機掘巷道新型自移式超前支架的工業性試驗

李永梅　賈清華(.大同煤礦集團有限責任公司技術中心,山西省大同市,037003; .大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院,山西省大同市,037003)

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機掘巷道新型自移式超前支架的工業性試驗

李永梅1賈清華2
(1.大同煤礦集團有限責任公司技術中心,山西省大同市,037003; 2.大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院,山西省大同市,037003)

摘 要分析了目前6種常見的巷道臨時支護的支護方式和支護特點,介紹了同煤集團自主研發的機掘巷道機掘巷道新型自移式超前支架的主要技術參數、主要結構及其特點,詳細闡述了機掘巷道機掘巷道新型自移式超前支架的試驗巷道工程概況和工業性試驗內容。通過工業性試驗表明,該支架具有結構簡單、安全可靠、穩定性好、功能強大和適應性好等特點,為巷道掘進帶來顯著的社會效益和技術經濟效益。

關鍵詞機掘巷道 新型自移式超前支架 巷道掘進 巷道支護 工業性試驗

目前臨時支護的方式較多,但均不夠理想,有的支護方式支護工藝不合理、勞動強度較大且支護時間較長,嚴重地影響了掘進速度;有的支護方式支護質量較差,因此對圍巖的控制能力較差,從而導致冒頂和片幫事故時有發生,這也嚴重地影響了掘進速度。由此可見,臨時支護的問題已經成為制約巷道安全掘進和快速掘進的關鍵。臨時支護的方式、結構、質量以及動作原理直接關系到臨時支護的時間、效果、安全以及臨時支護與掘進工藝合理地銜接。因此,研發安全、快速、高效和配套的機掘巷道新型自移式超前支架勢在必行。

1　巷道臨時支護概述

目前,國內外的一些高等院校、研究機構以及業界人士在煤巖巷道臨時支護設備的研究和開發方面做了許多有益的探索。概括起來,巷道臨時支護的方式主要有以下6種:第一種是單體支柱＋柱帽;第二種是單體支柱＋鉸接梁＋板梁;第三種是懸吊式長鋼梁前探梁;第四種是落地式自移臨時支架;第五種是棚梁懸吊式自移支架;第六種是機載臨時支護。從使用情況看,目前的臨時支護主要存在以下特點:

(1)前3種支護的方式主要存在空頂下進行臨時支護作業人員沒有安全保障、工序轉換頻繁、支護用時長、支護不及時、自動化程度低、工人輔助工作量大以及勞動強度大等問題,懸吊式長鋼梁前探梁支護的方式還存在支撐力小(生根點在懸吊錨桿上)、支護結構不合理(懸臂梁)以及支護面積小等問題。

(2)落地式自移臨時支架支護的方式存在自動化程度較高、能夠減輕工人的體力勞動以及支撐力較大等優點,但是也存在支護時間長、檢修維修困難、對掘進機影響干擾性大以及占用空間較大等問題,所以在現場很難推廣應用。

(3)棚梁懸吊式自移支架支護的方式存在不占用有效空間和對掘進工作影響程度較低等優點,但是也存在支架結構不合理、支撐力小、軌道安裝時間長且要求質量高、軌道容易受到碰撞而變形、結構容易失穩、適應范圍小以及通用性差等問題,不能有效地推廣和應用。

(4)機載臨時支護的方式多為掘、支、錨一體化,存在相互交替作用時間短、支護及時和支撐力高等優點,但是也存在整機結構復雜、結構合理性差、占用空間大、司機誤操作大、工作視線受影響、事故率高、不能與錨桿鉆車配套使用、空頂小的情況下支撐板容易壓壞已安裝的錨桿、不能連續向前進行及時支護以及限制了循環進尺的提高等問題,目前還不是很成熟,有待進一步完善。

上述支護的方式還有一個共同的缺陷就是不能自動將鐵絲網和鋼帶一次安裝到位,人工輔助工作量較大,安裝時也存在安全隱患。為此,同煤集團自主研發機掘巷道新型自移式超前支架,使巷道掘進的臨時支護技術水平上一個新的臺階。

2　主要技術參數

機掘巷道新型自移式超前支架整機長度最小為5.2m,最長為7.5m;整機寬度最大為4.7 m,單側寬度小于0.50m;整機高度最高為4.55m,最低為3m;整機重量為5.2t。專用乳化液泵站壓力為20MPa,流量為20 L/min,電機功率為7.5kW,轉速為1460 r/min,工作電壓為660/1140V,水箱容積為450L;支護上油缸行程為0.5m,下油缸行程為0.8m;推移油缸行程為1.1m;支護強度為110MPa。

