聯排頂梁液壓支架組在煤礦巷道臨時支護中的應用研究

李信斌

（北京京煤集團有限責任公司，北京市門頭溝區，102300）

1 聯排頂梁液壓支架組用途

目前，國內煤礦對于巷道工作面臨時支護所用的支架，無論是在巖石開拓或是煤巷掘進的巷道中，不管是機采工作面還是炮采工作面，很少有適用于中等以下穩定頂板以及有及時支護功能的可移動支護設備。聯排頂梁液壓支架組是一種能在綜掘工作面和炮掘工作面迎頭使用的臨時支護頂板設備，具備以下幾種用途：

（1）能同時用于回采工作面端頭支護與前方巷道的20m 超前支護。

（2）能獨立用于綜采端頭支架前方巷道的超前支護。

（3）用于巖石開拓運輸大巷及煤巷掘進巷道中的跟機臨時支護與及時支護。

（4）用于炮掘工作面的臨時支護與及時支護。

（5）輔助鋪設金屬網或輔助架設永久工字鋼或U 型鋼支架。

（6）在巷道維修或拱形變梯形巷道中使用。

（7）在一次采全高的不穩定頂板或托偽頂采煤的回采工作面中及傾斜回采工作面中使用。

2 聯排頂梁液壓支架組結構組成

聯排頂梁液壓支架組仰視圖及側視圖如圖1所示。

由圖1可知，聯排頂梁液壓支架組由兩個單排頂梁、液壓推進缸、液壓支柱、側向缸、前挑梁、液壓管路及附件組成。聯排頂梁的基本結構像水中的竹排，每組支架由兩個排形頂梁體組成，兩個排形頂梁體交叉重疊組合而成了雙聯排形頂梁結構，按照行走的先后次序，先向前行走的稱為前排，后向前行走的稱為后排。

圖1 聯排頂梁液壓支架組仰視圖及側視圖

3 聯排頂梁液壓支架組工作動作分解

（1）支架正常工作時，前排頂梁與后排頂梁支撐著頂板，支柱都保持著支撐力。聯排頂梁液壓支架組工作示意圖如圖2所示。

圖2 聯排頂梁液壓支架組工作示意圖

（2）支架準備前移時，提起前排頂梁上的全部支柱，柱腳離開底板使前排頂梁脫離支護，此時后排頂梁支護著頂板，前排頂梁落在了后排托梁上。聯排頂梁液壓支架組前排頂梁上的支柱提起示意圖如圖3所示。

圖3 聯排頂梁液壓支架組前排頂梁上的支柱提起示意圖

（3）液壓推進缸伸長，推動著脫離了支護的前排頂梁并帶著與前排頂梁相連的支柱在后排托梁上滑動，一起前移一個步距。聯排頂梁液壓支架組前排頂梁前移一個步距示意圖如圖4所示。

圖4 聯排頂梁液壓支架組前排頂梁前移一個步距示意圖

（4）落下前排上所有的支柱，柱腳落實在底板上開始給力，前排頂梁升起，支撐緊頂板。聯排頂梁液壓支架組前排頂梁前移后支柱落地支撐示意圖如圖5所示。

圖5 聯排頂梁液壓支架組前排頂梁前移后支柱落地支撐示意圖

（5）提起后排頂梁上的全部支柱，柱腳離開底板提起使后排頂梁脫離支護，此時前排頂梁支護著頂板，后排頂梁落在了前排托梁上。聯排頂梁液壓支架組后排頂梁支柱提起示意圖如圖6所示。

圖6 聯排頂梁液壓支架組后排頂梁支柱提起示意圖

（6）液壓推進缸縮短，拉動著脫離了支護的后排頂梁在前排托梁上滑動，后排頂梁帶著后排上所有的支柱前移一個步距。聯排頂梁液壓支架組后排頂梁前移一個步距示意圖如圖7所示。

圖7 聯排頂梁液壓支架組后排頂梁前移一個步距示意圖

（7）落下后排上所有的支柱，柱腳落實在底板上開始給力，后排頂梁升起，支撐緊頂板，支架實現了前進一個步距的動作，開始正常支撐頂板。聯排頂梁液壓支架組后排頂梁前移后支柱落地支撐示意圖如圖8所示。

