液壓支架超前支護優化設計

葛 帆

（晉能控股裝備制造集團大同機電裝備有限公司中央機廠， 山西 大同 037000）

引言

隨著綜采工作面推進技術與生產能力的不斷提高，大范圍的掘進區使得快速支護技術成為企業高效、安全生產的關鍵因素。我國礦井圍巖頂板大多破碎程度較高，屬于中等穩定或者不穩定型頂板，因此巷道支護安全成為煤炭企業發展的重要因素之一[1-5]。統計表明，因超前支護技術不成熟而造成的冒頂事故占整體掘進事故的81%，20%以上的死亡事故為頂板事故。針對這一現象，本文提出了巷道液壓支架超前支護技術，配合高速發展的掘進技術，以對巷道圍巖及時維護，防止冒頂事故的發生，提高企業生產安全性，提高企業生產效率。

1 巷道液壓支架超前支護總體設計

超前支護液壓支架主要分為執行構件、控制部件、承載部件、輔助部件和動力供應部件五部分。其中，執行構件包括千斤頂與立柱等部件，控制部件包括安全閥等各類閥門與液壓、電控等元件，承載部件主要有前探梁、頂梁、底座及側護板等，輔助部件主要有聯接元件和相關推移構件，動力供應部件主要包括管路及泵站等。本文將以XXX 煤礦為例進行設計分析。

本設計中的液壓支架主要在矩形斷面和梯形平巷中應用，有前架和后架兩部分，與巷道平行布置。巷道超前支護液壓支架的具體結構，如圖1 所示。該設計所留空間充足，掘進設備布置空間大，且通風效果較好，既可保證人員安全，又可使煤炭生產作業方便高效。

圖1 巷道超前支護液壓支架結構

2 巷道液壓支架超前支護參數確定

2.1 液壓支架支護強度

支護強度是液壓支架超前支護技術的重要設計參數，是液壓支架超前支護技術頂板支撐能力的關鍵技術指標。本設計擬采用自然平衡拱理論進行支護強度參數設計，其具體要求為：圍巖經切割后雖是松散巖體但仍有黏結力；硐室經挖掘后可形成自然平衡拱，硐頂壓力主要為自然平衡拱自重；液壓支架超前支護技術支護強度計算公式為：

式中：q 為支護強度，MPa；γ 為巖層平均容重，t/m3；b為潛在冒落高度，m。

經實測分析，潛在冒落高度b 為5 m，巖層平均容重γ 為0.025 t/m3，故支護強度q 為0.125 MPa。

2.2 立柱參數

立柱的缸徑是影響工作阻力主要影響參數，其計算公式為：

式中：D 為立柱缸徑，mm；F 為支護阻力，kN；n 為立柱數量；P 為安全閥壓力，MPa；α 為立柱傾角，（°）。

經實測分析，理論支護阻力為2587.5×103kN，立柱數量為4，安全閥壓力為40.5 MPa，立柱傾角為90°。將相關數據代入式（2）可得：D=142.6 mm。

3 巷道液壓支架超前支護主要構件設計

3.1 頂梁

頂梁是液壓支架的主要承載部件，其與頂板接觸，主要由鋼板組成。通常情況下，頂梁會通過增加加強筋板的方法對頂梁剛度進行加強，加強筋板還可與上下蓋板形成封閉框架，使其結構更加牢固。頂梁結構主要包括整體頂梁、鉸接頂梁、楔形頂梁三種。由于巷道液壓支架超前支護技術主要用于巷道的臨時支護，起到防止空頂的作用，具有防護面積大、可靠性要求高等特點，故選用整體頂梁的結構形式進行設計。整體梁結構支護強度大，可采用多腔室對稱形式，對人員與設備安全保障可靠性較高。為配合錨網支護、增強鋪網功能，本設計在后架頂梁設計了方形空洞，以便后續鉆孔打錨桿工作順利有序進行。巷道液壓支架超前支護頂梁具體結構示意圖，如圖2 所示。

圖2 巷道液壓支架超前支護頂梁結構示意圖

3.2 底座

底座是承載頂板壓力與支架自重的重要承載構件，其還有穩固立柱與支護設備的作用。在巷道液壓支架超前支護技術中，底座的設計必須保證液壓支架整體的剛度、強度及支架穩定性。巷道液壓支架超前支護主要應用于巷道掘進，故底座設計應保留較大的空間使掘進機方便作業。還應盡量增大底板與底座的接觸面積，減小接觸比，從而控制推架阻力。此外，還應合理分布底板比壓，前端比壓應適當減小，減小阻力，防止扎底現象。常見的底座結構包括底靴式、對分式和整體式三種。由于本設計需與掘進機作業相互配合，且有較大的空間要求，故本文選擇左右對分式結構設計。其具體結構示意圖，如圖3 所示。

圖3 底座結構示意圖

3.3 推移結構

由于巷道液壓支架超前支護是配合掘進作業使用的，故巷道液壓支架超前支護需隨著掘進作業不斷遷移。為提高液壓支架的自動化程度，提高工作效率，降低企業成本，本設計提出由液壓油缸進行液壓支架自移控制，通過千斤頂的伸出與收縮實現推移結構前進，完成自動化設計。推移結構一般包括間接式與直接式兩種，由于液壓支架設計需移動快速、支護及時，故選擇直接式推移結構。其具體結構示意圖，如圖4 所示。

圖4 推移結構示意圖

3.4 液壓油缸

在巷道液壓支架超前支護設計中，還需要對千斤頂、立柱等進行設計選型，但其實際上都屬于液壓缸范疇，故通過對液壓缸設計可以完成千斤頂、立柱的設計。市場上的液壓缸種類較多、形式各不一樣，按結構與作用可分為單作用、雙作用及伸縮式液壓缸三種。由于巷道液壓支架超前支護技術對立柱伸縮臂要求較低，故選用單伸縮雙作用式的活塞立柱，該立柱可滿足設計要求且安全穩定性高，成本也相對較低。為保證動作可靠性，千斤頂液壓缸選用單伸縮雙作用液壓缸。

4 巷道液壓支架超前支護試驗分析

將巷道超前支護液壓支架按上述設計進行拼裝組合并進行相應試驗后發現，巷道超前支護液壓支架底座與頂梁受力良好，剛度與穩定性滿足設計要求。將液壓支架應用于井下支護后，推移裝置運行正常，與掘進設備配合較好，在半年時間內，支護設備未發生相關事故，可應用于實際生產中。

5 結論

巷道掘進工作面一直是井下事故頻發的重災區，其最主要的原因是企業超前支護技術尚不完善，存在較大的技術安全漏洞。針對這一現象，本文運用巷道液壓支架超前支護技術對其進行優化改進，通過設計試驗得到了以下結論：

1）巷道超前支護液壓支架支護強度可依據自然平衡拱理論進行強度分析，確定本設計支護強度為0.125 MPa。

2）通過對液壓支架各部件進行結構設計與選型分析，最終可確定液壓支架的整體結構，經測試試驗后發現，液壓支架部件受力良好，剛度與穩定性符合設計要求，推移裝置運行正常，支架系統試驗半年未發生相關事故，符合相關設計要求。