煤礦巷道掘進錨桿支護工藝研究

張建廷

（晉能控股集團有限公司同家梁礦，山西 大同 037003）

引言

隨著煤炭開采技術的不斷發展，巷道掘進對于支護的要求也越來越高，支護工藝的落后逐漸成為限制行業發展的主要因素。現階段，煤炭的開采產量以及生產面積在逐年提升，而支護技術卻未發生改變。支護技術與開采技術的不匹配對井下生產安全造成了巨大的威脅，同時也嚴重影響了煤炭企業井下生產持續性，影響企業效益[1-2]。針對這一現象，本文依據現有的掘進工藝對傳統的錨桿支護技術進行優化設計分析，通過對支護部件以及相關支護設備進行優化改造，使支護技術達到現有掘進工藝要求，適應巷道掘進的快速發展，提高企業生產效率，增強井下生產安全性。

1 支護技術現狀分析

支護技術是指對井下煤炭開采工作面進行安全支護，保證井下作業人員人身財產安全的技術。支護分為臨時支護與永久支護兩種，臨時支護一般較先于永久支護。臨時支護是指在進行地下作業時，為防止工作面上方巖石墜落，保證井下工作人員安全，對頂板采取一定的臨時支護措施。現階段的臨時支護技術主要有打點樁支護技術、液壓支護技術、木頭支護技術以及前探梁支護技術，以前探梁支護技術與液壓支護技術運用最為廣泛。永久支護則運用錨索以及錨網等部件對頂板進行使用期限較長的頂板固定[3-4]。巷道中錨桿的布置大多呈菱形布置，錨桿之間的距離一般為600～1 200 mm。其錨桿常規布置示意圖如圖1所示。

現階段，錨桿臨時支護大多隨掘進機工作進行，而永久支護大多在掘進工作完成后再由作業人員手動進行，造成了企業大量的人力物力損耗，影響企業生產效益。同時，前探梁臨時支護技術在實際生產過程中對頂板的支護作用較小，若開采煤層地質條件較不理想，極易發生煤炭冒頂事故，威脅企業人身財產安全。

圖1 錨桿常規布置示意圖（單位：mm）

2 巷道掘進錨桿支護工藝

2.1 支護設備設計

新型支護設備主要可以分為執行部分、控制部分、負載部分、液壓動力部分以及輔助部分。新型支護設備的結構示意圖如下頁圖2所示。其中，負載部分由頂梁、前探梁、側護板以及底座組成。頂梁是支護設備的主要承載部分，是防止巖石脫落的重要部件；側護板的主要作用是防止兩側的巖石脫落，保護巷道；底座的主要作用是支撐固定支護設備。控制部件主要包括各類閥門以及相應的輔助設備，是滿足設備運行，對執行部分進行實際調控的部件；輔助部分主要有連接件以及相關的設備推進部件，對設備運行起輔助作用；液壓動力部分主要由液壓泵以及相應管路組成，主要作用為將設備的機械能轉化為靜壓能，為設備運行提供動力；永久支護設備選用懸掛式可移動錨桿機，該裝置可減少臨時與永久支護的轉換時間，提高井下支護工作效率，保障井下人員人身安全[5-7]。

圖2 新型臨時支護設備結構示意圖

新型支護設備是一種運用履帶實現移動的自移式支護設備，設備移動的工作面須為梯形或者矩形。工作人員在進行支護作業時可在設備配備的液壓機械錨桿鉆機的保護下進行作業，保障工作人員的人身財產安全，同時設備還預留了充足的空間，可保證巷道通風，避免有害物質污染。新型臨時支護設備可實現與掘進機掘進的交叉作業，最大限度地保證煤炭開采效率。

新型支護設備是與掘進機相互配合作業的，設備作業時位于掘進機上方，當完成掘進作業后，支護設備會運行至工作位置，立柱上端上升，下端下降，直到下端穩定支撐，上端貼至巷道頂面[8]。然后側護板會展開貼近巷幫，這時即可進行永久支護作業。

2.2 新型支護設備構件設計

2.2.1 頂梁

常用的頂梁結構主要有整體型、鉸接型以及楔形三種結構。其中，在設計鉸接型頂梁時前梁大多會預留150 mm左右的縫隙，使得頂部部分破碎矸石落下；楔形結構頂梁結構復雜、節點多、設備響應往往較慢，且設備容易損壞。故本文選用由槽鋼焊接而成的整體型頂梁，可有效提高作業效率，保證頂板永久支護質量，防止掉落。

2.2.2 底座

為適應井下煤炭生產不同的巷道底板環境，本文采用履帶式底座設計。履帶式底座可較好地適應煤炭工作面底板高低不平，移動環境復雜的作業環境，提高設備靈活性，使設備壽命更長。

2.2.3 側護板

新型支護設備側護板設計中加入了兩翼支護的設計元素，可更好地保證作業人員安全，同時也提高了支護設備運行的穩定性。傳統的側護板設計主要有無頂外接式、內接頂梁式以及鉸接式。其中，無頂外接式較易發生側護板伸縮故障，內接頂梁式會發生護板承受壓力過大現象。故本文選用鉸接式側護板設計，其結構示意圖如圖3所示。

鉸接式側護板結構簡單、維修方便，且有效彌補前兩種設計類型的缺陷，較為適合新型支護設備設計要求。

圖3 鉸接式側護板結構示意圖

2.2.4 前探梁

前探梁設計主要有內伸縮式與外伸縮式兩種。外伸縮式前探梁使用易損壞，故本文選用內伸縮式前探梁設計。除此之外，本文還在頂梁處進行了前探梁鉸接設計，使前探梁支撐新頂板速度更快，防止因支護不及時而造成的冒頂事故。

2.2.5 護幫部件

為防止掘進作業過程中煤壁片幫事故與頂板冒落的相互誘發，新型支護設備增加了護幫部件的設計，護幫部件的結構示意圖如圖4所示。護幫部件中的護幫板可以很好地對煤壁產生支撐作用，防止片幫事故的發生。同時，位于護幫梁耳座處的鉸接點可依據不同巷道斷面的特征進行位置調整，也可對煤壁起到一定的支撐作用。

圖4 護幫部件結構示意圖

3 模擬仿真分析

依據上述分析進行新型支護設備設計，并運用Soliderworks軟件對設計出的新型支護設備進行建模。將新型支護設備的主要受力構件頂梁以及液壓支撐柱進行力學分析，各部件應力、應變分析結果圖如圖5所示。由分析結果圖可知，新型支護設備主要受力構件頂梁以及液壓支撐柱在頂板作用下應力、應變符合相關設計要求，在設計允許的范圍之內，故新型支護設備可應用于實際生產之中。

圖5 新型支護設備主要受力構件應力、應變分析結果圖

4 結語

隨著巷道掘進技術的不斷發展，巷道支護技術已越來越無法適應巷道掘進的要求。巷道支護與掘進技術的不匹配使得煤炭井下生產效率降低，人身財產安全受到巨大威脅。針對這一現象，本文通過對支護部件以及相關支護設備優化設計的方法對巷道支護工藝進行優化改進。通過模擬仿真分析，新型支護設備在頂板作用下應力、應變變化符合設計要求，在設計允許的范圍內，新型支護設備設計合理。