圖8 聯排頂梁液壓支架組后排頂梁前移后支柱落地支撐示意圖

4 聯排頂梁液壓支架組支護特點

4.1 不間斷的有效支護力

獨有的長條形頂梁結構、互為交叉支撐以及交替掩護前移的行走方式是聯排頂梁液壓支架組最突出的特點。它的條形頂梁寬度可以盡量做窄，如果條形頂梁寬度制造成100mm 寬，頂梁之間的間隙是25mm，那么任何一根頂梁在脫離了支護頂板的前移過程中，上部頂板暴露的空頂間隙寬度只有150mm，大于150 mm 的矸石不會冒落，而且鋪頂網的工作面也不會因為150mm 寬的空頂而出現網兜式下沉。這種互為交叉支撐和交替掩護前移的支護方式，雖然每根單一的頂梁對頂板是反復支撐，但頂板卻是在非常小的面積內就可以不間斷的承受有效的支護力。當支架行走時產生的臨時空頂間隙達到150mm 寬時，這種能帶壓移架結構對頂板反復支撐所造成的破壞在所有自移支架中已達到了最小的程度。工作支撐時頂梁對頂板的覆蓋率是80%，支架行走時頂梁對頂板的覆蓋率最小也可達35%，并且是均勻地分布。由于沒有大面積地暴露頂板，因此這種支架在行走時頂梁無整體大面積脫離支護的危險，對人員及頂板的保護是非常有效的。這種頂梁結構及交替掩護的行走方式能很好地阻止頂板的下沉、破碎及漏頂事故的發生，在破碎頂板條件下使用能達到理想的支護效果。

4.2 頂梁面積大，整體性強，不易倒架

聯排頂梁液壓支架在使用時無論支護工作場地多大，都要組裝成一個整體，成為只有一組頂梁的支架，支護面積可達到20～120 m2左右。聯排頂梁支架能夠攜帶幾十根液壓支柱，它所帶來的優點就是支架不會因為有幾根支柱卸載或歪斜而產生大面積倒架。同樣，支架在抵抗外來的局部沖擊時，也不易發生被整體催跨的現象。

4.3 及時支護功能

在掘進巷道作業期間，聯排頂梁液壓支架組能對工作面掘進機落完煤或放完炮后剛剛裸露出的危險頂板進行及時支護。在炮采過程中，炮響后在工作面前方頂板不安全的情況下，工作人員可立即在后方安全地帶操作前移支架的前排，支護工作面最前端的不穩定頂板，這時即使工作面前方頂板正在塌冒，也不影響此項工作照常進行，前排的頂梁將強行插入冒頂區，將其托住然后升起前排支柱，將破碎頂板托起頂緊。全部工作可在15min內完成，然后前移后排，就可以將冒頂區域管住。及時支護過程示意圖如圖9所示。

4.4 輔助鋪設金屬網

聯排頂梁液壓支架組的前端和后端都可以安裝翻轉式挑梁，巷道支架組的前挑梁可以輔助鋪設金屬網、鋼帶及礦工鋼永久支架。尤其在容易或正在發生冒頂現象的破碎頂板巷道前端，前挑梁先將金屬網挑起，同時前移前排頂梁，冒頂立即被托住，待前排支架前移完畢，前排支柱升起后冒落頂板既被長期控制。雖然這種快速鋪網管理頂板的方法是聯排頂梁液壓支架組非常獨特的有效功能，但是這種方法不可用于塊度較大的冒落頂板。因為前挑梁的強度有限，防砸性能不如主梁好，所以如果遇到大塊矸石冒落時，還是直接將主梁向前移為好。

圖9 及時支護過程示意圖

4.5 大行程結構提高工作效率

因為排式支架前移時，原已經支護的頂板繼續被有效地支撐著，并不因移架而產生更大面積的空頂，所以只要掘進后剛暴露的頂板在可預料的時間內不失穩，就可以盡量增加掘進的單循環進度，而排式支架可以滿足這種需求。目前在掘進巷道使用的排式支架設計可達1.2 m 的行程，這種方案可使各種設備有效工作時間增加，提高工作效率。

