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摘要：研究采用三维模型模拟研究的方法，通过软件模拟、构建完整的液压支架结构，并对其进行检验。研究所研发的这种支护装置能够在巷道掘进的同时进行支护操作，提高了设备的开机率，缩短了掘进工期。
关键词：液压支架；整体结构；超前支护；三维模拟；受力程度
在煤矿巷道掘进时，所注重的不仅是提高掘进效率，还必须将工作时的安全作为重中之重。在这种情况下，超前支护为提高煤矿开采的安全性起到了重要的作用。本文通过研究分析巷道掘进的超前支护技术，试图提高该技术的保证率减少失误的发生，有利于煤矿在保证巷道中人身安全和机械安全的基础上，提高煤矿开采的产量和效率。
1支架结构
本文所研究的支架类型为液压原理，主要用于超前支护，在本文的研究中其应用在巷道断面呈梯形或者是长方形比较多，该支架沿着巷道放置，由于该支架包括了前、后两个部分，覆盖范围比较大，可以有效增加通风面积，不仅通风性能良好、能够覆盖到工作人员和掘进设备，还有多余的地方可以放置转载机和一些其他的机械。
2 设定支架的参数
对于液压支架来说，进行超前支护的使用之前，必须考虑支护技术所涉及到的各项参数，其中重点包括支架的性能数值以及结构数值。
在性能数值以及结构数值里，支架所能支护顶板的强度参数非常重要。对支护强度进行计算时，可以采取自然平衡拱的方法进行。
在自然平衡拱的原理中：
（1）岩体经过顺着裂缝进行分割，巷道掘进时的岩体虽然有部分粘结力存在，但结构不够紧密；
（2）在地下巷道掘进之后，将会在巷道的顶部形成自然的拱型结构。而巷道的侧面将会有2个平行的滑动面，该面和巷道侧面的角度呈-度，下图即计算围岩压力的模型。此时巷道顶部对侧面岩石产生的压力为自然平衡拱结构中岩石的重量。
（3）在所有的参数中岩体的坚固性系数意味着其强度。为了在操作中简化计算方法，根据已有研究得出的计算公式，如下：
经验公式表示为
其中f代表物理量度量的经验系数是，除此之外岩石也会受到地下水的破坏作用，也应将这一方面和岩体是否完整纳入干扰因素。
RC代表受压为单向条件下，岩石产生破坏时的最大压应力值（单位为MPa）。
（4）巷道顶部在经过开采成为自然的平衡拱之后，除了压应力之外，岩体部分已经承受不了拉应力的作用。根据自然平衡拱的原理方法，可以得到两侧原生煤受到压力的程度公式：
其中，r代表煤体上部单位容积内岩石的重量，设定其值为每立方米2.4吨；
K代表拱角的应力集中的程度，本文所研究的巷道断面为矩形，设定其值为2.7；
B代表支撑力产生的压力系数，本文所研究的为实体煤，取值为1.1；
fc代表煤的坚固性系数，设定其值为1.1；
H代表巷道的基础埋置深度，设定其值为790m
Kc代表煤的完整性系数，取其值为0.95；
代表煤处于滑动的临界状态时，FR与FN 的最大夹角
H代表巷道中掘进的高度，取其值为3.6m；
代表煤层面与水平面的夹角，本文所研究的是水平的巷道。
（5）巷道顶板的岩石可能发生冒落的高度公式：
其中，fr代表煤层之上的直接顶岩石的坚固性系数，取其值为3.9；
Ky代表直接顶上煤结构的类型系数，如果岩石的f值在6到9之间，Ky的值为0.39；如果岩石的f值在4到6之间，Ky的值为0.59；如果岩石的f值在3到4之间，Ky的值为0.46。
a代表巷道顶板跨度有效长度的50%；
下面可以计算出巷道顶部对围岩压力的最大值：
当该支架的支护能力到q=0.125Mpa值时，能够达到支护巷道的目标：
3液压支架有限元方法模拟
巷道掘进的过程中机械设备会逐渐移动，对巷道进行超前支护的支架同时一起移動。由于巷道中支架受到力的作用具有多样化的特征，支护的样式和高度不一样的情况下所受到的力也不一样，此外如果顶板不够平坦，对支架的顶梁来说不同受力点所受到的力有差别。本研究在分析用于超前支护的液压支架的支护能力时，引入了有限元的方法，并通过结论对所设计的支架强度能否达标和合理性进行判定，在此基础上完善方案。
