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40现代制造技术与装备快速掘进自移式临时支架的支护性能与液压特性分析2023年第8 期总第3 2 1期刘文强（内蒙古利民煤焦有限责任公司，鄂尔多斯0 17 0 0 0）摘要：针对煤矿快速掘进系统设计了一种液压自移式临时支架，扩大了临时支架的最大支护面积。通过岩土分析软件FLAC3D构建掘进巷道模型，基于ANSYS对临时支架支护性能进行数值仿真分析，发现临时支护支架在巷道载荷的作用下，竖直方向最大位移为6.6 mm，最大应力为9 6.9 MPa，小于材料的许用应力值。将巷道与临时支架相互作用载荷作为液压系统负载，基于AMESim对临时支架进行液压特性研究。仿真结果表明，临时支架左右两侧液压立柱的位移和流量变化趋于一致，满足液压立柱同步支撑的要求。系统性研究了支护性能与液压特性，验证了该临时支架应用在快速掘进工作中的可行性与先进性。关键词：临时支架；支护性能；受力分析；液压特性Analysis of Supporting Performance and Hydraulic Characteristics of Self-movingTemporary Support for Fast DrivingLIU Wenqiang(Inner Mongolia Limin Coal Coke Co.,Ltd.,Ordos 017000)Abstract:A hydraulic self-moving temporary support was designed for the rapid driving system of coal mine,which improvedthe maximum supporting area of the temporary support.The excavation roadway model was constructed by geotechnical analysissoftware FLAC 3D,and the supporting performance of temporary support was numerically simulated based on ANSYS.Thestudy found that the maximum vertical displacement of temporary support under the action of roadway load was 6.6 mm,and themaximum stress was 96.9 MPa,which was less than the allowable stress value of materials.The interaction load between roadwayand temporary support is taken as the hydraulic system load,and the hydraulic characteristics ofthe temporary support are studiedbased on AMESim.The simulation results show that the displacement and flow of the hydraulic column on the left and right sidesof the temporary support tend to be consistent,which meets the requirements of synchronous support of the hydraulic column.Inthis paper,the support performance and hydraulic characteristics are studied systematically,and the feasibility and advancementof the temporary support in the rapid excavation work are verified.Keywords:temporary support;supporting performance;force analysis;hydraulic characteristics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 8-1。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FLAC3D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，也是液压支架设计与研究进行承载的主要部件。横梁与支架支撑腿组成一个矩析开挖后巷道围岩的支护效果。位移边界为模型的四边，形结构，在左右支架上安装支撑油缸，通过伸缩支撑固定垂直位移，将底部设置为位移边界，计算模型4个油缸适应顶底板的变化。防倒挡板安装于支架底部，面所受到的应力。模型上部施加载荷为2 7.3 MPa，按照提升支架的稳定性。水平向侧压力系数为1.5，水平侧压力载荷为40.5MPa。1241345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 6 50 k g m3、0.3 8、7 2.4 MP a。4m1.支撑液压缸；2.顶梁；3.推移液压缸；4.防倒挡板；5.顶梁支撑座。图1临时支架结构2自移式液压支架支护特性分析2.1老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2 0 mX60mX60m（长宽高），矩形巷道的宽为5.5m、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。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3.178 0 1043.00001042.5000X1042.00001041.500010-41.0000X10-45.00001050.000010-5.000010s-1.000010-4-1.500010-42.000010-42.500010-43.000010-43.338 710-4（a）位移云图（单位：m）60 m5.5m60m图2掘进巷道模型与边界条件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。