4.6 三聯排頂梁穩定性更高

如果頂板比較破碎且難于管理，除了可采取前鋪網的措施外，還可以采用三聯排頂梁的結構方案，這就是將在一般情況下所用的雙聯排頂梁體結構再增加一個單排頂梁體，它們還是依次排列，還是用交叉重疊組合的方式重新組裝，各排之間還是各自獨立互相無固定關系而組成。這樣的三聯排頂梁支架組在行走時的效果是，其中任一個單排頂梁體行走時，另外兩個單排頂梁體處于正常支撐狀態，彼此相同。三聯排頂梁支架結構的優點就是支架在前移過程中，對頂板的支撐覆蓋率能達到50%以上。而且這時支架對頂板的有效支護力是最大支護力的2／3，對頂板的有效支撐是從100%支護力到60%的支護力，再回到100%支護力的區間變化，只有1／3的頂梁向前運動，這對頂板的擾動更小。普通支架前移時對頂板無支護力，大面積的空頂使支護力從0到100%之間的反復變化對頂板擾動極大。因此，三聯排支架的兩梁支撐掩護一梁行走的前進方式使支架的穩定性更高。雖然這種結構帶來了移架速度比雙聯排頂梁移架速度要慢的缺點，但是支架在巷道掘進中使用時，由于支架的前移動作過程與迎頭的掘進及支架后部的支護工作是互不干涉的，三者是以平行作業的方式進行，所以并不影響掘進的速度。

5 聯排頂梁液壓支架組在巷道中的使用

5.1 在需鋪網的綜掘巷道中使用

聯排支架的前端和后端可以安裝翻轉挑梁，前挑梁有快速鋪網的功能，在中等以下穩定程度頂板的巷道中掘進使用時，掘進機完成規定的掘進深度后，翻轉前挑梁即能快速的鋪設金屬網。具體方法為：工作人員在支架下，在翻轉梁處于垂直位置時將金屬網掛在翻轉梁上，扳動操縱閥將翻轉梁挑起至金屬網貼緊頂板，然后前移前排支架，待前排支架前移并升起支柱后，金屬網被壓緊在頂板下。金屬網只要搭茬即可，聯網及固定金屬網的工作在支架后部進行。翻轉前挑梁鋪網能夠有效地管理好頂板，提高了掘進巷道中最危險工作地段的安全程度，達到了及時管理頂板的目的。工作人員可以在15min左右快速鋪設金屬網，基本不占用工作面掘進機前部寶貴的空間，而將大多數時間留給掘進機工作。在巷道高度大于3 m 時，支架后部可設一個與支架同步前移且不影響運輸的工作平臺，工人可用較輕松的姿勢在上面聯網、打錨桿孔、固定金屬網及鋼帶或固定梯子梁等工作。如巷道不打錨桿，而是需要在網下再架設工字鋼棚子的工作，還需要在支架后端頭安裝后挑梁以輔助挑起工字鋼梁的工作。綜掘鋪網工作面示意圖如圖10所示。

圖10 綜掘鋪網工作面示意圖

5.2 在架設礦工鋼梁固定支架的巷道中使用

在需要架設礦工鋼或U 型鋼固定支架的巷道中，使用聯排頂梁液壓支架組主要的使用方法與工藝安排比較簡單，不管是綜掘方式還是炮掘方式，基本解決方案不變。放完炮或是綜掘機掘進一個循環進度后，將掛裝好鋼梁的前挑梁向前翻起，使礦工鋼梁貼到頂板上，前移前排支架完成迎頭頂板的支護，然后收回前挑梁再前移后排支架。礦工鋼梁安裝柱腿的工作在支架后方進行，這種工藝的優點與前種鋪網打錨桿的方法是相同的，就是掘進工作與支護工作分兩地進行，互不干擾，這種架設礦工鋼梁的方法也可在巷道維修的工作中使用。架設礦工鋼梁固定支架示意圖如圖11所示。

圖11 架設礦工鋼梁固定支架示意圖

6 聯排頂梁液壓支架組操作步驟試行方案

綜掘工作面掘進機配合聯排頂梁液壓支架組工藝操作步驟試行方案如下：

（1）首先打開高壓泵站供液，高壓乳化液進入高壓管路，打開液壓支架主操縱閥開關，給各液壓分管路供液，檢查支護設備各零部件及管路是否正常工作，檢查正常支護材料、鋼帶和金屬網等材料是否準備齊全。

（2）檢查液壓支架組的全部支柱是否支撐正常，將控制每個支柱的分操縱閥手把向升柱位置搬動一下，然后立即搬回，同時觀察支柱及頂梁的動作及與頂板的接觸情況，目的是使頂梁對頂板給足初撐力，如支柱未有支撐力必須繼續搬動手把，直到給足初撐力為止。

