运输顺槽支护优化设计的数值模拟及现场工业性实验分析_赖敏.pdf

运输顺槽支护优化设计的数值模拟及现场工业性实验分析赖敏（山西焦煤西山煤电西铭矿，山西太原030052）摘要：通过分析某矿运输顺槽支护上存在的问题及顺槽失稳原因，对运输顺槽支护进行优化并与原有支护方案进行数值模拟分析，比较两者之间的围岩应力，并进行工业性实验。通过实验结果分析得出优化方案极其有效，为类似条件下巷道围岩支护提供了参考。关键词：数值模拟围岩应力运输顺槽支护方案中图分类号：TD353文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0014-02引言运输顺槽在综采工作面推进过程中极易因围岩应力的改变而发生塑性变形，造成支护设施破坏甚至巷道形变，这对煤炭资源运输、通风及煤矿工作人员的通行都带来了极大的影响，甚至造成安全隐患。因此对运输顺槽的合理支护方案设计可极大避免巷道的多次维修或因变形过大失去使用价值，对矿井安全高效生产有极大推进作用。1巷道变形原因分析1）岩性方面考虑，由于直接顶直接底岩石硬度较低，且裂隙较为发育，该矿煤的普氏系数 0.6、煤质松软，因此具有“三软”特征，该巷道极大的不稳定性容易在采动下发生塑性变形，导致支护设施失效。煤层顶底板岩性基本情况如表 1 所示。2）从现有支护上考虑，锚杆锚索长度较短时会因未锚固至基本顶内，未能将上覆岩层统一锚固成整体结构导致支护效果较差，且支护方式的单一性，未铺设锚网及锚喷等也会造成运输顺槽片帮及顶板冒落等问题，也会加剧巷道的失稳变形。3）由于采动过程的影响，且围岩水平应力大于垂直应力，造成的剪切破坏使得锚杆经常发生剪切破坏，锚索也因超过抗拉强度而造成拉断破坏。经该矿对处于开采过程中运输顺槽的现场调研，巷道破坏又以中部挤压变形、片帮以及矩形帮角破坏为主，随着回采工作的进行，巷道变形及片帮问题越来越严重，甚至影响到工作面正常供风及煤炭资源的输送问题。因此该回采巷道支护方式选用不合理，急需进行优化1。2巷道数值模拟2.1数值模拟建模本次试验数值模拟软件选用 FLAC，设计模型尺寸为 50 m4 m50 m，基于本次试验主要是考虑综采工作面回采期间回采扰动对运输顺槽的影响，一般情况下影响范围在 35 倍巷道尺寸内造成的塑性破坏较为明显，而该运输顺槽为矩形巷道设计，巷道尺寸为高宽=2.8 m4 m，因此在距离巷道 3 倍距离范围内网格密集布置设计尺寸 0.10.5 m，而在 35及以外的影响效果不显著区域布设网格尺寸为0.51.0 m，主要考虑 3 倍以内的主要影响区域运输顺槽的巷道破坏情况2。同时在模型顶部以及两帮施加均布载荷或应力进行受力模拟，附加重力梯度，岩体的物理性质与运输顺槽实际情况相同，数值模拟模型如图 1 所示。2.2支护优化方案设计结合煤矿实际情况，该运输顺槽的冒落、挤压情况主要集中在顺槽两帮或顶板出，底板相对来说稳定性较好，较为完整，因此在进行模拟试验时可着重设计顺槽两帮以及顶板处的优化支护效果，在保障支护合理性的前提下节约运输顺槽的支护成本，具体支护方案如下页表 2 所示。2.3数值模拟分析运输顺槽在采动影响下其原有的应力场平衡遭到破坏，使应力发生重新分布，围岩本身的支撑能力也会受到影响导致巷道整体发生变形或片帮及顶板冒落等灾害的发生，而由于两支护方案不同的支护参数，因此对采动应力的预防削弱效果也产生了较大差收稿日期：2022-02-18作者简介：赖敏（1989），男，河南上蔡人，本科，毕业于东北大学采矿工程专业，采煤助理工程师，研究方向为采煤。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.005名称岩性厚度/m普氏系数岩性特征直接顶砂质泥岩7.632.6灰黑色，夹杂泥岩波状层理直接底 泥岩/粉砂岩2.672.4灰黑色，松软裂隙发育老顶中砂岩3.866.4深灰色，层理发育，夹杂粉砂岩伪顶碳质泥岩0.201.2黑色松软，易于脱落表 1煤层顶底板岩性基本情况图 1数值模拟模型及网格分布示意图试验研究2023 年第 2 期异。