掘進作業中的機械化支護系統應用

趙 剛

（太原煤炭氣化（集團）有限責任公司，山西 太原 030000）

引言

井下巷道掘進過程中破壞了地層的內應力平衡，會導致巷道在掘進擾動和低壓沖擊下變形、失穩，因此需要對巷道進行支護，保證在掘進過程中的穩定性。為了提高支護效率，目前在巷道掘進中開始采用液壓支架進行支護，有效地提升了巷道支護的效率和穩定性[1]。但在實際使用過程中，目前多數支架的支護參數選擇和調整均依靠人工經驗，在支護過程中再根據井下的實際支護情況調整，存在著調整周期長、參數準確性差的問題，無法滿足井下快速掘進的需求。

結合目前井下巷道掘進現狀，本文提出了一種新的機械化支護系統，以液壓支架支護為核心，對液壓支架支護時的支護原理、參數選擇等進行研究，總結了一套“先自動調整再人工修正”的井下液壓支架支護控制原則，為井下機械化支護提供了理論基礎。根據實際應用表明，該系統能夠顯著提升井下液壓支架在支護時的效率和穩定性，為進一步提升井下巷道掘進效率奠定了基礎。

1 液壓支架支護原理

液壓支架的支護核心要求是能對圍巖進行支護，同時能夠隨著巷道掘進的不同，調整支護姿態并向前推進，因此必須具備升柱、降柱、支護姿態調整的功能，同時還需要能夠抵擋礦壓波動的沖擊，保持巷道的穩定性。目前液壓支架的動作調整主要是依靠電液控制系統來完成，通過計算機控制液壓支架的各類閥體，保證支架支護的動作順序和支護力。從而保證液壓支架在支護過程中完成升架、降架、推溜、移架等工序，保證在工作過程中的支護穩定性。液壓支架井下支護原理如圖1所示[2]。

2 液壓支架支護參數選擇原則

液壓支架在支護過程中的核心支護參數包括液壓支架在移動時的移架速度、液壓支架工作時的初撐力、液壓支架工作時的支護阻力，傳統情況下以上支護參數主要靠人工經驗來確定，因此參數的設置和實際需求差異較大，需要頻繁的調整才能滿足井下支護作業的需求。

圖1 液壓支架支護原理圖

目前井下巷道掘進及綜采作業速度飛速提升，因此需要不斷提升液壓支架的單架移架的速度，保證井下巷道的掘進效率，根據對井下實際掘進情況的分析，一般要求液壓支架的單架移動速度不能低于9 m/min，其在井下的移架速度vz可表示為[3]：

式中：b0為相鄰液壓支架間的中心距離，m；T為液壓支架移架的總時間，min。

液壓支架在移架時的總時間T包括液壓支架在移動時的降柱時間、移架時間及升柱時間三個部分，其移架總時間可表示為[4]：

式中：t1為液壓支架的降柱時間，min；t2為液壓支架的移架時間，min；t3為液壓支架的升柱時間，min；n1為液壓支架降架時同時推動的千斤頂的數量；n2為液壓支架移架時同時推動的千斤頂的數量；n3為液壓支架升架時同時推動千斤頂的數量；S1為液壓支架降架時立柱的移動量，m；S2為液壓支架升柱時立柱的移動量，m；S3為液壓支架移動時的步距，m；A1為液壓支架立柱活塞桿的截面積，m2；A2為液壓支架推移千斤頂工作腔的截面積，m2；A3為液壓支架立柱活塞腔的截面積，m2；Q為液壓泵站的流量，m3/min；

由分析結果可知，在實際操作過程中年，只有S1和S2是變量，因此在控制過程中通過改變以上兩個量，即可對液壓支架的支護效率進行調整。

液壓支架在支護過程中的工作阻力會隨著采高的增加而增大，初撐力是在液壓支架在泵站的作用下將頂梁升起并和頂板密切接觸時，為頂板提供的初始支撐力。初撐力的增加能夠提高液壓支架對頂板的支護能力，提高巷道頂板的穩定性，在支護作業時，支架的初撐力F可表示為[5]：

式中：D為液壓支架立柱活塞缸直徑，mm；m為液壓泵站工作壓力，MPa；n為液壓支架的立柱數量。

液壓支架工作阻力，是指液壓支架承受頂板來壓時的最大支撐力，直接關系到液壓支架的支護穩定性和可靠性，結合煤礦井下頂板的實際狀態，在綜采采空區經常形成“懸臂伸縮梁”結構，此時其處于最危險的“失穩載荷”狀態，此時支架-圍巖狀態模型如圖2所示。

圖2 支架-圍巖失穩載荷分布模型

由此分析可知，在失穩載荷分布狀態下，保證巷道頂板穩定性所需的支架工作阻力F1可表示為[6]：

式中：L為頂板的控頂距離，m；b為液壓支架的頂梁寬度，m；h為巷道頂板直接頂厚度，m；γ為巷道頂板巖層的容重；τ為支架載荷側的應力系數；k為載荷傳遞的時間因子；φ為頂板與液壓支架夾角。

3 液壓支架支護方案分析

目前井下對液壓支架支護時的操作，主要包括順序操作、全自動控制以及先自動調整再人工修正三種方案[7]，分別介紹如下：

1）順序操作是指，根據液壓支架的降架-移架-升架工序來依次調整液壓支架的支護姿態，該操作方案的支護指令較好，但由于采用了串行操作的控制模式，因此導致實際的移架時間長，效率低下；

2）全自動控制操作，主要是指由電液控制程序直接控制完成液壓支架的調整，該控制模式部分工序采用了并行控制方案，因此移架時間較短，但支護質量較差，容易發生傾倒；

3）先自動調整再人工修正，該方案在自動控制操作的基礎上增加了人工修正方案，對特殊地形條件下的支架支護情況進行調整，提高了巷道支護的可靠性，該方案調整實際時間較短，而且支護穩定性高，顯著提升了井下的支護效率和可靠性。液壓支架先自動調整再人工修正的方案如圖3所示[8]。

圖3 先自動調整再人工修正原理示意圖

目前該機械化支護系統已經在多個煤礦投入應用，對規范井下液壓支架調整方式、提高液壓支架的調整效率和支護穩定性具有十分重要的意義。

4 結論

為了解決目前掘進作業中機械化支護系統支護參數靠人工經驗設定可靠性差的問題，提出了“先自動調整再人工修正”的支架支護控制原則，對液壓支架支護參數選擇原則和調整方式進行了分析，根據實際應用表明：

1）液壓支架的支護核心要求是能對圍巖進行支護，同時能夠隨著巷道掘進的不同調整支護姿態并向前推進；

2）液壓支架在支護過程中的核心支護參數包括了液壓支架在移動時的移架速度、液壓支架工作時的初撐力、液壓支架工作時的支護阻力；

3）先自動調整再人工修正的支架支護控制原則，調整時間較短、支護穩定性高，能夠顯著提升井下的支護效率和可靠性。