（3）鋪設金屬網管理前方頂板，搬動控制前挑梁的操縱閥，使前挑梁千斤頂伸長，前挑梁慢慢落下，當與頂板成90°左右位置時，將操縱閥手把扳回到中位，使前挑梁停住。

（4）將巷道支護用的鋼帶、梯子梁和金屬網片等材料鉤掛在前挑梁上 （梁的頂面有掛釘），可用直徑2mm 的鉛絲或繩子將其拴緊綁牢。

（5）將控制前挑梁的操縱閥手把打到前挑梁的升起位置，前挑梁將托著梯子梁與金屬網向上升起，直到把梯子梁和金屬網壓緊在巷道前方頂板上，然后將手把回到中位。

（6）開始前移排式支架，操作需兩人以上，其中一人觀察頂板及頂梁，看是否有危險及異常情況。其他的人按以下順序進行操作：將控制支柱的操縱閥手把慢慢地搬到支柱收縮的位置，同時觀察頂板及頂梁是否有異常情況，如有異常立即停止操作。如無異常就看著前排頂梁逐漸脫離頂板慢慢下落，直到前排支架的頂梁落在后排支架的托梁上，而后支柱慢慢升起，脫離底板。這時再將操縱閥手把完全搬到支柱升起的位置，直到支柱達到提起所需的高度，再將手把搬回到中位，這時前排的頂梁落在了后排的托梁上，前排支柱是懸空的位置。

（7）當前排支架上的支柱全部提起時，即可搬動控制支架前移的操縱閥，同樣也是用慢慢給力的方法搬動手把到推進缸活塞桿伸出的位置，且所有人員必須觀察支架前移有無阻礙、有無干涉和拉扯以及有無頂板異常，如無特殊情況就不要停止操作，直到前排支架帶著其上的全部支柱走完所需行程后，立即將手把搬回到中位。

（8）前排支架支柱下落，升柱工作可以多人多點操控，但應該使支架最前端的一對支柱首先接頂并撐上力，然后逐個搬動控制前排支柱的所有分操縱閥，未支撐好的支柱依次向后支撐給力。支柱在下落過程中需用人工手扶支柱，使其底盤找正落點，不得向落點以外滑動。落正后的支柱按先升支架前方支柱，再依次向后的順序使支柱依次對頂板給足初撐力。全部升起并給足初撐力的支柱必須有人負責再檢查調整一次，不但要給足力，還要盡量將頂梁調平，并與后排支架頂梁位置調好，不要使頂梁靠上或拉大頂梁間距離。

（9）前排頂梁前移并支撐好頂板后，工作面最前端頂板就被前排前端的頂梁有效地支護好了。在前移后排支架前必須先收回前挑梁，將控制前挑梁操縱閥的手把搬到千斤頂活塞桿收回的位置，使前挑梁收回到位后再將手把搬回到中位即可。

（10）前移后排支架前必須保證前排支架支撐正常，首先有一人負責觀察頂梁及頂板，其他人從后向前慢慢逐漸地將控制后排支架支柱的操縱閥手把扳到支柱收縮的位置。操作人員本身也要觀察支柱升起對頂梁和頂板的影響。這時支柱首先開始縮短，后排頂梁開始下沉并脫離頂板，待頂梁下沉到位后支柱開始脫離底板而上升，這時即可將手把完全搬到位，使支柱快速升起，待達到需要的高度后就將手把搬回到中位。在頂梁下沉落下的過程，應該是由后向前進行，因為后方相對安全，待后排支架頂梁全部落在前排支架的托梁上后，提柱工作越快越好。

（11）后排支架前移過程與前排支架前移過程一致。

（12）后排支架支柱下落過程與前排支架支柱下落過程一致。

在以上步驟操作期間，還要注意幾項規定：一是在支架操作過程中，工作面的各項工作要全部停止，所有人員均要觀察頂板及頂梁的運動是否帶來危險；二是在前排支架未完成前移動作時，迎頭頂板是暫時支護或未支護，絕不能有人員站在下面工作；三是支柱的底盤不能支撐在浮渣上，可以用挖坑的方法找正支柱落點穩住支柱底盤，使支柱與頂梁成垂直支撐，絕對不允許支柱有橫向滑動量；四是在支柱卸載頂梁前進期間，可以用撬棍撥動頂梁，躲過巷道側壁及上方的一些小障礙，最后使前排支架與后排支架的間隙得以保持。