位移值（b）巷道垂直方向应力云图（单位：Pa）垂直方向应力2.2782104-1.0000105-2.0000105-3.0000.1054.0000.105-5.0008105-6.0000X105-7.0000105-8.000.0105-9.0000105-1.000010%-1.100.0.106-1.2008106-1.300010%-1.4000.106-1.5000100-1.6000106-1.7000X106-1.8000X.106-1.9000106-1.925910642现代制造技术与装备2023年第8 期总第3 2 1期最大主应力7.9005X1040.000.010-1.000 0105-2.000 010%-3.000 010s-4.000 0 X 105-5.0000105-6.000 0105-7.000 0X 105-8.000 0X1059.0000105-1.000010-1.100 0106-1.109 4 X 106（c）巷道开挖后最大主应力（单位：Pa）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 8 50 kgm，仿真时间为1s，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6.6mm，最大应力为9 6.9 MPa。最大应力点位于液A:Static StructuralTotal DeformationType:Total DeformationUnit:mTime:1 s2023/3/517:290.00658740Max0.005855500.005123.500.004 391 600.003659.700.002.927700.002 195 800.001 463 900.000 731930.00000000Min最小主应力-2.8677X10s3.0000X1054.0000105-5.0000105-6.0000105-7.0000105-8.0000105-9.0000105-1.0000100-1.100010%-1.200010%-1.3000106-1.400010%-1.500010%-1.6000106-1.7000106-1.8000X106-1.9000106-2.0000106-2.0176106（d）巷道开挖后最小主应力（单位：Pa）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。3临时支架液压系统设计利用机械库、液压元件设计（HydraulicComponentDesign，H CD）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FLAC3D和ANSYS软件分析的数据进行仿真，结果如图8所示。MaxMin0.000图4临时支架受巷道位移2.5001.2505.000(m)3.75043设计与研究A:Static StructuralEquivalent StressType:Equivalent(von-Mises)StressUnit:PaTime:1 s2023/3/517:309.6919X10Max7.51076.333 31075.166710741072.83331071.666 71075X1062.510610.836 MinMaxMin0.000图5临时支架受巷道压力应力云图a1.4支护压立排架液压缸dcd多路阀a6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3 7 Lmin，结果与液压立柱预计一致，满足液压立柱同步支撑的要求。2.5001.250一左侧液压立柱右侧液压立柱1.2-1.0efghgh1图6 支护架液压原理图图7 支护架液压立柱仿真模型5.000(m)3.750klkl0.8-三移0.6-位0.40.2-0.00403530-252015-105002左侧液压立柱-右侧液压立柱24(b）流量曲线图8支撑阶段液压立柱仿真曲线4时间/s(a）位移曲线8时间/s（下转第58 页）6810101212584结论根据水压试验验证结果，GIS铸造壳体的有限元分析设计具有可行性。（1）对GIS铸造壳体进行有限元分析得到壳体的应力分布云图，可知壳体的应力集中在结构不连续区域。（2）G I S铸造壳体的设计中，对于结构不连续区域需考虑一次应力和二次应力的影响，一般不考虑峰值应力。可建立分析路径进行线性化处理，对应力集中部位进行强度评定。参考文献1张猛，陈丽芬.高压开关设备中铝合金铸造工艺发展综现代制造技术与装备述 J.高压电器，2 0 11（4）：7 5-8 3.2方小汉，吴双，周芳，等.高压开关中铸造铝壳体破坏压力的计算 J.高压电器，2 0 10（8）：6 6-6 9.3中华人民共和国机械工业工业部.钢制压力容器分析设计标准：JB4732一19 9 5 S.北京：中国机械工业出版社，19 9 5.4桑如苞.壳体局部弯曲应力的分类及其一次结构法 .压力容器，2 0 0 1（2）：2 3-2 9.5史春玲.基于有限元分析共箱隔离开关壳体设计 .铸造技术，2 0 2 0（12）：115 3-115 5.6高忠大.高压容器平盖区域有限元应力分析 D.石家庄：河北科技大学，2 0 11.2023年第8 期总第3 2 1期+一+（上接第43 页）4结论（1）利用FLAC3D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9 6.9 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FLAC3D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3 7 Lmin。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。1赵柏竣.掘进巷道临时支护设备改造研究 J.机械管理开发，2 0 2 2（6）：17 3-17 4.2李凡.煤矿井下综掘工作面临时支护技术改造及应用 .煤矿机械，2 0 2 1（2）：13 6-13 8.3王本林，郭里茜.巷道快速掘进工艺和装备的现状与发展 J.煤炭技术，2 0 16（10：2 6 6-2 6 7.4王辉，陈冰.“两软一硬”煤层抬顶煤大坡度巷道施工技术研究与应用 J.煤炭技术，2 0 2 2（6）：5 0-5 3.5惠兴田，康高鹏.煤巷快速掘进及超前临时支护研究 .煤炭技术，2 0 19（1）：7-10.6马晓鹏.煤巷快速掘进系统的发展趋势与关键技术 .机械管理开发，2 0 2 1（8）：2 9 5-2 9 6.7闫魏锋，石亮.我国煤巷掘进技术与装备发展现状 .煤矿机械，2 0 18（12）：1-3.8全凯.松软破碎围岩巷道掘进及支护技术研究 .机械管理开发，2 0 2 2（12）：8 6-8 7.9薛志龙.松软破碎围岩巷道掘进支护技术研究 .能源与节能，2 0 19（6）：10 3-10 4.10卫晓勇.松软破碎围岩巷道掘进与支护技术研究 J.能源与节能，2 0 19（6）：13 1-13 2.11王胜，许德新，马骥，等.松软破碎围岩回采巷道支护技术研究 J.煤矿开采，2 0 17（1）：6 9-7 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