礦用救援輕型快速成套支護裝備的研究與設計

井婷婷

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶市沙坪壩區，400037)

礦山局部小范圍冒頂事故引起巷道不完全堵塞及垮塌，現場救援人員需要使用支護裝備對破碎頂板及有垮塌危險的頂板和巷壁進行有效支護，以達到迅速搭建安全區域或救援通道的目的。國內現有的支護裝備存在不具有煤礦安全資質、體積大、操作復雜等問題，不能滿足煤礦井下救援的需要。本文針對煤礦救援，開發設計了一種新型礦用救援輕型快速成套支護裝備，不僅符合礦用安全標準規定的強度高、質量輕、不產生撞擊或摩擦花火以及無引爆可燃氣體的風險，而且便于救援人員攜帶。

1 總體設計

礦用救援輕型快速成套支護裝備主要由液壓支柱、延長柱、手動支柱、支撐頭等部件構成，該裝備利用手動液壓泵提供支撐動力源，可在任意傾斜角度下快速支護，在支撐高度為2 m的情況下(支撐力不小于100 kN)，可支撐60 m2安全區域或搭建30 m雙排支撐安全通道，便于救援人員和設備安全快速通過。該裝備通過各種可相互連接的輕質部件以及不同的組合形式，滿足救援現場各種撐頂長度及支撐方式的需要。根據冒頂引起垮塌程度的不同，可采用單根支撐系統或三腳架支撐系統組合的支護方式。

1.1 單根支撐系統

單根支撐系統是使用中最常用的支柱連接方式，主要由液壓支柱、手動支柱、一根或多根延長柱、各種支撐頭組成。各部分可單獨使用，也可組合使用，各部件端部具有可快速連接的快插接頭。單根支撐系統示意圖如圖1所示。

1-支撐頭；2-延長柱；3-液壓支柱；4-手動支柱；5-支撐頭圖1 單根支撐系統示意圖

1.2 三腳架支撐系統

三腳架支撐系統主要由三腳架支柱、三腳架架頭、旋轉支撐頭、固定鏈、起吊設備組成，主要是通過相關組件形成穩定的三腳架結構，下方配置起吊設備用來起吊重物，上方具有快速接頭，可通過連接支柱等設備形成穩定的支撐系統。三腳架支撐系統示意圖如圖2所示。

1-旋轉支撐頭；2-三腳架支柱；3-三腳架；4-起吊設備；5-固定鏈圖2 三腳架支撐系統示意圖

1.3 主要技術參數

礦用救援輕型快速成套支護裝備主要技術參數見表1。

礦用救援輕型快速成套支護裝備采用了高強度鋁合金材質和輕型塑料材質，從而減輕重量，達到便攜的目的。其主要材料采用礦用抗沖擊火花的高強度鋁合金材質2A12、6061和7A04等以及阻燃抗靜電等輕型塑料材質PVC和PA66等，并進行相應阻燃抗靜電處理，其材料性能滿足《煤礦用金屬材料摩擦火花安全性試驗方法和判定規則》(GB/T13813-2008)和《煤礦井下用聚合物制品阻燃抗靜電性通用實驗方法和判定規則》(MT 113-1995)標準的要求。

表1 礦用救援輕型快速成套支護裝備主要技術參數

2 主要部件結構設計

2.1 液壓支柱

(1)液壓支柱結構。液壓支柱主要由高壓軟管、換向手柄、雙向液壓鎖、底部連接頭、油缸、活塞、頂端連接頭等部分組成，是支撐系統中的可調節部分。利用液壓作為動力源，缸體和活塞組成液壓腔體，利用高壓液壓油實現活塞的伸出或縮回。支護裝備上下端部為快速連接頭，在救援現場可根據實際情況與相關設備組合使用，形成不同的支撐高度和支撐形式，通過高壓軟管、換向手柄和雙向液壓鎖實現液壓手動泵(機動泵)的快速連接。液壓支柱結構示意圖如圖3所示。

液壓回路的自鎖和高壓回流保證了支護裝備在忽然泄壓和壓力超過額定工作壓力時的安全性和可靠性，其殼體材料采用重量輕、抗沖擊火花的高強度鋁合金材質和阻燃抗靜電等輕型塑料材質。