7 聯排頂梁液壓支架結構尺寸的選擇

7.1 支架高度

由于此種支架頂梁與托梁的高度之和在340mm以上，占據了頂部一定的有效空間，所以低于2m 的巷道不宜使用，因為人員行走不方便。就目前試驗階段經驗，巷道最高不要超過5m。

7.2 支架寬度

支架寬度基本無限制，但如果支架寬度確定后，巷道可加寬而無法變窄。巷道形狀一般情況要求梯形，如果是倒梯形或矩形更好，兩幫好管理。如需頂梁貼近兩幫支護，巷道不直度應小于200mm。

7.3 支架長度

支架長度選擇時主要考慮支架前端掘進設備的長度，同時還要考慮支架后部對支護人員的掩護長度及這兩組工作場地應拉開的安全距離。后排設計比前排要長2 m 左右，便于打孔固定金屬網的工作，在這段有長條形空頂的頂梁掩護下進行工作。

7.4 支架的前進步距

本支架的步距行程受限制不大，可制造行程600 mm、800 mm、900 mm、1000 mm、1200mm，選擇時要注意與工作面循環進度盡量匹配。

7.5 支柱的位置及數量

正常支撐時支柱位置需向兩幫靠攏，但支柱靠中支護也是可以的，這樣可以將運輸通道與人行通道分開，如有大型設備出入，可以暫時將支柱沿滑動槽推滑到靠幫位置即可。使用時每根托梁不可少于兩根固定位置的支柱，兩根固定位置的支柱距離在不是中心對稱擺放時，不得小于托梁長度的二分之一。允許不同規格的支柱同時使用，但不可在同一根托梁上做固定支柱使用。不同的托梁允許使用不同規格的支柱，不同托梁的支柱允許擺放位置不同。允許隨時加入臨時支柱做為輔助支撐，頂梁與托梁下方都可以使用臨時支柱支撐。以上規定只是為了支架的支護力更符合頂板的要求，如在某段頂板壓力增大時可以增加支柱支撐。聯排頂梁對頂板的支護強度可達0.3 MPa以上，如果底板松軟支柱下陷，可采用圓形底盤或長方形大底盤。兩柱靠中支撐巷道支護和四柱靠邊支撐巷道支護示意圖如圖12所示。

圖12 兩柱靠中支撐巷道支護和四柱靠邊支撐巷道支護示意圖

7.6 支架托梁數量的選擇

托梁的數量與支架的長度及行程有關，如果支架行程是1 m 且支架長度選擇7 m 以下，支架就只能安排4～5根托梁，當支架行走時，支撐支架的支柱數量就會有4根支撐的情況，此時如有1根支柱有問題，整個支架就比較不穩定。如果選擇支架長度在8m左右，這樣支架的托梁數量能達到6根，當支架行走時，固定支撐的托梁數量能達到3根并最少帶6根支柱，這樣支架就比較穩定安全。

7.7 需要說明的特殊情況

同一工作面支架的頂梁與托梁允許制造成多種不同的規格尺寸，以適應頂板后部壓力大而前部壓力小的實際情況。排式支架如用于炮采掘進工作面，必須選用防炮崩支柱，且固定支柱只能用于靠兩幫位置。為了使整體巷道的支護效果更好更安全，可以使排式支架的頂梁支護部分有意加寬，巷道斷面可以是矩形，在有可能的地質情況下甚至做成倒梯形，以煤壁不再需要支護為目的。倒梯形巷道支護和矩形巷道支護示意圖如圖13所示。

圖13 倒梯形巷道支護和矩形巷道支護示意圖

8 結語

作為臨時支護設備，聯排頂梁液壓支架組對巷道的圍巖地質構造要求不高，能在絕大部分巷道臨時支護中使用，其獨特的結構及行走方式甩掉了過去吊環、穿梁、慣板等落后工藝，使掘進巷道迎頭工作有了極大的安全保證。同時，掘進工作與支護工作場地分開平行作業的最新工藝可使綜掘機械達到連續作業，使巷道掘進的速度大幅提高。如遇頂板比較穩定的工作面還可采用大行程行走方式，從而減少支架的操作次數，提高掘進速度與掘進效率。

［1］ 邢福康，蔡坫，劉玉堂.煤礦支護手冊 ［M］.北京：煤炭工業出版社，1993

［2］ 江光宏.高檔普采工藝與設備 ［M］.北京：煤炭工業出版社，1988