深部综掘巷道超前支架设计与支护性能分析

　第４６卷第１２期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４６　Ｎｏ􀆰１２　　２０１８年１２月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｄｅｃ.２０１８　深部综掘巷道超前支架设计与支护性能分析薛光辉ꎬ管　健ꎬ程继杰ꎬ张　昊ꎬ纪伟亮ꎬ景新平ꎬ吴　淼(中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院ꎬ北京　１０００８３)摘　要:针对综掘工作面环境恶劣ꎬ掘支锚时间比例严重失调现状ꎬ提出了一种新型综掘巷道超前支护机组ꎬ具有超前支护、多工位并行作业的特点ꎮ介绍了该支护机组的结构组成和工作原理ꎬ重点讨论了该支护机组的关键装备超前支架的结构和力学模型ꎮ以旗山矿地质条件为例利用ＦＬＡＣ３Ｄ软件ꎬ基于围岩—超前支架力学耦合模型仿真计算得到超前支架的载荷ꎬ导入Ａｎｓｙｓ软件并计算得到支架整体和各零件的应力云图、位移云图ꎬ分析了支架的应力和应变情况ꎮ仿真结果表明:支架的最大位移为８ｍｍꎬ与支架整体尺寸相比可以忽略ꎬ最大应力为７３７.８４ＭＰａꎬ小于材料的屈服强度８９０ＭＰａꎬ故所设计的支架能够承受该矿围岩的压力ꎬ支架的薄弱环节为顶梁、伸缩梁和护帮板ꎬ在后续的工程设计时应予以重视ꎮ此方法可实现掘支锚平行作业ꎬ巷道的快速掘进和安全生产ꎬ可为综掘巷道超前支护提供新的思路ꎮ关键词:综掘巷道ꎻ超前支护机组ꎻ超前支架ꎻ支架设计中图分类号:ＴＤ３５３　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１８)１２－００１５－０６Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｄｅｅｐｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｈｅａｄｉｎｇｒｏａｄｗａｙａｎｄｉｔｓｓｕｐｐｏｒｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓＸＵＥＧｕａｎｇｈｕｉꎬＧＵＡＮＪｉａｎꎬＣＨＥＮＧＪｉｊｉｅꎬＺＨＡＮＧＨａｏꎬＪＩＷｅｉｌｉａｎｇꎬＪＩＮＧＸｉｎｐｉｎｇꎬＷＵＭｉａｏ(ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌꎬＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ(Ｂｅｉｊｉｎｇ)ꎬＢｅｉｊｉｎｇ　１０００８３ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｓｉｔｕａｔｉｏｎｔｈａｔｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｏｆｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｓｉｓｂａｄａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｒａｔｉｏｓｏｆｅｘｃａｖａｔｉｎｇꎬｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇａｎｄａｎｃｈｏｒｉｎｇａｒｅｓｅｒｉｏｕｓｌｙｏｕｔｏｆｂａｌａｎｃｅꎬａｎｅｗｔｙｐｅｏｆａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｕｎｉｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄꎬｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆａｄｖａｎｃｅｄｓｕｐｐｏｒｔａｎｄｍｕｌｔｉｓｔａｇｅｐａｒａｌｌｅｌｏｐｅｒａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｕｎｉｔａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ.Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｋｅｙｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｕｎｉｔａｒｅｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄ.ＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇＱｉｓｈａｎｃｏｌｌｉｅｒｙｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓꎬｔｈｅｌｏａｄｏｆａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄｔｈｒｏｕｇｈｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈＦＬＡＣ３Ｄｓｏｆｔｗａｒｅｂａｓｅｄｏｎｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋ－ｓｕｐｐｏｒｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌꎬａｎｄｔｈｅｎｉｍｐｏｒｔｅｄｉｎ￣ｔｏｔｈｅＡｎｓｙｓｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｏｆｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍａｎｄｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｏｎｔｏｕｒｓａｓａｗｈｏｌｅａｎｄｔｈｅｐａｒｔｓｂｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｏａｎａ￣ｌｙｚｅｔｈｅｓｔｒｅｓｓａｎｄｓｔｒａｉｎｏｆａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔ.Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｉｓ８ｍｍꎬｗｈｉｃｈｉｓｎｅｇ￣ｌｉｇｉｂｌｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｏｖｅｒａｌｌｓｉｚｅｏｆｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔ.Ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｔｒｅｓｓｉｓ７９０ＭＰａꎬｗｈｉｃｈｉｓｌｅｓｓｔｈａｎｔｈｅｙｉｅｌｄｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｔｈｅｍａｔｅｒｉａｌｉｓ８９０ＭＰａ.ＴｈｅｒｅｆｏｒｅꎬｔｈｅｓｕｐｐｏｒｔｃａｎｗｉｔｈｓｔａｎｄｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｏｆｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇｒｏｃｋｏｆＱｉｓｈａｎＣｏａｌＭｉｎｅ.Ｔｈｅｗｅａｋｐａｒｔｓａｒｅｔｏｐｂｅａｍꎬｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃｇｉｒｄｅｒａｎｄｓｉｄｅ－ｇｕａｒｄｂｏａｒｄ.Ｉｎｔｈｅｓｕｂｓｅｑｕｅｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｈｏｕｌｄａｔｔａｃｈｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｔｏｉｔ.Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｃａｎｒｅａｌｉｚｅｔｈｅｐａｒａｌｌｅｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｃａｖａｔｉｎｇꎬｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇａｎｄａｎｃｈｏｒｉｎｇꎬａｎｄｔｈｅｒａｐｉｄｅｘｃａｖａｔｉｏｎａｎｄｓａｆｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｈｅａｄｉｎｇｆａｃｅｓ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｈｅａｄｉｎｇｒｏａｄｗａｙꎻａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｕｎｉｔꎻａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔꎻｓｕｐｐｏｒｔｄｅｓｉｇｎ收稿日期:２０１８－０８－０２ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１８􀆰１２􀆰００３基金项目:国家重点基础研究计划(９７３计划)资助项目(２０１４ＣＢ０４６３０６)ꎻ中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(２００９ＱＪ１６)作者简介:薛光辉(１９７７—)ꎬ男ꎬ河南汝州人ꎬ副教授ꎬ博士ꎮＥ－ｍａｉｌ:[e-mail]引用格式:薛光辉ꎬ管　健ꎬ程继杰ꎬ等􀆰深部综掘巷道超前支架设计与支护性能分析[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１８ꎬ４６(１２):１５－２０􀆰ＸＵＥＧｕａｎｇｈｕｉꎬＧＵＡＮＪｉａｎꎬＣＨＥＮＧＪｉｊｉｅꎬｅｔａｌ􀆰Ｄｅｓｉｇｎｏｆａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｄｅｅｐｆｕｌｌｙ－ｍｅｃｈａｎｉｚｅｄｈｅａｄｉｎｇｒｏａｄｗａｙａｎｄｉｔｓｓｕｐｐｏｒｔｐｅｒｆｏｒｍ￣ａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓ[Ｊ]􀆰ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１８ꎬ４６(１２):１５－２０􀆰０　引　　