支护设备和掘进机产生共振，影响工作面的安全性。

3 临时支护设备的优化

根据上述对临时支护设备有限元和模态预应力仿真结果对顶梁进行优化设计。本次优化目的是在保证顶梁足够支护强度的基础上，解决工字钢与支撑板连接位置处的应力集中现象，并使得顶梁的质量达到最小。对应的优化思路为：适当地对弯曲工字钢的数量和支撑板的宽度进行调整，以达到如上优化目的[5]。

设定顶梁弯曲工字钢的初始数量为6个，纵向工字钢的数量为5个，弯曲和纵向工字钢的间距均为400 mm。本着临时支护设备顶梁在保证支护强度的基础上将其质量控制在最小，即将顶梁的重量、最大应力值和最大变形量设为目标变量。其中，顶梁弯曲工字钢数量的取值范围为4～6，纵向工字钢数量的取值范围为5～6。

经仿真分析可知，当纵向工字钢数量一定时，顶梁应变随着弯曲工字钢的增加而减少；当弯曲工字钢数量一定时，顶梁应力值随着纵向工字钢的增加而降低。因此，综合分析当弯曲工字钢的数量为5根，纵向工字钢的数量为4根时，可以满足对岩巷的临时支护要求，且质量也最小，优化后前后顶梁的有限元仿真结果对比如表2所示。

表2 顶梁优化前后应力、应变及质量对比

如表2所示，对顶梁结构进行优化后，其最大应力值增大，但小于其材料的许用应力192 MPa，且在工字钢与支撑板连接处的应力分布均匀；顶梁质量降低约为117 kg；但是，顶梁弧顶处的变形较优化前增加0.5 mm，可忽略不计。

4 结语

巷道掘进过程中有66%的时间消耗在对其支护操作；仅有33%用于正常掘进操作。为进一步提升巷道掘进速度和成型质量，可从提升掘进巷道的支护速度和质量着手改进。对拱形掘进巷道的临时支护设备进行优化设计，可在保证其基础支护功能的基础上，消除其应力集中现象，降低其整体质量，从而直接提升其支护速度和支护质量。