在用于超前支护的液压支架中，顶梁承担了大部分作用力，所以有必要把顶梁的两侧受到集中作用力的情况作为研究内容，分析顶梁受到的各种力的作用、煤矸石的干扰程度、顶板的平整程度等情况下顶梁的荷载情况。巷道掘进时会有顶板破裂以及以及裂缝情况的发生，一旦顶板出现塌落的情况，将导致顶梁的两侧的受力增大的不良状况。
（1）构建模型
ANSYS即有限元分析软件，如果顶梁模型的构造不够单一，最好的方式是在Pro/E构建模型，然后导入该软件。操作第一步之前不应将耳板、圆角等考虑在内，放置垫块之后，将模型保存成“x-t”文件。导入ANSYS后的顶梁模型如下[6]：
（2）分析计算并处理结果
经过对顶梁的ANSYS有限元模型进行分析得出结果之后，需要对该结果进行优化处理，如下。
按照变形分布图示内容，可知支架的俩柱窝处和其相邻位置变形最大，其值为4.2mm；按照应力图示内容，可知在前探梁的底部和柱窝的相邻位置所受的作用力最大，顶梁和垫片交点处的应力相对集中，其值达231MPa，此时钢的流动极限是为344MPa，可以认为顶梁受力的值在安全范围之内，即可以保障工作人员和机械设备的安全。
4结论
本文以巷道中用于超前支护的液压支架为研究对象，分析计算了支架顶梁的受力情况。列举了构建ANSYS有限元模型时的难点，明确了划分单元模块的方法，对于增加顶梁和底座受力情况分析的科学程度非常重要，此外还检验了液压支架中顶梁以及底座的支护能力，可以据此判定支架方案设计的合理性并进行修改完善。
参考文献：
[1]曾石清，刘相寿，黄志彬.掘进工作面临时支护问题探讨[J].能源技术与管理，2004（3）：29-30
[2]曹红波，宋宝令.临时支护的分类与性能分析[J].江苏煤炭，1996（3）：48-49
[3]简博.掘进机机裁液压临时支护的研制与应用[J].煤炭技术，2007（7）：9-10
关键词：液压支架；整体结构；超前支护；三维模拟；受力程度
在煤矿巷道掘进时，所注重的不仅是提高掘进效率，还必须将工作时的安全作为重中之重。在这种情况下，超前支护为提高煤矿开采的安全性起到了重要的作用。本文通过研究分析巷道掘进的超前支护技术，试图提高该技术的保证率减少失误的发生，有利于煤矿在保证巷道中人身安全和机械安全的基础上，提高煤矿开采的产量和效率。
1支架结构
本文所研究的支架类型为液压原理，主要用于超前支护，在本文的研究中其应用在巷道断面呈梯形或者是长方形比较多，该支架沿着巷道放置，由于该支架包括了前、后两个部分，覆盖范围比较大，可以有效增加通风面积，不仅通风性能良好、能够覆盖到工作人员和掘进设备，还有多余的地方可以放置转载机和一些其他的机械。
2 设定支架的参数
对于液压支架来说，进行超前支护的使用之前，必须考虑支护技术所涉及到的各项参数，其中重点包括支架的性能数值以及结构数值。
在性能数值以及结构数值里，支架所能支护顶板的强度参数非常重要。对支护强度进行计算时，可以采取自然平衡拱的方法进行。
在自然平衡拱的原理中：
（1）岩体经过顺着裂缝进行分割，巷道掘进时的岩体虽然有部分粘结力存在，但结构不够紧密；
（2）在地下巷道掘进之后，将会在巷道的顶部形成自然的拱型结构。而巷道的侧面将会有2个平行的滑动面，该面和巷道侧面的角度呈-度，下图即计算围岩压力的模型。此时巷道顶部对侧面岩石产生的压力为自然平衡拱结构中岩石的重量。
（3）在所有的参数中岩体的坚固性系数意味着其强度。为了在操作中简化计算方法，根据已有研究得出的计算公式，如下：
经验公式表示为
其中f代表物理量度量的经验系数是，除此之外岩石也会受到地下水的破坏作用，也应将这一方面和岩体是否完整纳入干扰因素。