3　主要結構及其特點

機掘巷道新型自移式超前支架主要由邁步移動支架、超前支架、擺動上網支架、錨桿鉆進平臺和液壓系統組成,其結構正視圖如圖1所示。

圖1　機掘巷道新型自移式超前支架結構正視圖

(1)邁步移動支架。邁步移動支架主要由2組井型支架嵌套組合而成,每組支架由左右2個單體支架(共4個)、水平連接板以及頂梁組成了平面框架結構,4個油缸可自由伸縮,伸出時可與地面和頂板接觸,實現定位。2組支架互為依托,通過安裝在2組支架上的水平伸縮油缸D使之沿導軌相互滑移。

(2)超前支架。超前支架由3組支架組成,能夠實現一級、二級和三級支護,滑移時由水平伸縮油缸A、B、C控制。邁步移動支架與超前支架均串聯在與巷道腰線平行的導軌上,組成一個既相互依靠,又能獨立運作的結構體系。

(3)擺動上網支架。在邁步移動支架上裝有一個擺動上網支架,擺動上網支架由擺動桿、鉸接座和上網架組成。工人可以在支護區將組裝好的鋼帶和鋼絲網平鋪在擺動支架上,啟動擺動油缸便可將鋼絲網接頂支護。擺動上網支架局部結構示意圖如圖2所示,擺動上網支架與掘進機配套示意圖如圖3所示。

圖2　擺動上網支架局部結構示意圖

圖3　擺動上網支架與掘進機配套示意圖

(4)錨桿鉆進平臺。邁步移動支架上裝有一個能夠水平擺動的錨桿鉆進平臺,平臺由鋼結構組成,可在臨時支架上的專用滑道上滑動,其上部裝有錨桿鉆機,錨桿鉆機與支護平臺由專用連接裝置連接,鉆機能在鋼結構平臺滑道內水平移動。鋼結構平臺下裝有一個單體液壓支腿,保證鋼結構平臺的剛度和穩定性,其上部還裝有操縱座,便于工人安全操縱,平臺可以實現180°的定點擺動,便于不同方位和不同角度的錨桿打眼和錨桿安裝。水平擺動的錨桿鉆進平臺結構如圖4所示。

(5)液壓系統。液壓系統由乳化液泵站、組合式操作閥、帶安全閥的雙向安全閥和管路等裝置組成。其中操作閥和單向閥分別通過閥板安裝在油缸連接座和支座上,乳化液泵站由乳化液泵、防爆電機、安全閥、溢流閥、壓力表以及液箱等裝置組成。

圖4　水平擺動的錨桿鉆進平臺結構示意圖

4　工業性試驗

4.1試驗巷道工程概況

同煤集團晉華宮礦南山12＃層402盤區2206巷東鄰870大巷,南鄰5206巷,西至輔助帶式輸送機巷,北部為實體,上覆為9＃層8206面采空區;2206巷位于870水平,地面標高為1158.2～1229.7m,井下標高為808～916m,煤層厚度為3.1～5.4 m,煤層傾角為8°～12°,煤層硬度為f＝1,煤層節理中等發育;2206巷老頂為15m厚的灰白色中砂巖,具有水平層理,直接頂為2.9m厚的細砂巖、煤線和粉砂巖互層,直接底為5.23m厚的深灰色粉砂巖,水平層理發育。

4.2工業性試驗內容

4.2.1安裝檢查和結構檢驗

在機掘巷道新型自移式超前支架安裝完畢后進行全面檢查,首先是檢查所有管路及閥、板、鎖等連接是否正確和可靠,泵箱充液及泵壓是否符合規范,進出液管及其閥、板、鎖、管座等是否有滲漏,操縱閥是否靈活到位,所有執行件是否有憋卡現象。

4.2.2試驗壓力和壓力控制

機掘巷道新型自移式超前支架采用的液壓系統由乳化液泵站、組合式操作閥、帶安全閥的雙向安全閥和管路等組成。選用BRWJ20/20型專用乳化液泵站為動力源,泵站壓力為20MPa,安全閥調定壓力為22MPa。在試壓過程中,進出液管及其閥、板、鎖、管座等沒有發生滲漏現象,泵站的壓力穩定在15～19 MPa,工作液的流速保持在19～21L/min,乳化液泵站壓力和流量正常。

4.2.3三級支護總時間測定

按照機掘巷道新型自移式超前支架的工作過程,在掘進巷道工作面后方20m處進行了整機的動作試驗,試驗內容如下:

(1)邁步移動支架(Ⅱ)前移1m支護到位所需時間測定。如圖2所示,邁步移動支架(Ⅰ)油缸伸出,使支架頂梁和底座分別與頂板和底板撐緊,形成帶壓接頂和接底初始狀態(見圖4)。然后推移油缸D向前推出1m (推動邁步移動支架(Ⅱ)前移1m),并將邁步移動支架(Ⅱ)的油缸同時升出,使邁步移動支架(Ⅱ)的頂梁和底座分別與頂板和底板撐緊,形成帶壓接頂和接底最終狀態。測定此過程需要的時間,共進行32次,平均每次時間約為34s。

