煤矿开采掘进支护平台的设计及性能分析

张少府

（晋能控股煤业集团晋华宫矿，山西 大同 037016）

引言

在进行煤炭开采的过程中，巷道的支护是影响采掘效率的重要环节[1]。常用的临时支护方式工艺复杂，现场施工环节较多，使得支护的时间较长，影响了采煤掘进的效率，同时由于空顶的时间长，容易造成顶板的变形及脱落，不利于煤矿的安全生产[2]。快速有效的巷道支护设备对于提高采掘效率具有重要的作用，针对煤矿综采中单轨吊承载的形式，设计快速掘进支护平台，对提高掘进的综合机械化效率具有重要的意义。

1 快速支护平台的设计

单轨吊装支护平台的主要结构包括行进臂梁、行驶系统、工作平台、超前支护臂、及工作台提升臂等[3]。支护作业平台和单轨吊相互结合，单轨吊提供支护平台的悬挂和轨道运行，随着掘进工作面的延伸，实现综掘工作面的配套运输及支护装备的一体化。支护平台能够将工作人员快速送到指定的位置，完成对顶梁的安装，具有一定的支撑强度，能够进行一定的承载，可以沿支护臂上下运动，在巷道内完成前进行驶，平台宽度可以满足不同的工作环境要求，可以安装横向防护，保证作业人员的安全[4]。

支护作业平台主要由工作面、导轨、液压缸等组成，可以进行平台的伸缩，依据作业环境要求完成操作。依据巷道的工作面参数，选定作业平台的宽度为2.7 m，可进行伸展至4.5 m，长度为3 m，最大承载1 000 kg，由此进行支护平台的结构设计。

支护平台的主要结构如图1所示，将吊柜、支腿等置于工作平台上，通过预先铺设的吊柜穿过掘进机，通过摇臂将作业平台起升至相应高度，作业人员将吊柜放置在支撑梁上，支撑梁上升实现与吊轨的对接。相应地将掘进支护平台前移，继续铺设至工作面，作业人员将U型梁置于指定位置，提升至顶板固定，并安装支腿，完成支护作业。支护平台中设置有平衡梁，防止设备的摇摆，并设有工作台防护，防止巷道的岩层脱落[5]。

图1 支护作业平台的结构组成

2 快速支护平台的性能分析

采用ANSYS有限元分析的方式对支护作业平台进行静态分析，确定其强度及刚度能否满足载荷需求。对支护作业平台进行分析，主要分为前处理、分析计算和后处理三个步骤[6]。前处理是对平台的实体模型进行参数设定及约束设置等，首先对建立的平台模型进行一定的简化处理，包括简化一些细小的内部结构，对局部的结构特征忽略，保留反映其力学特征的主要结构，对非承载件进行简化处理。对得到的简化模型进行网格划分，采用自由网格的形式对平台结构进行网格划分，设定网格的尺寸为30 mm，得到平台的模型如图2所示。依据平台的作用状态，施加相应的竖直方向的载荷，设定平台的材质为Q550，施加三个方向的固定约束，由此进行平台的静态分析。

图2 支护平台的网格划分模型

在平台的不同工作状态下，施加的载荷作用位置不同，平台产生的应力应变不同，选取典型的工况一为载荷均布在平台的表面，工况二为施加平台的前1/3表面，对不同工况下的应力应变进行分析。

图3中所示为在工况一时支护平台产生的应力及应变云图，从图中可以看出，在工况一时支护平台的最大位移量为11.3 mm，最大应力值为350.8 MPa，最大应力的位置出现在平台与固定件的连接位置处，最大位移出现在平台的末端位置处。由此说明，在工况一时，平台的整体变化呈现一定的弯曲变形，但平台的最大应力及应变均处于材料的许用范围内，满足系统的使用要求。

图3 工况一时平台变化分析

图4 中所示为在工况二时支护平台产生的应力及应变云图，从图中可以看出，在工况二时支护平台的最大位移量为20.9 mm，最大应力值为633 MPa，此时平台下端与固定件的连接位置处的应力超出了材料的屈服极限，存在一定的屈服危险。因此应针对连接处的结构进行一定的优化，提高连接的强度，保证平台在不同工况下的使用安全。

图4 工况二时平台变化分析

在工况二时，支护平台的受力情况较为恶劣，在两种工况下，平台与下端固定件之间的连接位置均是承载最大的部位，并且在工况二时突破了材料的屈服极限，对于平台的连接结构要进行一定的优化，提高连接处的结构强度，从而保证连接的安全性。

3 结论

采用单轨吊装承载结合快速支护平台，可以实现对巷道掘进过程中的快速支护，减轻作业的强度，提高巷道支护的安全性。依据巷道的形式，结合单轨吊，设计了相应的开采掘进支护平台，通过支护平台实现顶板的支撑。采用ANSYS有限元分析软件，对不同工况下的掘进支护平台的静态性能进行分析，结果表明，在不同的工况下，支护平台的结构承受的最大应力位置均出现在平台与下端结构件的连接处，在工况二时的最大应力超出了材料的屈服极限。在实际使用过程中，针对连接处的结构需要进行一定的优化，提高连接结构的强度，保证连接的安全性，使支护平台能够正常工作，提高巷道支护的效率。