煤巷快速掘進臨時支護支架的設(shè)計及應(yīng)用

許文林

（晉能控股煤業(yè)集團長溝煤礦，山西 晉中 032700）

引言

目前，我國巷道掘進以懸臂式掘進機為主，而其對應(yīng)的臨時支護方式通過單體錨桿鉆機實現(xiàn)。結(jié)合實踐生產(chǎn)經(jīng)驗，在一個工作周期8 h 內(nèi)，參與巷道掘進的工作人員數(shù)量可達11 人，而懸臂掘進機僅能夠正常工作1.5 h，其效率非常低下。因此如果能夠有效提升掘進巷道的支護效率和安全性，節(jié)省的時間即可用于巷道的掘進，從而提高巷道的掘進速度[1]。設(shè)計了一款能夠?qū)ο锏缹崿F(xiàn)快速支護的設(shè)備，在降低作業(yè)人員數(shù)量和勞動強度的同時，最終達到提升巷道掘進的效率。

1 1501工程概況

本文以某礦1501 掘進工作面為例開展研究，該掘進工作面的走向長度為706 m，其中傾斜掘進工作面的長度為142 m。該掘進工作面包含4 號和5號煤層，對應(yīng)的地質(zhì)條件如表1 所示。

表1 1501 掘進工作面地質(zhì)條件

1501 掘進工作面所屬的5 號煤層的平均傾角為8°，該工作面為矩形巷道；目前，巷道的高度為4.2 m、寬度為4.8 m，主要采用錨桿錨索聯(lián)合支護方式對其中的回風(fēng)巷進行支護。其中，所采用兩幫錨桿的直徑為20 mm，錨桿長度為2 800 mm 的右旋等強螺紋鋼型；頂板采用直徑為20 mm，長度為2 400 mm 的左旋無縱肋螺紋鋼錨桿；頂板錨桿的排距為1 600 mm，間距為1 400 mm。

1501 掘進工作面參與掘進的設(shè)備類型為EBZ200 懸臂式掘進機，該掘進機成型巷道的最大高度為4.8 m，最大寬度為6 m，可在±8°的坡度下工作[2]。為保證所設(shè)計的臨時支護支架能夠滿足對1501 掘進工作面的支護要求，需對該掘進工作面的礦壓進行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖1 所示。

圖1 1501 掘進工作面礦壓監(jiān)測結(jié)果

如圖1 所示，1501 掘進工作面的礦壓規(guī)律可分為三個階段，包括掘進工作面1～7 m 范圍之內(nèi)的應(yīng)力增長區(qū)；掘進工作面7～9 m 范圍之內(nèi)的應(yīng)力峰值區(qū)；掘進工作面10 m 以后的應(yīng)力下降區(qū)。上述礦壓監(jiān)測結(jié)果將為后續(xù)臨時支護支架的設(shè)計提供一定的參考。

2 臨時支護支架的設(shè)計

為解決當前市面上臨時支護支架所不能解決的問題，本著支撐煤巷快速掘進的任務(wù)，降低作業(yè)人員勞動強度的目的，擬設(shè)計一款可隨著懸臂式掘進機移動的機載式臨時支護支架，其能夠為現(xiàn)場作業(yè)人員提供一個安全操作的平臺，實現(xiàn)巷道掘進與支護為一體的綜合性設(shè)計[3]。

2.1 臨時支護支架的結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合當前市面大部分臨時支護支架的結(jié)構(gòu)，本工程所設(shè)計的臨時支護支架在大體結(jié)構(gòu)上仍采用普通臨時支護支架的形式，不同的是本文所設(shè)計的臨時支護支架在靈活度和支護強度方面與現(xiàn)有臨時支護支架有所不同[4]。因此，本文設(shè)計的臨時支護支架也由頂梁、液壓支柱、前探梁、連接法蘭和側(cè)翼雙向可伸縮支架組成。

2.1.1 液壓支柱

液壓支柱的主要任務(wù)是懸臂式掘進機完成掘進任務(wù)后，對所成型巷道開展錨桿錨索頂板和兩幫支護時進行一個簡單的支撐，避免掘進完成后的巷道頂板和兩幫的落石對設(shè)備和人員造成傷害。本文將結(jié)合支架支護強度的經(jīng)驗計算法以及國家的相關(guān)標準確定液壓支柱的具體參數(shù)。