(2)液壓支柱液壓工作原理。液壓支柱液壓工作原理圖如圖4所示。

1-底部連接頭；2-缸體；3-活塞；4-頂端連接頭；5-雙向液壓鎖；6-換向手柄；7-高壓軟管圖3 液壓支柱結構示意圖

1-溢流閥；2-液壓缸；3-液壓鎖；4-溢流閥； 5-三位四通閥；6-溢流閥；7-快換接頭；8-快換接頭圖4 液壓支柱液壓工作原理圖

由圖4可以看出，快換接頭7和快換接頭8分別與機動泵或手動泵的快換接頭相連，通過手柄讓三位四通閥5處于左位時，液壓鎖3左路單向閥打開進油，對液壓缸2進行供油，同時控制油路打開右路單向閥回油，當進油腔壓力超過額定工作壓力時，溢流閥1打開，通過快換接頭7自動回油；當三位四通閥5處于右位時，對液壓缸2反向供油，其原理與左位供油相同。松開手柄時，三位四通閥5自動回到中位，進油口P和出油口T導通，管路泄壓，液壓缸2在兩個單向閥的作用下左右油缸處于靜止狀態，起到自鎖作用。當回油管路堵塞時，溢流閥6開啟，液壓油直接泄壓，防止損壞液壓支柱。

2.2 延長柱

延長柱是一種長度固定不變的支撐桿，主要由兩端連接頭、柱體和固定銷組成，可實現對支撐系統的快速延長，每根延長柱上都有反光彩色條，便于在黑暗中使用。常用的延長柱長度有250 mm和500 mm，延長柱結構示意圖如圖5所示。

1-連接頭；2-柱體；3-連接座；4-固定銷圖5 延長柱結構示意圖

2.3 手動支柱

手動支柱兩端具有快速連接頭，主要通過轉動螺紋套調節內柱的伸出長度，達到改變整體長度的功能。螺紋套和內柱都為梯形螺紋配合，具有自鎖性能。手動支柱結構示意圖如6所示。

1-固定銷；2-連接座；3-外柱；4-螺紋套；5-內柱；6-連接頭圖6 手動支柱結構示意圖

在支柱撐頂重物時，為了保證安全和支撐不松動，要對支柱進行鎖定。支柱的自鎖裝置由支柱內柱、支柱外柱、鎖定套、鎖定柱和鎖球等組成。鎖定套設于支柱內柱及支柱外柱外，并可軸向移動及通過限位結構固定，鎖定套設有環形鎖腔及連通內柱和環形鎖腔的鎖孔，鎖定柱的一端與外柱連接，另一端伸入環形鎖腔，鎖定柱和內柱的外側均設有環槽。鎖球設于鎖定柱環槽內，并可通過鎖孔進入內柱環槽。自鎖狀態結構示意圖如圖7所示。

2.4 支撐頭

支護裝備里配備適用性強且種類繁多的支撐頭來完善各類支撐系統。平面支撐頭用于支撐平面表面；U型支撐頭帶固定孔，用于梁支撐；萬向支撐頭帶固定孔，可旋轉，用于不平坦或傾斜的表面支撐；十字支撐頭用于多種表面；三腳架架頭用于組建三腳架；旋轉支撐頭可與底座固定帶形成穩定的三角形結構，也可與手動支柱、架頭等形成救援三腳架。

1-內柱環槽；2-鎖球；3-鎖定柱；4-彈簧；5-外柱；6-鎖定柱環槽；7-環形鎖腔；8-內柱圖7 自鎖狀態結構示意圖

3 技術性能特點及應用

2013年1月，中煤科工集團重慶研究院對礦用救援輕型快速成套支護裝備進行了立項，2014年12月，完成對了礦用救援輕型快速成套支護裝備的樣機制造并測試合格，該裝備所用輕合金及非金屬材料順利通過國家安全生產重慶礦用設備檢測檢驗中心的安全與性能檢驗。

礦用救援輕型快速成套支護裝備目前已在淮南礦業集團礦山救護隊、華能白山煤矸石有限公司礦山救護隊和國投煤炭有限公司礦山救護隊等多家救援隊中配備應用，成功處理多起局部冒頂事故，實現了快速搭建救援通道。礦用救援輕型快速成套支護裝備與傳統支護裝備相比主要有以下特點：

(1)采用礦用抗沖擊火花、阻燃抗靜電等高強度輕型材料，具有安全、輕便、環境適應性強等特點，便于救援人員井下攜帶救援。

(2)該裝備采用的液壓系統具有初撐力大、支護速度快以及安全穩定的特點，每根支柱上配備安全鎖緊裝置，以保證支撐安全。

(3)該裝備可支撐高度范圍為0.5～4 m，采用多功能萬向端頭，不僅可以在任意傾斜角度、橫向或縱向進行快速支護，也可以對狹小空間等復雜條件進行特殊支護，配備短型、中型、長型等各種規格延長桿，可通過加裝不同的延長桿來增加支撐高度。

4 結語

礦用救援輕型快速成套支護裝備具有抗沖擊火花、阻燃抗靜電、安全自鎖、支護高度范圍可調并且便于攜帶等優點，該新型裝備能夠適應煤礦井下特殊、復雜救援環境的安全要求，大大提高了處理局部冒頂事故的救援效率。隨著國家對安全生產應急救援隊伍的救援裝備投入力度的加大，礦用救援輕型快速成套支護裝備將作為救護隊員的有力武器，得以廣泛推廣應用。