经过对两种方案数值模拟对测点数据进行分析，测算的不同支护方案下巷道围岩应力分布如图2 所示。由图 2 可以看出：水平剪切应力在运输顺槽两帮部形成卸压区，且上帮为下帮的 2 倍左右，在运输顺槽顶部出现明显的应力集中，底部也出现应力集中现象相对顶部较弱，符合了优化支护方案顶部支护设计忽略的情况；而垂直应力方面则在两帮出现了明显的应力集中，依然是上帮集中程度大于下帮，而顶部和底部成为卸压区域，两者的面积基本相同3。通过数值模拟可以明显看出，在水平应力方面优化后的支护方式降低了 0.52 MPa。支护优化方案二的巷道的变形量较小，基本可以保证回采工作的顺利完成，起到运输顺槽输送物料人员的作用。且由于锚网铺设，不会造成片帮或顶板岩体冒落现象的发生，整体围岩及顶板较为稳定。3工业性实验分析通过数值模拟可以看出，在原有支护设计即方案一下的运输顺槽支护效果要弱于新支护方案二，因此在新综采工作面开采时对运输顺槽的维护选用方案二进行支护设计，并与原有支护方案进行应力值的对比实验，具体实验结果如下：经过实验分析两种支护方案下的运输顺槽水平应力情况，如图 3-1 所示。水平剪切应力在巷道锚杆末端也就是 1.4 m 处开始出现应力集中现象，在运输顺槽的支护方案一下其压力显示为 25 MPa 左右的数值，而新的支护方案下可以看出应力值得到明显下降，大概为 20 MPa，并随着深度的增加数值在不断减小。在超出锚杆锚固范围之后两种方案都处于原岩应力状态下，由此可以看出支护方案二的水平应力减小了 5 MPa 左右，优化效果较为明显。而两种支护方式下的回采巷道垂直应力情况，如图 3-2 所示。虽然两种支护方式在垂直方向上都有卸压能力，但明显可以看出方案二的卸压能力要高于方案一，这一数值在17 m处最大达到了 3 MPa。因此可以看出在优化支护材质及支护方式下，巷道的稳定性得到了显著提升，这对提高煤矿巷道支护效率、节省支护成本有重大意义，也减低了煤矿工人的劳动强度及维修工人数量。经过对比原运输顺槽的支护设计与支护优化后的方案二运输顺槽围岩应力方面的差异，可以明显看出在水平应力方面优化后的支护方式降低了 4 MPa，在垂直应力方面这一优势也依然存在，最大应力降低程度达到了 3 MPa。方案二顺槽的变形量较小，基本可以保证回采工作的顺利完成，起到运输顺槽输送物料人员的作用。且由于锚网铺设，不会方案一（原方案）方案二（优化方案）锚杆长 2 400 mm、宽 18 mm，间距为 800 mm。采用螺纹钢锚杆支护，顶部悬挂三根预应力锚索，长度 6 200 mm、宽 16mm，间距 1 600 mm，锚索两侧附加两根锚杆进行支护，锚杆锚索均为垂直布设，不考虑倾角问题，在两帮各布设 4 根锚杆，间距同样 800 mm锚杆直径由 18 mm增至 22 mm，长度由2 400 mm增至 2 600 mm；锚索直径 16mm增至 20 mm，长度 6 200 mm增至8 000 mm，打入基本顶内。支护方式上有所变动，根据巷道帮角处易破断机理，在矩形顺槽两顶角处锚杆分别偏移14与 20，其中顶部锚杆由之前垂直锚固向两侧偏移 20，端部锚杆向上偏移 14，以确保帮角的稳定性。依据3102 回采巷道在采动过程中的片帮及岩体破碎问题，决定在运输顺槽铺设一层锚网，8 号菱形金属网并其顶部由锚杆锚索加以固定表 2运输顺槽支护设计方案2-1方案一2-2方案二图 2两支护方案下运输顺槽围岩应力分布3-1水平应力3-2垂直应力图 3两种支护方案下运输顺槽应力分布图-0.816-10.000-20.000-30.000-40.000-50.000-60.000-70.000应力/MPa-1.336-10.000-20.000-30.000-40.000-50.000-60.000-70.000应力/MPa0-5-10-15-20-25-30159131721水平位置/m水平应力/MPa原支护方案现支护方案0-4-8-12-16-20-24159131721水平位置/m垂直应力/MPa原支护方案现支护方案（下转第 18 页）赖敏：运输顺槽支护优化设计的数值模拟及现场工业性实验分析15机械管理开发第 38 卷3结语本文利用 SolidWorks 对交叉筛模型机进行了整体结构设计，并对简化后的交叉筛模型机关键件筛轴进行了模态分析，得到了筛轴的前 6 阶固有频率和振型。