2.1.2 頂梁

頂梁的主要任務(wù)是掘進操作時與頂板直接接觸的結(jié)構(gòu)，其時臨時支護支架的直接受力結(jié)構(gòu)。因此，頂梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計需綜合多方面的因素確定。目前，可采用的頂梁結(jié)構(gòu)包括一體式頂梁結(jié)構(gòu)、鉸接式頂梁結(jié)構(gòu)、楔形頂梁結(jié)構(gòu)。綜合對比上述三種頂梁結(jié)構(gòu)，最終選用鉸接式頂梁結(jié)構(gòu)，具體型號為DJB。具體頂梁結(jié)構(gòu)的長度根據(jù)現(xiàn)場情況確定。

2.1.3 連接法蘭

連接法蘭為臨時支護支架與懸臂式掘進機相連接的部件?？蛇x用的法蘭形式為整體式法蘭、松式法蘭以及任意式法蘭。鑒于懸臂式掘進機與臨時支護支架搭載的特殊性，本工程選用任意式法蘭。同時，為了避免由于支架與掘進機接觸面積過小所導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象，在任意式法蘭盤的位置加入了鋼板作為墊片。

2.2 臨時支護支架參數(shù)的確定

結(jié)合EBZ200 懸臂掘進機的掘進參數(shù)確定臨時支護支架完全伸長后的長度可達到2 300 mm，整個支架的長度為6 400 mm。為保證巷道掘進臨時支護支架的強度滿足要求，該支架采用Q345 的普通碳素鋼制造。

分別根據(jù)經(jīng)驗法、結(jié)合現(xiàn)場層狀巖體冒落拱和數(shù)值模擬方式確定臨時支護支架的支護強度為0.25 MPa；換算得出每個液壓支護需支撐力為356.7 kN，因此選擇臨時支護支架的直徑為120 mm，對應(yīng)液壓桿的直徑為105 mm；根據(jù)礦壓監(jiān)測結(jié)果，對應(yīng)的最大應(yīng)力為21.3 kN，由此換算得出耳板銷軸的直徑為54 mm，厚度為30 mm，長度為100 mm，底邊長為100 mm。

綜合上述要求，得出臨時支護支架的主要參數(shù)如表2 所示。

表2 臨時支護支架主要參數(shù)

3 臨時支護支架的應(yīng)用效果

采用傳統(tǒng)臨時支護支架在掘進機每工作的一個循環(huán)時間內(nèi)，有70%的時間都花費在對掘進工作面的臨時支護中，導(dǎo)致真正工作面的掘進推進時間不足，而且每次支護完成后掘進工作面僅可推進進尺1.6 m[5]。實踐表明：采用傳統(tǒng)臨時支護支架，工作面每天僅可掘進9.6 m，對應(yīng)的每月可推進工作面長度為288 m。

實踐表明：雖然采用新設(shè)計的臨時支護支架對巷道臨時支護的時間可節(jié)約0.5 h 左右；但是，采用臨時支護支架后支護完成后每次可掘進2 400 mm，對應(yīng)的每天可掘進工作面的長度為14.4 m，每月可推進工作面長度為432 m。

綜上，采用新設(shè)計的臨時支護支架后工作面的掘進速度明顯增加，提升50%左右。

4 結(jié)語

一直以來，巷道掘進效率為制約煤礦生產(chǎn)的主要因素，其無法與工作面采煤效率相匹配。因此，實現(xiàn)煤巷的快速掘進對于提升煤礦生產(chǎn)能力具有重要意義。為此，依據(jù)縮短巷道臨時支護時間，增加每次支護后的掘進距離的原則設(shè)計了臨時支護支架，并總結(jié)如下：

1）所設(shè)計的臨時支護支架與掘進機搭載為一體，實現(xiàn)邊支護邊掘進的目標；

2）采用新設(shè)計的臨時支護支架每月可推進工作面長度為432 m，比采用傳統(tǒng)臨時支護支架的推進速度提升了將近50%。