RC代表受压为单向条件下，岩石产生破坏时的最大压应力值（单位为MPa）。
（4）巷道顶部在经过开采成为自然的平衡拱之后，除了压应力之外，岩体部分已经承受不了拉应力的作用。根据自然平衡拱的原理方法，可以得到两侧原生煤受到压力的程度公式：
其中，r代表煤体上部单位容积内岩石的重量，设定其值为每立方米2.4吨；
K代表拱角的应力集中的程度，本文所研究的巷道断面为矩形，设定其值为2.7；
B代表支撑力产生的压力系数，本文所研究的为实体煤，取值为1.1；
fc代表煤的坚固性系数，设定其值为1.1；
H代表巷道的基础埋置深度，设定其值为790m
Kc代表煤的完整性系数，取其值为0.95；
代表煤处于滑动的临界状态时，FR与FN 的最大夹角
H代表巷道中掘进的高度，取其值为3.6m；
代表煤层面与水平面的夹角，本文所研究的是水平的巷道。
（5）巷道顶板的岩石可能发生冒落的高度公式：
其中，fr代表煤层之上的直接顶岩石的坚固性系数，取其值为3.9；
Ky代表直接顶上煤结构的类型系数，如果岩石的f值在6到9之间，Ky的值为0.39；如果岩石的f值在4到6之间，Ky的值为0.59；如果岩石的f值在3到4之间，Ky的值为0.46。
a代表巷道顶板跨度有效长度的50%；
下面可以计算出巷道顶部对围岩压力的最大值：
当该支架的支护能力到q=0.125Mpa值时，能够达到支护巷道的目标：
3液压支架有限元方法模拟
巷道掘进的过程中机械设备会逐渐移动，对巷道进行超前支护的支架同时一起移動。由于巷道中支架受到力的作用具有多样化的特征，支护的样式和高度不一样的情况下所受到的力也不一样，此外如果顶板不够平坦，对支架的顶梁来说不同受力点所受到的力有差别。本研究在分析用于超前支护的液压支架的支护能力时，引入了有限元的方法，并通过结论对所设计的支架强度能否达标和合理性进行判定，在此基础上完善方案。
在用于超前支护的液压支架中，顶梁承担了大部分作用力，所以有必要把顶梁的两侧受到集中作用力的情况作为研究内容，分析顶梁受到的各种力的作用、煤矸石的干扰程度、顶板的平整程度等情况下顶梁的荷载情况。巷道掘进时会有顶板破裂以及以及裂缝情况的发生，一旦顶板出现塌落的情况，将导致顶梁的两侧的受力增大的不良状况。
（1）构建模型
ANSYS即有限元分析软件，如果顶梁模型的构造不够单一，最好的方式是在Pro/E构建模型，然后导入该软件。操作第一步之前不应将耳板、圆角等考虑在内，放置垫块之后，将模型保存成“x-t”文件。导入ANSYS后的顶梁模型如下[6]：
（2）分析计算并处理结果
经过对顶梁的ANSYS有限元模型进行分析得出结果之后，需要对该结果进行优化处理，如下。
按照变形分布图示内容，可知支架的俩柱窝处和其相邻位置变形最大，其值为4.2mm；按照应力图示内容，可知在前探梁的底部和柱窝的相邻位置所受的作用力最大，顶梁和垫片交点处的应力相对集中，其值达231MPa，此时钢的流动极限是为344MPa，可以认为顶梁受力的值在安全范围之内，即可以保障工作人员和机械设备的安全。
4结论
本文以巷道中用于超前支护的液压支架为研究对象，分析计算了支架顶梁的受力情况。列举了构建ANSYS有限元模型时的难点，明确了划分单元模块的方法，对于增加顶梁和底座受力情况分析的科学程度非常重要，此外还检验了液压支架中顶梁以及底座的支护能力，可以据此判定支架方案设计的合理性并进行修改完善。
参考文献：
[1]曾石清，刘相寿，黄志彬.掘进工作面临时支护问题探讨[J].能源技术与管理，2004（3）：29-30
[2]曹红波，宋宝令.临时支护的分类与性能分析[J].江苏煤炭，1996（3）：48-49
[3]简博.掘进机机裁液压临时支护的研制与应用[J].煤炭技术，2007（7）：9-10