筛轴的工作频率远小于固有频率，筛轴工作过程中不会发生共振，满足交叉筛设计要求。参考文献1赵啦啦，江海深，赵跃民，等.湿黏细粒煤干法筛分理论及交叉筛技术发展现状J.煤炭科学技术，2021（5）：1-8.2史俊超，陶然，葛小乐.茶叶振动筛结构设计及模态分析J.中国设备工程，2022（11）：100-102.3骆宏亮.选煤用高频振动筛的谐响应分析J.机械管理开发，2021，36（11）：108-109；146.4王振乾，王琳，开春琪，等.ZK0916 型直线振动筛动力学特性分析J.煤矿机械，2021，42（4）：88-90.5彭飞.基于 ANSYSWorkbench 的直线振动筛动态特性分析J.工业技术与职业教育，2020，18（2）：12-14.6杨晓东.南露天煤矿高效筛分系统关键技术研究D.徐州：中国矿业大学，2021.7翟大磊，柴保明，张俊宝.基于 ANSYS 的 ZK 型直线振动筛模态分析与优化J.煤矿机械，2020，41（3）：123-127.8王宏利.LM1836 直线振动筛结构动态特性分析J.煤矿机械，2019，40（4）：77-78.9武宜梁，李祥，张臣，等.振动筛有限元模型的建立及其模态分析J.机械制造与自动化，2017，46（1）：107-110.（编辑：贾娟）Design of Crossed Sieve Model Machine and Modal Analysis of Sieve Shaft ComponentsZhang Yi1,Zhu Zhenfeng1,Zhou Chenli1,Huang Jingchong1,Li Hangman2,Zhao Lala1（1.School of Mechanical and Electrical Engineering,China University of Mining and Technology,XuzhouJiangsu 221116;2.Mechanical and Electrical Management Department,Shanxi Coking Coal Group LanxianZhengli Coal Company Limited,Lyuliang Shanxi 033000）Abstract:In response to the growing consumer demand in the cross sieve market,a cross sieve model machine was designed usingSolidWorks,and the modal analysis of the simplified cross sieve shaft components was carried out using ANSYS Workbench to obtain thefirst 6th order intrinsic frequencies and vibration patterns of the cross sieve shaft components.The analysis results show that the first sixorders of the screen shaft inherent frequency is greater than 300 Hz,the maximum operating frequency of the scr