快速掘进自移式临时支架的支护性能与液压特性分析

刘文强

（内蒙古利民煤焦有限责任公司，鄂尔多斯 017000）

巷道是采煤工作面通风、煤炭运输等的主要通道，巷道掘进效率直接影响采矿效率[1-4]。针对巷道掘进过程中迎头顶板冒落风险较大、围岩体破碎等问题，对现有的临时支护设备进行改造。目前，我国综掘巷道支护方式主要采用前探梁、带帽点柱临时支护、机载临时支架支护以及自移式迈步支架支护[5-7]。现有的临时支护装备在工作时均采用硬顶的支撑方式，存在容易造成顶板破碎，对巷道断面适应性不强的缺点，一定程度上影响了掘进速度[8-11]。刚柔耦合支护方式可以很好地适应顶板，使支架支护的面积达到最大，保证最佳的支护效果[12]。徐亚军等人根据超前支架自适应支护理论和液压传动与控制原理，构建采场围岩与液压立柱的力学模型，大幅提升了临时支架的适应能力[13]。杜启军等人运用FLAC 3D 模拟软件，研究不同掘进进尺时巷道围岩应力场、位移场分布特征以及大断面煤巷快速掘进的影响因素[14]。卢进南等人利用MATLAB 软件建立模拟动力扰动下超前支架系统的仿真模型，仿真振动系统得出系统动态响应[15]。基于以上专家学者的研究，笔者设计了强度高、缓冲吸能性能好的新型刚柔耦合临时支护支架。以内蒙古乌海某煤矿掘进巷道为应用背景，研究自移式临时支架在巷道载荷作用下的位移和应力，以及液压支架工作时立柱的位移和流量变化。结果显示，提出的自移式临时支架能够实现临时支护过程的快速、平衡、稳定，实现煤巷掘进过程中对顶板的快速有效支护。

1 临时支架结构

临时支架结构如图1 所示，主要包括顶梁、支撑座、防倒挡板以及推移液压缸。顶梁由4 条横梁和10条纵梁交互连接而成，是对顶板进行支撑、承受顶板压力以及确保顶板不会下沉的主要结构，也是液压支架进行承载的主要部件。横梁与支架支撑腿组成一个矩形结构，在左右支架上安装支撑油缸，通过伸缩支撑油缸适应顶底板的变化。防倒挡板安装于支架底部，提升支架的稳定性。

2 自移式液压支架支护特性分析

2.1 巷道仿真分析

以内蒙古乌海某煤矿工作面为例，设置无支护条件下掘进巷道地质条件的模型参数。将煤田地质模型建立为20 m×60 m×60 m（长×宽×高），矩形巷道的宽为5.5 m、高为4.0 m，如图2 所示。根据模型的几何尺寸划分计算网格，模型主要考察掘进工作面配合临时支架的围岩变形位移和应力分布状况。模型的网格单元采用不等分划分，其中重点研究区域（巷道周边附近）的网格划分较密。

图2 掘进巷道模型与边界条件

保持模型主应力方向与模型的3 个坐标轴相同，模型初始速度和位移均为0。模拟各岩体的自重，分析开挖后巷道围岩的支护效果。位移边界为模型的四边，固定垂直位移，将底部设置为位移边界，计算模型4 个面所受到的应力。模型上部施加载荷为27.3 MPa，按照水平向侧压力系数为1.5，水平侧压力载荷为40.5 MPa。研究矿区所在地区的地质组成中以砂岩为主，其地质条件参数弹性模量、密度、泊松比和抗压强度分别为17.1 GPa、2 650 kg·m-3、0.38、72.4 MPa。

无支护条件垂直方向位移与应力分布云图和无支护巷道开挖后主应力分布云图，如图3 所示。通过图3（a）可以发现，巷道顶板与底板在开挖时中部位移量较大，其他位置的位移量逐渐减小。图3（b）为巷道垂直方向的应力云图，巷道顶板与底板存在较大应力区域，巷道角区也存在应力集中区域，而应力集中容易造成巷道失稳。由图3（b）和图3（c）可知，在巷道开挖后，矩形巷道的左右两侧及矩形角位置出现了强应力集中区，而巷道侧帮部位很大范围内则出现了卸荷松弛现象。

图3 巷道垂直方向应力云图和无支护巷道开挖后主应力分布云图

2.2 临时支架受力分析

将从模拟分析中获得的稳定顶板的载荷导入ANSYS，并应用于临时支架模型进行静态支架应力分析。将模型导入ANSYS 软件进行网格划分，因为其形状较为规整，所以直接采用默认形式划分网格，将液压腿底部设置为固定约束。支架模型采用Q890 材料，密度为7 850 kg·m-3，仿真时间为1 s，泊松比为0.3，在支架模型纵梁上表面施加垂直载荷。临时支架受巷道位移和压力应力云图，如图4 和图5 所示。在垂直载荷作用下，临时支架在竖直方向的最大位移为6.6 mm，最大应力为96.9 MPa。最大应力点位于液压支架顶梁区域，且最大应力小于材料的许用应力值。数值模拟证明，临时支架强度符合可靠性要求，能够承受巷道压力并保障巷道的稳定。

图4 临时支架受巷道位移

图5 临时支架受巷道压力应力云图

3 临时支架液压系统设计

利用机械库、液压元件设计（Hydraulic Component Design，HCD）库和信号与元件库等，仿照支撑机构液压原理图，建立临时支架左右两个液压立柱仿真模型，如图6 和图7 所示。仿真模型主要由负载敏感泵、可调节流阀以及双液压锁等部分组成，并根据FLAC 3D 和ANSYS 软件分析的数据进行仿真，结果如图8所示。

图6 支护架液压原理图

图7 支护架液压立柱仿真模型

图8 支撑阶段液压立柱仿真曲线

分析图8 结果可知，液压立柱在模拟负载变化下，左右两侧的位移和流量变化趋于一致，说明左右两侧的液压立柱同步性较好。左右两侧液压立柱位移随时间不断增加，直到达到液压缸的最大行程，期间出现了微小偏差，但在误差允许范围内。流量在开始阶段发生短暂波动，然后稳定增加，并在2.7 s 达到最大值37 L·min-1，结果与液压立柱预计一致，满足液压立柱同步支撑的要求。

4 结论

（1）利用FLAC 3D 和ANSYS 软件对自移式临时支架的强度和变形进行分析，结果表明：临时支架在载荷的作用下竖直方向的最大位移为6.6 mm，最大应力为96.9 MPa，小于材料的许用应力值，符合矿山安全规范值，保障了煤矿挖掘的安全。

（2）结合FLAC 3D 和ANSYS 分析的数据，利用AMESim 软件对自移式临时支架两侧的液压立柱位移和流量进行分析，结果表明：左右两侧液压立柱的位移随时间同时增加直到最大行程；流量在初始阶段有短暂波动，2.7 s 后两侧几乎同时达到设定的最大值37 L·min-1。可见，左右两侧的液压立柱同步性较好，满足同步支撑的要求。