(2)擺動網架動作及上網時間測定。擺動支架放下,人工將鋼絲網插入卷筒上,再將支架擺起接頂。測定此過程需要的時間,共進行32次,平均每次時間約為55s。

(3)一級、二級和三級超前支架支護時間測定。如圖1所示,由水平伸縮油缸A、B、C分別控制3組支架前移,由單體雙伸縮油缸1、2、3控制3組支架接頂接底,實現一級、二級和三級支護。測定每級超前支架實施一次支護所需要的時間,共進行32次,平均每次時間約為21s。

(4)完成三級支護總時間測定。按照機掘巷道新型自移式超前支架的工作過程進行動作,即邁步移動支架(Ⅱ)推移3次,一級、二級和三級超前支架分別推移1次,擺架前移3次,并將整機復位。測定此過程需要的時間,共進行32次,完成三級循環支護的平均時間約為6.2min。

4.2.4頂底板局部不平整的適應性試驗

當遇到頂底板局部不平整的時候,為了試驗支架的適應性,在6個月的施工期內進行了全程跟蹤,局部最大的不平整度在巷道890m的斷層處,出現了30cm的局部冒頂,采取了支柱頭墊設木頭的方法,保證了支架的有效支撐。該支架的適應巷道高度為3～4.5m,當上下立柱同時收回時高度為3m,當上下立柱同時完全伸出時為4.5m,所以該支架有很大的伸縮空間,即使有局部地方不平整,也并不影響該支架的正常運行。在整個試驗期,未遇到由于頂底板不平整而致使支架不可支護的現象,這充分說明該支架對巷道頂底板不平整度的適應能力較好。另外,由于頂梁設計強度較高,頂梁即使不能全部接頂,由兩端接頂或者是梁的中部接頂,支撐10t重量的巖體梁也不會發生塑性變形,在整體巷道的試驗期間,主梁未發現嚴重的變形。

4.2.5巷道變坡度試驗

支架在安裝初期,導軌是與巷道的腰線平行的,所以在巷道坡度不變化的情況下,支架的導軌是始終保持一個角度(巷道坡度)的,支架運行十分平穩。晉華宮礦南山12＃層402盤區2206巷煤層傾角為8°～12°,該裝置通過收回1＃下立柱油缸和伸出6＃下立柱油缸的方法,逐步將支架的導軌調整到新的角度,實踐證明該支架具有很好的變坡能力。

4.2.6工作面煤堆阻礙適應性試驗

為了預防超前支架被局部煤堆阻礙而不能前進,將超前支架的下支腿油缸行程設計為1m,取消了下支護油缸的調整支座,使得超前支架能夠很輕松地邁過1m的煤堆,即使煤堆高度再高一點,由于是浮煤,所以支架也能很好地向前推移。

4.2.7接地比壓試驗

為了防止立柱插入底板,對下立柱受力進行了觀測,該裝置底板接觸壓力較大,在5.14～7.15MPa之間浮動。由于晉華宮礦南山12＃層402盤區2206巷直接底為5.23m厚的深灰色粉砂巖,屬于Ⅳ堅硬底板,容許比壓較大,所以在整個試驗期間未出現立柱插底現象,說明該支架的柱靴設計是合理的,該支護裝置很好地適應了2206巷道的底板情況。

4.2.8錨桿操作平臺系統試驗

機掘巷道新型自移式超前支架設計了錨桿鉆機工作平臺,實現了隨機攜帶2臺液壓錨桿鉆機的功能。經過半年多的現場工業性試驗,證明使用錨桿鉆機平臺后,打一個頂板錨桿鉆孔并且安裝好錨桿的平均時間為3.5min,較以往節約了1min。打錨索平均時間為20.3min,較以往節約了3min。實踐證明,錨桿操作平臺的設計極大地減輕了工人的勞動強度,節省了工作時間,改善了掘進施工工藝,提高了支護效率。

4.2.9上網裝置試驗

機掘巷道新型自移式超前支架設計了掩護式擺架,較好地實現了支架邁步的同時便可將頂網鋪設到位之目的,鋪頂網的平均時間為55s,較以往的人工鋪網時間節約了5～10min,充分說明了該設計是成功的。

4.2.10構件受壓試驗

利用量程為20MPa的礦用抗震壓力表對每一組支架進行了工作阻力觀測,統計結果顯示,支架工作阻力在12.3～17.1 MPa之間波動,其中15MPa以上占了總計的72%,試驗期間支架工作性能良好,未出現漏液現象,頂梁接點處未出現破壞現象,受力較為均勻,能夠滿足2206巷掘進工作面支護的要求。機掘巷道新型自移式超前支架在導軌上滑動較為平緩,未出現傾斜和卡軌等現象,主要構件的強度和剛度均滿足了設計與使用要求。