言煤炭是我国的主要能源ꎬ占我国能源消费份额的６０％以上[１]ꎮ采煤和掘进是最危险的生产环节ꎬ综掘工作面更煤矿的事故多发区[２]ꎬ瓦斯、水、粉尘等威胁着工人的生命安全ꎬ环境十分恶劣[３－４]ꎮ随５１２０１８年第１２期煤炭科学技术第４６卷着煤矿开采深度不断增加ꎬ开采难度不断增大ꎬ深部开采问题越来越严峻[５－６]ꎬ特别是深部煤层的地应力较大、矿压显现强烈[７－１０]ꎬ掘进速度慢ꎬ支护难度大等ꎮ最突出的问题就是支护速度慢ꎬ掘进、支锚时间比例严重失调ꎬ严重影响巷道掘进速度[１１－１４]ꎮ因此ꎬ急需研制综掘巷道超前支护设备并实现机器人化作业[１５－１７]ꎬ在保障工作面安全的情况下ꎬ实现掘、支、锚平行作业ꎬ提高掘进效率ꎮ近几年ꎬ许多学者在综掘巷道超前支护方面开展了大量研究ꎮ卢进南等[１８]建立了超前支架全支撑态的振动力学模型ꎬ开展了振动试验ꎮ栾丽君等[１９－２０]模拟仿真了研究自移式超前支架的立柱油缸的稳定性与强度ꎬ并分析了顶梁与支架主梁受力和变形情况ꎮ谢苗等[２１－２２]为提高巷道超前支架迈步前移过程的稳定性和安全性ꎬ建立一种基于液压油液体积平均释放原则的迈步稳定控制方法ꎬ建立缩比为１︰８的相似试验模型样机ꎬ并建立了模拟巷道顶板的试验平台和测量基准框架ꎬ对超前支架和顶板耦合系统进行力学试验ꎮ杨东辉等[２３]针对目前机掘巷道临时支护方式存在支护不及时、强度低及费工费时等问题ꎬ开发研制出一套新型迈步自移式超前临时支架ꎮ姚利花等[２４]针对机掘巷道临时支护存在支护时间长、质量差、强度低等弊端ꎬ设计研发出一套自移式临时支护装置ꎬ并进行了力学分析数值模拟和现场试验ꎮ笔者提出了一种新型综掘巷道新型超前支护设备ꎬ具有高度和宽度可伸缩调整、适应不同巷道截面尺寸等功能ꎬ并利用特殊结构处理的伸缩梁与顶梁ꎬ使得支架在展开时能够与顶板良好接触ꎮ同时论述了该装备的关键组成部分ꎬ即超前支架的结构及工作原理ꎬ并进行了应力分析ꎬ分析的结果为综掘巷道超前支护提供了技术支撑ꎮ１　深部综掘巷道超前支护机组１.１　机组结构深部综掘巷道超前支护机组是由一系列的超前支架组成ꎬ如图１所示ꎮ机组在工作时沿巷道掘进方向排开ꎬ掘进机在机组下方工作ꎬ机组提供一段超前支护区域ꎬ同时两帮可以在超前支护时安装锚杆ꎮ１.２　机组工作原理超前支护机组的工作状态如下:１)整个机组处于初始临时支护的状态ꎬ超前支护机组中所有支架都处于展开状态ꎮ图１　超前支护机组Ｆｉｇ.１　Ａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔｕｎｉｔ２)在机组支护情况下ꎬ由钻锚机器人在多个工位进行基础锚杆支护作业ꎮ３)当需要支架前移时ꎬ支架立柱油缸、护帮油缸卸压ꎬ油缸收缩ꎬ支架立柱收缩ꎬ完成支架的降架过程ꎬ顶梁油缸、护帮油缸卸压ꎬ伸缩梁向内收缩ꎬ完成支架的收缩过程ꎮ４)支架通过支架搬运车前移ꎬ钻锚机器人在支架原来的位置补打锚杆(索)以完成永久支护作业ꎮ５)支架被搬运到掘进工作面合适位置后ꎬ顶梁油缸、护帮油缸加压ꎬ油缸伸出ꎬ伸缩梁伸出ꎬ直至护帮板与两帮接触ꎬ完成支架的伸展动作ꎬ立柱油缸、护帮油缸加压ꎬ支架立柱升起ꎬ直至顶梁与顶板接触ꎬ完成支架的升架动作ꎬ支架支撑后在两帮位置打锚杆ꎮ２　综掘巷道超前支架及力学模型２.１　超前支架结构超前支架由顶梁、伸缩梁、护帮板、底座、护帮千斤顶、顶梁千斤顶和立柱等组成ꎮ顶梁与伸缩梁通过顶梁千斤顶铰接连接ꎬ顶梁与护帮板通过护帮千斤铰接连接ꎬ立柱与伸缩梁通过球副连接ꎬ立柱与底座通过铰接连接ꎬ护帮板与底座通过销钉连接ꎮ超前支架结构如图２所示ꎮ１—护帮千斤顶ꎻ２—顶梁千斤顶ꎻ３—顶梁ꎻ４—伸缩梁ꎻ５—立柱ꎻ６—护帮板ꎻ７—底座图２　超前支架结构Ｆｉｇ.２　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｆｏｒａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔ６１薛光辉等:深部综掘巷道超前支架设计与支护性能分析２０１８年第１２期２.２　力学模型假设巷道顶板、底板和两帮受力为均布载荷ꎬ力学模型如图３所示ꎮＨ—支架高度ꎻＬ—支架宽度ꎻＦ１—顶板对支架的压力ꎻＦ２—底板对支架的压力ꎻＦ３—两帮对支架的压力ꎻＦ４—护帮油缸受到的压力ꎻＦ５—支撑立柱受到的压力ꎻＦ６—支架底座水平摩擦力ꎻｍ—支架质量ꎻｇ—重力加速度图３　超前支架力学模型Ｆｉｇ.３　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔ若支架在此情况下受力平衡ꎬ由竖直方向受力平衡可得:Ｆ１＋ｍｇ＝２Ｆ２(１)通过受力分析可知顶梁受力较为复杂ꎬ故将顶梁沿竖直方向上的受力分析列出ꎮ∑Ｆ１＝２Ｆ４ｃｏｓα＋２Ｆ５(２)其中ꎬα为护帮千斤顶与顶梁两者的角度ꎮ从力学模型可知ꎬ支架的顶梁是整个支架受力最复杂的部分ꎬ护帮板与护帮千斤顶的接触部分ꎬ伸缩梁与护帮千斤顶的接触部分受力较为复杂ꎬ通过应力分析进一步确定支架的薄弱环节ꎮ３　综掘巷道支架应力分析３.１　支架整体应力分析根据超前支架的结构ꎬ简化建立了其三维实体模型ꎬ如图４所示ꎮ图４　超前支架三维实体模型Ｆｉｇ.４　３Ｄｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｆｏｒａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔ选取支架材料为Ｑ８９０钢ꎬ屈服强度为８９０ＭＰａꎻ弹性模量Ｅ＝２１０ＧＰａꎻ摩擦因数μ＝０.３ꎻ密度ρ＝７８５０ｋｇ/ｍ３ꎻ使用自动划分网格功能ꎬ细化网格ꎬ调整网格的相关性和关联程度为４０ꎬ网格的平滑选用Ｌｏｗꎬ网格的过渡选用Ｆａｓｔꎮ共划分１２５９０７个网格ꎮ网格划分后的有限元模型如图５所示ꎮ图５　超前支架整体有限元模型Ｆｉｇ.５　Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆａｄｖａｎｃｅｓｕｐｐｏｒｔ为获得支架工作时的载荷ꎬ以旗山矿为例建立了其煤田地质模型及超前支架模