4.2.11整機穩定性測定

在整個試驗過程中,未發現頂梁和導軌的大變形,未出現整機的傾斜和失穩等現象,運轉十分平穩,證明該機穩定性較好。

4.2.12支架與掘進機的配套試驗

機掘巷道新型自移式超前支架總寬度為4684mm,每側占用巷道寬度不大于500mm (包括與巷道側幫的安全間隙距離200mm),晉華宮礦南山12＃層402盤區2206巷寬度為5500mm,采用的掘進機型號為EBZ—220,長寬高為10500mm×3200mm×1720mm。當支架裝置騎在掘進機上時,左右兩側還分別有700mm的寬度(與鏟板的距離)供行人暢通,試驗過程中掘進機可自由前進后退和左右擺動。EBZ—220掘進機截割頭尺寸為1046mm×1133mm,當該裝置進行臨時支護后,最前端的超前支架距掘進工作面有1200mm的空頂,該空頂使用800mm寬的擺架予以臨時支護,一方面解決了空頂大的問題,保證了工作面的安全;另一方面解決了掘進機截割頭左右擺動時碰撞超前支架的難題。在試驗期間,該支架與掘進機配合自如,未對掘進機的工作效率產生任何影響,實踐證明,該支架可與掘進機很好地配套使用,可挖掘現有掘進作業線的巨大潛能。

5　效益分析

5.1社會效益

機掘巷道新型自移式超前支架解決了煤礦巷道掘進的臨時支護難題,保證了巷道頂板的穩定,促進了巷道掘進工藝的改革,提高了掘進工作效率,其技術達到了國際領先水平。應用本裝置可大大減少頂板事故、避免窩工和人員傷亡,另外該技術帶動了掘進巷道臨時支護技術的發展,社會效益顯著。

5.2直接經濟效益

5.2.1減人提效

機掘巷道新型自移式超前支架由于采用液壓驅動,減少了作業人員,提高了勞動效率。掘進隊可減員4人,每人每年工資按照6萬元計算,全年可節約工人工資24萬元。

同煤集團晉華宮礦南山12＃層402盤區2206巷長為1701m,按原來進度需要202d完工,按使用機掘巷道新型自移式超前支架后的進度為142d完工,能夠提前60d完工,可節約人工費4萬元,管理費大約可節約6萬元。

5.2.2加快掘進速度,提高掘進進尺

同煤集團晉華宮礦南山12＃層402盤區2206巷原來月進尺為252m,實際月進尺為358.75m,每月提高進尺為106.75 m,掘進速度提高了42.36%,每天比原來多掘進4m。

每年按照330d計算,一年多掘進1320m,按南山12＃層402盤區2206巷掘進斷面19.25m2計算,則多出煤25410m3,按1.35t/m3計算,多出煤34303.5t,按420元/t計算,可增加收入1440.75萬元/a。原掘進隊的掘進工效為0.21 m/工,應用機掘巷道新型自移式超前支架后掘進隊的掘進工效為0.35m/工,比原來提高了0.14m/ 工,掘進工效提高了66.7%,經濟效益顯著。

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(責任編輯路強)

★煤炭科技·加工轉化★

Industrialtestofanew-typeself-movingforepolinginmachine excavationroadway

LiYongmei1,JiaQinghua2
(1.TechnologyCenterofDatongCoalMineGroupCo.,Ltd.,Datong,Shanxi037003,China; 2.TongdaScienceandTechnologyResearchInstitute,DatongCoalMineGroupCo.,Ltd., Datong,Shanxi037003,China)

AbstractTheauthorsanalyzedsupportpatternsandfeaturesofsixkindsofroadwaytemporarysupport,introducedmaintechnicalparameters,primarystructuresandfeaturesofaself-developednew-typeself-movingforepolinginexcavationroadwaybyTongmeiGroup,elaborated thetestingroadway＇sprojectprofileandindustrialtestcontentofthenew-typeself-movingforepoling.Theindustrialtestshowedthattheforepolinghadsimplestructures,reliablesafety,good stability,powerfulfunctionsandstrongadaptability,whichbroughtremarkablesocial,technical andeconomicbenefitsforroadwayexcavation.

Keywordsmachineexcavationroadway,new-typeself-movingforepoling,roadwayexcavation,roadwaysupport,industrialtest

中圖分類號TD353

文獻標識碼A

作者簡介:李永梅(1978－),女,山西大同人,工程師,現任職于大同煤礦集團有限責任公司技術中心,主要從事煤礦機電科研技術管理工作。